分析化学在环境科学中的应用

分析化学在环境科学中的应用
王远一飞
西北农林科技大学创新学院 2541947734@
摘要：
分析化学在环境科学中主要是研究环境中污染物的种类、成分，以及如何对环境中化学污染物进行定性分析和定量分析，并采用一系列仪器或方法对环境进行时时监测，以便能及时对环境的变化采取措施，从而达到保护环境的目的。

本文主要对分析化学在环境科学中的具体研究对象、常用分析方法及目前的发展趋势做出详细的论述，从而让读者对分析化学在环境科学中的应用有所了解。

关键词：分析化学环境科学应用
引言：
随着社会的发展，环境问题越来越受到人们的重视，因而出现了一门叫环境分析化学的学科。

环境分析化学是环境科学和环境保护的重要基础，环境化学的一个分支，简称环境分析。

人们为了认识、评价、改造和控制环境，必须了解引起环境质量变化的原因，这就要对环境的各组成部分，特别是对某些危害大的污染物的性质、来源、含量及其分布状态，进行细致的监测和分析。

分析化学是环境分析化学的支柱学科，其中的学科思想和应用方法在环境分析化学得到广泛的运用，下面笔者就分别从环境分析化学的研究对象、基本任务、分析方法和发展趋势四方面向大家详细介绍。

1研究对象
环境分析化学研究的领域非常宽广，对象较为复杂，包括大气、水体、土壤、底泥、矿物、废渣，以及植物、动物、食品、人体组织等。

环境分析化学所测定的元素或化合物的含量很低，特别是在环境、野生动、植物和人体组织中的含量极微，其绝对含量往往在10-6～10-12克水平。

因此在环境科学中分析化学的精度要求是非常高的。

1.1大气
作为地球系统最大的子系统，也是地球生物赖以生存的环境中最重要的部分，对于它的研究，人们很早就以开始。

目前比较公认的大气的成分主要为氮、氧、稀有气体、二氧化碳和水，合计占大气总体积的99.9%。

而纵观整个大气成分的探究过程，分析化学的运用穿插其中，这也是人类在探究自然的过程中第一次运用分析化学的思想。

目前，人们对大气的监测越来越密切，如NOx浓度、SO2浓度、PM2.5等等都在每日的监测范围内，而监测的方法也是以分析化学的方法为主。

1.2土壤
土壤化学起源于西欧 , 发展于美国，我国对土壤的研究较晚，且较为单一。

因世界各地土壤的类型不同，其组成成分也不同，基本上由硅化物、铁铝化合物、有机物和其他成分构成。

而在土壤研究中，分析化学不仅探究土壤的组成成分，还可以通过对微量元素的含量研究可以确定一些病的病发的原因。

以碘元素为例：岩石经风化形成各种土壤，而各种作物又生长在土壤上，那么土壤的碘元素及其含量会直接影响作物及地下水，它们的分布及含量具有较好的一致性。

而不同岩土类型地区生长的作物，具有不同的碘元素含量。

人体中也具有不同的碘元素含量，且丰度与地壳中的丰度一致，故土壤污染也是威胁人类生命安全的重要因素，如化学污染物（重金属离子、含氯化学农药等）、物理性污染物（工厂、矿山的各种固体废弃物等）、生物性污染物和放射性污染物等。

由此可见分析化学对土壤微量元素的测定在环境安全中起着巨大的作用。

1.3水体
水是生命之源，人类也很早就开始重视并研究水的成分了。

水体的研究可大致分为河湖淡水系与海洋咸水系。

水体的主要成分都是水，其中含有丰富的离子和有机物，目前对其研究的内容主要为水体中的常量元素（钠、钾、钙、镁等）、营养元素（氮、磷、硅）、微量元素（铁、锰等）、放射性同位素（铀、锶等）、有机质及水体中溶解氧等的测试。

分析化学在水体中的研究目前已相对成熟，其大致内容包括水体采样、样品处理、待测组分的分离、富集和测定等。

1.4生物环境
生物环境是自然环境中密不可分的一部分，也是最复杂的一部分，它包括植物、动物、人体及其他微生物内环境的研究，并扩展了以人为中心，影响其生存和发展的一切自然环境的研究，覆盖面极其广阔。

其中生物学科与分析化学相结合而诞生的生物试验指导的分离分析一学科主要研究此内容。

生物环境中分析化学以人为本的研究主题注定了分析化学在环境科学研究中发挥更大的作用。

2常用分析方法
分析化学是一门以实验为基础的学科，它在试验方法上具有精确、可重复、数量级跨度大的特点，又因为其研究对象的广泛性，所以他的试验方法与其他学科有较明显的差异性。

