現(xiàn)代分析儀器及其進展

喬奉華

摘 要：綜述近十年來分析儀器的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了分析儀器在高科技領(lǐng)域中的重要作用、高科技對分析儀器的促進作用以及當(dāng)前分析儀器的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：分析儀器 高科技 發(fā)展趨勢

分析儀器是新興的技術(shù)行業(yè)，是科學(xué)儀器的主體，是四兩撥千斤的產(chǎn)業(yè)。世界各主要國家的分析儀器行業(yè)于上世紀(jì)40年代和50年代初逐步形成，至今已發(fā)展成包括光譜、質(zhì)譜、色譜在內(nèi)的62類分析儀器體系。盡管它的歷史很短，但其產(chǎn)品類別及質(zhì)量進展之快、應(yīng)用領(lǐng)域擴展之迅速，都是十分驚人的。分析儀器的應(yīng)用并不局限于化學(xué)領(lǐng)域，而是滲透到很多學(xué)科領(lǐng)域之中，諸如，與技術(shù)發(fā)展或生產(chǎn)現(xiàn)場等科學(xué)技術(shù)有關(guān)的領(lǐng)域（如石油、化工、地質(zhì)、煤炭、冶金、空間科學(xué)及國防工業(yè)等），以及水文、氣象、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生學(xué)、食品化學(xué)、環(huán)境科學(xué)等與人類生活和健康有關(guān)的非常廣泛的基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域。

近年來，隨著計算機大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，對現(xiàn)有分析儀器的繼續(xù)開發(fā)研究和新儀器分析方法的不斷開發(fā)采用，推動了科學(xué)研究和技術(shù)的新進展，分析儀器在高科技領(lǐng)域顯示出越來越重要的作用。而最新科學(xué)技術(shù)成果的應(yīng)用又促進了儀器分析技術(shù)和分析儀器的新進展。

一、分析儀器——高科技領(lǐng)域不可缺少的重要手段

分析儀器在高科技中的重要作用，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）材料科學(xué)

無論是材料自身結(jié)構(gòu)的剖析與驗證，還是材料中的滲透劑、清洗劑、顯示劑和催化劑等的分析，以及材料合成過程中化學(xué)動力學(xué)研究和過程監(jiān)控等都離不開各種現(xiàn)代分析儀器。例如，可利用各種大型分析設(shè)備如掃描探針顯微鏡（SPM）、掃描電鏡（SEM）、投射電鏡（TEM），各種衍射儀如電子衍射儀、X射線衍射儀，各種譜儀如紅外光譜儀、激光光譜儀、原子吸收譜儀等用于材料成分的檢測。利用熱分析器配合高溫?zé)岱治鰝鞲衅?，進行氧化物陶瓷材料的測定，如它可測出MO-MO2C共晶體的熔解溫度為2180K；采用藍寶石的溶解熱作為參比，可測得碳化合物的熔解熱為22.5cal/g。

目前納米技術(shù)和納米材料已成為材料科學(xué)研究的重要方向，納米結(jié)構(gòu)的研究方法幾乎涉及全部物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析測試的儀器：

●直接觀察的顯微儀：高分辨透射電鏡（HRTEM），掃描探針顯微鏡（SPM），掃描隧道顯微鏡（STM），原子顯微鏡（AFM），場離子顯微鏡（FIM）；

●非直接分析測試儀：X-射線衍射儀（XRD），擴展X-射線吸收精細結(jié)構(gòu)測定儀（EX-AFS），穆斯堡爾譜儀（MS），拉曼散射儀（RS），正電子湮滅儀（PA），中子衍射儀；

●其它：原子吸收光譜儀、質(zhì)譜儀、電子能譜儀、俄歇電子譜儀、表面力儀等。

（二）生物技術(shù)

現(xiàn)代生物技術(shù)是21世紀(jì)高技術(shù)的佼佼者，也是以分析儀器的發(fā)展為基礎(chǔ)。例如，DNA順序分析是分析生物學(xué)和基因工程中一項關(guān)鍵技術(shù)。DNA順序分析儀的主要部分是垂直板式聚丙烯酰胺凝膠電泳儀，選用激光作為激發(fā)光源，在通過一組安裝在轉(zhuǎn)輪上的干涉濾光片輻照在電泳凝膠上，而激發(fā)出的熒光也通過一套干涉濾光片由光電倍增管接收。這種基于分析儀器的原理專用于生物技術(shù)的還有DNA自動合成儀、多肽自動合成儀和多肽自動順序分析儀，這是分析儀器在生物技術(shù)中的貢獻。

