第1章 绪论
1.1 分析化学发展概述
20世纪以来，由于近代科学技术的发展，相邻学科之间相互渗透，分析化学的发展经历了3次巨大的变革，大体上可以划分为3个时代。
（1）化学分析
20世纪初期，以化学分析为主，可以定量测定到0.1%～0.2%的组分。含量低于上述组分，只能定性分析确认其存在，但不能定量测定。
（2）仪器分析
20世纪40～50年代，第二次世界大战前后，核材料和半导体电子材料的发展，提出了大量痕量分析的新要求，促进了分析化学中物理方法的发展，一些简便、快速、灵敏的仪器分析方法，逐步取代了繁琐费时的经典化学分析方法，进入了近代痕量分析时代。将测定组分含量大于1%的称为常量组分；含量为0.01%～1.0%的称为微量组分；含量小于0.01%称为痕量组分。
（3）现代分析科学
20世纪70年代末到现在，以计算机和化学计量学的应用为主，提供物质更全面的信息，进入了计算机信息时代。现代分析技术检出限已有重大改善，可以测定pg（10-12g）甚至fg（10-15g）级的痕量组分。现代分析科学吸取了当代科学技术的最新成就（化学、物理、数学、电子学、生物学等），利用物质一切可以利用的性质（光学、电学、磁学、热学、声学等），建立表征测量的新方法、新技术，开拓了新领域。现代分析化学的重点领域主要有以下几个方面。
1.1.1 痕量分析
随着科学技术的发展，痕量组分在材料科学、环境科学、生命科学等领域的作用，已越来越引起人们的重视。因此痕量组分的测定（痕量分析）是现代分析化学引人瞩目的前沿课题之一，由于被测组分的含量太低，不仅要求其测定方法具有很高的灵敏度、一定的准确度和选择性，而且还有许多较为特殊的问题和困难需要予以注意和克服，而后者在一般的分析化学课程中很少涉及，但这些问题在进行痕量分析时又必须重视，因此是本课程所要讨论的内容。
20世纪40年代，第二次世界大战中，美国制造原子弹，建立原子反应堆，提纯核材料，使痕量分析成为分析化学中最重要的领域。高技术核材料要求“核纯”，由于钐、铕、钆等稀土元素具有很高的热中子俘获截面，必须仔细提纯除去。如原子反应堆使用的高纯石墨材料，上述杂质含量必须低到0.1ng/g级。第三代高分辨率锗辐射探测器采用高纯金属锗制备，其杂质含量低达pg/g（10-12g/g）级。这些高纯材料的提纯过程，必须依赖高灵敏度的痕量分析方法，对其纯度作出可靠的评价。
20世纪50年代初期，电子学中半导体材料崛起，观察到半导体的电性能与杂质含量有关。由于重金属杂质具有电活性，严重降低单晶硅中载流子的寿命，所以其含量须在1ng/g或0.1ng/g以下，测定杂质含量在10-8%～10-6%或更低。半导体材料使人们认识到痕量元素在超纯材料中的重要性，从而开辟了痕量分析的新时代。
现在最纯的单晶硅已经达到10万亿个硅原子中只有3个杂质原子，即杂质含量为0.3pg/g。
光导纤维传导的光通讯，在声讯技术方面是划时代的重大突破。光导纤维材料中某些有色金属，如铁、锰、钒、铜、钴、镍、铬等杂质吸收光，降低光的传导效率。因此光导纤维的通讯容量取决于光导纤维的纯度。一般要求将这些杂质的含量控制在ng/g～pg/g（ppb～ppt）级。这一新技术的发展，往往与光导纤维材料中痕量杂质的准确测定密切相关。
高度集成化的半导体器件对水的纯度提出了越来越高的要求。现行电子工业部颁标准所提出的<0.5ppb离子浓度已满足不了微电子工业发展的需要，目前需要监测低至0.01ppb的离子浓度和10ppb左右的杂质气体浓度，但我国尚无满足要求的分析实验室，不得不将水样送国外实验室分析。
