仪器分析的发展与应用

仪器分的发展与应用

仪器分析的发展历程：

经过19世纪的发展，到20世纪20～30年代，分析化学已基本成熟，它不再是各种分析方法的简单堆砌，已经从经验上升到了理论认识阶段，建立了分析化学的基本理论，如分析化学中的滴定曲线、滴定误差、指示剂的作用原理、沉淀的生成和溶解等基本理论。

20世纪40年代以后，一方面由于生产和科学技术发展的需要，另一方面由于物理学革命使人们的认识进一步深化，分析化学也发生了变革，从传统的化学分析发展为仪器分析。现代仪器分析涉及的范围很广，其中常用的有光学分析法、电化学分析法和色谱法。光学分析法是基于人们对物质光谱特性的认识而发展起来的一种分析测定方法。17世纪牛顿将白光分成了光谱以后，科学家对光谱进行了研究。19世纪前半期，人们已经把某一特征谱线和某种物质联系了起来，并提出了光谱定性分析的概念。在此基础上，德国化学家本生和物理学家基尔霍夫合作设计并制造了第一台用于光谱分析的光谱仪，实现了从光谱学原理到光谱分析的过渡，产生了一种新的分析方法即光谱分析法。19世纪后半期，人们又对光谱定量分析的可能性进行了探讨。1874年，洛克厄通过大量实验得出结论，认为光谱定量分析只能依据光谱线的强弱。

到20世纪，用光电量度法测定了光谱线的强度，后来，光电倍增管被应用于光谱定量分析。与此同时，利用物质的吸收光谱的吸收光度法，也得到了发展。电化学分析法是利用物质的电化学性质发展起来的一种分析方法。首先兴起的是电重量分析法。美国化学家吉布斯把电化学反应应用于分析化学中，用电解法测定铜，后来这种方法被广泛应用于生产中。电重量分析法存在着耗时长、易氧化等缺点，化学家在研究中把物质的电化学性质与容量分析法结合起来，发展了一种新方法，这就是电容量分析法。电容量分析法中发展较早的是电位滴定法，其后，极谱分析法和库仑分析法也相继发展起来。色谱分析法是基于色谱现象而发展起来的一种分析方法。1906年，俄国植物学家茨维特认识到所谓色谱现象和分离方法有密切联系，而且对分离有重大意义。他用这种方法分离了植物色素，并系统地研究了上百种吸附剂，奠定了色谱分析法的基础。20世纪30年代，具有离子交换性能的合成树脂问世，解决了一系列疑难问题，提高了色谱分离技术。由于单纯的分离意义不大，20世纪50年代，人们开始将分离方法和各种检测系统联接起来，分离分析同时进行，于是人们设计和制造了大型色谱分析仪。除了上述的方法以外，现代仪器分析法还有磁共振法、射线分析法、电子能谱法、质谱法等等。仪器分析是根据被测组分的某些物理的或物理化学的特性，如光学的、电学的性质，进行分析检测的方法，因此，它实际上已经超出了化学分析的范围和局限，成为生产和科学各个领域的工具。分析化学中的分析是分离和测定的结合，分离和测定是构成分析方法的两个既独立又相联系的基本环节。分离是使物质纯化的一种手段，而纯化的背后是物质的混合性。化学家所说的物质，是某种单质或化合物。是以纯粹的形式存在的物质。可是，无论是天然存在的还是人工制造的物质，都不是绝对纯的。因此，在化学分析中，首先遇到的矛盾就是纯与不纯的矛盾。分离是纯化物质的一种手段。分离一般有两条基本途径：一条是将所要分析的物质从混合物中提取出来，另一条则是将杂质提取出来。在分析化学发展的历史中，产生了许多分离方法。在古代，在酿造业中应用了蒸馏、结晶等分离手段；在近代，产生了各种各样的分离方法，如沉淀分离、溶剂萃取分离、离子交换分离、电解分离等。分离是有限度的。有些混合物由于性质非常相似，分离非常困难，如果不分离，共存的组分又互相干扰。在化学分析中，常常从分离操作中演变出其他方法，如掩蔽方法。在仪器分析的发展史上，试样和试剂有不同的发展形式和内容。在早期，需要分析的是自然物，与其发生作用，从而进行鉴别的主要是火。后来，被分析的是溶液，与之发生变化的也是溶液。人们最早使用的试剂是五倍子的植物浸液。随着实践和认识的发展，大量植物浸液应用于化学分析之中，形成了天然植物试剂系列。在应用天然试剂的过程中，人们也在研究如何制备化学试剂。第一个人工制备的分析化学试剂是黄血盐溶液，由此开创了化学试剂的新领域，拓宽了分析化学的研究范围。随着生产、生活和科学的发展，作为被分析的试样，其外延扩大了，从

