現(xiàn)代科技沖擊下的分析化學及哲學思考

賴國松,張海麗

(湖北師范學院 化學化工學院， 湖北 黃石 435002)

分析化學是在化學學科發(fā)展和社會實踐需要的背景下，在酸堿平衡、絡合平衡、沉淀平衡和氧化還原平衡四大理論基礎(chǔ)上建立起來的一門分支學科(二級學科)。學科建立之初，分析化學的主要任務是測量和表征，如確定物質(zhì)的組成、測定特定組分的含量，以及表征物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)等；分析測定的對象也比較簡單單一，多是一些礦物質(zhì)和結(jié)構(gòu)簡單的有機物；分析手段多以人工通過簡單的化學操作來完成。

然而，隨著社會的進步和現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，分析化學的測定對象、測定范圍和測定方式等方面都發(fā)生了根本的改變。如：測定對象越來越廣泛化，測定范圍涉及到除了化學以外的生物、臨床、醫(yī)藥、食品、環(huán)境、材料等生產(chǎn)生活各個相關(guān)領(lǐng)域。原先的一些簡單的人工操作手段已經(jīng)越來越難以滿足工作需要，分析化學不得不大量吸收其他學科，如：物理、電子、信息科學等領(lǐng)域發(fā)展的新知識和新成果來迎接挑戰(zhàn)。分析化學手段也因此逐漸從原來的以人工操作為主的化學分析轉(zhuǎn)化為目前的以儀器分析為主，學科理論基礎(chǔ)和研究范圍大大拓展，學科綜合性越來越強。值得注意的是，現(xiàn)代分析化學在生產(chǎn)生活中起到越來越重要的作用的同時，它對人類社會，如生活質(zhì)量和安全、倫理道德等方面的影響也不容忽視。

1 分析化學及其發(fā)展歷程

分析化學的起源最早可追溯到人類文明的起源及化學學科的萌芽之初，如中國古代銅器、鐵器、陶瓷、煉丹術(shù)等。更為重要的是，第一臺天平的出現(xiàn)使人們開始初步建立量的概念，逐漸從定量的角度去尋找事物內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系，因而有了定比定律、倍比定律，元素周期律的發(fā)現(xiàn)，原子論、分子論的建立，以及化學學科的誕生及其發(fā)展。

然而，早期的分析化學因為沒有相關(guān)的學科理論支撐，僅僅只能作為一種研究手段，或者說是一種分析技術(shù)(技藝)，分析化學學科的正式誕生是在20世紀初。歷史上，分析化學學科的發(fā)展共經(jīng)歷了三次巨大變革[1]：第一次變革是在20世紀初，分析化學汲取了物理化學溶液平衡理論的成就，在容量分析中引入四大平衡理論，建立了以四大滴定和重量分析為基礎(chǔ)的化學分析理論體系，使分析化學從一門技術(shù)演變成為一門科學；第二次變革出現(xiàn)在20世紀40～60年代，由于物理學特別是光學、電學和半導體學科的快速發(fā)展，改變了經(jīng)典的以化學分析為主的局面，使得儀器分析獲得蓬勃發(fā)展；第三次變革是自20世紀70年代以來，隨著以計算機應用為主要標志的信息時代的到來，以及生命科學、環(huán)境科學、新材料科學、能源科學等相關(guān)學科的快速發(fā)展，它們對分析化學提出了更高的要求，分析化學為順應社會和學科發(fā)展需求，逐步將生物學、信息科學及計算機技術(shù)等相關(guān)知識引入學科，從而使分析化學進入了一個嶄新的境界，逐漸發(fā)展成為當代最富有活力的學科。

