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「学习」前沿分析化学摘记

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摘要

分析化学作为化学传统且基础的分支学科,其发展一直受到高等院校化学相关专业师生,研究人员的关注。本人应邀从部分主流期刊简要摘录了近些年来利用先进化学分析技术、理论方法的应用案例[1]。本文包含对液体,固体以及生物试样的分析案例,以及新型仪器与分析理论研究。

关键词

分析化学、前沿、应用、摘录

第一章 引言

分析化学的发展思想可以概括为QuEChERS即(Quick,Easy,Cheap,Effective,Rugged,and Safe)。这些思想的指导目的是使分析方法有利于实验操作者,并不是对分析原理的要求。但现代分析化学也更希望实验数据本身具有较高的准确度与精密度。而且现代分析化学背后的部分原理与传统的滴定分析法类似,同样有着对化学反应的要求,例如,反应计量关系明确,定量完全反应,反应速率较快,简便方法指示终点,选择性要好[2]。

第二章 前沿分析化学

下面分两小节列举了个人感兴趣的分析化学前沿案例。

2.1.最新研究与应用

分析化学中最常见的是对液体试样的分析,其分析对象可以是河流湖泊、酒水饮料等。现在利用新型的分析方法已经实现了PPT量级的针对饮用水中的消毒副产品(DBPs Disinfection byproducts)的痕量分析[3]。Amy A. Cuthbertson团队的这一研究综合利用了多种分离、分析方法来达到分析目的。例如,利用盐辅助的液-液萃取获得相当多种类的DBPs且保证了最低的方法检测限;利用能监测选定离子的四极质谱仪的多模入口在比较低的入射温度下分析对热不稳定的DBPs;利用定相气相色谱柱显著提升峰型,改进DBPs的分离并降低检测限。最终这项研究实现了对于多数DBPs的测定的检测限介于15~100ng/L,且对自来水样的测定的相对标准偏差大多介于0.2%与30%之间。对于实际采样测定,这项研究检测出样品中含有40~17760ng/L不等的消毒副产品。

固体试样并非都是容易获取的矿石、土壤或废渣,它们也可以是嫦娥五号带回地球的月壤,也可以是珊瑚的碳酸钙骨骼。前者样品非常珍贵,最好能够提高样品的利用率。于是陈东风等人选用非破坏性的反应堆中子活化分析方法做到了从86mg月壤分析出39种元素的含量[4]。经过这次分析后月壤样品测试原样返回,也就是说日后可以继续用其他方法对其进行分析。后者位于活体生物上,类似的这让人希望有一种对其进行测定的在线的活体的分析方法。Duygu S. Sevilgen团队在对珊瑚钙化位点的碳酸化研究中率先实现对细胞外钙化媒介(ECM Extracellular calcifying medium)的活体表征[5]。他们利用微传感器与荧光染料染色成功测定了ECM中的pH以及Ca2+和CO32-的平衡浓度,并以此来确定ECM中溶解的无机碳的平衡浓度以及ECM中文石(aragonite)的饱和度。

生物试样的分析中,出现了利用含微针贴片来检测人皮肤间隙液的技术[6]。生物标记是体液中的分子,它们能够提供生理状态的相关信息。这项研究旨在通过对人普遍能够取得的体液-皮肤间隙液,获取与血浆相近生理信息并持续检测。对人的皮肤间隙液用传统的滴定分析法分析将是难以想象的。与上述研究类似,还有通过肉眼可见的有色读数来反应生物标记的易于操作、相对廉价且稳健定量的通用诊断平台[7]。这些活体原位分析,很大程度上避免了试样在采集后,由于各种化学、生物和物理作用而发生变化。

2.2.设备与理论发展

上述研究均是综合利用已有的或改进后的分析方法对具体的实例进行分析,研究结果与方法只适用于其研究对象。现在来讨论分析仪器或通用研究理论方法等方面的研究。

物质的结构决定性质,随着纳米级别物质的合成研究越来越深入,对这些物质的分析技术也相伴发展起来了。现在对超精细化学结构,可以通过使用相敏感的高能紫外辐射成像反射测量仪实现非破坏性的高分辨率化学3D纳米结构表征[8]。这台仪器可以利用先进的计算机可变角度的相干衍射成像算法分析新一代纳米、量子设备中日益复杂的3D结构,确定试样表面形状、厚度、界面质量,以及掺杂剂浓度和轮廓。据称它与基于电子和扫描探针显微镜的其他技术相比具有独到优势。