在高技术材料研究中，痕量元素分析不仅需要控制痕量元素的含量，而且需要了解元素的状态、结构及空间分布情况。从组成到形态分析，从总体到微区分析；从整体到表面、分布及逐层分析，从宏观组分到微观结构分析；从常量到微量及微粒样分析等。在高技术材料分析中已经广泛采用各种分析技术（见图1-1），对材料的组成、分布、结构等进行表征测量。
图1-1 材料分析的各种技术
20世纪80年代涌现出两项世人瞩目的尖端研究——高温超导材料及室温核聚变，分析方法的灵敏度和可靠程度，已被认为是深入探讨其理论的基础及解决争论的关键。在高温超导材料研究中，已经深入到材料的组成及结构分析的探讨中。而室温核聚变由于有关产物分析的灵敏度和准确度缺乏可靠性，难以重复，已被基本否定，而处于冷落状态。由此也可看出，发展现代痕量分析化学的重要性。
现代高技术材料科学的迅速发展，为痕量分析化学提出了一系列新课题。如微电子工业中超大规模集成电路组件，已经采用微型纳米（nanometer，10-9m）技术，出现了所谓纳米材料、纳米结构、纳米工程等一种新领域。纳米尺度晶体管器件只有25nm，相当于一根头发直径的1/3000，比100个原子排列起来稍大一点。这种崭新的微电子学正处于研究阶段，如果成功，由它制造出的新型计算机的计算速度将会提高几个数量级，能对人类语言、复杂的视觉图像，做出智能判断。
微型纳米材料由于试样微小，已经无法进行采样细分，微粒及微区分析成为现代分析化学中最有发展潜力的领域之一。近来发展的场发射枪聚焦电子束的电子显微技术，已经使横向分辨高达0.5nm，可作厚度为2～3个原子层的表征测量。利用场离子显微技术进行原子微探针分析，可分辨单个原子。由于试样向微型化发展，利用微束技术在微区进行痕量分析是发展微区、表面、纵深剖析的重要研究方向。新近发展的电子扫描显微镜技术已可观察单个原子运动轨迹。这些新技术对于微电子材料、半导体材料、薄膜材料的研究和发展，具有十分重要的意义。
1.1.2 环境分析化学
20世纪60年代以来，环境污染所造成的危害引起人类极大的关注。过去人类的健康依赖于对传染病的预防和治疗，现在环境污染已成为死亡的主要原因，如癌症、心血管疾病、动脉硬化等。世界上每年死于癌症的有500多万人，其中80%～90%由环境污染而致死。如80年代以来，在日本，癌症已取代中风成为死亡的主要原因。据“国际吸烟和癌症会议”估计，全球每年平均约有300万人死于与吸烟有关的疾病。
人体从环境中接触致癌物，潜伏期平均为15～20年。因此系统研究环境污染对人体的毒性作用很困难。如众所周知的公害日本水俣病（汞中毒），早在1953年就在该地区发现这种畸异病的症状，到1968年才确认是痕量甲基汞中毒所致，长达15年之久。富山市骨痛病（镉中毒），发现于1910年，直到1967年才弄清是炼锌厂废水带来痕量镉的污染所引起，长达57年。
至今人们已知的化学物质已达1000余万种，而且新的化合物仍在以指数速度方式增长，每7～8年翻一番。化学产品年产量已超过5亿吨，大量废水及废渣导致环境污染。
环境退化及其所伴随的对人体健康的威胁和生态系统的破坏，已在全球大规模出现。人们对于保持环境质量的重要性已有深刻认识，但保护环境需要充分的知识，如在空气、水、土壤和食品中，存在哪些有害物质？这些物质来自哪里？显而易见，解决上述问题，分析化学家应起核心作用，了解环境中存在哪些物质，需要分析化学家研究和发展高灵敏、高选择性的分析技术。分析化学家应与气象学家、海洋学家、生物学家、水文学家、气候学家等开展合作研究，追根求源，起到“眼睛”的侦察作用。把“检测变成保护”，一切环境保护战略均应立足于真实的规定有害标准值，以及在有害物质的存在量远未达到该有害标准值之前就能检测出。提前检测出该有害物质，就可以把检测和保护等同起来。由此可见环境分析的重要性。
