儀器技術(shù)最新發(fā)展趨勢及應用

1、儀器分析技術(shù)最新發(fā)展趨勢及應用摘 要：本文闡述了現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展中儀器分析發(fā)展的現(xiàn)狀及其基礎地位，儀器分析的特點及存在的局限性及最新發(fā)展趨勢。特別是當今儀器分析技術(shù)吸取數(shù)學、物理學、計算機科學以及生物學中的新思想、新理念、新方法和新技術(shù),不斷完善現(xiàn)有的儀器分析技術(shù)，使儀器分析技術(shù)正朝著快速、準確、自動、靈敏以及適應特殊分析方向而迅猛發(fā)展，這就是當今儀器分析技術(shù)發(fā)展的總趨勢！關鍵詞：儀器分析 分析方法 發(fā)展趨勢當代科學技術(shù)發(fā)展的主要特征是高度分化和高度綜合，分析化學也不例外。分析化學是四大化學之一，包括兩大范疇化學分析和儀器分析。化學分析是指利用化學反應和它的計量關系來確定被測物質(zhì)的組成和含量的

2、一類分析方法。儀器分析是以物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理化學性質(zhì)為基礎建立起來的一種分析方法，常常需要使用比較復雜的儀器。儀器分析又分為基礎儀器分析和現(xiàn)代儀器分析，現(xiàn)代儀器分析又分為波譜分析、光譜分析、電化學分析、色譜分析、電鏡分析、放射化學分析等。1 儀器分析技術(shù)的基礎地位現(xiàn)代儀器分析是一門信息科學，用于陳述事物的運動狀態(tài)，促進人與環(huán)境的相互交流?，F(xiàn)代儀器分析也是一門信息技術(shù)，涉及信息的生產(chǎn)、處理、流通、也包括信息獲取、信息傳遞、信息存儲、信息處理和信息顯示等，有效地擴展了人類信息器官的功能。人們通常將信息與物質(zhì)!能源相提并論，稱為人類社會賴以生存發(fā)展的三大支柱。世界由物質(zhì)組成的，沒有物質(zhì)世界便虛無縹

3、緲。能量是一切物質(zhì)運動的源泉，沒有能源，世界便成為靜寂的世界。信息則是客觀事物與主觀認識相結(jié)合的產(chǎn)物，沒有信息交換，世界便成為沒有生氣的世界，人類無法生存和發(fā)展。生產(chǎn)和科研的發(fā)展，特別是生命科學和環(huán)境科學的發(fā)展，對分析化學的要求不再局限于“是什么”、“有多少”？而是要求提供更多更全的信息，即從常量到微量分析，從微量到微粒分析，從痕量到超痕量分析，從組成到形態(tài)分析，從總體到微區(qū)分析，從表現(xiàn)分布到逐層分析，從宏觀到微觀結(jié)構(gòu)分析，從靜態(tài)到快速反應追蹤分析，從破壞試樣到試樣無損分析，從離線到在線分析等。儀器分析是生產(chǎn)和科研的眼睛，是高科技發(fā)展的基礎和伴侶?，F(xiàn)代分析儀器是基于多學科的高技術(shù)產(chǎn)物，離開現(xiàn)代

4、儀器分析，高新技術(shù)研究與進步寸步難行。2 儀器分析的發(fā)展2.1 儀器分析內(nèi)容如圖所示方法類型測量參數(shù)或有關性質(zhì)相應的分析方法光學分析法輻射的發(fā)射原子發(fā)射光譜法，火焰光度法等輻射的吸收原子吸收光譜法，分光光度法，核磁共振光譜法，熒光光譜法輻射的散射比濁法，拉曼光譜法，散射濁度法輻射的折射折射法，干涉法輻射的衍射X射線衍射法，電子衍射法輻射的轉(zhuǎn)動偏振法，旋光色散法，圓二向色性法電化學分析法電導電導分析法電位電位分析法，計時電位法電流電流滴定法電流-電壓伏安法，極譜分析法電量庫倫分析法色譜法兩相間分配氣相色譜法，液相色譜法熱分析法熱性質(zhì)熱重法，差熱分析法，示熱掃描量熱分析電鏡分析高能電子束與試樣作用

