1.3 分析化学的发展与前沿
1.3.1 分析化学的发展历程
分析化学始于Robert Boyle（1661），最早可追溯到亚里士多德对论证的三段论法。它在20世纪发展迅速，历经三次重大变革，目前在人类科学发展中起着举足轻重的作用。
（1）第一次变革 发生在20世纪初，由于物理化学的发展，为分析技术提供了理论基础，建立了溶液中四大平衡的理论，使分析化学从一门技术发展成为一个学科，这也可以说是分析化学和物理化学结合的时代。这一时期分析化学的确是化学的一个分支。以化学分析为主，定量测定到0.1%～0.2%的组分。
（2）第二次变革 发生在第二次世界大战前后直到20世纪60年代。物理学、电子学、半导体及原子能工业的发展促进了分析中物理方法的大发展和仪器分析方法的大发展。分析化学突破了以经典化学分析为主的局面，开创了仪器分析的新时代。发展了以光谱分析为代表的仪器分析法。进入痕量分析（含量小于0.01%）时代。
（3）第三次变革 从20世纪70年代末到现在，以计算机应用为主要标志的信息时代的来临，给科学技术的发展带来巨大的活力。分析化学正处在第三次变革时期。以计算机为代表的高新技术利用物质一切可以利用的性质（光、电、磁、热、声），为分析化学提供了高灵敏度、高选择性、自动化等新的手段；同时材料、环境、食品、生命、地球科学的发展又对分析化学提出了多种要求，促进了分析化学发展为现代的分析科学阶段。分析化学正在成长为一门建立在化学、物理学、数学、计算机科学、精密仪器制造科学等学科上的综合性的边缘科学。
随着工农业生产的发展，新兴科学技术的发展，为分析化学提出了一系列难题，促进了分析化学的发展，也促进了相关学科的发展。例如，由于20世纪40～50年代的材料科学发展促进了材料分析化学的产生；20世纪60～70年代的环境科学发展促进了环境分析化学的产生；20世纪80～90年代生命科学的发展促进了与生命过程有关的分析化学的产生。另一方面，新兴科学技术的发展也为分析化学的发展提供了理论基础和技术条件，使分析化学得到了迅速发展。
分析化学的发展历程已由开始的定性分析发展到定量分析，再发展到仪器分析，再发展到现代的分析科学阶段。主要表现在以下几个方面。
①吸收了大量物理方法、生物学方法、电子学和信息科学的方法，发展成为分析科学，应用范围也大大拓宽。
②分析方法的十化，即微型化芯片化、仿生化、在线化、实时化、原位化、在体化、智能化信息化、高灵敏化、高选择性化、单原子化和单分子化。
③单分子光谱、单分子检测、搬运和调控的技术受到重视。
④分离和分析方法的联用，合成和分离方法的联用，合成、分离和分析方法的三联用。
1.3.2 分析化学发展趋势
随着现代分析化学的迅速发展，它将广泛采用各种现代分析手段，对物质做尽可能的纵深分析，物理、数学、化学和生物学中的基础，新发现、新概念和新方法大量向分析化学渗透，电子、激光、计算机技术的兴起和发展，不仅强化和改善了原有仪器的性能，而且推出很多新的分析测试装置，为科学研究和生产实际提供更多更新和更全面的信息。与此同时，新技术、新材料和前沿科学的发展以及社会发展的需要，又向分析化学家提出许多新课题。在所有分析化学的方法学研究中，都是以提高分析方法或仪器的灵敏度、准确度、选择性、自动化或智能化为目标。未来的分析化学发展趋势如下。
（1）高灵敏度和高选择性 随着技术的发展及科学技术及经济发展的需要，许多高灵敏度、高选择性的分析方法将逐步建立。如激光微探针质谱法对某化合物的检出限为10-12～10-15g，对某金属的检出限可达10-19～10-20g，且能分析生物大分子和高聚物；电子探针分析所用试液体积可低至10-12mL，高含量的相对误差值已达0.01%以下。
（2）智能化和小型化 随着微电子技术及计算机技术在仪器分析中的应用更加广泛和深入，智能化的仪器分析方法将逐渐成为常规分析的重要手段。主要体现在计算机的应用和化学计量学（chemometrics）的发展以及自动分析、遥测分析方面。计算机在分析数据处理、实验条件优化、数字模拟、图形解析、理论研究以及生物环境测控与管理中都起着非常重要的作用。
（3）应用范围将日益扩大 仪器分析除了应用于成分分析外，将在更大程度上应用于物质的结构分析、状态和价态分析、表面分析及微区分析等，而且在许多学科的研究工作中将得到愈来愈广泛的应用。