目前分析化學學科發(fā)展的基本特點為[2]：從采用的手段看，在綜合光、電、熱、聲和磁等現(xiàn)象的基礎(chǔ)上進一步采用數(shù)學、計算機科學及生物學等學科的新成就和新儀器對物質(zhì)進行縱深分析；從解決的任務看，目前分析化學已經(jīng)不只限于測定物質(zhì)的組成及含量，而是要對物質(zhì)的形態(tài)(如氧化-還原態(tài)、絡合態(tài)、結(jié)晶態(tài))、結(jié)構(gòu)(空間分布)、微區(qū)、薄層及化學和生物活性等作出實時追蹤、無損和在線監(jiān)測等分析及過程控制，以獲取形形色色物質(zhì)盡可能全面的信息。而且隨著計算機科學及儀器自動化的飛速發(fā)展，分析方法的靈敏度、準確度、選擇性、重現(xiàn)性、方便和快捷等性能大大提高，分析數(shù)據(jù)的獲取量已經(jīng)進入“分析數(shù)據(jù)爆炸”時代。同時，分析化學家已經(jīng)不再滿足于分析數(shù)據(jù)的提供者，而是要和其它學科的科學家相結(jié)合，逐步成為社會生產(chǎn)和科學研究中實際問題的解決者。例如，結(jié)合納米材料、高精密儀器和分析方法，分析化學的檢測下限得到質(zhì)的飛躍，可達到ng/L、pg/L甚至fg/L，因此，可做到半導體材料中超痕量雜質(zhì)的分析控制，以及生命分析中的單分子檢測調(diào)控等。分析化學的內(nèi)涵和定義也隨之發(fā)生了很大的變化，歐洲化學會聯(lián)合會(Federation of European Chemical Societies)在廣泛征求意見的基礎(chǔ)上提出了分析化學的新定義：分析化學是一門發(fā)展并運用各種方法、儀器及策略以在時空的維度里獲得有關(guān)物質(zhì)組成及性質(zhì)的信息的科學(Analytical Chemistry is a scientific discipline that develops and applies methods, instruments and strategies to obtain information on the composition and nature of matter in space and time.)。該定義雖不涉及分析化學的具體內(nèi)涵，但對分析化學的適用范圍以及任務、手段和目標進行了高度慨括，它被1993年9月在愛丁堡舉行的歐洲分析會議所接受，也成為當下分析工作者廣泛認可的定義。

2 現(xiàn)代科技對分析化學的影響

長期以來，傳統(tǒng)的分析化學只是一門技術(shù)科學，它以工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗必不可少的測試手段和方法發(fā)揮著它在化學科學中的特殊作用。但是，隨著社會的進步，尤其是現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，人們越來越注意到，分析化學必須更深更廣地拓寬它的理論基礎(chǔ)才能適應新的發(fā)展。這種理論基礎(chǔ)不僅限于化學、物理、生物等基礎(chǔ)學科，而且涉及一系列交叉、綜合和新興技術(shù)學科，如材料、信息、能源及環(huán)保、生物工程等。事實證明，幾乎這些學科的每一次重大科技成果的引入都對分析化學起到了重大影響。正因如此，分析化學在近五十年來得到了空前發(fā)展[1]。

例如20世紀40年代中期電子學中光電倍增管的出現(xiàn)促成了原子發(fā)射光譜、紅外光譜、 紫外及可見光譜、X射線熒光光譜等一系列光譜分析的發(fā)展；50年代原子物理學的發(fā)展使得原子吸收及原子熒光光譜開始興起；60年代等離子體-傅立葉變換和激光技術(shù)的引入出現(xiàn)了電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜和傅立葉變換-紅外光譜、激光光譜等一系列光譜分析技術(shù)，使得光譜分析進入了嶄新的階段。在電分析化學方面，1922年極譜法問世，60年代離子選擇性電極、酶電極和微電極伏安技術(shù)相繼出現(xiàn)并快速發(fā)展，以及80年代發(fā)展起來的化學修飾電極、光譜電化學、色譜電化學使得電分析化學從宏觀深入到微觀，實現(xiàn)了新功能電極體系的分子設計及分子生物學研究。此外，50年代，Martin因發(fā)明氣相色譜而獲得諾貝爾化學獎，60年代發(fā)展的色-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)，70年代崛起的高效液相色譜，80年代出現(xiàn)的超臨界流體色譜及90年代急劇發(fā)展起來的毛細管區(qū)域電泳等都使色譜分析領(lǐng)域充滿活力，飛速發(fā)展。70年代末到80年代初發(fā)展起來的串聯(lián)質(zhì)譜，液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)及軟電離技術(shù)則使得質(zhì)譜分析的應用范圍擴大到了生物分子并在生命科學研究中發(fā)揮了重要作用[3]。