化学元素中已知砷、镉、铍、钇为致癌元素。镭、铀、钍等放射性元素也是致癌元素。国际癌症研究机构（IARC）对致癌元素及其化合物的危险性曾作过较全面的评价，如含砷化合物是人们所共知的剧毒物，但单质砷是无害的，三氧化二砷（砒霜）及砷酸盐类有剧毒。1956年世界上最大的砷中毒，即日本“森永奶粉事件”，是由于生产奶粉时添加的乳质稳定剂磷酸二氢钠中含3%～6% As2O3。现在研究表明含砷药物（如666等）、含砷量高的饮用水及砷职业环境会引起皮肤癌。台湾台南地区居民长期饮用含砷量高（0.24～0.96μg/g）的井水，发现慢性砷中毒，即所谓“黑脚病”流行，皮肤色素沉着变黑，角化肥厚，龟裂性溃疡，有的恶变成皮肤癌。
镉污染也带来危害，实验表明镉是唯一能引起大鼠高血压的痕量元素。高血压在西方国家成为一种常见的多发病，据报道，美国28个城市中高血压的死亡率和空气中传播的镉含量有密切关系。香烟中的镉含量为1～2μg/支，吸烟时有70%进入烟雾。每天吸一包烟，在人体内将积累1.5μg镉，每年积累0.5mg镉。
稀土元素中钇及钪具有致癌作用，进入人体后排出速度慢，具有长期积累作用。我国稀土资源极为丰富，随着稀土的推广应用，稀土元素也会进入生活环境。如稀土微肥对农作物有较明显的增产效果，已进行农田试验。还有加稀土的铁锅、化妆品、毛线等等。由于某些稀土元素的致癌作用，长期毒性试验尚在进行中，对稀土元素在生产生活的实际应用，我们应理性看待。
痕量元素在环境或毒理方面的影响与其存在形式密切相关，元素的化学形态可划分为3大类：元素、元素无机化合物、元素有机化合物。某一元素的不同化学形态都具有不同的环境分布和毒害。因此，在环境科学中有关元素形态的研究日益重要，元素形态分析也在迅速发展，已成为环境科学中的研究热点。
1.1.3 生物分析化学
生命科学已被人们视为21 世纪的中心科学。它涉及生物特别是人的生长、生殖、代谢、疾病、衰老及死亡等生命现象。由于蛋白质、核酸等生物分子的人工合成，以及组成、结构与功能间关系的研究，揭示了生命过程的奥秘，生命科学的研究向分子水平发展，进入了一个崭新的阶段。随着生命科学的发展，生物分析化学应运而生。生命科学研究中涉及的生物工艺学、基因工程、分子生物学和遗传学的影响，对分析化学家提出了挑战。生命科学的发展正在促进分析化学的发展。1987年，在美国国家标准局（NBS）召开的“痕量分析讨论会”上，研讨了痕量分析化学的过去、现在和未来。认为痕量分析的重点已从环境问题方面转移到生物分析化学方面。
美国匹兹堡分析化学及应用光谱会议是世界分析化学方面最大的学术会议，被誉为“世界分析化学及分析仪器的窗口”，可以观察到分析化学的发展动向。1989年以来的历届会议上交流的论文中，生物分析及生命科学的论文数量逐年增加，在生物分析及生命科学中应用最多的色谱、质谱、电化学、红外光谱等分子分析方法居于前列。它们的论文总数已超过会议论文总数的一半。无机分析中应用最多的原子分析方法，如原子发射光谱、原子吸收、X射线荧光光谱已退居次要地位，占论文总数中不到10%。专题讨论也反映了这一发展动向，生物分析及生命科学以及与其关系密切的色谱、质谱、电化学分析的专题讨论会最多，占专题讨论会总数一半以上。