现代科技冲击下的分析化学及哲学思考

赖国松,张海丽

(湖北师范学院 化学化工学院， 湖北 黄石 435002)

分析化学是在化学学科发展和社会实践需要的背景下，在酸碱平衡、络合平衡、沉淀平衡和氧化还原平衡四大理论基础上建立起来的一门分支学科(二级学科)。学科建立之初，分析化学的主要任务是测量和表征，如确定物质的组成、测定特定组分的含量，以及表征物质的化学结构等；分析测定的对象也比较简单单一，多是一些矿物质和结构简单的有机物；分析手段多以人工通过简单的化学操作来完成。

然而，随着社会的进步和现代科技的快速发展，分析化学的测定对象、测定范围和测定方式等方面都发生了根本的改变。如：测定对象越来越广泛化，测定范围涉及到除了化学以外的生物、临床、医药、食品、环境、材料等生产生活各个相关领域。原先的一些简单的人工操作手段已经越来越难以满足工作需要，分析化学不得不大量吸收其他学科，如：物理、电子、信息科学等领域发展的新知识和新成果来迎接挑战。分析化学手段也因此逐渐从原来的以人工操作为主的化学分析转化为目前的以仪器分析为主，学科理论基础和研究范围大大拓展，学科综合性越来越强。值得注意的是，现代分析化学在生产生活中起到越来越重要的作用的同时，它对人类社会，如生活质量和安全、伦理道德等方面的影响也不容忽视。

1 分析化学及其发展历程

分析化学的起源最早可追溯到人类文明的起源及化学学科的萌芽之初，如中国古代铜器、铁器、陶瓷、炼丹术等。更为重要的是，第一台天平的出现使人们开始初步建立量的概念，逐渐从定量的角度去寻找事物内在的本质联系，因而有了定比定律、倍比定律，元素周期律的发现，原子论、分子论的建立，以及化学学科的诞生及其发展。

然而，早期的分析化学因为没有相关的学科理论支撑，仅仅只能作为一种研究手段，或者说是一种分析技术(技艺)，分析化学学科的正式诞生是在20世纪初。历史上，分析化学学科的发展共经历了三次巨大变革[1]：第一次变革是在20世纪初，分析化学汲取了物理化学溶液平衡理论的成就，在容量分析中引入四大平衡理论，建立了以四大滴定和重量分析为基础的化学分析理论体系，使分析化学从一门技术演变成为一门科学；第二次变革出现在20世纪40～60年代，由于物理学特别是光学、电学和半导体学科的快速发展，改变了经典的以化学分析为主的局面，使得仪器分析获得蓬勃发展；第三次变革是自20世纪70年代以来，随着以计算机应用为主要标志的信息时代的到来，以及生命科学、环境科学、新材料科学、能源科学等相关学科的快速发展，它们对分析化学提出了更高的要求，分析化学为顺应社会和学科发展需求，逐步将生物学、信息科学及计算机技术等相关知识引入学科，从而使分析化学进入了一个崭新的境界，逐渐发展成为当代最富有活力的学科。

目前分析化学学科发展的基本特点为[2]：从采用的手段看，在综合光、电、热、声和磁等现象的基础上进一步采用数学、计算机科学及生物学等学科的新成就和新仪器对物质进行纵深分析；从解决的任务看，目前分析化学已经不只限于测定物质的组成及含量，而是要对物质的形态(如氧化-还原态、络合态、结晶态)、结构(空间分布)、微区、薄层及化学和生物活性等作出实时追踪、无损和在线监测等分析及过程控制，以获取形形色色物质尽可能全面的信息。而且随着计算机科学及仪器自动化的飞速发展，分析方法的灵敏度、准确度、选择性、重现性、方便和快捷等性能大大提高，分析数据的获取量已经进入“分析数据爆炸”时代。同时，分析化学家已经不再满足于分析数据的提供者，而是要和其它学科的科学家相结合，逐步成为社会生产和科学研究中实际问题的解决者。例如，结合纳米材料、高精密仪器和分析方法，分析化学的检测下限得到质的飞跃，可达到ng/L、pg/L甚至fg/L，因此，可做到半导体材料中超痕量杂质的分析控制，以及生命分析中的单分子检测调控等。分析化学的内涵和定义也随之发生了很大的变化，欧洲化学会联合会(Federation of European Chemical Societies)在广泛征求意见的基础上提出了分析化学的新定义：分析化学是一门发展并运用各种方法、仪器及策略以在时空的维度里获得有关物质组成及性质的信息的科学(Analytical Chemistry is a scientific discipline that develops and applies methods, instruments and strategies to obtain information on the composition and nature of matter in space and time.)。该定义虽不涉及分析化学的具体内涵，但对分析化学的适用范围以及任务、手段和目标进行了高度慨括，它被1993年9月在爱丁堡举行的欧洲分析会议所接受，也成为当下分析工作者广泛认可的定义。

