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帶你走進中國分析儀器的近代史——發展趨向及分類當代分析儀器對科技領域的發展起著關鍵作用，一方面科技領域對分析儀器不斷提出更高的要求，另一方面隨著科學技術的發展，新材料、新器件不斷涌現又大大推動分析儀器的快速更新。 分析儀器的發展 分析儀器是隨著分析方法的建立和科學技術的進步而逐漸由簡單向復雜方向發展的，分析儀器的發展趨向主要有以下特點。 1、向多功能、自動化、智能化方向發展 以色譜儀為例，當前氣相色譜儀的制作工藝已達全新水平，由于單片機的使用，儀器對溫度、壓力、流量的控制己全部實現自動化，由計算機鍵盤輸入操作參數，儀器就可正常運行。對一臺通用型氣相色譜儀，主機不僅可使用填充柱，還可使用毛細管柱;除配有TCD、FID、ECD、FPD四種常用檢測器外，還可配備離子阱檢測器(或稱質量選擇檢測器);色譜柱箱具有程序升溫功能。 此外還可配備自動進樣器、高聚物裂解進樣器、熱解吸器等附件。和主機連接的色譜工作站，可完成譜圖繪制、譜圖放大縮小和譜圖對比等，還可記錄保留時間、峰高、峰面積等定性和定量參數，可用不同的定量方法計算樣品中各個組分的含量，若配有對分析結果進行化學計量學優化的軟件，還可對分析結果做出評價，提供獲取最佳分析結果的途徑。 另如對質譜儀，其離子源可配有電子轟擊(EI)、化學電離(CI),解吸化學電離(DCI)、場致解吸電離(FDI)、快原子轟擊(FAB)、輝光放電(GDI)、大氣壓化學電離(APCI)、光致電離(PI)、等離子解吸電離(PDI)、激光解吸電離(LDI)等多種方式。質量分析器配有磁式單聚焦和雙聚焦、四極桿、離子阱、離子回旋共振、飛行時間等多種結構方式。檢測器可配有法拉第筒、閃爍計數器、電子倍增器、光電子倍增器、微通道板等型式。高真空系統已使用機械泵和渦輪分子泵組合。質譜工作站可用于控制儀器的操作參數、數據采集、實時顯示、標準譜圖自動檢索、繪制質譜圖、打印出定性和定量分析結果的實驗報告。 2、向專用型、小型化和微型化方向發展 隨著環境科學的發展，為控制和治理環境污染，防止環境惡化，維護生態平衡，環境監測已成為掌握環境質量狀況的重要手段，發展對化學毒物、噪聲、電磁波、放射性、熱源污染進行監測的專用型分析儀器，已受到愈來愈多的關注，它可用于對污染現場進行實時監測，對人類居住環境進行定點、定時監測，對污染源頭進行遙控監測。 現已生產出對大氣、水、土壤進行取樣的多種采樣器;監測大氣中SO2、NOx、汽車尾氣排放的專用分析儀;監測水中化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、總有機碳(TOD)的單項分析儀。其它如噪聲與振動測量儀，連續流動多功能水質分析儀及環境污染連續自動監測系統也都被環監部門廣泛采用。 生物化學與醫學專用分析儀器也是現代分析儀器中的一個大分支。生物醫學領域主要包括生物化學、生態平衡、醫療診斷、醫藥制造、毒品檢驗和食品營養檢測等方面。當前生物醫學分析儀器的發展已成為國際上的熱門領域，如高效毛細管電泳儀，已被公認為20世紀90年代在生物分析領域中產生巨大影響的分析儀器。它能快速、準確地定量測定蛋白質、核苷酸、RNA和DNA的含量，已在疾病診斷、傳染源確證、艾滋病毒的檢測中發揮了重要作用。其它如動態心電圖分析儀、超聲診斷儀、磁共振成像系統、DNA自動測序儀、免疫分析儀、X射線數字減影血管造影系統(DSA)等，都由于它們采用了先進的分析測試技術而在生物醫學應用上占有重要地位。 常規分析儀器體積龐大，結構復雜，能源消耗大，維持儀器正常運轉費用高�，F在隨著新材料、新器件、微電子技術的發展，已使儀器制造商有可能采用新的儀器工作原理來制造小型化、性能價格比優異、自動化程度高的分析儀器。