3 分析化學的發(fā)展趨勢

分析化學總是在尋求更靈、更好、更準、更快、更便捷的發(fā)展方向和目標，它被分析工作者慨括為“3S+2A”(3S: sensitivity, selectivity and speediness, 2A: accuracy and automatics)的目標。從分析化學的發(fā)展歷史和認識論的角度來看，隨著科技的進步，分析化學學科必將進一步吸收現(xiàn)代科技進步的最新成果，繼續(xù)不斷發(fā)展，并在生產(chǎn)生活和社會實踐中扮演更為重要的角色[4，5]。通過和其它相關(guān)學科的廣泛聯(lián)系，雙向互動，分化交叉，傳統(tǒng)界限分明的分支學科的局面最終將會被徹底打破，分析化學最終將會逐漸發(fā)展成為一門在社會生產(chǎn)生活中廣泛應用的綜合學科。有人甚至認為，分析化學將會逐漸發(fā)展成為一門一級學科——分析科學或信息科學。

3.1 分析化學進一步向高靈敏度方向發(fā)展

高靈敏度是各種分析方法長期以來所追求的目標，也是人類對世界認識不斷深入的永恒需求。當代分析方法靈敏度的顯著提高大都歸功于其它學科新技術(shù)的引入。例如激光技術(shù)的引入，促進了諸如激光共振電離光譜、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)譜的開展，大大提高的靈敏度使得檢測單個原子或單個分子成為可能。又如多元配合物、有機顯色劑和各種增效試劑的研究與應用，使得吸收光譜、熒光光譜、發(fā)光光譜等分析方法的靈敏度和分析性能得到大幅度地提高?？梢灶A見的是，以后其它新技術(shù)的發(fā)展也必將會進一步推動分析儀器、分析方法的改進和靈敏度的進一步提高。

3.2 解決復雜物質(zhì)和生命體系物質(zhì)的分離和分析

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，因而復雜體系的分離和測定已成為分析化學所面臨的艱巨任務。此外，自上世紀70年代以來，世界各發(fā)達國家都開始將生命科學及其有關(guān)的生物工程列為科學研究中最優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，歐、美、日等地區(qū)和國家啟動的具有戰(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，生物大分子的分離、分析研究都占據(jù)重要的位置。21世紀初，人類已經(jīng)開始進入“后基因組時代”，生命科學領(lǐng)域的復雜組分，尤其是與人類遺傳相關(guān)的復雜大分子的分離分析開始成為人類一大挑戰(zhàn)。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)展。目前，以色譜、光譜和質(zhì)譜技術(shù)為基礎(chǔ)所開展的各種聯(lián)用、接口及樣品引入技術(shù)逐漸成為當今分析化學發(fā)展中的熱點之一。可以相信，其它相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展和引入必將進一步為解決這些復雜體系中物質(zhì)的分離、分析作出貢獻。

3.3 分析儀器的微型化及微環(huán)境的表征與測定

從簡單到復雜，從宏觀到微觀是人類認識的基本邏輯規(guī)律。分析儀器的微型化及微環(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。現(xiàn)代電子學、光學、譜學和工程學的微型化發(fā)展，使得分析化學深入微觀世界的進程得以實現(xiàn)。目前，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，已經(jīng)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)了重要的位置?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展必將繼續(xù)在包括綜合多學科優(yōu)勢的微型分析，例如微流控芯片等領(lǐng)域作出重大突破[6]。

3.4 實現(xiàn)形態(tài)、狀態(tài)分析及非破壞性檢測及遙測

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)在不同環(huán)境，如生物體內(nèi)性質(zhì)和功能都可能存在極大的差異，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。此外，在生產(chǎn)流程或生命過程等特殊情況下，對于難于取樣的原位分析是十分重要的。利用遙感測定方法，如激光雷達、激光散射和共振熒光、傅里葉變換紅外光譜等進行幾十公里距離內(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的測定等等，這些也都將是分析化學學科發(fā)展的方向之一。

