记者:请你谈谈分析化学在四个现代化中的重要作用。
高:分析化学是一门二级学科,目前属于化学这门学科,在大学里这门科学叫分析化学,在生产单位、在厂矿实验室里,这门科学叫分析化验。
任何物质生产部门、医药部门、环境保护部门、地质勘探部门、宇航部门等等都离不开分析化验工作。地质勘探工作为四化建设发掘祖国地下宝藏,人们称地质工作者是建设的尖兵。但是发现地下宝藏就得靠分析化验工作,因此,人们称分析化验工作是尖兵的眼睛。实际上不仅在地质勘探工作中,在一切物质生产过程中,分析化验工作都是生产的眼睛。因此,在全国的科技工作者中,分析工作的队伍是最大的一个。分析化验人员的眼睛遍布祖国各个行业、各个单位、各个地区,在千千万万个四化建设的岗位监督着一切工作的进程,正像数不清的星星在秋天夜空闪烁。
记者:分析化学在国外发展情况怎样?
高:最近二十多年来,分析化学有了很快的发展,它的面貌发生了很大的变化。这种变化是如此之大,以致它的目前的面貌和人们脑海中原有的关于分析化学的概念发生了矛盾,人们不得不调整自己的看法,重新考虑分析化学的定义、内容、范围,以适应发展了的客观现实。
下面讲四个问题:
一、分析化学的发展动力
事物发厗的根本原因,不是在事物的外部而是在事物的内部,在于事物内部的矛盾性。分析工作包括两个方面:即测定对象和测定方法。对象和方法的矛盾促进了分析化学的发展。所谓对象是指生产发展和科学实验对分析化学提出的要求和问题;所谓方法是指解决这些问题的手段。生产的发展不断对分析化学提出新的课题,促进分析化学不断向前发展。正如革命导师恩格斯所说,科学的发生和发展,归根到底是由生产决定的。
近代工农业生产和科学实验,对分析化学提出哪些问题呢?提出的问题何止成千上万!但总的来看,在成分分析方面,主要有四个方面的问题:(1)准确度:(2)灵敏度;(3)快速自动;(4)微区分析。
随着生产的不断发展,对分析方法的要求越来越高。
准确度方面:半导体砷化镓中镓砷比的测定,准确度要求达到PPm级,而且要快速自动。因为这是半导体工业的材料。PPm在这里不是灵敏度的要求而是准确度的要求;不是微量成分分析的要求而是常量成分分析的要求。
灵敏度方面:环境保护工作和半导体材料分析均要求痕量杂质成分的测定灵敏度达到PPb级甚至更小,而且要求快速自动。
快速方面:炼钢工业的迅速发展要求测试手段更加快速。如果炼一炉钢只要二、三十分钟的时间,钢中添加成分的炉前测定时间只能以秒计,因此要求提供更加快速的测试方法。随着工业生产的自动化程度的不断提高,对分析方法的快速自动化的要求也愈来愈高。
微区分析:半导体材料表面微小区域极微量杂质成分的非破坏性检查要求测定方法具有很高的选择性与灵敏度。
二、从方法看分析化学的发展趋势
分析化学是怎样解决生产上提出的这些问题的呢?几乎是想尽了一切办法。这就是说,利用近代科学技术的成就,利用物质的一切可以利用的性质来解决物质的分析问题。
例如,高准确度常量分析的问题,测定含有百分之几十的常量砷,要准确到百万分之几。化学的方法解决不了这个问题。重量分析的方法不行、因为沉淀总有个溶解度;容量分析的方法也不行,因为容量分析的基础是“四大平衡”,每一种平衡都有一个逆反应。所以,利用化学性质,从理论到实践都是不行的。
现在解决高准确度常量分析的办法是一种电化学分析方法,称为恒电流库仑滴定法。在这里,把一个强度恒定的电流通过含有被测定物质的电解液中,只要工作电极上只有被测定物质在起电极反应,电流效率为100%,根据Faraday电解定律,一个克当量的物质在电极上起反应就有一个Faraday的电量通过电解池,因此测量电量就可以计算在电极上起反应的物质的量。测量的具体对象是时间与电流强度,这两个物理量目前都能够很准确地测量,因此,库仑分析能解决高准确度常量分析问题。
又譬如,关于高灵敏度的测定方法,半导体材料表面,一个微小区域有极微量的碳、硫、氯原子,用什么方法测定?灵敏度要求很高,又不许破坏样品。
我们不能利用物质的化学性质来解决这样的问题。一般的化学性质只利用原子最外层电子的性质。为了达到最高的选择性和灵敏度,只能利用元素间最根本的差别,即原子内部能级上电子能量的差别。在这个基础上人们创造了像电子能谱、Auge只能谱等一系列光电子谱仪以适应微区分析、表面分析的需要。
电子能谱的绝对灵敏度达到10-18M。
Avogadro常数N等于1023。经典分析化学所讨论的物质的量是以克分子、克原子为单位的。这就是说,人们所讨论的物质的量是以1023个原子为单位的。灵敏度达到意味着人们能测定的量减少到几万个原子。