2 现代科技对分析化学的影响

长期以来，传统的分析化学只是一门技术科学，它以工业生产和科学实验必不可少的测试手段和方法发挥着它在化学科学中的特殊作用。但是，随着社会的进步，尤其是现代科技的快速发展，人们越来越注意到，分析化学必须更深更广地拓宽它的理论基础才能适应新的发展。这种理论基础不仅限于化学、物理、生物等基础学科，而且涉及一系列交叉、综合和新兴技术学科，如材料、信息、能源及环保、生物工程等。事实证明，几乎这些学科的每一次重大科技成果的引入都对分析化学起到了重大影响。正因如此，分析化学在近五十年来得到了空前发展[1]。

例如20世纪40年代中期电子学中光电倍增管的出现促成了原子发射光谱、红外光谱、 紫外及可见光谱、X射线荧光光谱等一系列光谱分析的发展；50年代原子物理学的发展使得原子吸收及原子荧光光谱开始兴起；60年代等离子体-傅立叶变换和激光技术的引入出现了电感耦合等离子体-原子发射光谱和傅立叶变换-红外光谱、激光光谱等一系列光谱分析技术，使得光谱分析进入了崭新的阶段。在电分析化学方面，1922年极谱法问世，60年代离子选择性电极、酶电极和微电极伏安技术相继出现并快速发展，以及80年代发展起来的化学修饰电极、光谱电化学、色谱电化学使得电分析化学从宏观深入到微观，实现了新功能电极体系的分子设计及分子生物学研究。此外，50年代，Martin因发明气相色谱而获得诺贝尔化学奖，60年代发展的色-质联用技术，70年代崛起的高效液相色谱，80年代出现的超临界流体色谱及90年代急剧发展起来的毛细管区域电泳等都使色谱分析领域充满活力，飞速发展。70年代末到80年代初发展起来的串联质谱，液相色谱-质谱联用技术及软电离技术则使得质谱分析的应用范围扩大到了生物分子并在生命科学研究中发挥了重要作用[3]。

3 分析化学的发展趋势

分析化学总是在寻求更灵、更好、更准、更快、更便捷的发展方向和目标，它被分析工作者慨括为“3S+2A”(3S: sensitivity, selectivity and speediness, 2A: accuracy and automatics)的目标。从分析化学的发展历史和认识论的角度来看，随着科技的进步，分析化学学科必将进一步吸收现代科技进步的最新成果，继续不断发展，并在生产生活和社会实践中扮演更为重要的角色[4，5]。通过和其它相关学科的广泛联系，双向互动，分化交叉，传统界限分明的分支学科的局面最终将会被彻底打破，分析化学最终将会逐渐发展成为一门在社会生产生活中广泛应用的综合学科。有人甚至认为，分析化学将会逐渐发展成为一门一级学科——分析科学或信息科学。

3.1 分析化学进一步向高灵敏度方向发展

高灵敏度是各种分析方法长期以来所追求的目标，也是人类对世界认识不断深入的永恒需求。当代分析方法灵敏度的显著提高大都归功于其它学科新技术的引入。例如激光技术的引入，促进了诸如激光共振电离光谱、激光拉曼光谱、激光诱导荧光光谱、激光光热光谱、激光光声光谱和激光质谱的开展，大大提高的灵敏度使得检测单个原子或单个分子成为可能。又如多元配合物、有机显色剂和各种增效试剂的研究与应用，使得吸收光谱、荧光光谱、发光光谱等分析方法的灵敏度和分析性能得到大幅度地提高。可以预见的是，以后其它新技术的发展也必将会进一步推动分析仪器、分析方法的改进和灵敏度的进一步提高。

