复杂物质剖析方法概述

复杂物质剖析方法概述

摘要：剖析方法是用于解决一些复杂体系样品分析而采用的一种综合系统分析方法.本文概述了剖析方法的一般特点、研究程序以及它在科学研究中的国民经济和学术地位中的价值。它把各种单一分析方法获取的数据，综合分析提取物质结构与成分信息，用以解释物质的某种特别属性和一种科学现象中的“为什么”，以及在技术科学中某种产品的制造工艺“如何做”，在应用科学中的用途“做什么”。剖析是把分析化学与多种应用技术科学紧密相联的一个纽带。

关键词：复杂物质；剖析方法；方法概述

材料科学，生命科学和环境科学中的许多物质是由多种无机和有机成份构成的。对这些复杂物质作全面分析时，仅采用一两种分析仪器和方法，是很难完成任务的。因大多数有机和生命物质的组成元素仅有C，H，O，N等几种，对这些物质的表征主要不是元素的种类和数目，而是它们相互连接的顺序和形式，即一维，二维和三维的结构。而完成这些结构分析的前提又是把物质中的各个组份逐一分离成单一成份，其分析过程颇似医学中对复杂病例的“解剖”和综合诊断，因此国内又把这种复杂物质的系统分析俗称“剖析”。材料科学中的系统分析更受器重，据悉国外许多产业研究和开发部门，投重资建立专业技术队伍和仪器分析实验室，利用剖析技术注视本产业的专利技术市场的新成果、新动向，但由于商业利益从不公开其研究成果和剖析方法。本文对剖析方法的特点和它与相关技术的关系，剖析工作程序，结构分析思维方法等，结合作者研究工作体会予以概述，以供剖析工作者研讨和借鉴。

一、剖析方法一般特点

剖析研究对象的多样性，组成的复杂性，分析方法的综合性以及它与应用技术学科的密切相关性是剖析方法的主要特点。

1.复杂的剖析对象

剖析样品的来源可能是不同的材料、环境和生命科学领域，其组成可能有几十种甚至上百种，而某些样品体积可能很少，或某些待测组份含量又可能甚微，如只有10-6 ~10-9g级。某些样品中的一些组份在生产、贮存和应用过程中已发生变化，如高分子材料中的抗氧剂，某些药物在生物体内的代谢物等，剖析得到的结果可能为变化后的

产物。不同体系的样品和不同的组份，其剖析过程和方法有很大差别[1]。

2.复杂的分析过程

样品组成的复杂性，要求多种方法的综合分析。它把无机、有机分析集于一体，把成份分析、分离、结构表征分析等集于一体，有时还要对状态、过程、空间分布进行分析[1]。分析化学中的各种仪器和方法都有可能被选用。这就要求剖析工作者应熟悉各种分析仪器和方法的原理、特点和数据的解释，并跟踪分析化学的最新成就和技术，以选用最佳的分析方法，提供最准确、最丰富的信息。

3.与多种应用学科密切相关

分析化学长期以来一直以提供物质的组成、含量数据为最终目的，而很少走出“化验室”。剖析过程则要求由这些分析数据进一步推测出物质的结构与属性，以解释一种科学现象“为什么?"和指导某种物质的工艺“如何做”和用途“做什么”。所以剖析技术又是与多种应用技术学科密切相关的一种分析方法。

二、剖析研究的一般过程

不同体系，不同组成的样品，其剖析过程和方法可能相差很大，试图用一种简单的模式，概括所有物质的研究程序是很困难的。表1给出剖析研究工作的一般程序[2]。

1.对样品的商品信息考察

从样品的有关商品信息，可以获得许多对剖析有用的数据，如从样品的来源、用途、使用方法等信息，可推测样品中可能含有的组份，以缩小剖析研究追踪的范围。了解样品的生产厂家、牌号、批号等信息，可缩小查阅文献的时间和作者范围。取样时还应注意包装、标签等是否完整，存放条件是否正确，样品有无污染、变质等，以核准样品来源的可靠性[3]。同时应对样品的应用性能、经济价值等有一定的了解，以明确工作的目的意义和工作进行的深度。如：有时仅关心样品中某些特别性质相关的成份，可有目标地进行剖析，其过程可大大简化。而对某些引进产品的国产化研究，则需对样品全部成份进行剖析，并需进一步进行合成、加工及应用研究，以达到最终国产化的要求。