（4）与生物医学相结合 生命科学是21世纪最为热门的研究领域之一。将仪器分析中各种新方法应用于生命过程的研究；生物医学中的酶催化反应、免疫反应等技术和成果也将进一步应用于仪器分析，开拓出新的研究领域和方法。
（5）自动检测或遥控分析 仪器分析将在各种工业流程及特殊环境中的自动在线监控或遥控监测中发挥重大的作用。在这一领域中，各种新型的化学及生物传感器及流动注射分析技术将是十分重要的。
（6）仪器分析中各种方法的联用技术 仪器分析中各种方法有其自身的一些特点，将仪器分析中各种方法联用，将进一步发挥各种方法的效能解决复杂的分析问题。例如将具有很高分离能力的气相色谱法与具有很强鉴定能力的质谱法、红外光谱法、核磁共振法联用，可以迅速地分析复杂试样。
综上所述，现代分析化学已经突破了纯化学领域，它将化学与数学、物理学、计算机学及生物学紧密地结合起来，发展成为一门多学科性的综合科学。著名分析化学家Kowalski认为“分析化学已由单纯提供数据，上升到从分析数据中获取有用的信息和知识，成为生产和科研中实际问题的解决者”。
1.3.3 分析化学前沿
分析化学是目前化学中最活跃的领域之一。分析化学中活跃的领域又在什么地方？从对象来看，与生命科学、环境科学、高技术材料科学有关的分析化学是目前分析化学中最热门的课题。从方法来看，计算机在分析化学中的应用和化学计量学是分析化学中最活跃的领域。分析化学的特点是新方法层出不穷，旧方法不断更新。
下面主要从光谱分析、电化学分析、色谱分析、质谱、核磁共振波谱法、化学计量学与计算机应用六个方面对分析化学的前沿进行阐述。
（1）光谱分析 光谱分析一直是分析化学中最富活力的领域。随着等离子体-原子发射光谱（ICP-AES）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、激光光谱、等离子体-质谱（ICP-MS）、全反射X射线荧光光谱、表面增强拉曼效应使激光拉曼光谱等一系列新方法的出现，使光谱分析的灵敏度达到了极限。检出限可达到10-9～10-15g，并可作ppm（10-6）级多元素微区分布分析，已达到检测单个原子和单分子的水平。
光谱检测从传统的光电倍增管，过渡到光二极管阵列检测器，又迅速出现了新一代的电荷耦合阵列检测器（CCD）。CCD具有量子效率高、暗电流小、噪声低、灵敏度高等优良性能，并可获得多个化合物的三维荧光光谱图。CCD检测器已经装配到商品仪器，如荧光光度计、拉曼光谱仪、发射光谱仪、高效液相色谱仪及毛细电泳仪等，成了光谱分析的重大革新。
（2）色谱分析 现代色谱分析将分离连续测定结合，也可以浓缩、分离、测定联用。对复杂体系中组分、价态、状态、化学性质相近的元素或化合物的分析，20世纪50年代兴起的气相色谱，20世纪60年代发展的色质（GC-MS）联用技术，20世纪70年代崛起的高效液相色谱，20世纪80年代初出现的超临界流体色谱，20世纪80年代末迅速发展的毛细管区带电泳，使色谱分析一直充满活力，迅速发展。
由于各种分析方法都有一定的适用范围、测定对象和局限性，实际工作中必须结合具体的情况选择合适的分析方法。色谱联用技术经常联合了两种或是更多技术，两种技术或三种技术取长补短，互相补充，能够大大提高分离分析效能，解决更多的实际问题和复杂成分样品的分析问题。如，气相色谱与其他仪器联用（如GC-MS及GC-NMR等），已成为分离、鉴定、剖析复杂挥发性有机物最有效的手段之一。常见的有列几种类型。
①色谱-色谱联用，例如，2D-LC、2D-GC、LC-CE等。
②色谱-质谱联用，例如，GC-MS、LC-MSn、CE-MS、CEC-MS等。
③色谱-光谱联用，例如，GC-FTIR、GC-AAS、LC-AAS、LC-AFS等。
④色谱-核磁联用，例如，LC-NMR等。
⑤色谱-光谱-质谱，例如，GC-FTIR-MS等。
毛细管区带电泳（简称毛细管电泳）是近年来迅猛发展起来的一种新的分离技术。兼有高压电泳的高速、高分辨率及高效液相色谱的高效率优点。毛细管电泳具有试样体积小（1～10nL）、分离效率高（柱效达100万理论塔板数，比高效液相色谱约高一个数量级）、分离速度快（10～20min）、灵敏度高（检出限10-15～10-20mol·L-1）等特点。特别适用于离子型生物大分子，如氨基酸、肽、蛋白质及核酸等快速分析。