此外还有利用计算机技术从化学反应中提取有机化学反应机理的案例,这一研究追求理论工具的普遍适用性。Philippe等人使用Transformer神经引擎来学习反应物与最终产品的原子映射关系,并且成功做到无人值守[9]。这个团队将化学反应类比人类语言,于是反应的规则便对应语言的语法。他们设计的由注意力指导(attention-guided)的映射器本身虽然不理解化学原理,但是却能够从没有被分析过的一系列化学反应中提取相应的化学“语法”。这个映射器具有相当高的准确度与速度,甚至可以从复杂的不平衡的反应中得到有意义的解。研究团队期望借助于他们的研究将数据驱动的化学反应分析与基于规则的化学反应分析连接起来。

第三章 展望未来

已故的高鸿院士20多年前曾表示:“分析化学正在成长为一门建立在化学、物理学、数学、计算机科学、精密仪器制造科学等学科之上的综合性边缘科学”[10]。分析化学不仅确实预期的成长,且依旧动力蓬勃的朝着智能化,信息化等先进发展方向发展。

参考文献

[1]. 邢其毅,裴伟伟,裴坚等.基础有机化学(下)[M].第三版.北京:高等教育出版社,2005:1134-1147

[2]. 武汉大学等.分析化学[M].第六版.北京:高等教育出版社,2016:3-4

[3]. Cuthbertson A A, Liberatore H K, Kimura S Y, Allen J M, Bensussan A V and Richardson S D. Trace Analysis of 61 Emerging Br‑, Cl‑, and I‑DBPs: New Methods to Achieve Part-Per-Trillion Quantification in Drinking Water[J]. Anal. Chem. 2020(92):3058−3068

[4]. 姚永刚,肖才锦,王平生,孙凯,鲍杰,焦学胜,郭冰,张永保,彭旦,张亚东,李春来,周琴,陈东风.嫦娥五号月壤中子活化分析研究[J/OL].同位素. 2021. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2566.TL.20211029.1132.002.html

[5]. Sevilgen D S, Venn A A, Hu M Y, Tambutté E, Dirk de Beer, Víctor Planas-Bielsa and Sylvie Tambutté. Full in vivo characterization of carbonate chemistry at the site of calcification in corals[J]. Sci. Adv., 2019, 5 (1), eaau7447.

[6]. Samant P P, Niedzwiecki M M, Raviele N, Tran V, Mena-Lapaix J, Walker D I, Felner E I, Jones D P, Miller G W and Prausnitz M R. Sampling interstitial fluid from human skin using a microneedle patch[J]. Sci. Transl. Med., 2020, 12 (571), eaaw0285.

[7]. McNerney M P, Zhang Y, Steppe P, Silverman A D, Jewett M C and Styczynski M P. Point-of-care biomarker quantification enabled by sample-specific calibration[J]. Sci. Adv., 2019, 5 (9), eaax4473.

[8]. Tanksalvala M, Porter C L, Esashi Y, Wang B, Jenkins N W, Zhang Z, Miley G P, Knobloch J L, McBennett B, Horiguchi N, Yazdi S, Zhou J H, Jacobs M N, Bevis C S, Karl R M. … and Murnane M M. Nondestructive, high-resolution, chemically specific 3D nanostructure characterization using phase-sensitive EUV imaging reflectometry[J]. Sci. Adv.,2021, 7 (5), eabd9667.

[9]. Schwaller P, Hoover B, Jean-Louis Reymond, Strobelt H, Laino T. Extraction of organic chemistry grammar from unsupervised learning of chemical reactions[J]. Sci. Adv., 2021, 7 (15), eabe4166.

[10]. 高鸿. 分析化学已发展到分析科学阶段[J].大学化学.1999, 14 (4):4-7

— Nov 20, 2021