2.对样品的一般性质考察

由样品的外观色、嗅、味、密度、硬度等物性数据，可给出一些重要的结构组成信息。如作者在剖析一种迷幻彩色壁灯中的有机溶剂时，用红外光谱涂片分析时只给出石油醚的成分图，这与溶剂的比重大于l相矛盾。重新采用吸收池法作红外分析，得到另一种红外图，用计算机从中扣除石油醚的图后，剩下纯的氟里昂(F22)的红外图，而在常规涂片法中F22已完全挥发跑掉。

在高分子材料剖析中，一些材料的物性与成份的结构关系亦很密切。如：透明度高的材料不可能是高结品度的聚烯烃、聚酸胺类物质，大多是无定形聚丙烯酸酷、聚苯乙烯类化合物；加热不软化而分解的材料，可能为交联度大的热固性材料，如酚醛树脂等；加热可软化的材料，一般具有线形结构，可在一定溶剂中溶解。许多耐高温的聚合物可能为含硅、氟、硫等杂原子的高分子材料。如：加热600℃以上仍有残余物，则为高分子材料中的无机添加剂。此外从某些物质在燃烧时的火焰颜色、气味等，可以区别含芳烃(有浓黑烟)，卤代烃(刺激嗅味)，有机硅(白色烟雾)、有机硫(臭鸡蛋味)、碳水化合物(焦糖味)、聚烯烃(蜡烛燃烧味)等材料[3]。

3.样品的预处理

对组成复杂的样品剖析时，首先利用它们的一般物理性质，如热性能及在不同溶剂中的溶解度等，将有机与无机组份分开，或将性质差异较大的不同体系的组份相互分开。通常对固体样品采用不同溶剂溶解、沉降、提取、重结晶、升华等分离方法;

液体样品采用萃取、蒸馏、浓缩、结品等方法;悬浮体样品采用过滤、离心、沉降等分离法。某些高分子材料还可采取热解、水解，使降解成小分子后再分离。一些热不稳定性化合物作GC和MS分析时，还可采用衍生化生成易挥发、热稳定性好的化合物。

通过预处理，在进一步采用高效率的色谱法分离纯化时，可保护分离柱，延长柱使用寿命，并提高柱分离效率。

4.样品中各组份的分离与纯品制备

预处理后的各组份进一步纯化通常采用色谱法。其中柱色谱和薄层色谱由于操作简便、更换吸附剂和流动相溶剂方便，是分离纯化常用的、也是有效的分离方法。作者曾用多种色谱方法对彩色胶片中数十种有机组份逐一分离并进行了全部结构分析。高效液相色谱法虽然具有很高的柱分离效率，但目前仍主要用作分析检测手段，作为纯品制备方法不仅耗时太长，且因收集流出各组份的浓度较稀，在浓集时溶剂中的杂质同时被富集使样品被再污染。即使进口的Merck保证级试剂，其中的杂质对波谱分析的干扰也是不可忽视的比。国内的一些试剂质量稳定性更差，数十毫升溶剂的蒸发残余物可得到各种波谱分析图谱，将严重干扰对样品结构信息的表征。气相色谱法只适用于易汽化、热稳定性好的样品，作制备样品时因收集各馏份的操作不便，已很少有人采用，它主要用作联机分析。

一般说，在色谱分离分析中，当色谱条件最佳化后，单一个峰或单一斑点的组份，可认为是“色谱纯”的样品，可满足各种波谱结构分析的要求;在提纯过程中，用红外光谱跟踪鉴定，当某组份的红外图稳定不变，并无异常峰存在时，可认为达到“光谱纯”，一般可满足MS和NMR分析的要求[4]。

5.样品中各组份的结构成分分析

样品中的无机组份分析，通常采用原子发射或吸收光谱作定性定量分析，或用X 光荧光光谱，电子X射线能谱法对样品作非破坏定性定量分析。如需要了解各元素的状态以及彼此结合形式等，可用电子能谱法和X射线衍射光谱法。

6.未知组份结构推测

不同波谱分析方法给出的结构信息可能是不完整的，甚至有彼此矛盾的数据。在结构分析中须正确判别各种信息的可靠性，各取所长，互相印证，才能得出正确的结论。结构分析程序并无准章可循。作者习惯于先从红外光谱给出特征官能团和骨架信息，再由质谱数据得到分子量、分子式和找出一些质量相关的特征碎片及推测可能存在的一些基团，最后由NMR分析得到分子中碳、氢的数目、结合方式、连接关系，并结合红外、质谱已给出的结构信息，试装配成一些可能的分子结构，再用各种波谱分析数据对这些推测结构逐一进行解释和识别[5]，再结合应用、制造工艺等知识，从中选出最合理的结构，作进一步的合成验证。