现代分析仪器及其进展

摘 要：综述近十年来分析仪器的发展状况，介绍了分析仪器在高科技领域中的重要作用、高科技对分析仪器的促进作用以及当前分析仪器的发展趋势。

关键词：分析仪器 高科技 发展趋势

分析仪器是新兴的技术行业，是科学仪器的主体，是四两拨千斤的产业。世界各主要国家的分析仪器行业于上世纪40年代和50年代初逐步形成，至今已发展成包括光谱、质谱、色谱在内的62类分析仪器体系。尽管它的历史很短，但其产品类别及质量进展之快、应用领域扩展之迅速，都是十分惊人的。分析仪器的应用并不局限于化学领域，而是渗透到很多学科领域之中，诸如，与技术发展或生产现场等科学技术有关的领域（如石油、化工、地质、煤炭、冶金、空间科学及国防工业等），以及水文、气象、农业、医学、卫生学、食品化学、环境科学等与人类生活和健康有关的非常广泛的基础应用领域。

近年来，随着计算机大规模集成电路的迅速发展，对现有分析仪器的继续开发研究和新仪器分析方法的不断开发采用，推动了科学研究和技术的新进展，分析仪器在高科技领域显示出越来越重要的作用。而最新科学技术成果的应用又促进了仪器分析技术和分析仪器的新进展。

一、分析仪器——高科技领域不可缺少的重要手段

分析仪器在高科技中的重要作用，主要表现在以下几个方面。

（一）材料科学

无论是材料自身结构的剖析与验证，还是材料中的渗透剂、清洗剂、显示剂和催化剂等的分析，以及材料合成过程中化学动力学研究和过程监控等都离不开各种现代分析仪器。例如，可利用各种大型分析设备如扫描探针显微镜（SPM）、扫描电镜（SEM）、投射电镜（TEM），各种衍射仪如电子衍射仪、X射线衍射仪，各种谱仪如红外光谱仪、激光光谱仪、原子吸收谱仪等用于材料成分的检测。利用热分析器配合高温热分析传感器，进行氧化物陶瓷材料的测定，如它可测出MO-MO2C共晶体的熔解温度为2180K；采用蓝宝石的溶解热作为参比，可测得碳化合物的熔解热为22.5cal/g。

目前纳米技术和纳米材料已成为材料科学研究的重要方向，纳米结构的研究方法几乎涉及全部物质结构分析测试的仪器：

●直接观察的显微仪：高分辨透射电镜（HRTEM），扫描探针显微镜（SPM），扫描隧道显微镜（STM），原子显微镜（AFM），场离子显微镜（FIM）；

●非直接分析测试仪：X-射线衍射仪（XRD），扩展X-射线吸收精细结构测定仪（EX-AFS），穆斯堡尔谱仪（MS），拉曼散射仪（RS），正电子湮灭仪（PA），中子衍射仪；

●其它：原子吸收光谱仪、质谱仪、电子能谱仪、俄歇电子谱仪、表面力仪等。

（二）生物技术

现代生物技术是21世纪高技术的佼佼者，也是以分析仪器的发展为基础。例如，DNA顺序分析是分析生物学和基因工程中一项关键技术。DNA顺序分析仪的主要部分是垂直板式聚丙烯酰胺凝胶电泳仪，选用激光作为激发光源，在通过一组安装在转轮上的干涉滤光片辐照在电泳凝胶上，而激发出的荧光也通过一套干涉滤光片由光电倍增管接收。这种基于分析仪器的原理专用于生物技术的还有DNA自动合成仪、多肽自动合成仪和多肽自动顺序分析仪，这是分析仪器在生物技术中的贡献。

有机质谱器在剖析大生物分子方面有了长足进步，其中包括与GC、HPLC、SFC联用接口、电离方式，MS-MS，等等。布鲁克（Bruker）仪器公司推出的REFLEX基质辅助激光解吸附电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）是高敏感度的时间飞行质谱，其灵敏度在fmol以下，分辨率可达20[DK]，000（FWHM）以上，最高质量数大于3000[DK]，000alton，并有串联质谱功能（PSDMS/MS），而且操作简单自动化程度高，主要应用于多肽、蛋白质、核苷酸、糖蛋白、多糖及高聚物的监测和鉴定。

随着人们对其自身生命健康的日趋关注，生物产品与食品的质量和安全已经成为社会关注的热点。科技水平先进的国家在生物技术与食品分析中已基本采用仪器分析的方法代替手工操作的老方法，气相色谱仪、氨基酸自动分析仪、高效液相色谱仪、紫外—可见分光光度计等均得到了普遍应用。例如，检测蔬菜和水果中农药的残留量，用常规化学法难以完成，而使用SQ-NCM08农药残毒快速检测仪可快速检测有机磷及氨基甲酸酯类农药残毒量。