有機質(zhì)譜器在剖析大生物分子方面有了長足進步，其中包括與GC、HPLC、SFC聯(lián)用接口、電離方式，MS-MS，等等。布魯克（Bruker）儀器公司推出的REFLEX基質(zhì)輔助激光解吸附電離飛行時間質(zhì)譜（MALDI-TOF-MS）是高敏感度的時間飛行質(zhì)譜，其靈敏度在fmol以下，分辨率可達20[DK]，000（FWHM）以上，最高質(zhì)量數(shù)大于3000[DK]，000alton，并有串聯(lián)質(zhì)譜功能（PSDMS/MS），而且操作簡單自動化程度高，主要應(yīng)用于多肽、蛋白質(zhì)、核苷酸、糖蛋白、多糖及高聚物的監(jiān)測和鑒定。

隨著人們對其自身生命健康的日趨關(guān)注，生物產(chǎn)品與食品的質(zhì)量和安全已經(jīng)成為社會關(guān)注的熱點。科技水平先進的國家在生物技術(shù)與食品分析中已基本采用儀器分析的方法代替手工操作的老方法，氣相色譜儀、氨基酸自動分析儀、高效液相色譜儀、紫外—可見分光光度計等均得到了普遍應(yīng)用。例如，檢測蔬菜和水果中農(nóng)藥的殘留量，用常規(guī)化學(xué)法難以完成，而使用SQ-NCM08農(nóng)藥殘毒快速檢測儀可快速檢測有機磷及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘毒量。

此外，利用分析儀器還可進行臨床直接診斷。例如，臨床上使用的核磁共振成像儀就是利用NMR的原理，在靜磁場上疊加一梯度場，從而得出三維圖像，以用于早期判斷癌癥。它與近年來發(fā)展的CT技術(shù)相比有顯著的優(yōu)越性，XCT的缺點是對生物體有害，而且所提供的

信息是解剖學(xué)的。當(dāng)用XCT掃描時，只有當(dāng)疾患大到足以使器官變形時才能查出。而NMRCT正好與之形成鮮明的對比，它對生物體無害，對軟組織的對比度大，可以進行癌癥早期診斷。

（三）環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境與污染源檢測儀器及自動檢測系統(tǒng)既是環(huán)境信息的源頭，又是環(huán)境質(zhì)量評價、環(huán)境監(jiān)控及環(huán)境科學(xué)管理的手段。為了對環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境進行實時準(zhǔn)確的監(jiān)測，并對污染源及其治理進行監(jiān)督監(jiān)測，迫切需要大量的現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測分析儀器，特別是優(yōu)質(zhì)的自動監(jiān)測分析系統(tǒng)和污染源在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。例如，污染源煙塵（粉塵）在線監(jiān)測儀主要用于在線監(jiān)測污染源煙塵、工藝粉塵排放量（濃度或總量），包括測量流量、O2、含濕量、溫度等相關(guān)參數(shù)，是實現(xiàn)污染源排放總量監(jiān)測的必備監(jiān)測儀器。環(huán)境空氣地面自動監(jiān)測系統(tǒng)主要用于空氣質(zhì)量周報、日報監(jiān)測，主要監(jiān)測項目有：SO2、NOX、CO、O3、PM10等。

綜上所述，分析儀器在高科技領(lǐng)域顯示越來越重要的作用，已成為高科技不可缺少的重要手段。

二、高科技對分析儀器的推動和支撐

分析儀器是基于多學(xué)科的高技術(shù)產(chǎn)物，它受益于其它各種技術(shù)的成果，也接受它們的挑戰(zhàn)，正在不斷地改善、創(chuàng)新與發(fā)展。如作為高技術(shù)主要基礎(chǔ)的材料科學(xué)，為了開發(fā)新材料并進行生產(chǎn)或改性，要求分析手段更加現(xiàn)代化（如超痕量分析、幾何結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)鑒定、無相鑒定……）；生物工程和醫(yī)療診治要求有性能更好、速度更快的分析儀器去闡明人類、動植物基因組的結(jié)構(gòu)，去探索人類生老病死的奧秘，去改變生命活動，改造生命活動，改造自然以造福人類……所以，由于高科技的快速發(fā)展，尤其是最新科學(xué)技術(shù)成果的廣泛應(yīng)用，大大的推動了分析儀器的迅速發(fā)展與進步。