3.2 解决复杂物质和生命体系物质的分离和分析

迄今，人们所认识的化合物已超过1000万种，而且新的化合物仍在快速增长，因而复杂体系的分离和测定已成为分析化学所面临的艰巨任务。此外，自上世纪70年代以来，世界各发达国家都开始将生命科学及其有关的生物工程列为科学研究中最优先发展的领域，欧、美、日等地区和国家启动的具有战略意义的宏大研究规划“尤利卡计划”，“人类基因图”及“人体研究新前沿”中，生物大分子的分离、分析研究都占据重要的位置。21世纪初，人类已经开始进入“后基因组时代”，生命科学领域的复杂组分，尤其是与人类遗传相关的复杂大分子的分离分析开始成为人类一大挑战。由液相色谱、气相色谱、超临界流体色谱和毛细管电泳等所组成的色谱学是现代分离、分析的主要组成部分并获得了很快的发展。目前，以色谱、光谱和质谱技术为基础所开展的各种联用、接口及样品引入技术逐渐成为当今分析化学发展中的热点之一。可以相信，其它相关新技术的发展和引入必将进一步为解决这些复杂体系中物质的分离、分析作出贡献。

3.3 分析仪器的微型化及微环境的表征与测定

从简单到复杂，从宏观到微观是人类认识的基本逻辑规律。分析仪器的微型化及微环境分析是现代分析化学认识自然从宏观到微观的延伸。现代电子学、光学、谱学和工程学的微型化发展，使得分析化学深入微观世界的进程得以实现。目前，电子显微技术、电子探针X射线微量分析、激光微探针质谱等微束技术已成为进行微区分析的重要手段。在表面分析方面，电子能谱、次级离子质谱、脉冲激光原子探针等的发展，已经可检测和表征一个单原子层，因而在材料科学、催化剂、生物学、物理学和理论化学研究中占据了重要的位置。现代科技的快速发展必将继续在包括综合多学科优势的微型分析，例如微流控芯片等领域作出重大突破[6]。

3.4 实现形态、状态分析及非破坏性检测及遥测

同一元素的不同价态和所生成的不同的有机化合物分子的不同形态在不同环境，如生物体内性质和功能都可能存在极大的差异，在材料科学中物质的晶态、结合态更是影响材料性能的重要因素。此外，在生产流程或生命过程等特殊情况下，对于难于取样的原位分析是十分重要的。利用遥感测定方法，如激光雷达、激光散射和共振荧光、傅里叶变换红外光谱等进行几十公里距离内的气体、某些金属的原子和分子、飞机尾气组成，炼油厂周围大气组成的测定等等，这些也都将是分析化学学科发展的方向之一。

3.5 实现分析操作的自动化、智能化

微电子工业、大规模集成电路、微处理器和微型计算机的发展，使分析化学和其它科学与技术一样开始逐渐进入自动化和智能化的阶段。在分析化学中，利用微处理智能系统进行实验设计和和控制，在程序控制下结合相关技术就可以实现自动采样、预处理、分析测试、信号输出和数据处理及分析等过程。这样不仅大大减轻人工操作的工作量，提高工作效率和准确度，还可以实现实时条件下的原位、在线智能监控，这必将对分析化学的发展带来十分深远的影响，而且随着电子技术和控制技术等相关学科的深入发展也将开创分析化学的全新局面。

3.6 实现有关人类生活质量和安全的有效保障

随着人类对物质世界的利用和改造能力的逐渐提高，人类逐渐从只为满足生存的基本需要发展到要求满足日益增长的生活质量的需要，进而在保证生存安全的前提下提高生活质量，创造和谐世界。现代科技的快速发展必将推动分析化学更加全面有效的发挥其监测和保障作用。一方面，利用分析化学的手段进行环境中化学过程的跟踪、分析、模拟、预测，可以合理的评价人类各方面的生产、生活活动对环境的影响，为人类生存提供安全的外部环境，创建环境友好型社会；另一方面，要积极应用各种科技发展新成果，发展和完善现代仪器分析新技术、新方法，实现对关乎人类健康的食品、药品、生存环境等各个环节进行全方位的无缝监控和预警，以保证人类的健康和安全。

4 分析化学对现代社会的影响及哲学思考

分析化学的快速发展使其在现代社会中的作用范围得到极大拓展，并扮演越来越重要的角色，反过来它又对现代科技进步起着极大的促进作用。例如，在新材料科学的研究工作中必须要用到X射线衍射、电子能谱、探针、电镜及光谱、质谱技术等新兴的固体和表面分析技术；在环境分析中，无机元素分析一般要采用原子吸收和等离子体光谱、质谱分析方法，而有机污染物分析主要用色谱法；生命科学则成为当前分析化学研究和应用最活跃的领域之一，比如多肽、蛋白质、核酸等生物大分子分析，生物药物分析，超痕量、超微量生物活性物质分析及活体分析等这些课题几乎要用到包括电分析化学方法，各种色谱法，波谱法及其联用技术在内的所有最先进的分析化学技术。此外，包括产品质量控制、环境监测与治理、医药卫生与健康、食品安全与保障、国家安全与防卫等等在内的几乎所有人类生产生活领域，都离不开现代分析化学的参与。从近些年来的诺贝尔奖获奖情况来看，约有1/4～1/3的化学和物理学等奖项都颁给了提出创新的分析测试方法来解决相关领域实际问题的科学家[7]。事实表明，分析化学水平已经成为衡量国家科学技术水平的重要标志之一。