分析化学在环境科学中运用的方法很多，每种方法都有一定的适用范围和对象。

常用的分析方法可分为化学分析法、光谱分析法、色谱分析法、电化学分析法四类，每类又可根据所采用的分析原理和仪器分为若干种。

化学分析法分为重量分析法、容量分析法；光谱分析法分为比色分析法、紫外分光光度法、红外分光光度法、原子吸收光谱法、原子发射光谱法、 X射线荧光分析法、荧光分析法；色谱分析法分为气相色谱法、高效液相色谱法、薄层色谱法、离子色谱法、色谱－质谱联用技术；电化学分析法分为极谱分析法、电导分析法、电位分析法、库仑分析法。

在这里，笔者简单向大家介绍几种较为常用的。

2.1热重法
热重法就是在规定的加热或冷却过程中，测量物料质量变化与温度关系的一种热分析方法(简称TG法)，记录曲线称TG曲线。

热重法是利用物质受热后发生氧化、还原、分解、化合等反应所产生的质量变化这一原理进行热分析的。

热重法可以根据TG曲线在某一温度下的失重情况对样品进行定性和定量分析。

定量分析主要有热重计算法和热重算图法。

热重计算法要求TG曲线上相邻的两个失重过程必须有明显的平台，即曲线平滑的一段，以减少计算误差；热重算图法是根据测定结果来绘制试样量与试样失重量的曲线图，然后查图即可求出试样中矿物的含量。

在土壤分析化学和生产中常用热重法来鉴别土质原料中各类矿物及其含量，如测定菱镁矿、白云石中MgCO3和CaCO3及其分解产物CO2的含量等。

热重法的设备比较简单，主要由热重天平、炉子、称量变换系统、程序温度控制器及记录仪组成。

2.2 X射线分析法
X射线分析法是一种利用原子对X-射线吸收频段不同而表现出特定谱线从而分析出其组成的方法。

其中，X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射，其波长约为（20～0.06）×10-8厘米之间。

由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。

伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。

它可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应。

X射线分析化学已广泛地应用于环境科学中, 而且正在深入和扩大。

它具有分离效率高、灵敏度高、选择性好、适用范围广、分析速度快的特点。

目前多用X射线发谱光谱, X射线光电子能谱, X射线衍射等方法对环境样品元素进行分析。

这些方法已应用于大气尘埃、水质及生物样品的分析。

人们用不同的X射线分析方法测定了大气微粒物中众多元素, 不少人将各种X射线分析方法与原子吸收法进行了比较, 结果一致。

也有利用X射线光谱特征谱线的峰形和波长对比实际化学位移, 做元素化学结合状态分析，包括元素的价态, 分子形态等的分析。

这对弄清生物的化学环境, 它们对人体的影响, 探索环境中物质的物理化学行为, 阐明环境污染机理, 追究物质的来龙去脉都是非常重要的。

2.3凝胶色谱法
凝胶色谱法又叫分子排阻色谱法，是六十年代初发展起来的一种快速而又简单的分离分析技术，由于设备简单、操作方便，不需要有机溶剂，对高分子物质有很高的分离效果。

凝胶色谱法主要用于高聚物的相对分子质量分级分析以及相对分子质量分布测试。

根据分离的对象是水溶性的化合物还是有机溶剂可溶物，又可分为凝胶过滤色谱（GFC）和凝胶渗透色谱（GPC）。

凝胶过滤色谱一般用于分离水溶性的大分子，如多糖类化合物，凝胶的代表是葡萄糖系列。

凝胶渗透色
谱法主要用于有机溶剂中可溶的高聚物相对分子质量分布分析及分离，常用的凝胶为交联聚苯乙烯凝胶。

凝胶色谱主要用于高聚物的相对分子质量分级分析以及相对勿子质量分布测试，近年来，也广泛用于分离小分子化合物。

由于环境科学中要分离大量的有机物，所以该方法在环境科学中也被广泛应用。

目前已经被生物化学、分子生物学、生物工程学、分子免疫学以及医学等有关领域广泛采用，不但应用于科学实验研究，而且已经大规模地用于工业生产。

总的来说，色谱法的应用也已发展得较为成熟了，与之相关的毛细管气相色谱、高效液相色谱、超临界流体色谱、离子色谱等都已陆续运用于实践。

2.4库仑分析法
库仑分析法创立于1940年左右，其理论基础就是法拉第电解定律。

库仑分析法是对试样溶液进行电解，通过测量电解过程中所消耗的电量，由法拉第电解定律计算出分析结果。

根据电解方式分为控制电位库仑分析法和恒电流库仑滴定法。

库仑分析法的优点是：灵敏度高，准确度好。

测定10-10～10-12摩/升的物质，误差约为1%；不需要标准物质和配制标准溶液，可以用作标定的基准分析方法；对一些易挥发不稳定的物质如卤素、Cu、Ti等也可作为电生滴定剂用于容量分析，扩大了容量分析的范围；易于实现自动化。

