現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展狀況，介紹了分析儀器在高科技領域中的重要作用、高科技對分析儀器的促進作用以及當前分析儀器的發展趨勢。

關鍵詞：分析儀器 高科技 發展趨勢

分析儀器是新興的技術行業，是科學儀器的主體，是四兩撥千斤的產業。世界各主要國家的分析儀器行業于上世紀40年代和50年代初逐步形成，至今已發展成包括光譜、質譜、色譜在內的62類分析儀器體系。盡管它的歷史很短，但其產品類別及質量進展之快、應用領域擴展之迅速，都是十分驚人的。分析儀器的應用并不局限于化學領域，而是滲透到很多學科領域之中，諸如，與技術發展或生產現場等科學技術有關的領域（如石油、化工、地質、煤炭、冶金、空間科學及國防工業等），以及水文、氣象、農業、醫學、衛生學、食品化學、環境科學等與人類生活和健康有關的非常廣泛的基礎應用領域。

近年來，隨著計算機大規模集成電路的迅速發展，對現有分析儀器的繼續開發研究和新儀器分析方法的不斷開發采用，推動了科學研究和技術的新進展，分析儀器在高科技領域顯示出越來越重要的作用。而最新科學技術成果的應用又促進了儀器分析技術和分析儀器的新進展。

一、分析儀器——高科技領域不可缺少的重要手段

分析儀器在高科技中的重要作用，主要表現在以下幾個方面。

（一）材料科學

無論是材料自身結構的剖析與驗證，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動力學研究和過程監控等都離不開各種現代分析儀器。例如，可利用各種大型分析設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熱分析傳感器，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。

目前納米技術和納米材料已成為材料科學研究的重要方向，納米結構的研究方法幾乎涉及全部物質結構分析測試的儀器：

●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-射線吸收精細結構測定儀（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、質譜儀、電子能譜儀、俄歇電子譜儀、表面力儀等。

（二）生物技術

現代生物技術是21世紀高技術的佼佼者，也是以分析儀器的發展為基礎。例如，DNA順序分析是分析生物學和基因工程中一項關鍵技術。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，選用激光作為激發光源，在通過一組安裝在轉輪上的干涉濾光片輻照在電泳凝膠上，而激發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中的貢獻。

有機質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基質輔助激光解吸附電離飛行時間質譜（MALDI-TOF-MS）是高敏感度的時間飛行質譜，其靈敏度在fmol以下，分辨率可達20[DK]，000（FWHM）以上，最高質量數大于3000[DK]，000alton，并有串聯質譜功能（PSDMS/MS），而且操作簡單自動化程度高，主要應用于多肽、蛋白質、核苷酸、糖蛋白、多糖及高聚物的監測和鑒定。

隨著人們對其自身生命健康的日趨關注，生物產品與食品的質量和安全已經成為社會關注的熱點。科技水平先進的國家在生物技術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用。例如，檢測蔬菜和水果中農藥的殘留量，用常規化學法難以完成，而使用SQ-NCM08農藥殘毒快速檢測儀可快速檢測有機磷及氨基甲酸酯類農藥殘毒量。

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。它與近年來發展的CT技術相比有顯著的優越性，XCT的缺點是對生物體有害，而且所提供的

信息是解剖學的。當用XCT掃描時，只有當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）環境監測

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

綜上所述，分析儀器在高科技領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科的高技術產物，它受益于其它各種技術的成果，也接受它們的挑戰，正在不斷地改善、創新與發展。如作為高技術主要基礎的材料科學，為了開發新材料并進行生產或改性，要求分析手段更加現代化（如超痕量分析、幾何結構與電子結構鑒定、無相鑒定……）；生物工程和醫療診治要求有性能更好、速度更快的分析儀器去闡明人類、動植物基因組的結構，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展，尤其是最新科學技術成果的廣泛應用，大大的推動了分析儀器的迅速發展與進步。

（一）新型檢測器發展迅速

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

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

（二）大量采用新技術、新方法

近十年來，包括納米級的精密機械研究成果、分子層次的現代化學研究成果、新型傳感器技術與智能化技術研究成果，以及全球網絡技術推廣應用成果等在內的一大批當代最新科技成果的問世，使分析儀器領域發生了根本性的變革。這些成果正在迅速改變分析儀器的工作原理與本質特性，使其具備和擁有了傳統分析儀器根本無法涉及與實現的眾多的、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、新儀器。“PITTCON”就是“PITTCON”，它是世界一流分析化學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，它開創了聚合物色譜分析技術的一個新類別，能夠更加快速地獲取更準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，其速度比傳統凝膠滲透色譜（GPC）要快20倍。