其中1989年会议的主题是90年代中分析化学在生物工程及生物药物领域中的作用。美国Bristol-Myers生物工程副主席R.Elander向分析化学家呼吁：生物化学家通过遗传工程已有大量实用的蛋白质，可提供给人类。在90年代中，蛋白质工程肯定会全部走向为消费服务。但在10万个有用的人体蛋白质中，已知结构的仅2000个（占总数2%）。人们开始懂得蛋白质的第一代结构，但对于第二、第三和第四代结构知道得很少。酶化学家十分需要生物传感器及控制分析。在化粪池中进行深度发酵，使大肠杆菌产生人体蛋白质，这是在非常肮脏的环境中工作。目前还没有性能可靠的控制pH值、溶解氧及氧化还原的在线传感器，来监测生物反应器内反应进行的程度。世界上已有860个生物工程公司，其中有一半在美国。生物工程产品要求无毒、保证质量，必须经过严格的分析检验。由于缺乏先进的分析方法和分析仪器，目前获得批准生产的生物工程新产品每年仅有1～2个，只有分析化学家和生物化学家紧密合作，才能促进生物工程及生物药物的发展。
所有生命过程都是通过生物大分子（包括酶、核酸和受体）和各种不同结构的小分子（如激素、神经传导物质、神经调节物质和微量元素等）之间的相互作用而调节。人们控制复杂生物过程的能力，依赖于在分子水平上对生物过程的了解程度。所以，化学正处于能对生理学、医学做出重要贡献的地位。如在癌症的研究方面，人们发现当正常细胞转变成恶性癌细胞时，其生长异常，体内无限制的增长，对生命造成威胁。近年来在癌症研究中最引人注目的进展，是发现在正常细胞中有导致细胞恶化的基因。这类基因与正常细胞转化为恶性细胞病毒的基因（癌基因）相似或相同。分析化学家能够测定正常基因和致癌基因的核苷酸序列，当细胞的一个基因中的一个核苷酸被改变时，就能使基因产物中一个特定的氨基酸被另一氨基酸所取代，结果使正常细胞转变成恶性细胞。在分子水平上分析鉴定正常细胞与癌细胞的蛋白质之间的差异，为研制新的治癌药物提供了基础，能更合理的研究新治疗方法。现在对癌的起源和癌症的化学治疗都已取得富有成效的进展。
生物分析化学的发展对生命科学提供了新的机遇和挑战。远从DNA 双螺旋的发现，近从人类基因测序的完成，紧接着基因组学、蛋白质组学、代谢组学、金属组学，以至当今提出的系统生物学、合成生物学等都与分析化学（科学）相依相随。生命科学研究的两大根本目的“揭示和阐明生命物种的起源和本质”、“改善和提高人类自身的生活品质和生存时间”使得生命分析化学的内涵变得更加广阔，任务更加艰巨，学科交叉更加深入。
世界各发达国家都将生命科学列为优先发展领域，而美国居领先地位。据美国国家科学基金会（NSF）统计资料，1990年美国大学的研究及开发经费为134亿美元，生命科学研究经费占54%，化学研究经费仅占5%。美国大学的化学家为了获得充分的经费，纷纷投入生命过程中化学的研究，已经形成生物无机、生物分析、生物有机、生物物理化学等生命化学新领域。我国在2000年前发展高科技战略规划中，也将生物技术列为7个重点领域之一。生命科学的发展已经向分析化学提出了新的挑战。
1.1.4 联用技术
联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。将几种分析方法结合起来，其中特别是将一种分离手段（如色谱方法）和一种检测方法结合组成的联用分析技术，不仅有可能将它们各自的优点汇集起来，起到方法间的协同作用，从而提高方法的灵敏度、准确度及分辨能力，同时还可能获得两种方法各自单独使用时所不具备的某些功能，以得到更多、更全面的信息。例如，在环境科学研究中，分析化学家面临的挑战是需要在很多无害化合物的复杂混合物中测定某一特定的痕量化合物。例如二
