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仪器分析发展史

来源:未知      发布日期:2018-04-27 22:20    |     分享    加入收藏   关注:

  第一次变革

  从16世纪天平的发明到20世纪初物理化学溶液理论(特别是四大反应的平衡理论)的发展,分析化学引入了物理化学的理论,也形成了自身的理论。因此,这次变革的标志是,分析化学从单纯的操作技术变成为一门学科。

  第二次变革

  20世纪中期,由于科学技术的进步,特别是一些重大的科学发现和发展,分析化学由化学发展到仪器分析,并逐渐产生了一些现代的仪器分析新方法,新技术,这就是第二次变革的重要标志。

  第三次变革

  20世纪70年代末以来,以计算机广泛应用为标志的信息时代的到来,给科学技术发展带来巨大的推动力。促使分析化学进入第三次变革:计算机处理数据的快速、准确,使分析仪器自动化、智能化,各种傅里叶变换仪器的相继问世,使传统的仪器更具优越性和多功能化;计算机促进统计处理进入分析化学,出现了化学计量学,它是利用数学和统计学的方法设计或选择最优条件,并从分析测量数据中获取最大程度的化学信息。可以这样说,这一变革使分析化学的观念发生了转变:分析化学已经成为一门信息的科学。分析化学的三个发展阶段,三次变革。

  阶段一:

  16世纪,天平的出现。分析化学具有了科学的内涵;20世纪初,依据溶液中四大反应平衡理论,形成分析化学的理论基础。分析化学由一门操作技术变成一门科学;

  分析化学的第一次变革;20世纪40年代前,化学分析占主导地位,仪器分析种类少和精度低;

  阶段二:

  20世纪40年代后,仪器分析的大发展时期。仪器分析使分析速度加快,促进化学工业发展;化学分析与仪器分析并重,仪器分析自动化程度低;为什么出现在这一时期?一系列重大科学发现,为仪器分析的建立和发展奠定基础。

  (1)Bloch F 和Purcell E M;建立了核磁共振测定方法;诺贝尔化学奖1952年;

  (2)Martin A J P 和Synge R L M;建立了气相色谱分析法;诺贝尔化学奖1952年;

  (3)Heyrovsky J,建立极谱分析法,诺贝尔化学奖1959年

  仪器分析的发展引发了分析化学的第二次变革。

  阶段三:

  八十年代初,以计算机应用为标志的分析化学第三次变革。

  (1)计算机控制的分析数据采集与处理:实现分析过程的连续、快速、实时、智能;促进化学计量学的建立。

  (2)化学计量学:利用数学、统计学的方法设计选择最佳分析条件,获得最大程度的化学信息。

  化学信息学:化学信息处理、查询、挖掘、优化等。

  (3)以计算机为基础的新仪器的出现:傅里叶变换红外;色-质联用仪。

  什么是仪器分析?

  一般的说,仪器分析是指采用比较复杂或特殊的仪器设备,通过测量物质的某些物理或物理化学性质的参数及其变化来获取物质的化学组成、成分含量及化学结构等信息的一类方法。这些方法一般都有独立的方法原理及理论基础。

  仪器分析的三次巨大变革

  > 分析天平的发明

  > 溶液理论的建立(四大平衡的立)

  > 这是第一次革命

  > 第二次巨大变革> 第二次世界大战前后的科学技术

  > 物理学和电子技术的发展为仪器分析奠定了基础

  核磁共振(NMR),B loch F ,PurcellE M。极谱,Heyrovsky J。气相色谱,Martin A T P ,Synge R L M> 计算机的发明尤其微型计算的发展,给仪器分析带来 全新的革命。新近重大突破和发明

  > 飞秒光谱法

  > 原子吸收的重大突破

  > 库仑阵列电极

  > 多道毛细管电泳

  仪器分析的发展历程:经过19世纪的发展,到20世纪20~30年代,分析化学已基本成熟,它不再是各种分析方法的简单堆砌,已经从经验上升到了理论认识阶段,建立了分析化学的基本理论,如分析化学中的滴定曲线、滴定误差、指示剂的作用原理、沉淀的生成和溶解等基本理论。20世纪40年代以后,一方面由于生产和科学技术发展的需要,另一方面由于物理学革命使人们的认识进一步深化,分析化学也发生了革命性的变革,从传统的化学分析发展为仪器分析。?现代仪器分析涉及的范围很广,其中常用的有光学分析法、电化学分析法和色谱法。光学分析法是基于人们对物质光谱特性的认识而发展起来的一种分析测定方法。17世纪牛顿将白光分成了光谱以后,科学家对光谱进行了研究。19世纪前半期,人们已经把某一特征谱线和某种物质联系了起来,并提出了光谱定性分析的概念。在此基础上,德国化学家本生和物理学家基尔霍夫合作设计并制造了第一台用于光谱分析的光谱仪,实现了从光谱学原理到光谱分析的过渡,产生了一种新的分析方法即光谱分析法。19世纪后半期,人们又对光谱定量分析的可能性进行了探讨。1874年,洛克厄通过大量实验得出结论,认为光谱定量分析只能依据光谱线的强弱。