（3）电化学分析 电化学分析中传感器的研究已成为电分析化学中活跃的研究领域之一。例如，光导纤维化学传感器又称光极，由激光器、光导纤维、探头（含固定化试剂相）及半导体探测器组成。目前已有80多种传感器探头设计用于临床分析、环境监测、生物分析及生命科学等领域。如pH、CO2、O2、碱金属、非碱金属、代谢产物和酶、免疫传感器等。新的血气分析仪装配有pH、CO2及O2三个传感器，进行活体分析，已成功地用于心肺外科手术的临床连续监测；生物传感器及化学修饰电极的研究已步入人们向往已久的分子设计及分子工程学研究阶段，成为电化学及电分析化学中最活跃的前沿领域之一。
光谱电化学也是电化学及电分析化学研究中一项新的突破。它将光谱（包括波谱）和电化学研究方法相结合，同时测试电化学反应过程的变化，形成了现场光谱电化学，使得光谱电化学将电化学及电分析化学的研究从宏观深入到微观，进入分子水平的新时代。
微电极伏安技术（简称微电极技术）也是一种新的电化学测试技术。微电极的优异性能表现在电极响应速度快，扫描速度高，极化电流小，已应用于生物分析及生命科学，如在活体分析中，微电极用作电化学微探针，检测动物脑神经传递物质的扩散过程。
（4）质谱 20世纪70年代末到80年代初发展起来的串联质谱（MS-MS）、（LC-MS）及软电离技术，使质谱应用扩大到生物大分子，成为这方面研究的前沿。LC-MS-MS串联质谱采用大气压电离源，质量范围扩大到分子量为10万的生物大分子，灵敏度达到10-12～10-15mol·L-1，应用于生物医学、药物、生物工程领域。核磁共振波谱是测定生物大分子结构的有力手段。
自约翰·芬恩（JohnB.Fenn）和田中耕一（Koichi.Tanaka）发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法及发明了对生物大分子的质谱分析法以来，随着生命科学及生物技术的迅速发展，生物质谱目前已成为有机质谱中最活跃、最富生命力的前沿研究领域之一。它的发展强有力地推动了人类基因组计划及其后基因组计划的提前完成和有力实施。质谱法已成为研究生物大分子，特别是蛋白质研究的主要支撑技术之一，在对蛋白质结构分析的研究中占据了重要地位。近年来，较成功地用于生物大分子质谱分析的软电离技术主要有下列几种：
①电喷雾电离质谱；
②基质辅助激光解吸电离质谱；
③快原子轰击质谱；
④离子喷雾电离质谱；
⑤大气压电离质谱。
（5）核磁共振波谱法 二维及三维核磁共振波谱测定溶液中蛋白质的三维结构，应用于生物工程领域。500～600MHz二维及三维共振波谱仪，采用微处理机控制仪器操作、数据处理及显示，通过光导纤维可以和其他计算机形成网络。傅里叶变换核磁共振波谱已应用于工业质量控制。
超导核磁共振波谱法是当今世界频率最高的仪器，其频率已达800MHz，仪器的分辨率与检测灵敏度大大提高，使复杂的核间高级偶合，简化为一级光谱。还可以从事多核、多种二维核磁共振技术的测定，使有机化合物的结构确定变得容易。
（6）化学计量学与计算机应用 化学计量学是一门新兴的科学，按1981年国际化学计量学会的最初定义：“化学计量学是一门化学分支，它应用数学来选择最优的测量程序和实验方法，并通过解析化学数据而获得最大限度的信息。在分析化学领域，化学计量学是用数学和统计方法以最佳方式获得关于物质系统的有关信息”。即它是应用统计学、数学与计算机科学为工具，发展了新的分析采样理论、校正理论及其他各种理论与方法。例如，化学模式识别与专家系统能协助分析工作者将原始分析数据转化为有用的信息与知识，为进行判别决策及解决实际生产科研课题提供依据。
计算机广泛用于分析仪器，已成为分析仪器的重要组成部分，不仅为实现仪器的自动化提供了条件，而且为向智能化发展提供了基础。极大提高了分析仪器提供的信息量，使分析仪器进入过去传统分析技术无法涉足的许多领域。例如用航天器运载分析仪器探测火星上有无标志生命的化学物质存在，不需运送分析试样，而是直接将分析信息送回地球等。
总之，分析化学正在利用物质一切可以利用的性质，建立表征测量的新技术，不断开拓新领域，正在走向一个更新的境界。