5、射透電子顯微術(shù)，掃描電子顯微術(shù)2.2 儀器分析的特點及局限性2.2.1 儀器分析的特點分析速度快，適于批量試樣的分析，許多儀器配有連續(xù)自動進樣裝置，采用數(shù)字顯示和電子計算機技術(shù)，可在短時間內(nèi)分析幾十個樣品，適于批量分析。有的儀器可同時測定多種組分。靈敏度高，適于微量成分的測定，靈敏度由1×10-6%發(fā)展到1×10-12%；可進行微量分析和痕量分析。容易實現(xiàn)在線分析和遙控監(jiān)測，在線分析以其獨特的技術(shù)和顯著的經(jīng)濟效益引起人們的關注與重視，現(xiàn)已研制出適用于不同生產(chǎn)過程的各種不同類型的在線分析儀器。例如中子水分計就是一種較先進的在線測水儀器，可在不破壞物料結(jié)構(gòu)和不影響物料正常運行狀

6、態(tài)下準確測量，并用于鋼鐵、水泥和造紙等工業(yè)流程的在線分析。又如，高聚物的高熔點和高黏度，使聚合物生產(chǎn)過程的本身及聚合物改性直至形成產(chǎn)品的一系列過程都要在高溫、高壓條件下進行，這使對聚合物的采樣分析十分困難。利用光纖探頭式分光光度計可監(jiān)測聚合過程中聚醚的羥基濃度，反射式探頭直接插入反應罐內(nèi)，儀器離探測點達50m。用途廣泛，能適應各種分析要求除能進行定性分析及定量分析外，還能進行結(jié)構(gòu)分析、物相分析、微區(qū)分析、價態(tài)分析和剝層分析等。樣品用量少可進行不破壞樣品的無損分析，并適于復雜組成樣品的分析。2.2.2 儀器分析的局限性儀器設備復雜，價格及維護費用比較昂貴，對維護及環(huán)境要求較高。儀器分析是一種相對

7、分析方法，一般需用已知組成的標準物質(zhì)來對照，而標準物質(zhì)的獲得常常是限制儀器分析廣泛應用的問題之一。相對誤差較大，通常在百分之幾至百分之幾十，不適用于常量和高含量組分的分析。因此，儀器分析法和化學分析法是相輔相成的，在使用時應根據(jù)具體情況,取長補短,互相配合，充分發(fā)揮各種方法的特長，才能更好地解決分析化學中遇到的各種各樣實際問題。2.3 儀器分析技術(shù)的發(fā)展過程化學科學的產(chǎn)生以來，經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，實現(xiàn)了三次變革。第一階段：16世紀，天平的出現(xiàn)。分析化學具有了科學的內(nèi)涵；20世紀初，依據(jù)溶液中四大反應平衡理論，形成分析化學的理論基礎，分析化學由一門操作技術(shù)變成一門科學。分析化學的第一次變革，20

8、世紀40年代前，化學分析占主導地位,儀器分析種類少和精度低。第二階段：20世紀40年代后，儀器分析的大發(fā)展時期。儀器分析使分析速度加快,促進化學工業(yè)發(fā)展，化學分析與儀器分析并重，儀器分析自動化程度低；這一時期一系列重大科學發(fā)現(xiàn)，為儀器分析的建立和發(fā)展奠定基礎。儀器分析的發(fā)展引發(fā)了分析化學的第二次變革。第三階段：80年代初，以計算機應用為標志的分析化學第三次變革。計算機控制的分析數(shù)據(jù)采集與處理：實現(xiàn)分析過程的連續(xù)、快速、實時、智能；促進化學計量學的建立?；瘜W計量學：利用數(shù)學、統(tǒng)計學的方法設計選擇最佳分析條件，獲得最大程度的化學信息?；瘜W信息學：化學信息處理、查詢、挖掘、優(yōu)化等。以計算機為基礎的新

9、儀器的出現(xiàn)：傅里葉變換紅外光譜儀，色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀。3 現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代儀器分析技術(shù)正向智能化數(shù)字化方向發(fā)展。發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)是：基于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的應用實現(xiàn)分析儀器的自動化，通過計算機控制器和數(shù)字模型進行數(shù)據(jù)采集、運算、統(tǒng)計、分析、處理，提高分析儀器數(shù)據(jù)處理能力，數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實現(xiàn)了分析儀器數(shù)字圖像處理功能的發(fā)展；分析儀器的聯(lián)用技術(shù)向測試速度超高速化、分析試樣超微量化、分析儀器超小型化的方向發(fā)展。重點研究方向包括：一是高通量分析,即在單位時間內(nèi)可分析測試大量的樣品。二是極端條件分析，其中單分子單細胞分析與操縱為目前熱門的課題。三是在線、實時、現(xiàn)場或原位分析,即從樣品采