此法目前已广泛用于有机物测定、钢铁快速分析和环境监测，也可用于准确测量参与电极反应的电子数，是电化学分析中较为常用的方法。

3发展趋势
近年来，人们对环境问题的关注日益密切，使得环境科学上升到了更加重要的地位，对环境科学精确性的要求也有了提高，分析化学在环境科学中也逐渐渗透到了各个领域。

故其发展趋势主要有分析方法标准化、分析技术连续自动化、电子计算机的应用、激光技术的应用、痕量和超痕量分析、多种方法和仪器的联合使用等。

3.1分析方法标准化
这是环境分析的基础和中心环节。

环境质量评价和环境保护规划的制定和执行，都要以环境分析数据作为依据，因而须要研究制订一整套的标准分析方法，以保证分析数据的可靠性和准确性。

3.2分析技术连续自动化
环境分析化学逐渐由经典的化学分析过渡到仪器分析，由手工操作过渡到连续自动化的操作。

现已采用的有：比色分析、离子选择性电极、X射线荧光光谱、原子吸收光谱、极谱、气相色谱、液相色谱、流动注射分析等自动分析方法及相应的仪器。

特别是流动注射分析法，分析速度可达每小时200多个试样，试剂和试样的消耗量少，仪器的结构简单，比较容易普及，是发展较快的方法之一。

3.3电子计算机的应用
在环境分析化学中应用电子计算机，极大地提高了分析能力和研究水平。

在现代化的分析实验室中，很多分析仪器已采用电子计算机控制操作程序、处理数据和显示分析结果，并对各种图形进行解释。

应用电子计算机，可实现分析仪器自动化和样品的连续测定。

电子计算机的应用为从分子水平研究环境污染物引起的生态学和生理机制的有关问题开拓了前景。

3.4激光技术的应用
利用激光作为分析化学的光源已发展了吸收光谱、拉曼光谱、原子和分子荧光光谱、激光光声光谱、高分辨率光谱以及其他激光光谱技术和分析方法。

激光分析的特点是高分辨率、高灵敏度、长距离、短时间。

随着激光基础理论研究的进一步发展，激光技术必将进一步改变环境分析化学的面貌。

3.5痕量和超痕量分析的研究
环境科学研究向纵深发展，对环境分析提出的新要求之一就是常须检测含量低达10-6～10-9克（痕量级）和10-9～10-12克（超痕量级）的污染物，以及研究制订出一套能适用于测定存在于大气、水体、土壤、生物体和食品中的痕量
和超痕量的污染物的分析方法。

例如已测定太平洋中心上空空气中铅的含量为
1ppb，南北极则低于0.5ppb。

南极洲冰块中的DDT含量为0.04ppb；雨水中汞的平均含量为0.2ppb；人体中铀的平均含量为1ppb。

这些成果是依靠痕量或超痕量分析技术取得的。

加强对新的灵敏度高、选择性好而又快速的痕量和超痕量分析方法的研究，成为今后环境分析化学的发展方向之一。

3.6多种方法和仪器的联合使用
这可以有效地发挥各种技术的特长，解决一些复杂的难题，再配用电子计算机，更可大大提高分析效果，并能及时给出分析结果。

例如，色谱-质谱-计算机联用，能快速测定各种挥发性有机物。

这种方法已应用于废水的分析，可检测200种以上的污染物。

在环境污染分析中还常采用火花源质谱-电子计算机联用、气相色谱-微波等离子体发射光谱联用、色谱－红外光谱联用、色谱－原子吸收光谱联用、发射光谱和等离子体源联用，以及质谱-离子显微镜组合而成的直接成象离子分析仪。

4结语
分析化学在环境科学中的应用是十分广泛的，起着不可替代的作用，它精确的特点与现代人快节奏的生活相辅相成。

从工业革命起，人类对自然的破坏力度逐年增加，直到近几年人们才开始注意环境的保护，并开设了多门与自然环境有关的学科。

分析化学帮助人们从微观的角度认识自然、了解自然，从而改造自然、保护自然，使得自然越来越适合人类的生存和发展。

但限于目前科学技术的发展，分析化学还有很大的进步空间，它本身还有很多弊端，如实验过程繁琐、仪器操作技术要求高等，这一切都需要等待科学的进一步发展，分析化学的发展必须也必将和当代科学技术的发展同步进行，并将广泛地吸取当代各种科学技术的最新成就。

我相信，在不久的将来，环境科学会在分析化学的支持下，会让我们的环境变得更加舒适、美丽！
参考文献：李宁先. X-射线分析化学及其在环保中的应用环境科学与技
术,1981,1:20-26
唐永銮. 大气污染及其防治, 北京：科学出版社，1980
特别鸣谢：西北农林科技大学黄森老师及生工132班论文组同学对我们论文写作方面的指导与支持！。