在传统的分析化学学科中，人是一个极其重要的因素。历史上英国的化学家、物理学家道尔顿曾“以头脑结束实验，用思维把握原子”，于19 世纪初创建了科学原子论。在那个时代，实验分析手段还远远达不到可以考察原子及其结构的水平。道尔顿主要是在有限的实验基础上，依靠了逻辑思维分析的方法提出了该学说，并通过后续实验予以不断验证和修订，从而达到了实验分析未能达到的深度[8]。在分析化学建立之初，分析任务的操作也是主要依靠人来完成，分析工作者利用所掌握的理论知识进行分析测试工作，最后通过思维处理报出分析结果。而如今，现代分析化学已经逐渐从定性向定量、从宏观向微观、从静态向动态、从简单体系向复杂体系过渡，科技因素和仪器的作用在实际工作中所占的比重越来越大。例如许多实验素材的收集通过原先简单的人工手段已经完全不能够满足，必须凭借精密的实验分析技术的参与，一些主要的操作也都需要依靠仪器来完成，有些分析方法已经实现了自动化分析。因此，有人就从这个角度认为：现代分析化学的发展使得科技逐渐开始确定其在人类生活中至高无上的地位，人的主体地位和价值中心正在逐渐被削弱和打破，并终究一天会被高科技和先进的仪器取而代之。实则不然，这种观点实际上是由于科技进步取得的巨大利益使得人们对科技的狂热追逐与崇拜导致的工具理性的日益膨胀和对人的价值理性的忽略[9，10]。实际上，现代科技的发展不仅没有降低人在分析工作中的作用，反而对分析工作者提出了更高的要求。一方面，由于理论基础的拓展，分析化学涉及到的知识范畴越来越广，对人的知识技能也有了更高的要求；另一方面，再高级的仪器，最终还是要依靠人来设计和操作，分析结果的好坏归根结底还是要依靠人来决定。因此，在现代科技推动下的分析化学发展过程中，分析工作者的发展进步和素质的提高也是一个重要的决定因素。

此外，更值得注意的，任何事物都是一把双刃剑。科技的快速发展和相关学科创新成果的融入使得分析化学如虎添翼，迅猛发展，学科基础日益拓展，应用范围几乎无所不及。然而，在关注分析化学对社会进步和人类文明的积极作用的同时，我们也应该理智的留意其对人类社会可能带来的潜在负面影响。一方面，分析化学在关键环节的缺位或使用不当就会引起严重的社会性问题。例如运动会中兴奋剂的检测失范直接关系到体育的公平性和竞技道德；医药、食品质量的检测失范就会导致诸如“三鹿奶粉事件”类的公共卫生、健康危机。另一方面，分析化学和先进的分析技术的广泛参与，甚至会直接引起对人类的伦理道德和生存价值的挑战。例如，转基因食品、试管婴儿、基因工程、纳米技术和克隆技术的发展已经不仅仅简单的是一种最新分析化学技术参与下的高新科技发展的重大突破，而要考虑到这些“令人自豪的成果”可能会直接引发人们对社会伦理道德的争论和对生命的社会属性的怀疑，而核武器的盲目发展和扩散甚至足以彻底毁灭整个地球[11～13]。因此，我们在合理利用好现代科技的最新成果来发展分析化学，促进人类社会不断进步的同时，必须彻底抛弃“唯科技论”、“技术价值中立论”、“技术至上论”、“技术自主论”等错误思想和理论，正确把握好人类的道德良知和社会责任感，弘扬科技文明的人文精神，积极实现科技主体责任化，引导科技成效合理化，注意为分析化学学科的发展提供合理的价值取向，充分尊重人的价值，实现科技进步与人的道德升华的统一，促使分析科学工作者做到对自身行为的理性把握和反思，以在科学研究和技术应用过程中坚持遵循利益原则和公正原则的合理尺度，从而避免科学技术与价值的背离，达到分析化学的发展最大限度地为全人类谋求福祉的目的[14～16]。

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