绪论
内容提要
本章阐述分析化学的任务与作用、分析方法的分类和分析化学的发展趋势。
0.1分析化学的任务与作用
分析化学(analytical chemistry)是获取物质的化学信息，研究物质的组成、状态和结构的科学。
分析化学在不同的历史时期有不同的定义。20世纪50年代对分析化学的定义是研究物质组成的测定方法和有关原理的一门科学。90年代则认为，分析化学是获得物质化学组成和结构信息的科学。现在分析化学的定义是：发展和应用各种方法、仪器和策略，以获得物质在特定时间和空间有关组成和性质信息的科学分支。分析化学的定义具有时代变化的特征，它是信息科学的组成部分，是一门独立的化学信息科学。
分析化学将化学与数学、物理学、计算机科学、生物学和医学结合起来，通过各种各样的方法和手段，得到分析数据，从中获得有关物质的组成、结构和性质的信息，从而揭示物质世界构成的真相。分析化学的发展与生命科学、环境科学、信息科学、材料科学以及资源和能源科学等的发展息息相关，其应用范围涉及国民经济、国防建设、资源开发、环境保护以及人的衣、食、住、行等各个方面。在目前以生命科学和信息科学为龙头，以材料科学为基础的高新技术产业革命中，分析化学是一个十分活跃的学科领域。有人认为，分析化学是“解决有关物质体系问题的关键”，足见分析化学的重要性。当代科学技术和人们的生产活动的高速发展向分析化学提出了严峻的挑战，也为分析化学带来了发展机遇，扩展了分析化学的研究领域。
目前，环境科学研究是全世界瞩目的研究领域。美国出版的《化学中的机会：今天和明天》(Opportunities in Chemistry:Today and Tomorrow，National Academy Press，1987年)一书中指出：分析化学在“推动我们弄清环境中的化学问题起着关键作用”，可见环境科学离不开分析化学。
在新材料研究中，微量分析和超纯物质分析对航天材料、通信材料和激光材料的研究起着至关重要的作用。当今高新技术产品对材料性能及其化学、物理微结构的要求更高，不仅要把握其组成变化，控制痕量杂质元素的影响，而且要了解元素及其状态的空间分布情况。
M.Grasserbauer在综述(TrendsAnal.Chem.，1989，8：191)中列出了一些具体分析技术在表征高新技术固体材料中的应用。
在能源科学中，分析化学是获取地质矿物组分、结构和性能信息及揭示地质环境变化过程的主要手段。测试与分析技术被列为四大地质科学技术体系之一。在石油化工领域，从开采、炼制到产品质量控制过程都离不开色谱分析方法。
分析化学在生命科学、生物工程中发挥着巨大作用。色谱、质谱、核磁共振波谱、红外光谱、电分析化学、X射线衍射单晶分析、发光分析、化学及生物传感器等已广泛用于生命科学研究。
在药学和医学中，分析技术在药物组分含量、中草药有效成分测定、药物代谢与动力学、药理机制以及疾病诊断等研究中是不可缺少的手段。
在空间科学中，全世界数百颗飞行器全都装配了红外光谱仪、紫外光谱仪、X射线荧光光谱仪等分析仪器，对月球、金星、火星等进行探测和研究。由质谱仪提供的信息，得出了火星上不存在生命的重要结论。
分析化学不仅在科学研究中发挥着重要作用，它也是工农业生产、疫情防控和国防科技的“眼睛”。
工农业生产分析包括各种生产中的原料、辅助材料及产品的分析方法，各种生产过程中的中间产品和副产品的分析方法以及工农业生产中燃料、用水、“三废”等的分析方法，此外还有动力分析及安全生产分析等分析方法。
工农业生产分析在国民经济建设中具有重要作用。例如，地质勘探工作中矿石的鉴定、冶金部门炼铁炉前分析、考古学中文物出土分析、卫生部门的药物检验及致癌物分析、粮食部门对食品及霉菌残毒分析、农业部门关于土壤化肥的分析、水利部门对水质的检验等，凡是涉及化学变化的领域都要运用分析化学。