（一）新型檢測器發(fā)展迅速

由于微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、生物芯片技術(shù)以及其它新技術(shù)不斷被應(yīng)用于傳感原件，一代新型檢測器正推動著分析儀器的發(fā)展。如紫外分光光度計采用二級管陣列替代常規(guī)的光電被倍增管作檢測器，取消了傳統(tǒng)的光柵轉(zhuǎn)動機構(gòu)，對紫外-可見光譜范圍的掃描只需100ms，滿足了化學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域中快速反應(yīng)過程中變化信息檢測的需要，提高了儀器的精度和準(zhǔn)確性。

在質(zhì)譜儀器中，由于離子阱檢測器的出現(xiàn)，已能檢測所有質(zhì)量的離子。這種新型質(zhì)量檢測器與毛細管氣相色譜儀的聯(lián)用，使儀器靈敏度可以達到痕量級，色/質(zhì)聯(lián)用儀器整機體積大大縮小，降低了造價。

（二）大量采用新技術(shù)、新方法

近十年來，包括納米級的精密機械研究成果、分子層次的現(xiàn)代化學(xué)研究成果、新型傳感器技術(shù)與智能化技術(shù)研究成果，以及全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣應(yīng)用成果等在內(nèi)的一大批當(dāng)代最新科技成果的問世，使分析儀器領(lǐng)域發(fā)生了根本性的變革。這些成果正在迅速改變分析儀器的工作原理與本質(zhì)特性，使其具備和擁有了傳統(tǒng)分析儀器根本無法涉及與實現(xiàn)的眾多的、全新的、超高的功能。

在每次匹茲堡會議（PITTCON）上總可看到很多新方法、新技術(shù)、新儀器?！癙ITTCON”就是“PITTCON”，它是世界一流分析化學(xué)家展示最新研究成果的一個理想場所。2013年的PITTCON也不例外，例如沃特世公司推出的超高效聚合物色譜（ACQUITYAdvanced Polymer ChromatographyTM，APCTM）系統(tǒng)，它開創(chuàng)了聚合物色譜分析技術(shù)的一個新類別，能夠更加快速地獲取更準(zhǔn)確的聚合物分子量信息，可顯著提高聚合物峰的分辨率，尤其是在分析低分子量聚合物和低聚物時，其速度比傳統(tǒng)凝膠滲透色譜（GPC）要快20倍。

（三）新材料的不斷涌現(xiàn)

最有說服力的例子是超導(dǎo)材料鈮錫、鈮鈦的出現(xiàn)，它使核磁共振譜儀擺脫了永磁體的局限。從100MHZ躍至超導(dǎo)磁體的500MHZ，甚至600MHZ的核磁共振譜儀，僅信噪比一項就提高了幾個數(shù)量級。

（四）微傳感與微制造技術(shù)的深入發(fā)展

在分析儀器現(xiàn)代化發(fā)展的進程中，除了微電子技術(shù)和器件的發(fā)展和引入使傳統(tǒng)分析儀器擺脫了龐大的分立電氣設(shè)計和儀器結(jié)構(gòu)的束縛以外，微傳感技術(shù)和微制造技術(shù)正成為當(dāng)前分析儀器現(xiàn)代化發(fā)展過程中最引人注目的新技術(shù)潮流。離子選擇電極、藥物選擇電極、PVC膜電極、酶電極、微生物電極、免疫電極等，都是近年來對分析儀器傳統(tǒng)玻璃電極的突破和發(fā)展，不但在靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性等主要性能方面有極大升躍，而且它們尺寸小、牢固耐用、使用方便。另外，各種光纖化學(xué)、生化傳感器和應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)也是近年來的熱門方向，已在各種檢測領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用，例如環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)在休無損傷等。

可以預(yù)見，由于微傳感和微制造技術(shù)的深入發(fā)展，將直接影響到現(xiàn)代分析儀器代表技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展，在生物、醫(yī)學(xué)、生態(tài)、航天等領(lǐng)域中會應(yīng)運而生，開發(fā)出大量新穎的微分析儀器。

三、當(dāng)前分析儀器的發(fā)展趨勢

您的小孩是不是缺乏微量元素？您血液中的鉛含量是不是偏高？只要取一撮頭發(fā)、一滴血放在一種最新的儀器里，敲敲計算機鍵盤，一份計算機打印的檢測單就可標(biāo)出精確的結(jié)果來。這就是今天的分析儀器，如此方便快捷、精確。

當(dāng)前，分析儀器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）聯(lián)用技術(shù)日趨成熟