单一的自然物发展为自然物和人工产物。试样的内涵深化了，要求分析的内容不再局限于物质的定性组成，还要求分析各组分的含量。与此同时，试剂的种类越来越多，应用范围也越来越广。一种试样可以用多种试剂进行分析，一种试剂也可用于分析多种试样，同时还产生了类似于系统分析中组试剂的一般性试剂。在当代，被分析的试样既有混合物，也有纯净物，既要求进行元素分析，还要求进行结构分析、生物大分子的测定等等。试剂也有很大发展，应用于分析化学的试剂，有各种物理化学试剂、有机试剂和生化试剂，还研究和制备了一系列相对于某种分析方法的专用试剂、特效试剂和特殊试剂。在分析过程中，产生了灵敏度和准确度的关系。在分析中，既要求分析方法具有一定的灵敏度，又要求具有一定的准确度。就具体的分析方法来说，灵敏和准确常常发生矛盾。现代科学技术的发展，要求高准确度和高灵敏度，现代仪器分析正是适应这种要求而发展起来的。在分析化学发展的初期，人们只是在实践中掌握了一些简单的分析、检验方法，当时既没有化学理论，也没有分析方法的理论。随着分析、检验实践的进步和发展，各种分析和检验方法被应用于生产、生活和科学研究之中，并对这些方法进行了概括和总结，形成了分析化学理论，分析化学才真正成为一门科学。在仪器分析的发展中，理论和方法的相互作用，需要中介和桥梁，理论要起指导作用，要转化为方法，需要特定的仪器、设备和试剂。而制作和使用仪器或工具，正是通常所说的技术的特点。技术是实现和实施方法的保证，仪器分析方法尤其如此。

仪器分析在制药工程的应用

作为制药工程专业人才的我们，需要具备药物分析及检测方向的专业素质，学会仪器分析药物、波谱分析、药物分析和天然药物分析与分离课程基本理论，熟悉常见药物检测的操作与方法。同时，我们也要掌握职位工作描述与产品生产、研发、检测、营销、环境保护、管理相关的波谱分析、高级仪器分析等核心能力与技巧，精通仪器分析常见药品技术，能胜任大型药厂、大型医院、药品检测中心等相关企事业单位的检测、研发、管理的工作。可见掌握化学分析、仪器分析基本理论对制药工程的学习是非常重要的。

近年来，仪器分析飞速发展，新方法、新技术、新仪器层出不穷，仪器分析的应用也日益普遍。仪器分析逐渐向药学、医学、生物学等领域渗透，特别是在新药研究、药物分析、临床检验、病因研究等方面都大量使用了仪器分析方法，其在药学专业中的重要地位日渐突出。仪器分析大致可以分为电化学分析法、光谱分析法、色谱分析法和核磁共振波谱法。接下来，我将从这四个方面描述其应用。

1.电化学分析法

电化学分析法包括电解法、电导法、电位法、伏安法。其中，电解法在分析中除作为测定方法外，还作为一种分离方法使。许多电化学分析法，既能分析有机物又能分析无机物，是仪器分析的一个重要组成部分，在生产、科研、医药卫生各个领域有着广泛的应用。

今后还会出现许多新方法，尤其在本身自动化和与其他分析方法联用技术方面，将会得到更快的发展。

2.光谱分析法

（1）紫外—可见分光光度法（UV-Fri)

紫外—可见分光光度法（UV-Vis)在药学领域中主要用于有机化合物的分析。多数有机药物由于其分子中含有一些有共轭的不饱和基团，而能吸收紫外—可见光，可以显示吸收光谱。不同的化合物可有不同的吸收光谱。利用吸收光谱的特点可以进行药品与制剂的定量分析、纯物质的鉴别及杂质的检测。在药品和制剂生产中，我们可以用这种方法来对药品成分进行分析，以确保药品质量的可靠。中国药典（2005版）中用这种方法对维生素进行鉴定：维生素有3个吸收峰278nm、361nm及550nm且如果被鉴定物的吸收峰和对照品的相同，且峰处吸收度或吸光系数的比值又在规定范围之内，则可考虑被测样品与对照品分子结构基本相同。此方法由于不需要复杂的分离，所以方法比较简便。

（2）荧光分析法

虽然具有天然荧光的物质数量不多，但许多重要的药物都有荧光现象。而荧光衍生化试剂的使用，又扩大了荧光分析法的应用范围。荧光分析可作初步鉴别及含量测定，目前，广泛应用于医药学，特别适用于药物在体液中的浓度测定及药物在体内代谢过程的研究。如测定复方炔诺酮中炔雌醇含量，我们可以通过荧光光谱法，与炔雌醇对照品同法测定，计算即得。