在生物技术领域，细胞工程、基因工程、蛋白质工程以及保健品工业等迫切需要分析化学，现场检测和活体分析也必将促进生物工程的更大发展。2020年新冠疫情在全球暴发，新冠病毒核酸检测等分析技术也是落实精准防控的有效手段。在国防科技领域，核燃料质量控制、生化毒剂分析、放射分析等都离不开分析化学。
总之，现代分析化学已逐步发展成为一门对其他学科起重要支撑作用的综合性中心学科，绝大多数涉及物质及其变化的现象研究和理论验证都离不开分析化学。它不仅影响着人们物质文明和社会财富的创造，而且影响着解决有关人类生存(如环境生态、食品安全等)和政治决策(如资源、能源开发等)的重大社会问题。信息时代的来临对分析化学产生了深刻的影响，分析化学家已不仅仅是“数据提供者”，也是“问题解决者”。一个国家分析化学的水平是衡量其科学技术水平的重要标志，分析化学是现代科学技术的“眼睛”。
0.2分析方法的分类
分析化学的分类方法众多，按分析任务可分为定性分析、定量分析和结构分析；按分析对象可分为无机分析和有机分析；按分析方法的原理可分为化学分析和仪器分析；按分析试样量的多少可分为常量分析、半微量分析、微量分析和痕量分析；按照分析的要求又可以分为例行分析、仲裁分析和快速分析。
0.2.1定性分析、定量分析和结构分析
定性分析的任务是鉴定物质的元素、离子或化合物组成，简单地说就是回答有什么或有没有的问题。定量分析的任务则是确定物质各组成部分的具体含量，如1kg菠菜中氰戊菊酯的含量是多少。结构分析则是确定物质的结构形式，如确定化合物的基团结构、分子结构、晶体结构等信息。
0.2.2无机分析和有机分析
无机物和有机物在组成和结构上存在显著差异，因此它们的分析要求和分析手段也不尽相同。无机分析侧重于元素、离子、原子团或化合物组成、相对含量、晶体结构的分析，而有机分析则侧重于官能团和结构的分析。在实际的国民经济各部门的应用中又形成了许多特定的分析对象，如金属与合金分析、硅酸盐材料分析、药物分析、食品分析、土壤分析、水质分析和大气分析等。
0.2.3常量分析、半微量分析、微量分析和痕量分析常量分析指试样质量大于0.1g或试液体积大于10mL的分析。微量分析指试样质量小于0.01g或试液体积小于1mL的分析。介于二者之间为半微量分析。由于试样用量不同，各方法使用的仪器及操作也不相同。
应强调指出，常量、微量和半微量分析是指试样用量而言，并非试样中被测组分含量的高低。按照试样中被测组分的含量划分，含量大于1%的称为常量组分，含量为0.01%～1%的称为微量组分，而含量小于0.01%的称为痕量组分。
0.2.4化学分析和仪器分析
1.化学分析法
化学分析法(chemical analysis)是利用物质的化学反应及其计量关系来确定被测定物质的组分和含量的一类分析方法，主要有滴定分析法和重量分析法。因这两种方法最早用于定量分析，有人称之为经典分析方法。
通过化学反应或电化学反应，经适当处理，将试样中待测组分转化为纯净的、有固定组成且可直接称量的化合物，从而计算出待测组分的含量，这种方法称为重量分析法，它包括普通重量法和电重量法。
将标准溶液滴加到待测物质溶液中，使其与待测物质发生化学反应，并用适当方法指示出化学计量点，根据所耗去的标准溶液体积计算出待测物质的含量，这种方法称为滴定分析法。按照滴定时化学反应类型，滴定分析法可分为酸碱滴定法、配位滴定法、氧化还原滴定法和沉淀滴定法。
重量分析法和滴定分析法适用于高含量或中含量组分的测定，待测组分含量一般在1%以上。重量分析法准确度高，至今还有许多分析测定采用重量分析方法作为标准分析方法，但是重量分析速度慢，其应用受到限制。与重量分析法相比，滴定分析法操作简便、快速，测定的相对误差在0.2%左右，因而是重要的例行检测手段，有很大的实用价值。
2.仪器分析法
仪器分析法(instrumental analysis)是以物质的物理性质或物理化学性质为基础建立起来的一类分析方法，通过测量物质的物理或物理化学参数，便可确定该物质的组成、结构和含量。