3.5 實現(xiàn)分析操作的自動化、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)一樣開始逐漸進入自動化和智能化的階段。在分析化學中，利用微處理智能系統(tǒng)進行實驗設計和和控制，在程序控制下結(jié)合相關(guān)技術(shù)就可以實現(xiàn)自動采樣、預處理、分析測試、信號輸出和數(shù)據(jù)處理及分析等過程。這樣不僅大大減輕人工操作的工作量，提高工作效率和準確度，還可以實現(xiàn)實時條件下的原位、在線智能監(jiān)控，這必將對分析化學的發(fā)展帶來十分深遠的影響，而且隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)等相關(guān)學科的深入發(fā)展也將開創(chuàng)分析化學的全新局面。

3.6 實現(xiàn)有關(guān)人類生活質(zhì)量和安全的有效保障

隨著人類對物質(zhì)世界的利用和改造能力的逐漸提高，人類逐漸從只為滿足生存的基本需要發(fā)展到要求滿足日益增長的生活質(zhì)量的需要，進而在保證生存安全的前提下提高生活質(zhì)量，創(chuàng)造和諧世界。現(xiàn)代科技的快速發(fā)展必將推動分析化學更加全面有效的發(fā)揮其監(jiān)測和保障作用。一方面，利用分析化學的手段進行環(huán)境中化學過程的跟蹤、分析、模擬、預測，可以合理的評價人類各方面的生產(chǎn)、生活活動對環(huán)境的影響，為人類生存提供安全的外部環(huán)境，創(chuàng)建環(huán)境友好型社會；另一方面，要積極應用各種科技發(fā)展新成果，發(fā)展和完善現(xiàn)代儀器分析新技術(shù)、新方法，實現(xiàn)對關(guān)乎人類健康的食品、藥品、生存環(huán)境等各個環(huán)節(jié)進行全方位的無縫監(jiān)控和預警，以保證人類的健康和安全。

4 分析化學對現(xiàn)代社會的影響及哲學思考

分析化學的快速發(fā)展使其在現(xiàn)代社會中的作用范圍得到極大拓展，并扮演越來越重要的角色，反過來它又對現(xiàn)代科技進步起著極大的促進作用。例如，在新材料科學的研究工作中必須要用到X射線衍射、電子能譜、探針、電鏡及光譜、質(zhì)譜技術(shù)等新興的固體和表面分析技術(shù)；在環(huán)境分析中，無機元素分析一般要采用原子吸收和等離子體光譜、質(zhì)譜分析方法，而有機污染物分析主要用色譜法；生命科學則成為當前分析化學研究和應用最活躍的領(lǐng)域之一，比如多肽、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子分析，生物藥物分析，超痕量、超微量生物活性物質(zhì)分析及活體分析等這些課題幾乎要用到包括電分析化學方法，各種色譜法，波譜法及其聯(lián)用技術(shù)在內(nèi)的所有最先進的分析化學技術(shù)。此外，包括產(chǎn)品質(zhì)量控制、環(huán)境監(jiān)測與治理、醫(yī)藥衛(wèi)生與健康、食品安全與保障、國家安全與防衛(wèi)等等在內(nèi)的幾乎所有人類生產(chǎn)生活領(lǐng)域，都離不開現(xiàn)代分析化學的參與。從近些年來的諾貝爾獎獲獎情況來看，約有1/4～1/3的化學和物理學等獎項都頒給了提出創(chuàng)新的分析測試方法來解決相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的科學家[7]。事實表明，分析化學水平已經(jīng)成為衡量國家科學技術(shù)水平的重要標志之一。