  到20世纪,用光电量度法测定了光谱线的强度,后来,光电倍增管被应用于光谱定量分析。与此同时,光谱分析中的另一种方法即利用物质的吸收光谱的吸收光度法,也得到了发展。电化学分析法是利用物质的电化学性质发展起来的一种分析方法。首先兴起的是电重量分析法。美国化学家吉布斯把电化学反应应用于分析化学中,用电解法测定铜,后来这种方法被广泛应用于生产中。电重量分析法存在着耗时长、易氧化等缺点,化学家在研究中把物质的电化学性质与容量分析法结合起来,发展了一种新方法,这就是电容量分析法。电容量分析法中发展较早的是电位滴定法,其后,极谱分析法和库仑分析法也相继发展起来。?色谱分析法是基于色谱现象而发展起来的一种分析方法。1906年,俄国植物学家茨维特认识到所谓色谱现象和分离方法有密切联系,而且对分离有重大意义。他用这种方法分离了植物色素,并系统地研究了上百种吸附剂,奠定了色谱分析法的基础。20世纪30年代,具有离子交换性能的合成树脂问世,解决了一系列疑难问题,提高了色谱分离技术。由于单纯的分离意义不大,20世纪50年代,人们开始将分离方法和各种检测系统联接起来,分离分析同时进行,于是人们设计和制造了大型色谱分析仪。除了上述的方法以外,现代仪器分析法还有磁共振法、射线分析法、电子能谱法、质谱法等等。

  仪器分析是根据被测组分的某些物理的或物理化学的特性,如光学的、电学的性质,进行分析检测的方法,因此,它实际上已经超出了化学分析的范围和局限,成为生产和科学各个领域的工具。

  分析化学中的分析是分离和测定的结合,分离和测定是构成分析方法的两个既相独立又相联系的基本环节。分离是使物质纯化的一种手段,而纯化的背后是物质的不纯,是物质具有混合性。我们知道,化学家所说的物质,指的是物质本身,是某种单质或化合物。这里所说的物质本身,意思是以纯粹的形式存在的物质,没有其他物质混合于其中的物质,也就是人们通常所说的纯物质。可是,无论是天然存在的还是人工制造的物质,都不是绝对纯的,绝对纯是达不到的,绝对纯只能在理论中或思想上存在。因此,在化学分析中,首先遇到的矛盾就是纯与不纯的矛盾。

  分离是纯化物质的一种手段。分离一般有两条基本途径:一条是将所要分析的物质从混合物中提取出来。另一条则是将杂质提取出来。这两条途径是同一原理的两种不同的实现方式,它们互为正反,互为表里。在分析化学发展的历史中,产生了许多分离方法。在古代,在酿造业中应用了蒸馏、结晶等分离手段;在近代,产生了各种各样的分离方法,如沉淀分离、溶剂萃取分离、离子交换分离、电解分离等。分离是有限度的。有些混合物由于性质非常相似,分离非常困难,如果不分离,共存的组分又互相干扰。在化学分析中,常常从分离操作中演变出其他方法,如掩蔽方法。在仪器分析的发展史上,试样和试剂有不同的发展形式和内容。在早期,需要分析的是自然物,如矿石和植物,这些就是试样,而与其发生作用,从而进行鉴别的主要是火。后来,被分析的是溶液,与之发生变化的也是溶液,这时,试样和试剂都是溶液。人们最早使用的试剂是一种叫五倍子的植物浸液,被用于测定矿泉水中的铁。随着实践和认识的发展,大量植物浸液应用于化学分析之中,形成了天然植物试剂系列。在应用天然试剂的过程中,人们也在研究如何制备化学试剂。世界上第一个人工制备的分析化学试剂是黄血盐溶液,由此开创了化学试剂的新领域,拓宽了分析化学的研究范围。

  随着生产、生活和科学的发展,作为被分析的试样,其外延扩大了,从单一的自然物发展为自然物和人工产物。试样的内涵深化了,要求分析的内容不再局限于物质的定性组成,还要求分析各组分的含量。与此同时,试剂的种类越来越多,应用范围也越来越广。一种试样可以用多种试剂进行分析,一种试剂也可用于分析多种试样,同时还产生了类似于系统分析中组试剂的一般性试剂。在当代,被分析的试样既有各类混合物,也有一些纯净的化合物,既要求进行元素分析,还要求进行结构分析、生物大分子的测定等等。试剂也有很大发展,应用于分析化学的试剂,有各种物理化学试剂、有机试剂和生化试剂,还研究和制备了一系列相对于某种分析方法的专用试剂、特效试剂和特殊试剂。

  在分析过程中,又产生了一种关系,这就是灵敏度和准确度的关系。灵敏度是被测组分浓度或含量改变一个单位所引起的测量信号的变化。若考虑分析时存在噪声等因素,灵敏度实际上就是被测组分的最低检出限。准确度是测量值的可靠程度,实质上是测量值与真值的接近程度,一般用误差来表示。在分析中,既要求分析方法具有一定的灵敏度,又要求具有一定的准确度。就具体的分析方法来说,灵敏和准确常常发生矛盾。有的分析方法有较高的准确度,却不够灵敏;有的分析方法灵敏度较高,但却不够准确。前者如重量分析法,后者如比色分析法。现代科学技术的发展,要求高准确度和高灵敏度,现代仪器分析正是适应这种要求而发展起来的。在分析化学发展的初期,人们只是在实践中掌握了一些简单的分析、检验方法,当时既没有化学理论,也没有分析方法的理论。随着分析、检验实践的进步和发展,各种分析和检验方法被应用于生产、生活和科学研究之中,并对这些方法进行了概括和总结,形成了分析化学理论,分析化学才真正成为一门科学。

  在仪器分析的发展中,理论和方法的相互作用,需要中介和桥梁,这就是技术。理论要起指导作用,要转化为方法,需要特定的仪器、设备和试剂。而制作和使用仪器或工具,正是通常所说的技术的特点。例如,光谱学原理早在牛顿时期就已初步形成,到18世纪已经发展成熟,利用光谱线特征进行物质的鉴定的思想也已有人提出,但是,直到19世纪中期,才实现了光谱分析。其原因在于,到这个时候,才应用光谱学原理制作出了可用于分析的光谱仪。技术是实现和实施方法的保证,仪器分析方法尤其如此。



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