10、集到數(shù)據(jù)輸出,實現(xiàn)快速的或一條龍的分析。四是聯(lián)用技術(shù)，即將兩種(或兩種以上)分析技術(shù)聯(lián)接，互相補充，從而完成更復雜的分析任務。聯(lián)用技術(shù)及聯(lián)用儀器的組合方式，特別是三聯(lián)甚至四聯(lián)系統(tǒng)的出現(xiàn)，已成為現(xiàn)代分析儀器發(fā)展的重要方向。五是陣列技術(shù)，如果把聯(lián)用分析技術(shù)看成計算機中的串行方法，那么陣列技術(shù)就等同于計算機中的并行運算方法。和計算機一樣，陣列方法是大幅度提高分析速度或樣品批處理量的最佳方案。一旦將并行陣列思路與集成和芯片制作技術(shù)完美結(jié)合,儀器分析技術(shù)就將向新的領域進發(fā)。3.1 提高靈敏度這是各種分析方法長期以來所追求的目標。當今許多新的現(xiàn)代技術(shù)引入分析化學，都是與提高分析方法的靈敏度有關,如激光技術(shù)

11、的引入，促進了激光共振電離光譜、激光拉曼光譜、激光誘導熒光光譜、激光光熱光譜、激光光聲光譜和激光質(zhì)譜的發(fā)展，大大提高了分析方法的靈敏度，使得檢測單個原子或單個分子成為可能。多元配合物、有機顯色劑和各種增效試劑的研究與應用，使吸收光譜、熒光光譜、發(fā)光光譜、電化學及色譜等分析方法的靈敏度和分析性能得到大幅度地提高。3.2 解決復雜體系的分離問題及提高分析方法的選擇性迄今,人們所認識的化合物已超過1000萬種，而且新的化合物仍在快速增長。復雜體系的分離和測定已成為分析化學家所面臨的艱巨任務。由液相色譜、氣相色譜、超臨界流體色譜和毛細管電泳等所組成的色譜學是現(xiàn)代分離、分析的主要組成部分并獲得了很快的發(fā)

12、展。以色譜、光譜和質(zhì)譜技術(shù)為基礎所開展的各種聯(lián)用、接口及樣品引入技術(shù)已成為當今分析化學發(fā)展中的熱點之一。在提高方法選擇性方面，各種選擇性試劑、萃取劑、離子交換劑、吸附劑、表面活性劑、各種傳感器的接著劑、各種選擇檢測技術(shù)和化學計量學方法等是當前研究工作的重要課題。3.3 擴展時空多維信息現(xiàn)代分析化學的發(fā)展已不再局限于將待測組分分離出來進行表征和測量，而是成為一門為物質(zhì)提供盡可能多的化學信息的科學。隨著人們對客觀物質(zhì)的認識的深入，某些過去所不甚熟悉的領域，如多維、不穩(wěn)態(tài)和邊界條件等也逐漸提到分析化學家的日程上來。例如現(xiàn)代核磁共振波譜、紅外光譜、質(zhì)譜等的發(fā)展，可提供有機物分子的精細結(jié)構(gòu)、空間排列構(gòu)型

13、及瞬態(tài)等變化的信息，為人們對化學反應歷程及生命過程的認識展現(xiàn)了光輝的前景。化學計量學的發(fā)展，更為處理和解析各種化學信息提供了重要基礎。3.4 微型化及微環(huán)境的表征與測定微型化及微環(huán)境分析是現(xiàn)代分析化學認識自然從宏觀到微觀的延伸。電子學、光學和工程學向微型化發(fā)展，人們對生物功能的了解，促進了分析化學深入微觀世界的進程。電子顯微技術(shù)、電子探針X射線微量分析、激光微探針質(zhì)譜等微束技術(shù)已成為進行微區(qū)分析的重要手段。在表面分析方面，電子能譜、次級離子質(zhì)譜、脈沖激光原子探針等的發(fā)展，可檢測和表征一個單原子層，因而在材料科學、催化劑、生物學、物理學和理論化學研究中占據(jù)重要的位置。此外，對于電極表面修飾行為和