（3）红外光谱法（IR）

红外分光光度法的用途可概括为定性鉴别、定量分析及结构分析等。因红外光谱的高度特征性，在药物分析中，用于鉴别组分单一、结构明确的原料药，是首选方法。在药物分析中，各国药典均将红外光谱法列为药物的常用鉴别方法并对晶型和异构体区分提供有用信。在定量分析方面，红外光谱上可供选择的波长较多，但操作比较麻烦，准确度也比紫外分光光度法低，除用于测定异构体的相对含量外，一般较少用于定量分。

（4）原子吸收分光光度法（AAS）

原子吸收分光光度法是测金属离子定量测定的首选方法。有些药物分子结构中含有金属原子，例如，维生素含有钴原子，可测定钴的含量，一以求得维生素含量；而有些有机药物虽然不含金属离子，但是可以使其与金属离子生成金属配合物，然后用间接法测定有机物，如8-羟基喹啉可制成8-羟基喹啉铜，溴丁东莨菪碱可制成溴丁东莨菪碱硫氰酸钴，分别测定铜和钴的含量，即可分别求得8-羟基喹啉和溴丁东莨菪碱的含量。原子吸收分光光度法具有测定灵敏度高、检出限低、干扰少、操作简单、快速等优点，已广泛应用于食品分析和药物分析等领域中。

3.色谱分析法

（1）薄层色谱法（TLC）

薄层色谱法（TLC）广泛应用于各种天然和合成有机物的分离和鉴定。在药品质量控制中，可用于测定药物的纯度和检查降解产物，并可对杂质和降解产物进行限度试验。在生产上可用于判断反应的终点，监视反应历程。薄层色谱广泛应用于中药和中成药的鉴别，并可进一步进行含量测定。TLC薄层色谱鉴别已成为中药质量控制中鉴别的首选方法。

（2）气相色谱法（GC）

气相色谱法（GC）在药物分析中的应用很广泛，包括药物的含量测定、杂质检查及有机溶剂的残留量、中药成分研究、制剂分析、治疗药物监测和药物代谢研究。中国药典2005年版一部中，气相色谱被应用于中药中挥发性成分的含量测定，如桉油中桉油精、麝香中麝香酮、丁香中丁香酚、肉桂油中桂皮醛等测定。药品中残留有机溶剂普遍采用气相色谱法测定。若样品中残留溶剂种类较多，沸点相差较大，可采用程序升温的毛细管GC法，色谱分辨率明显优于填充柱。

（3）高效液相色谱法（HPLC）

高效液相色谱法（HPLC）主要用于复杂成分混合物的分离、定性与定量。由于HPLC分析样品的范围不受沸点、热稳定性、相对分子质量大小及有机物与无机物的限制，一般说来只要能制成溶液就可分析。因此，HPLC的分析范围远较GC广泛。

（4）微柱液相色谱法

近十几年来，有关微柱液相色谱的研究十分活跃。与普通液相色谱相比，微柱液相色谱由于用微柱代替了常规色谱柱，分析所需样品量以及流动相消耗大大下降，而且样品柱内扩散成几何级数降低，从而提高了检测器灵敏度，使检测效果更为理想。它可以进行快速药物分析，尤其是对复方制剂分析和治疗药物的监测。利用色谱法分离分析成分复杂的中药成分时，色谱柱的寿命会大大缩短，而微柱价廉有只需少量的填料即可获得较高的柱效。用微柱可以成功分离紫花洋地黄叶中的洋地黄A、B和葡萄糖吉托洛苷等成分。

4. 核磁共振波谱法（NMR）

核磁共振波谱与紫外—可见光谱及红外光谱的主要不同点是由于照射波长不同而引起的跃迁类型不同。氢谱和碳谱是有机化合物结构测定最重要的两种核磁共振波谱，两者可互为补充。氮—15NMR用于研究含氮有机物的结构信息，是生命科学研究的有力工具。核磁共振波谱可测定有机物质的化学结构及立体结构，研究互变现象，对新药研发和构效研究是很重要的手段；还可以测定某些药物的含量及纯度检查，如英国药典1988奶奶版规定庆大霉素用NMR法鉴定；而且，由于这种方法具有能深入物体内部而不破坏样品的特点，对生物化学药品有广泛应用，如药物与受体间的作用机制研究。

此外，质谱法（MS）常与UV、IR和NMR联合使用，是有机化合物结构分析的重要工具之一；它与色谱联用后，可用于多组分的定性和定量：采用选择离子检测（SIM）技术可获得非常高的灵敏度和选择性，是目

前痕量有机分析最有效的手段之一。