此外，利用分析仪器还可进行临床直接诊断。例如，临床上使用的核磁共振成像仪就是利用NMR的原理，在静磁场上叠加一梯度场，从而得出三维图像，以用于早期判断癌症。它与近年来发展的CT技术相比有显著的优越性，XCT的缺点是对生物体有害，而且所提供的

信息是解剖学的。当用XCT扫描时，只有当疾患大到足以使器官变形时才能查出。而NMRCT正好与之形成鲜明的对比，它对生物体无害，对软组织的对比度大，可以进行癌症早期诊断。

（三）环境监测

环境与污染源检测仪器及自动检测系统既是环境信息的源头，又是环境质量评价、环境监控及环境科学管理的手段。为了对环境质量和生态环境进行实时准确的监测，并对污染源及其治理进行监督监测，迫切需要大量的现代环境监测分析仪器，特别是优质的自动监测分析系统和污染源在线连续监测系统。例如，污染源烟尘（粉尘）在线监测仪主要用于在线监测污染源烟尘、工艺粉尘排放量（浓度或总量），包括测量流量、O2、含湿量、温度等相关参数，是实现污染源排放总量监测的必备监测仪器。环境空气地面自动监测系统主要用于空气质量周报、日报监测，主要监测项目有：SO2、NOX、CO、O3、PM10等。

综上所述，分析仪器在高科技领域显示越来越重要的作用，已成为高科技不可缺少的重要手段。

二、高科技对分析仪器的推动和支撑

分析仪器是基于多学科的高技术产物，它受益于其它各种技术的成果，也接受它们的挑战，正在不断地改善、创新与发展。如作为高技术主要基础的材料科学，为了开发新材料并进行生产或改性，要求分析手段更加现代化（如超痕量分析、几何结构与电子结构鉴定、无相鉴定……）；生物工程和医疗诊治要求有性能更好、速度更快的分析仪器去阐明人类、动植物基因组的结构，去探索人类生老病死的奥秘，去改变生命活动，改造生命活动，改造自然以造福人类……所以，由于高科技的快速发展，尤其是最新科学技术成果的广泛应用，大大的推动了分析仪器的迅速发展与进步。

（一）新型检测器发展迅速

由于微电子技术、光电子技术、生物芯片技术以及其它新技术不断被应用于传感原件，一代新型检测器正推动着分析仪器的发展。如紫外分光光度计采用二级管阵列替代常规的光电被倍增管作检测器，取消了传统的光栅转动机构，对紫外-可见光谱范围的扫描只需100ms，满足了化学和生物技术领域中快速反应过程中变化信息检测的需要，提高了仪器的精度和准确性。

在质谱仪器中，由于离子阱检测器的出现，已能检测所有质量的离子。这种新型质量检测器与毛细管气相色谱仪的联用，使仪器灵敏度可以达到痕量级，色/质联用仪器整机体积大大缩小，降低了造价。

（二）大量采用新技术、新方法

近十年来，包括纳米级的精密机械研究成果、分子层次的现代化学研究成果、新型传感器技术与智能化技术研究成果，以及全球网络技术推广应用成果等在内的一大批当代最新科技成果的问世，使分析仪器领域发生了根本性的变革。这些成果正在迅速改变分析仪器的工作原理与本质特性，使其具备和拥有了传统分析仪器根本无法涉及与实现的众多的、全新的、超高的功能。

在每次匹兹堡会议（PITTCON）上总可看到很多新方法、新技术、新仪器。“PITTCON”就是“PITTCON”，它是世界一流分析化学家展示最新研究成果的一个理想场所。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谱（ACQUITYAdvanced Polymer ChromatographyTM，APCTM）系统，它开创了聚合物色谱分析技术的一个新类别，能够更加快速地获取更准确的聚合物分子量信息，可显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时，其速度比传统凝胶渗透色谱（GPC）要快20倍。

（三）新材料的不断涌现

最有说服力的例子是超导材料铌锡、铌钛的出现，它使核磁共振谱仪摆脱了永磁体的局限。从100MHZ跃至超导磁体的500MHZ，甚至600MHZ的核磁共振谱仪，仅信噪比一项就提高了几个数量级。

（四）微传感与微制造技术的深入发展

在分析仪器现代化发展的进程中，除了微电子技术和器件的发展和引入使传统分析仪器摆脱了庞大的分立电气设计和仪器结构的束缚以外，微传感技术和微制造技术正成为当前分析仪器现代化发展过程中最引人注目的新技术潮流。离子选择电极、药物选择电极、PVC膜电极、酶电极、微生物电极、免疫电极等，都是近年来对分析仪器传统玻璃电极的突破和发展，不但在灵敏度、选择性、稳定性等主要性能方面有极大升跃，而且它们尺寸小、牢固耐用、使用方便。另外，各种光纤化学、生化传感器和应用技术的开发也是近年来的热门方向，已在各种检测领域得到了成功的应用，例如环境监测、生物医学在休无损伤等。