（三）新材料的不斷涌現

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

（四）微傳感與微制造技術的深入發展

在分析儀器現代化發展的進程中，除了微電子技術和器件的發展和引入使傳統分析儀器擺脫了龐大的分立電氣設計和儀器結構的束縛以外，微傳感技術和微制造技術正成為當前分析儀器現代化發展過程中最引人注目的新技術潮流。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玻璃電極的突破和發展，不但在靈敏度、選擇性、穩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、生化傳感器和應用技術的開發也是近年來的熱門方向，已在各種檢測領域得到了成功的應用，例如環境監測、生物醫學在休無損傷等。

可以預見，由于微傳感和微制造技術的深入發展，將直接影響到現代分析儀器代表技術和產品的發展，在生物、醫學、生態、航天等領域中會應運而生，開發出大量新穎的微分析儀器。

三、當前分析儀器的發展趨勢

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、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出精確的結果來。這就是今天的分析儀器，如此方便快捷、精確。

當前，分析儀器的發展趨勢主要體現在以下幾個方面。

（一）聯用技術日趨成熟

為了對復雜的樣品進行快速定性分析、定量分析，近年來，分析儀器聯用技術日趨成熟，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為一體。目前較成功的聯用儀器有：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-質譜等。隨著計算機功能軟件的不斷開發，預計聯用儀器會得到進一步發展。

（二）準確度與靈敏度要求愈來愈高

隨著科學技術的迅猛發展，對于分析儀器的準確度與靈敏度的要求越來越高，最終目標是實現單原子（分子）檢測。例如，食品中農藥殘留、環境激素等有害物質的殘留限量值由mg/kg降低至μg/kg，甚至不得檢出。這些都對分析儀器的準確度與靈敏度提出了更高的要求。目前，氣相色譜高分辨質譜（GC/MS）、液相色譜串聯質譜（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的檢測與分析。

（三）分析儀器自動化、智能化、網絡化水平不斷提高

由于計算機技術及應用軟件的飛速發展和自動控制技術等在分析儀器的應用，世界分析儀器技術可以說是正在經歷一場革命性的變化，傳統的熱學、電化學、光學、色譜、波譜類分析技術都已從經典的化學精密機械電子結構、實驗室內人工操作應用模式，轉化為光、機、電、算一體化及自動化的結構，儀器自動化、智能化、網絡化水平不斷提高。例如，應用十分廣泛的光譜儀、色譜儀等，不僅具有自校正、自診斷及聯網功能。這種建立在專家系統理論基礎上的智能系統，代表了新一代分析儀器的發展方向。一些高檔產品還能進行復雜的數學變換（如傅里葉變換、哈德曼變換），并配有專家分析系統、數據庫以及三維圖譜分析功能。一個復雜的樣品在幾分鐘或更短的時間內就得出分析結果。

（四）分析儀器的微型化正在加速

隨著微制造技術、納米技術和新功能材料等高新技術的不斷發展，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；備受使用者喜愛的便攜式氣質聯用儀，體重只有幾公斤，在應急監測領域出盡了風頭；Mass Sensors公司推出的微型質譜儀，重不到2公斤，可測質量數在1～200的任何氣體，由于整機帶有無線電通訊系統，所以很適于作遠距離現場分布式實時監測，微型化達到及至。

（五）分析儀器的應用日益拓展

在以前，經典的分析儀器主要是為服務分析、監控工農業生產，保證產品質量，保障工農業生產流程安全高效的要求而發展。今天分析儀器的應用領域已經大大拓展，最引人注目的是在生物技術及工程、食品、環境保護、醫學等領域的應用日新月異，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、醫學、食品工業、生物工程等領域以聚合酶鏈式反應為特征、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用于環境保護中河流、湖泊、工業廢水、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化；紫外分析儀廣泛應用于分子生物學、生物化學、醫學檢驗、生物制品等各個領域，是基因擴增技術必備儀器之一。

參考文獻：

[1]王學琳.現代分析儀器發展趨勢.現代儀器.2007（6）.

[2]儲曉剛.現代分析儀器設備進步與食品安全檢測技術提升.現代科學儀器.2008（3）.