14、表征過程的研究，各種分離科學理論、聯(lián)用技術(shù)、超微電極和光譜電化學等的應用，為揭示反應機理，開發(fā)新體系，進行分子設計等開辟了新的途徑。3.5 形態(tài)、狀態(tài)分析及表征在環(huán)境科學中，同一元素的不同價態(tài)和所生成的不同的有機化合物分子的不同形態(tài)都可能存在毒性上的極大差異。在材料科學中物質(zhì)的晶態(tài)、結(jié)合態(tài)更是影響材料性能的重要因素。目前已報道利用諸如陽極溶出伏安法、X射線光電子能譜、X射線熒光光譜、X射線衍射、熱分析、各種吸收光譜方法和各種聯(lián)用技術(shù)來解決物質(zhì)存在的形態(tài)和狀態(tài)問題。3.6 生物大分子及生物活性物質(zhì)的表征與測定上世紀70年代以來，世界各發(fā)達國家都將生命科學及其有關的生物工程列為科學研究中最優(yōu)先發(fā)展

15、的領域，在歐、美、日等地區(qū)和國家具有戰(zhàn)略意義的宏大研究規(guī)劃“尤利卡計劃”，“人類基因圖”及“人體研究新前沿”中，生物大分子的結(jié)構(gòu)分析研究都占據(jù)重要的位置。我國在2000年前發(fā)展高技術(shù)戰(zhàn)略的規(guī)劃中,也把生物技術(shù)列為七個重點領域之一。一方面生命科學及生物工程的發(fā)展向分析化學提出了新的挑戰(zhàn)。另一方面仿生過程的模擬，又成為現(xiàn)代分析化學取之不盡的源泉。當前采用以色譜、質(zhì)譜、核磁共振、熒光、磷光、化學發(fā)光和免疫分析以及化學傳感器、生物傳感器、化學修飾電極和生物電分析化學等為主體的各種分析手段，不但在生命體和有機組織的整體水平上，而且在分子和細胞水平上來認識和研究生命過程中某些大分子及生物活性物質(zhì)的化學和生

16、物本質(zhì)方面,已日益顯示出十分重要的作用。3.7 非破壞性檢測及遙測它是分析方法的又一重要外延。當今的許多物理和物理化學分析方法都已發(fā)展為非破壞性檢測。這對于生產(chǎn)流程控制，自動分析及難于取樣的諸如生命過程等的分析是極端重要的。遙測技術(shù)應用較多的是激光雷達、激光散射和共振熒光、傅里葉變換紅外光譜等，已成功地用于測定幾十公里距離內(nèi)的氣體、某些金屬的原子和分子、飛機尾氣組成，煉油廠周圍大氣組成等，并為紅外制導和反制導系統(tǒng)的設計提供理論和實驗根據(jù)。3.8 自動化及智能化微電子工業(yè)、大規(guī)模集成電路、微處理器和微型計算機的發(fā)展，使分析化學和其它科學與技術(shù)一樣進入了自動化和智能化的階段。機器人是實現(xiàn)基本化學操

17、作自動化的重要工具。專家系統(tǒng)是人工智能的最前沿。在分析化學中，專家系統(tǒng)主要用作設計實驗和開發(fā)分析方法，進行譜圖說明和結(jié)構(gòu)解釋。上世紀八十年代興起的過程分析已使分析化學家擺脫傳統(tǒng)的實驗室操作，進入到生產(chǎn)過程、甚至生態(tài)過程控制的行列。分析化學機器人和現(xiàn)代分析儀器作為“硬件”，化學計量學和各種計算機程序作為“軟件”，其對分析化學所帶來的影響將會是十分深遠的。參考文獻1 武漢大學化學系.儀器分析M.北京:高等教育出版社,2001.2 譚湘成.儀器分析(第3版)M.北京:化學工業(yè)出版社,2008.3 黃一石.儀器分析(第2版)M.北京:化學工業(yè)出版社,2008.4 楊容,劉海燕,周雅璇.儀器分析發(fā)展現(xiàn)狀及其在農(nóng)林科學中的應用.河北農(nóng)業(yè)大學學報(農(nóng)林教育版),2004,(6).5 胡長平.儀器分析的發(fā)展歷程.安徽科技.2004,(10):4