可以预见，由于微传感和微制造技术的深入发展，将直接影响到现代分析仪器代表技术和产品的发展，在生物、医学、生态、航天等领域中会应运而生，开发出大量新颖的微分析仪器。

三、当前分析仪器的发展趋势

您的小孩是不是缺乏微量元素？您血液中的铅含量是不是偏高？只要取一撮头发、一滴血放在一种最新的仪器里，敲敲计算机键盘，一份计算机打印的检测单就可标出精确的结果来。这就是今天的分析仪器，如此方便快捷、精确。

当前，分析仪器的发展趋势主要体现在以下几个方面。

（一）联用技术日趋成熟

为了对复杂的样品进行快速定性分析、定量分析，近年来，分析仪器联用技术日趋成熟，通过采样接口和计算机把另种功能相互补充的不同仪器联为一体。目前较成功的联用仪器有：气相色谱-紫外光谱，液相色谱—核磁共振，气相色谱—傅里叶变换红外光谱，液相色谱-质谱等。随着计算机功能软件的不断开发，预计联用仪器会得到进一步发展。

（二）准确度与灵敏度要求愈来愈高

随着科学技术的迅猛发展，对于分析仪器的准确度与灵敏度的要求越来越高，最终目标是实现单原子（分子）检测。例如，食品中农药残留、环境激素等有害物质的残留限量值由mg/kg降低至μg/kg，甚至不得检出。这些都对分析仪器的准确度与灵敏度提出了更高的要求。目前，气相色谱高分辨质谱（GC/MS）、液相色谱串联质谱（HPLC/MS/MS）等高灵敏度分析仪器就适用于食品中超痕量有害残留物质的检测与分析。

（三）分析仪器自动化、智能化、网络化水平不断提高

由于计算机技术及应用软件的飞速发展和自动控制技术等在分析仪器的应用，世界分析仪器技术可以说是正在经历一场革命性的变化，传统的热学、电化学、光学、色谱、波谱类分析技术都已从经典的化学精密机械电子结构、实验室内人工操作应用模式，转化为光、机、电、算一体化及自动化的结构，仪器自动化、智能化、网络化水平不断提高。例如，应用十分广泛的光谱仪、色谱仪等，不仅具有自校正、自诊断及联网功能。这种建立在专家系统理论基础上的智能系统，代表了新一代分析仪器的发展方向。一些高档产品还能进行复杂的数学变换（如傅里叶变换、哈德曼变换），并配有专家分析系统、数据库以及三维图谱分析功能。一个复杂的样品在几分钟或更短的时间内就得出分析结果。

（四）分析仪器的微型化正在加速

随着微制造技术、纳米技术和新功能材料等高新技术的不断发展，分析仪器正沿着大型落地式→台式→移动式→便捷式→手持式→芯片实验室的方向发展，越来越小型化、微型化。例如，手提式微金属探测仪可方便地检测水质；备受使用者喜爱的便携式气质联用仪，体重只有几公斤，在应急监测领域出尽了风头；Mass Sensors公司推出的微型质谱仪，重不到2公斤，可测质量数在1～200的任何气体，由于整机带有无线电通讯系统，所以很适于作远距离现场分布式实时监测，微型化达到及至。

（五）分析仪器的应用日益拓展

在以前，经典的分析仪器主要是为服务分析、监控工农业生产，保证产品质量，保障工农业生产流程安全高效的要求而发展。今天分析仪器的应用领域已经大大拓展，最引人注目的是在生物技术及工程、食品、环境保护、医学等领域的应用日新月异，由物到人的拓展趋势将更加显著。例如，PCR仪广泛用于分子生物学、医学、食品工业、生物工程等领域以聚合酶链式反应为特征、以检测DNA/RNA为目的的各种病原体检测及基因分析；CXP-3000型总磷在线分析仪应用于环境保护中河流、湖泊、工业废水、市政废水水样中的磷含量的测量，从而控制水体的含磷量，以防止封闭水域的富营养化；紫外分析仪广泛应用于分子生物学、生物化学、医学检验、生物制品等各个领域，是基因扩增技术必备仪器之一。

参考文献：

[1]王学琳.现代分析仪器发展趋势.现代仪器.2007（6）.

[2]储晓刚.现代分析仪器设备进步与食品安全检测技术提升.现代科学仪器.2008（3）.

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