[科普中国]-有机分析

简介

有机分析主要研究有机化合物分离、纯化、鉴定和测定，是分析化学在有机化学研究领域中的应用，是分析化学的重要组成部分，是人们认识有机物质的重要手段之一。有机物质种类繁多，结构复杂，对其分析不断提出更高的要求，同时也促进了有机分析学科的迅速发展。

在18世纪末，科学家就开始用有机分析方法研究有机物质，发现天然动、植物体中的各种不同有机物质都含有碳、氢、氧和氮元素，由少数几种元素组成了数目庞大的有机化合物，为有机元素的定量分析奠定了基础。到19世纪末，建立了有机物质中主要元素的常量分析方法。直到20世纪初，分析化学才真正成为一门学科，并建立了经典的化学分析方法，应用于有机元素的微量分析。从20世纪40年代开始，近代物理学和电子学的发展和渗透，突破了以经典化学分析为主的局面，传统的化学分析法已不能适应于新的科学研究及生产实践。因此，仪器分析方法开始发展起来。特别是半导体材料、原子能材料等一些新兴学科的迅速发展，促进了仪器分析技术的快速发展。20世纪70年代末，生命科学如蛋白质学、基因组学以及环境科学、新材料的蓬勃发展，生物学、信息科学和计算机技术的引入，使有机分析进入了一个崭新的发展时期，建立了一系列有机分析的新方法、新技术，开创了有机仪器分析的新时期。2

发展现状与趋势发展现状近年来，有机分析无论是分析方法、分析技术，还是分析理论方面的研究都有了长足的发展，其发展现状可从以下几个方面论述：

(1)分离分析方法 随着天然产物化学、合成化学、环境科学以及生物科学的发展，分析的有机物质种类繁多，各组成含量差别大。因此，分离分析方法已经成为有机分析中一种重要的分析方法。例如，高效液相色谱法、气相色谱法、毛细管电泳技术、固相萃取技术、超临界流体色谱法及一些仪器的联用技术等。

(2)物理分析方法 可利用电磁波、粒子束、电场、磁场和重力场与待测有机物质相互作用，将其影响值放大转变为分析信号。如核磁共振技术、质谱、红外光谱、紫外光谱及电化学分析技术等。

(3)化学分析方法 该方法是通过化学的分子识别，将这种相互作用转变为物理的可视信号，如新型的分子印迹技术、荧光显色剂、螯合剂等。

(4)生物分析方法 它是以生物大分子特异结合或特异反应为基础的分析方法。如酶分析法、免疫分析法等用于检测生物大分子及有机化合物与大分子的结合。

发展趋势(1)分析技术应用的领域 有机分析技术原本用于有机化学学科，而今后应用的领域将不断扩大，除了应用于食品科学、环境科学、医药卫生领域外，还将在生命科学领域中被广泛采用，其应用前景十分广阔。

(2)分析仪器的发展有机分析仪器的发展在今后会更先进、更实用、多功能。主要表现在：①多种分析技术联用的仪器层出不穷。一次分析可同时解决有机分析中的诸多问题。利用其进行全分析。②应用更方便，分析速度快。更多的仪器能够进行在线、在体、实时和原位等的分析检测。③仪器设备制造更加精良，即微型化、便捷式等。

(3)有机分析技术的创新今后有机分析技术的发展方兴未艾，现在或将来芯片技术、纳米技术、生物传感器技术、成像技术、化学和生物发光技术、激光技术等在有机分析技术中的应用会更加普遍。2

定性分析定性分析主要用于鉴别未知物，它又分为两类：一类是为已知物质；另一类则为过去从未报道过的全新的化合物。①对于已知的未知物，可以通过一些特殊反应（如颜色反应、沉淀反应）检查某些官能团或某种化合物是否存在，也可用溶解度分组法对样品进行系统鉴定，再根据各种物理、化学常数（如熔点、沸点、旋光度、元素分析和制备衍生物等方法）确证该未知物。化学方法需要的样品量较大，时间也较长。50年代以来，仪器分析得到广泛应用，根据未知物在这些仪器上给出的特征谱图进行鉴定。紫外光谱给出电子跃迁吸收谱图，一般为双键等生色团的信息。红外光谱给出分子振动和转动吸收光谱，有各种官能团和分子特征性的吸收。核磁共振谱最常用的是质子和13C谱图，可以得到分子内这些原子所处环境和相互关系的信息。质谱法可给出有关分子量、官能团和分子断裂产生的碎片以及它们之间的关系的资料，最方便的定性分析的方法是与已知物的标准谱图对照，如果谱图完全相同，即可肯定为同一物质。鉴定已知化合物的另一种手段是用各种色谱方法，根据样品的保留时间或保留值，与在相同条件下标准物质的数值相比，即可确定其同一性。②对于全新的未知物，文献中没有任何资料可以对照，就需要进行结构分析。早期的结构分析是先进行元素分析，求出经验式，再用各种化学反应使之降解或转变为其他产物，对它们进行鉴定后，由此反推而得出原始化合物的结构，需要的样品量大，时间长。近年来,应用仪器分析法,由各种谱图获得有关分子量、官能团、分子内部结构关系等信息，再结合一些化学反应，可在较短时间内用较少量样品进行结构分析。单晶X射线衍射法也是测定化学结构较好的方法，可从衍射图确定化合物中原子的排列情况，并通过计算机处理较快地得到结果。

定量分析包括有机元素定量分析和有机官能团定量分析，前者指测定化合物中各元素的含量，由此求出各元素的组成比例和经验式，进一步求出化合物的纯度和含量。有机官能团定量分析利用化学反应或仪器分析法测出某一特定基团在样品中的百分率，可以得到有关结构的信息，也可根据官能团在化合物中所占的比例换算出化合物的含量。有机化合物的定量分析实际上就是对其中的官能团的测定，如酮和醛中的羰基，酸中的羧基，醇中的羟基等，许多官能团的定量测定方法是由定性鉴别反应发展而来的。有机元素定量分析所用的方法除经典的重量分析、容量分析和比色法外，也广泛应用各种光化学分析法（如折光法、紫外-可见分光光度法、荧光分析法）、电化学分析法（例如电位分析法、库仑分析法、极谱法和伏安法），其中库仑分析法可在电极上产生与样品反应的某些化合物，并易于自动化；极谱法和伏安法则适用于含有可在电极上进行氧化还原反应的基团的有机化合物。此外还有红外光谱和核磁共振谱法，这两种方法都可选择某个特征性基团，根据其峰值大小与标准样品比较，进行定量测定。有时用一般方法不能测定的化合物，常可选出某一官能团用此两种方法测定。质谱法在测定一些石油馏分的烃类组分方面时常应用。

由于有机定量主要靠官能团的测定，而有机物的同系物很多,含有同一官能团的化合物都有类似的反应,所以会发生干扰，因此，分离手段在有机分析中占有很重要的地位。过去常使用结晶、蒸馏、升华、渗析、溶剂萃取等方法，现在这些方法虽仍在发挥作用，但50年代以来出现的气相色谱法和薄层层析，70年代发展的高效液相色谱法，可以迅速而有效地分离和测定许多复杂的混合物。色谱法本身是一种分离方法，但可与多种检测器连接，给出定量结果，样品量可少到毫克或微克，所以被广泛采用。色谱仪与其他仪器（如质谱仪、傅里叶红外光谱仪）的联用，发挥了色谱法的高效分离和质谱、红外光谱定性鉴别有机化合物的特长。