為了對復(fù)雜的樣品進行快速定性分析、定量分析，近年來，分析儀器聯(lián)用技術(shù)日趨成熟，通過采樣接口和計算機把另種功能相互補充的不同儀器聯(lián)為一體。目前較成功的聯(lián)用儀器有：氣相色譜-紫外光譜，液相色譜—核磁共振，氣相色譜—傅里葉變換紅外光譜，液相色譜-質(zhì)譜等。隨著計算機功能軟件的不斷開發(fā)，預(yù)計聯(lián)用儀器會得到進一步發(fā)展。

（二）準(zhǔn)確度與靈敏度要求愈來愈高

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對于分析儀器的準(zhǔn)確度與靈敏度的要求越來越高，最終目標(biāo)是實現(xiàn)單原子（分子）檢測。例如，食品中農(nóng)藥殘留、環(huán)境激素等有害物質(zhì)的殘留限量值由mg/kg降低至μg/kg，甚至不得檢出。這些都對分析儀器的準(zhǔn)確度與靈敏度提出了更高的要求。目前，氣相色譜高分辨質(zhì)譜（GC/MS）、液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜（HPLC/MS/MS）等高靈敏度分析儀器就適用于食品中超痕量有害殘留物質(zhì)的檢測與分析。

（三）分析儀器自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化水平不斷提高

由于計算機技術(shù)及應(yīng)用軟件的飛速發(fā)展和自動控制技術(shù)等在分析儀器的應(yīng)用，世界分析儀器技術(shù)可以說是正在經(jīng)歷一場革命性的變化，傳統(tǒng)的熱學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)、色譜、波譜類分析技術(shù)都已從經(jīng)典的化學(xué)精密機械電子結(jié)構(gòu)、實驗室內(nèi)人工操作應(yīng)用模式，轉(zhuǎn)化為光、機、電、算一體化及自動化的結(jié)構(gòu)，儀器自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化水平不斷提高。例如，應(yīng)用十分廣泛的光譜儀、色譜儀等，不僅具有自校正、自診斷及聯(lián)網(wǎng)功能。這種建立在專家系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上的智能系統(tǒng)，代表了新一代分析儀器的發(fā)展方向。一些高檔產(chǎn)品還能進行復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換（如傅里葉變換、哈德曼變換），并配有專家分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以及三維圖譜分析功能。一個復(fù)雜的樣品在幾分鐘或更短的時間內(nèi)就得出分析結(jié)果。

（四）分析儀器的微型化正在加速

隨著微制造技術(shù)、納米技術(shù)和新功能材料等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，分析儀器正沿著大型落地式→臺式→移動式→便捷式→手持式→芯片實驗室的方向發(fā)展，越來越小型化、微型化。例如，手提式微金屬探測儀可方便地檢測水質(zhì)；備受使用者喜愛的便攜式氣質(zhì)聯(lián)用儀，體重只有幾公斤，在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域出盡了風(fēng)頭；Mass Sensors公司推出的微型質(zhì)譜儀，重不到2公斤，可測質(zhì)量數(shù)在1～200的任何氣體，由于整機帶有無線電通訊系統(tǒng)，所以很適于作遠距離現(xiàn)場分布式實時監(jiān)測，微型化達到及至。

（五）分析儀器的應(yīng)用日益拓展

在以前，經(jīng)典的分析儀器主要是為服務(wù)分析、監(jiān)控工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流程安全高效的要求而發(fā)展。今天分析儀器的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)大大拓展，最引人注目的是在生物技術(shù)及工程、食品、環(huán)境保護、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用日新月異，由物到人的拓展趨勢將更加顯著。例如，PCR儀廣泛用于分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)、生物工程等領(lǐng)域以聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)為特征、以檢測DNA/RNA為目的的各種病原體檢測及基因分析；CXP-3000型總磷在線分析儀應(yīng)用于環(huán)境保護中河流、湖泊、工業(yè)廢水、市政廢水水樣中的磷含量的測量，從而控制水體的含磷量，以防止封閉水域的富營養(yǎng)化；紫外分析儀廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)檢驗、生物制品等各個領(lǐng)域，是基因擴增技術(shù)必備儀器之一。

參考文獻：

[1]王學(xué)琳.現(xiàn)代分析儀器發(fā)展趨勢.現(xiàn)代儀器.2007（6）.

[2]儲曉剛.現(xiàn)代分析儀器設(shè)備進步與食品安全檢測技術(shù)提升.現(xiàn)代科學(xué)儀器.2008（3）.