激光的应用使测定的灵敏度有了很大的突破。1976年12月美国橡树岭国家实验室宣布,他们已能从1018个其他原子和分子中,鉴定出一个单独的Cs原子。他们让一束激光照射被测定的Cs原子,激光的频率是经过细心挑选的,一个Cs原子吸收一个共振光子,形成一个激发态的Cs原子,然后这个激发态的原子再吸收一个共振光子。这个吸收了两个光子的Cs原子最后电离,放出一个自由电子,这个自由电子在计数器中触发一个信号,表示Cs原子的存在。这样,人们就在二十世纪七十年代达到了定性分析的顶峰。
从分析方法的发展看分析化学的发展趋势,我们看到以下三点:
1. 由于学科之间的相互渗透,在测定方法中,非化学方法的应用愈来愈多,物理方法的比重越来越大。
2. 电子技术与电子计算机在分析化学上的应用改变了分析化学的面貌,如果说,六十年代是分析化学与电子学结合的时代,七十年代就是分析化学与电子计算机结合的时代。分析仪器的电子计算机化是近代分析仪器发展的主要趋势。
3. 分析方法之间的相互渗透或者说两种技术的联合应用已成为分析方法发展的一个基本规律。
这是近代分析化学发展的三条主要趋势,也是近代分析化学发展的三条基本规律。
分析方法中,非化学方法的应用愈来愈多,这是很明显的事实。人们早就在议论:今天的分析化学,与其叫做分析化学,还不如叫做“分析物理”。因此,有人提议把今日的分析化学改名叫做“近代分析”。事实上,今天不论在国外还是国内,应用得最广泛,研究得最多的分析方法是光学分析法(即与“光谱”有关的方法),其次是电化学分析法和色谱分析法,光学分析法约占60%,电与色谱少的时候占10%左右,多的时候顶多占20%。
酶在分析化学中的应用标志着生物学对分析化学的渗透。随着科学技术的发展以及仿生学在分析化学中的应用,分析化学将向更高的阶段发展。由于物理方法应用得很多,所以在1962年有一个美国的分析化学家Herman Liebhaisky在接受分析化学奖金时,说过一句很有说服力的话:“喜欢或者不喜欢,化学正在走出分析化学”。
电子计算机的应用是分析化学发展过程中一个新的里程碑,是分析化学是否“现代化”的一个主要标志。因为:
1. 电子计算机的应用使已有的方法更加精密、快速。过去我们总有个概念,好像分析方法在准确、灵敏、快速三个方面不能兼顾,每一种方法只能有一种特长,其他两种就顾不上了。我们说,重量分析方法虽然慢,但它却比较准确;比色分析方法虽然灵敏,但不准确;如此等等。现在的情况完全改观了。库仑法不但最准确,而且很快速;原子吸收光谱法不但灵敏,而且和重量分析方法一样准确(表1)。表2列举了利用一些方法进行常量分析时得到的准确度。其中不少的方法原来只能作微量分析,现在却能作常量分析,而且它们的准确度并不比重量分析差。在这些方法中,准确、灵敏、快速三种优点兼备,这是用电子计算机武装起来的近代分析仪器的一个特点。
2. 电子计算机的应用使有的老方法获得了新的活力。催化分析法(或者叫作动力学分析法)就是一个例子。这一类方法非常灵敏,可以测定10-6~ 10-9%的杂质浓度。用这一类方法测定的元素也很多。根据1970年的统计,已经提出了能测定40种元素的250种测定方法。但是这些方法长期以来很少应用于实际工作中,因为测定的手续过于麻烦,方法太慢。电子计算机的应用有可能改变这种情况。据报道,1969年以来,使用配有电子计算机的分光光度计、利用催化法测定血浆中的磷,每小时可测定3000个样品,成为一个很有用的快速方法。电子计算机的应用使催化法有了新的活力,不少人预言,它将在分析化学中打开一个新的领域。
3. 电子计算机的应用可能为分析化学开辟一些崭新的领域。过去为了消除元素间的相互干扰,我们发展了一系列分离元素的方法,另外,我们发展了一些选择性好的方法,其中最成功的是原子吸收光谱法。即利用一种原子灯测定一种元素。因而,测定70种元素要用70种灯,我们一般的想法总是把要测定的元素从样品中分离出来,然后加以测定。能不能就在同一个样品中同时测定许多元素?有些方法是可以做到的,例如X - 射线荧光分析法。利用分光光度法我们可以同时测定2~3个元素。多了,计算公式比较麻烦,人们不愿采用。利用电子计算机来解10个以上的联立方程是很简便的事情。人们将来还可以利用分光光度法,不经过或者经过简单的分离手续,在同一样品中同时测定很多元素,看来,这也是可能的。电子计算机将使人们能够办到很多过去很难办到的事情。它的应用无疑将使分析化学达到一个新的境界。