在傳統(tǒng)的分析化學學科中，人是一個極其重要的因素。歷史上英國的化學家、物理學家道爾頓曾“以頭腦結(jié)束實驗，用思維把握原子”，于19 世紀初創(chuàng)建了科學原子論。在那個時代，實驗分析手段還遠遠達不到可以考察原子及其結(jié)構(gòu)的水平。道爾頓主要是在有限的實驗基礎(chǔ)上，依靠了邏輯思維分析的方法提出了該學說，并通過后續(xù)實驗予以不斷驗證和修訂，從而達到了實驗分析未能達到的深度[8]。在分析化學建立之初，分析任務的操作也是主要依靠人來完成，分析工作者利用所掌握的理論知識進行分析測試工作，最后通過思維處理報出分析結(jié)果。而如今，現(xiàn)代分析化學已經(jīng)逐漸從定性向定量、從宏觀向微觀、從靜態(tài)向動態(tài)、從簡單體系向復雜體系過渡，科技因素和儀器的作用在實際工作中所占的比重越來越大。例如許多實驗素材的收集通過原先簡單的人工手段已經(jīng)完全不能夠滿足，必須憑借精密的實驗分析技術(shù)的參與，一些主要的操作也都需要依靠儀器來完成，有些分析方法已經(jīng)實現(xiàn)了自動化分析。因此，有人就從這個角度認為：現(xiàn)代分析化學的發(fā)展使得科技逐漸開始確定其在人類生活中至高無上的地位，人的主體地位和價值中心正在逐漸被削弱和打破，并終究一天會被高科技和先進的儀器取而代之。實則不然，這種觀點實際上是由于科技進步取得的巨大利益使得人們對科技的狂熱追逐與崇拜導致的工具理性的日益膨脹和對人的價值理性的忽略[9，10]。實際上，現(xiàn)代科技的發(fā)展不僅沒有降低人在分析工作中的作用，反而對分析工作者提出了更高的要求。一方面，由于理論基礎(chǔ)的拓展，分析化學涉及到的知識范疇越來越廣，對人的知識技能也有了更高的要求；另一方面，再高級的儀器，最終還是要依靠人來設計和操作，分析結(jié)果的好壞歸根結(jié)底還是要依靠人來決定。因此，在現(xiàn)代科技推動下的分析化學發(fā)展過程中，分析工作者的發(fā)展進步和素質(zhì)的提高也是一個重要的決定因素。

此外，更值得注意的，任何事物都是一把雙刃劍?？萍嫉目焖侔l(fā)展和相關(guān)學科創(chuàng)新成果的融入使得分析化學如虎添翼，迅猛發(fā)展，學科基礎(chǔ)日益拓展，應用范圍幾乎無所不及。然而，在關(guān)注分析化學對社會進步和人類文明的積極作用的同時，我們也應該理智的留意其對人類社會可能帶來的潛在負面影響。一方面，分析化學在關(guān)鍵環(huán)節(jié)的缺位或使用不當就會引起嚴重的社會性問題。例如運動會中興奮劑的檢測失范直接關(guān)系到體育的公平性和競技道德；醫(yī)藥、食品質(zhì)量的檢測失范就會導致諸如“三鹿奶粉事件”類的公共衛(wèi)生、健康危機。另一方面，分析化學和先進的分析技術(shù)的廣泛參與，甚至會直接引起對人類的倫理道德和生存價值的挑戰(zhàn)。例如，轉(zhuǎn)基因食品、試管嬰兒、基因工程、納米技術(shù)和克隆技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不僅僅簡單的是一種最新分析化學技術(shù)參與下的高新科技發(fā)展的重大突破，而要考慮到這些“令人自豪的成果”可能會直接引發(fā)人們對社會倫理道德的爭論和對生命的社會屬性的懷疑，而核武器的盲目發(fā)展和擴散甚至足以徹底毀滅整個地球[11～13]。因此，我們在合理利用好現(xiàn)代科技的最新成果來發(fā)展分析化學，促進人類社會不斷進步的同時，必須徹底拋棄“唯科技論”、“技術(shù)價值中立論”、“技術(shù)至上論”、“技術(shù)自主論”等錯誤思想和理論，正確把握好人類的道德良知和社會責任感，弘揚科技文明的人文精神，積極實現(xiàn)科技主體責任化，引導科技成效合理化，注意為分析化學學科的發(fā)展提供合理的價值取向，充分尊重人的價值，實現(xiàn)科技進步與人的道德升華的統(tǒng)一，促使分析科學工作者做到對自身行為的理性把握和反思，以在科學研究和技術(shù)應用過程中堅持遵循利益原則和公正原則的合理尺度，從而避免科學技術(shù)與價值的背離，達到分析化學的發(fā)展最大限度地為全人類謀求福祉的目的[14～16]。

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