仪器分析的方法众多，而且各种方法相对独立，可自成体系。常用的仪器分析方法有光学分析法、电化学分析法、色谱分析法、热分析法和质谱分析法等。
1)光学分析法
光学分析法的依据是物质的能量变化。它是基于能量作用于待测物质后，物质的热力学能变化以辐射(电磁波)的形式表现出来，用合适的仪器将电磁波记录下来，这类方法称为光学分析法，可分为光谱法和非光谱法。
光谱法是以光的发射、吸收和散射为基础建立起来的分析方法。通过检测光谱波长和强度来进行定性和定量分析。根据产生热力学能变化的基本粒子分类，有原子光谱法和分子光谱法。原子发射光谱分析法、原子吸收光谱分析法和原子荧光光谱分析法属原子光谱法，而吸光光度法、紫外-可见光谱法、红外光谱法、分子荧光光谱法、分子磷光光谱法、拉曼光谱法、化学发光和生物发光分析法等均属分子光谱法。
2)电化学分析法
电化学分析法是以物质在溶液中的电化学性质变化为基础建立起来的一类分析方法。它将含有待测物的试液组成化学电池，通过测量电池的电化学参数，如电导、电位、电流或电量等电信号，从而获得待测物的组成或含量。常用的分析方法有电位分析法、库仑分析法、极谱法和伏安法，早期使用的还有电导分析法。
3)色谱分析法
以物质在互不相溶的两相中的分配系数差异为基础建立起来的分离和分析方法称为色谱分析法。目前广泛使用的有气相色谱分析法、高效液相色谱分析法和离子色谱分析法，近十几年来，发展了许多新的色谱技术，如超临界流体色谱分析法、毛细管电泳和毛细管电色谱分析法等。
4)质谱分析法
待测物在离子源中被电离成带电离子，经质量分析器按离子的质荷比m/z的大小进行分离，并以谱图形式记录下来，根据记录的质谱图确定待测物的组成和结构，这种分析方法称为质谱分析法。
此外，还有热分析法、电子能谱法等仪器分析方法。
0.2.5例行分析、仲裁分析和快速分析
例行分析是指一般实验室对日常生产、生活中的原材料或产品进行的分析，又称常规分析。仲裁分析则是指不同单位对某一试样的分析结果发生争议时，要求权威部门用特定的方法进行准确的分析，并以此做出裁定。仲裁分析对分析方法和分析结果的准确度要求更高。快速分析主要强调在分析的现场快速出结果。例如，做毒品检验时就有现场快速筛检分析，对现场筛检结果呈阳性的样品就要送权威机构鉴定。
0.3发展中的分析化学
由于现代科学技术的发展，尤其是相关学科之间相互渗透、相互促进，分析化学的发展经历了三次巨大的变革。第一次变革始于20世纪初，物理化学中的溶液化学平衡理论、动力学理论、缓冲作用原理等的发展为分析化学奠定了理论基础，建立了溶液中的酸碱、氧化还原、配位和沉淀四大平衡，使得分析化学由一门技术转变为一门科学。第二次变革发生在20世纪40年代，物理学和电子学的发展促进了各种仪器分析方法的发展，使得分析化学从以化学分析为主转变为利用物质的物理化学性质进行检测的仪器分析为主。从20世纪70年代末起，随着计算机科学的发展，为了满足生命科学、环境科学、材料科学发展的需要，分析化学广泛吸收并应用当代科学技术的最新成就，促成了分析化学的第三次变革。扫码可查看分
析化学发展变革史中的重要中外科学家。
著名分析化学家、中国科学院院士高鸿先生阐述：对象和方法的矛盾是分析化学发展的动力，促进了分析化学的发展。生产实践与科学实验的发展不断向分析化学提出新的课题。分析化学吸取了当代科学技术最新成就，利用物质一切可以利用的性质来解决这些问题，促进分析化学不断发展。
分析化学是随着化学和其他相关学科的发展而不断发展的。现代分析化学已不局限于测定物质的组成和含量，还可以对物质的形态(如价态、配位态、晶形等)、结构(空间分布)、微区、薄层、化学活性和生物活性等进行瞬时跟踪监测，实现无损分析、在线监测分析和过程控制等。现代分析化学的发展趋势大体可归纳为以下几个方面。……
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