分析方法间的相互渗透,从来就是分析化学发展的一个基本规律。
物理、化学测定法与滴定法的结合产生了各种物化滴定法。1974年P. Kissinger写道:“有许多例子说明,电化学方法可以单独发展下去,但有更多的例子说明,把电化学方法与其他方法结合起来更加有利。”
三、分析化学历史上的三次革命
最近美国的著名分析化学教授H. A. 莱廷纳在南京大学讲学提出了分析化学历史上经历了三次巨大的变革,他说这三次变革是分析化学的三次革命。
第一次在本世纪之初,物理化学概念武装了分析化学,把分析化学从一门技术转变成一门科学。
第二次从四十年代开始,第二次世界大战后的—段时间,分析仪器的大发展,物理学以及电子技术向分析化学渗透。
第三次我们现在处在一个大变革时期。
四、分析化学目前发展趋势
前面讲了从方法看分析化学发展趋势,下面讲从对象看分析化学的发展趋势。
从对象看分析化学的发展趋势,就是说,分析化学目前正忙于解决什么样的问题?分析化学要解决的问题成千上万。概括起来,从成分分析主要是四个问题:1. 痕量杂质成分分析,简称痕量分析;2. 快速自动分析;3. 高准确度常量分析;4. 微区分析。这是由于生产的不断发展,对这些问题提出了很高的要求,从而促进了分析化学的发展,第二次分析化学革命,就是解决这个问题。目前处在第三次分析化学革命时期,它有什么不同呢?从现在看来分析化学对要求有下列不同:
1. 要求分析化学提供更加详细的知识。过去的分析化学集中在找出一个样品的平均组成,就是说—个样品含有那些物质,含有它的百分数是多少,现在提出不但一个分析方法要找出一个样品的百分组成,还要找出它的成分在空间的分布。这些化学成分是均匀分布的,还是密集在一起的,在微区、在表面有多少,在其他方面有多少。不仅仅要解决这个样品含有多少成分百分组成是什么,还要求空间的分布,还要求它的结构分析。
2. 还要进行它的状态分析,例如在环境科学中,铬是致癌物质,但是铬离子如果在络合的状态有—个很强络合物把它络合了,那么铬就不会有毒了。例如6+铬(Cr++++++)是致癌物质,但3+铬(Cr+++)就不是致癌物质。因此,从环境科学的要求来看,我们不仅要知道水里面有没有铬,而且要知道它是什么样的状态,这个就不能用物理的方法来解决了。例如用光谱的方法我们使它原子的性质只能测定它有铬,但不能测定它存在的化学状态。因此,现在生产,要求对分析工作更高了,要求更细了,就不能再用单纯的物理方法来解决,而要更多地用化学方法。还有一些高温度、高压力特别情况的分析问题,还有一些短暂存在的质点分析问题。过去我们用分析方法只解决矿石成分,例如农药中成分,这些成分本身是固定的,是一直不变的。现在科学实验要求我们分析那些存在时间很短的一种质点,还要求分析方法直接测定一些复杂的混合物如生物流体等等。因此,像六十年代、七十年代发展起来的一些分析方法,有些就不能解决现在的问题。所以这一次H. A. 莱廷纳教授在讲演时最后一句话讲了:“信不信由你,化学正在回到分析化学”。
因此说分析化学对化学的基础要求更加多了。
记者:分析化学的定义及范围有没有变化?
高:分析化学的发展改变了人们对它的定义,它的范围也在变化。过去,我们总是说分析化学是化学的一部分,是一门化学,它研究物质成分的测定方法。这个定义在第二次革命四十年代之前无疑是正确的,那时人们主要用的是化学方法来解决化学成分问题,现在看来不那么正确了,解决的问题不仅是百分组成问题,而且包括质点空间分布以及状态问题等等。用的方法不仅是化学方法,物理方法用得很多占比重很大,因此分析化学不仅仅再是化学学科的一部分了,虽然它目前还是属于化学这门学科,但是它实际上要求的基础远非化学基础所能满足。
那么现在给分析化学应该下一个什么样的定义呢?H. A. 莱廷纳教授把分析化学定义为“化学表征与测量的科学”。这里面就避开分析化学是化学的一个部分,把分析化学作为一个独立学科来提。因此,分析化学定义不同了,分析化学的范围不仅包括成分分析而且应包括结构分析、微区分析、状态分析等等,它的范围大大地扩大了。
记者:发展我国的分析化学,你有什么设想?
高:分析化学的发展必然要引起分析化学教育的革命,四十年代后期,分析化学发生第二次革命以后,在美国,一段时间内就引起了巨大的反响,人们就开始进行巨大的调整工作,使大学课程能够符合当前分析化学发展的实际情况,今天在我们不断改善教学体制时,议论研究生培养计划时,我们不得不面对分析化学目前发展现实,研究分析化学发展的情况,从中得出结论,使我们的工作做得好些。
(整理者毛学春)