如化學傳感器、生物傳感器、光導纖維、電荷耦合器件(CCD)和電荷注入器件(CID)被廣泛采用;還研制出了小型臺式傅里葉變換紅外吸收光譜儀、臺式質譜儀和臺式掃描電子顯微鏡�，F在微型化的傳感器已小到可以插入人體動脈進行血液分析;可攜帶式的離子遷移光譜儀、氣相色譜儀、高效液相色譜儀、傅里葉變換紅外吸收光譜儀、氣相色譜-質譜聯用儀等微型化的復雜儀器也已用于現場監測違禁藥物和化學武器核查。 20世紀90年代初發展的微全分析系統(u-TAS)，開拓了分析化學發展的新方向。其通過化學分析設備的微型化和集成化，最大限度地把分析實驗室的功能轉移到便攜式分析設備中，實現所有分析步驟(取樣、預處理、化學反應、產品分離、檢測)集成化，構成“芯片實驗室”。 依據芯片結構和工作機理，芯片可分為兩類：一類是以親和作用為核心，用于生物分子(DNA、蛋白質)檢測的微陣列芯片(生物芯片);另一類是用于檢測化學反應的微流控芯片[可看作流動注射分析(FIA)的微型化]。這兩類芯片近年已獲快速發展，由于使用了集成化芯片元件，大大降低了樣品用量(uL→nL )，大大加快分析速度(提高10～100倍)，并利于分析測試技術的普及，促進傻瓜型分析儀器的出現，從而引起分析測試方法的重大變革。 3、向多維分離儀器發展 氣相色譜儀、高效液相色譜儀、超臨界流體色譜儀和毛細管電泳儀已在分子量、沸點、熱穩定性、生物活性存在差別的化合物的分離中發揮了重要作用，但隨著分析任務復雜性的增加，只用一種分離方法已不能將樣品中的不同組分完全分離。20世紀70年代中期首先出現了二維氣相色譜(GC×GC)技術，它使用同一種流動相，將兩根氣相色譜柱串聯起來(填充柱-填充柱，填充柱-毛細管柱，毛細管柱-毛細管柱)，使組成復雜的樣品先在第一根一維色譜柱上進行初步分離，再利用中心切割方法將未分離開的難分離組分，轉移到第二根二維色譜柱上實現完全分離。一維柱和二維柱后可連接不同的檢測器(FID或ECD)。因此可在進行一次色譜分析的過程，獲得雙重分析信息。 在20世紀80年代中期又發展了二維高效液相色譜(HPLC-HPLC)和二維超臨界流體色譜(SFC-SFC)技術，它們都顯示出超強的分離能力。在20世紀80年代末期又先后發展了使用兩種不同性質流動相的多維色譜耦合技術，如高效液相色譜一氣相色譜偶聯系統(HPLC-GC)、高效液相色譜-超臨界流體色譜偶聯系統(HPLC-SFC)、超臨界流體色譜-氣相色譜偶聯系統(SFC-GC)、高效液相色譜一毛細管區帶電泳偶聯系統(HPLC-CZE)，以及氣相色譜、超臨界流體色譜、高效液相色譜分別與薄層色譜偶聯系統(GC-TLC、SFC-TLC、HPLC-TLC)。 20世紀90年代已研制出用于氣相色譜、超臨界流體色譜和微柱高效液相色譜的統一色譜儀，可分別實現GC→SFC、HPLC→GC、HPLC→SFC、SFC→HPLC的順序分析。 在質譜分析中于20世紀70年代后期迅速發展了二維質譜技術(MS-MS)，它使離子在運動過程中，通過活性碰撞經過兩個串聯的質量分析器，使分子碎裂過程產生的分子離子(母離子)和碎片離子(子離子)分離開。從儀器結構上看一個質量分析器用于碎片離子的質量分離，獲得碎片離子譜圖，另一個質量分析器用于分子離子的質量分離，獲得分子離子的譜圖。對使用軟電離法(FAB、CI、ESI等)的一維質譜法，僅能獲得強的分子離子峰和弱的碎片離子峰，若使用二維質譜法就可提供強的碎片離子峰和強的分子離子峰，從而獲得完整的結構信息。 二維核磁共振波譜(NMR-NMR)也是在20世紀70年代后期發展起來的。一維核磁共振波譜的譜線位置、強度和形狀是在一定的磁場強度作用下，作為電磁波頻率單一變量的函數，它描述核自旋系統對射頻場能量的吸收關系，譜峰只沿一個頻率軸分布。二維核磁共振波譜使用兩個頻率變量(時間變量)，它可將由單一頻率變量決定的核磁共振波譜譜圖轉變成由兩個頻率參數構成函數的譜圖，譜峰分布在由兩個頻率軸組成的平面圖上。二維核磁共振波譜擴大了NMR的應用范圍，可進行自旋密度成像、雙共振實驗、多脈沖實驗等，已成為闡明分子結構的最有力的工具，可提供固體物質、生物大分子的三維結構，顯示原子核在樣品中分布的立體圖像。 4、向聯用分析儀器方向發展 當采用一種分析技術不能解決復雜分析問題時，就需要將多種分析方法組合進行聯用。