英（dioxin）家族中的四氯二英（TCDD）有22种异构体，其中毒性最大的2，3，7，8-四氯二英，比次毒性的2，3，6，9-四氯二英的毒性高1000倍。应用色质联用技术能分离测定10-12g/g（ppt）级22种四氯二英的异构体。
联用分析法定义为“由合适的接口把两个分开的分析技术连接起来，一般还靠一台计算机把所有的部件都连接起来”。联用法起到增加定性分辨能力，增加分离能力以及能体现出方法之间的协同效应。目前联用较多的是色谱与光谱之间的结合。原子光谱与色谱结合可提供色谱峰的元素信息，质谱、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振波谱、紫外-可见光谱以及荧光光谱等与色谱结合可提供色谱峰的分子结构信息。此外，有热重分析仪与傅里叶红外光谱的联用和流动注射分析与原子吸收光谱或电感耦合等离子体质谱的联用。也有一个分离技术和两个光谱仪联用的，如：气相色谱-质谱-红外光谱的联用仪和液相色谱-质谱-质谱的联用仪。气相色谱-质谱-红外光谱的特点是有些异构体进行质谱鉴定时不能给出确切的结构式，这时可利用异构体在红外光谱上的不同出峰位置给予区别，再与标准谱图对照后就可给出较确切的鉴定结果。液相色谱-质谱-质谱联用仪的特点是与两台质谱仪联用后可大大提高质谱的灵敏度和选择性，而且只需要很少量的样品净化工作量，因此由色谱得到的峰不一定要求得到100%的分离。
在水质监测中，美国环境保护局建立了气相色谱-质谱法测定水中痕量有机物质的方法。仅此项测定，每年花费1亿美元。但很多有机化合物不具有挥发性，气相色谱法不能检测出。有些有机化合物的质谱尚无谱图可查，结果约有一半有机化合物未能测出。人们认为液相色谱与多种光谱法联用，将是适宜的方法。
日本已经建立河水、海水中有益元素及某些痕量元素的分析方法，但方法的灵敏度和选择性均欠理想。美国环境保护局采用高灵敏度的等离子体-质谱（ICP-MS）法检测湖水中45种元素，检测限一般达到0.2ng/mL。应用此法对美国东部118个湖泊中45种元素进行测定的结果，在所有湖泊中都能检测出的元素仅5～6种，80%湖水中待测元素约有一半未检测出。需将湖水浓缩10～1000倍，才能检测出全部元素。他们认为在环境分析中，由于试样的复杂性，应采用多种联用技术（见表1-1），才能满足复杂样品的多种多样的分析要求。
表1-1 联用技术在环境分析中的应用
1.1.5 计算机的应用
电子计算机，特别是微机的引入是20世纪70年代中期开始的，到70年代末期已得到普遍应用，现已成为先进分析仪器的必备组成部分，计算机的应用可使操作和数据处理快速、准确与简便化，较大型计算机的应用已使分析仪器和分析方法大为改观，出现了分析仪器的智能化。各种傅里叶变换仪器相继问世，如FT-IR、FT-MS、FT-NMR等，比传统的仪器具有更多的功能和优越性，如提高灵敏度、快速扫描、便于与其他仪器联用等。计算机技术还使许多以往难以完成的任务，如实验室自动化、谱图检索、数理统计轻而易举地完成。近年来，由于计算机和计算科学的发展以及数学向分析化学的渗透，引起了一门新科学的出现，这就是化学计量学，它是利用数学和统计学的方法设计或选择最佳的测量条件，并从分析测量中获得最大程度的化学信息，以协助分析化学家解决越来越多的问题，因而受到重视。