其中特別是將一種分離技術和一種鑒定方法組合成聯用技術，已愈來愈受到廣泛的重視。實現兩種分析儀器聯用的關鍵部件是硬件接口，或稱連接界面，它的功能是協調兩種儀器的輸出及輸入的矛盾。兩種分析儀器通過專用的接口連接，并使用計算機自動控制聯機后的操作參數，能使其成為一個整體而提供多重分析信息。 1957年首先實現了氣相色譜一有機質譜的聯用系統(GC-MS)，其后作為連接界面的分子分離器經不斷改進已日趨完善，現已在環境監測中獲廣泛應用。20世紀80年代中期實現了高效液相色譜-質譜聯用系統(HPLC-MS)，其連接界面比GC-MS更加復雜，至今已有熱噴霧(TS),電噴霧(FS)、大氣壓化學電離(APCI)接口獲得廣泛采用。目前HPLC-MS聯用儀器已在醫藥、生物活性物質分析中廣泛應用。20世紀90年代出現了毛細管電泳一質譜聯用系統(CE-MS)，已在蛋白質等生物大分子分析中發揮了重要作用。 20世紀70年代以后，先后實現了氣相色譜、高效液相色譜、超臨界流體色譜與傅里葉變換紅外吸收光譜聯用(GC-FTIR、HPLC-FTIR、SFC-FTIR)。GC-FTIR聯用，接口使用了兩端安裝有可透過紅外線的KBr晶片、內壁鍍金的硼硅玻璃光管。HPLC-FTIR和SFC-FTIR聯用，使用了流通池接口。上述聯用系統在有機化合物的定性鑒定中發揮了重要作用。 20世紀80年代美國HP公司生產出了氣相色譜-傅里葉變換紅外吸收光譜-質譜聯用儀(GC-FTIR-MS)，并有了關于高效液相色譜-傅里葉變換核磁共振波譜聯用系統(HPLC-FTNMR)的報道，20世紀80年代末HPLC-NMR聯用技術作為一種有效的分析手段，才獲得承認，在20世紀90年代后期HPLC-NMR聯用技術獲得迅速發展，并取得重大成功，在藥物、生化和環境分析中獲得愈來愈多的應用。1996～2000年文獻已報道在HPLC分析后，經分流，可同時實現HPLC-MS和HPLC-NMR的同時聯用，構成HPLC-NMR-MS的聯用系統，在藥物結構分析中，發揮了重要的作用，并用于手性化合物的分離和鑒定。 應當指出化學計量學對分析儀器的發展也產生了重大影響。由分析儀器得到的數據是獲取所需化學信息的基礎，因此儀器的靈敏度、精密度和選擇性對化學信息的獲得具有決定意義。 由上述分析儀器的發展趨向，可了解到分析儀器是一種高科技產品，它受益于采用各種技術的最新成果，也接受了它們的挑戰，并在不斷創新和發展�？梢灶A計，隨生命科學、材料科學和環境科學的發展，以及新技術的不斷出現，分析儀器也會在多功能化、小型化、自動化、智能化等方面不斷取得新的成績。 分析儀器分類 現代分析儀器盡管品種繁多、型式多變，但它們的基本組成相似，可概括為四個單元：樣品處理單元、組分分離單元、組分檢測單元、檢測信號處理和顯示單元，其中分離技術和檢測方式是影響分析儀器發展的兩個關鍵問題。 比較切合現在實際情況的分析儀器的分類方法是把種類繁多的分析儀器分為分析樣品的預處理儀器、分離分析儀器、鑒定原子的分析儀器、鑒定分子的分析儀器、聯用分析儀器、分析數據處理儀器和物理常數測定儀器。表1～表9簡介了各類儀器的主要應用范圍及特點。 1、樣品預處理儀器 表1樣品預處理儀器
�、貯AS-原子吸收光譜;GC-氣相色譜;HPLC-高效液相色譜;IC-離子色譜。 2、分離、分析儀器 表2 分離、分析儀器
表3多維分離、分析儀器
3、可以鑒定原子的分析儀器 表4可以鑒定原子的分析儀器
4、可以鑒定分子的分析儀器 表5可以鑒定分子的分析儀器
5、聯用分析儀器 表6常見的聯用分析儀器
�、費S-質譜;FTIR-傅里葉變換紅外吸收光譜;AAS-原子吸收光譜;ICP-AES-電感耦合等離子體原子發射光譜;MIP-AES-微波電感等離子體原子發射光譜;NMR-核磁共振波譜。 表7一些常用聯用儀器的接口
6、分析數據處理儀器 表8分析數據處理儀器
7、物理常數測定儀器 表9物理常數測定儀器
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