汪小波

人类基因组计划由生物学家提出，实际工作却是由分析化学家完成，可以说该计划是人类基因化学测序计划、蛋日质组学研究的关键是测蛋白质的相对分子质量，若用传统的质谱法来测，蛋白质分子将断裂成许多小片段而难以测定其 mr 。日本人田中耕一（本科生）发现 Co 的纳米粒子可以吸收热而防止蛋白质分子分解，内三醇可以带着蛋白质分子挥发出来而进入质谱仪，这一创造性的实验技术很好解决了蛋白质的 k 测定难题。田中耕一获得2002年诺贝尔化学奖。在食品安全领域，苏丹红（ I ）的检测可采用高效液相色谱法来进行分离，然后用紫外可见光谱来检测，呈现明显的吸收峰。在环保领域、医学研究领域等诸方面，更是离不开分析化学的提供的化学信息。

一、从分析化学到分析科学是化学家的创新历程

量子化学家徐光宪院士认为，化学的核心任务是合成化学和分析化学。分析化学因仪器分析的日新月异而获得空前发展，仪器分析手段又不断推动组合化学和超分子化学等学科研究。反映到高中化学教材中来，选修3和选修5介绍了光谱分析中的原子吸收光谱（ AAS )、原子发射光谱（ AES )、红外光谱（ IR )、核磁共振谱（ NMR )，介绍了混合物分离技术的色谱法，测 Mr 的质谱法（ MS ）等等。 AES 、 AAS 、 MRI 、 UV 、 IR 、 MS 等仪器分析方法背后的理论依据是量子力学原理。能级是能量量子化直观描述。 AES 、 AAS 是电子在原子能级中跃迁的结果； NMR 是核自旋与外加磁场方向不同产生能级，原子核发生跃迁的结果；紫外可见光谱( UV - Vis ）是分子中电子跃迁的结果； IR 是分子振动和转动量子化的结果。

光谱分析法在科学研究中发挥着重要作用，有吸收光谱法、发射光谱法和散射光谱法三种。样品中的未知元素可通过原子发射光谱（ AES ）和原子吸收光谱（ AAS ）来判断。有人用 AES 测定牙釉质与牙本质中某些微量元素与龋病的关系，为龋病的治疗和科研提供参考依据。 AAS 对口腔修复的烤瓷合金的金属离子进行分析，研究合金的耐腐蚀性和生物相容性。 IR 谱可准确区分健康和病变的牙周组织。紫外可见光谱( UV - Vis ）可判断分子结构中有无共轭结构。有人研究了荷叶提取物对口腔的主要致病菌的抑制作用，从 w 上看提取物是黄酮类化合物，' HNMR 证实其分子式CH012（金丝桃苷）。 X ﹣射线衍射图谱可提供晶体结构信息。通过光谱分析可获取来自宏观和微观世界的信息。质谱（ MS ）和色谱法不属于光谱分析的范围。 IS 谱可测 Mr 和部分结构信息，色谱法则是各种分离技术中效率最高、应用最广、发展最迅速的方法，也可进行定量分析。缺乏仪器分析知识难以进行科研。仪器分析的强劲优势正逐渐取得传统的化学分析。联用技术、智能化的仪器分析方法的高效、快速、准确的优点，为化学家们所称道。虽然各种分析方法的图谱的解析非常繁琐，但将实测的图谱在计算机上进行比对，可迅速准确得出分析结果。

仪器分析方法应用领域极其广泛，加之电子技术和信息技术的渗透，分析化学已成为化学科学中发展最为迅猛的领域，逐渐形成分析科学，成为众多学科共同参与形成的综合性学科，有人认为21世纪科技发展前景，在很大程度上取决于和依赖于分析科学。清华大学的量子点技术实现了仪器分析技术的傻瓜化，使大众也能感受仪器分析技术的魅力。分析化学的发展也自然反映到高中化学教材中，实现了化学知识的更新，拓展了学生的科学视野。

选修3和选修5分别从不同角度介绍了 IR 谱。分子有不同层次的量子化运动，平动能级差很小，难以研究其光谱：转动能级稍大，吸收发生在远红外光区：振动能级差更大，吸收发生在红外光区，由此建立起红外光谱法。分子振动包括伸缩振动和弯曲振动。 IR 谱图是由很多峰叠加在一起的复杂图谱，没有 NMR 谱单纯。可把共价键想象为成键两原子组成的弹簧振子，红外光频率与该弹簧振子频率相同时，就引起分子共振吸收，振动频率 V 正比于√ K ( K 为力常数）, K 值表示键的强度。单键、双键、叁键的 K 值之比为1:2:3，在 IR 谱图中逐渐移向高波数。伸缩振动引起键长变化，弯曲振动引起键角变化，因此 IR 谱图可测定键长、键角的大小，从而确定分子的立体构型（选修3)。 IR 谱图可判断化学键类型或官能团种类。现代科学仪器通过对微观世界中的蛛丝马迹信息的感知而实现对分子立体构型的测量，非常类似于天文学家通过恒星的晃动信息来推测绕其运行的行星存在。

二、红外光谱（ IR 谱）

   IR 谱可分为官能团区（4000-1500cm1）和指纹区（1500-650cm1)。官能团区是由伸缩振动产生的，可提供化学键或官能团信息。如饱和碳原子、双键碳原子和叁键碳原子与 H 原子形成的碳氢键的吸收峰分别为3000-2850 cm '、3100-3000cm'和3300 cm '，间接表明 c 原子的杂化状态对化学键强度的影响；指纹区是由单键的伸缩振动和弯曲振动产生的吸收而形成的极其复杂光谱，当分子结构稍有不同，指纹区就会出现细微差异可实现对物的鉴别。如因季节不同导致中药材成分的分子结构出现微小差异，不同品牌的酒的品质差异，都可在 IR 谱图的指纹区显示出来。

三、核磁共振谱（ NMR 谱）

1946年发现核磁共振以来，共有6次诺贝尔奖成果与核磁共振直接相关。 NMR 谱在各领域中展现了极其广泛的应用。 IR 谱、 NMR 谱均属于吸收光谱。自旋量子数 I =0的原子核无自旋运动，不产生核磁共振现象。只有当 I ≠0的原子核，才有自旋运动而产生核磁共振现象。核磁是原子核自旋时产生的磁场。当把这种小磁子放入磁场中，会有（2I+1）种取向。' H 的 I =1/2，故有两种取向，产生能级差，当把电磁波频率 V 调试到适当大小时，发生能级跃迁而产生核磁共振信号。 I =1/2的原子核，核电荷均匀分布在核表面，核磁共振谱线较窄，很适宜 NMR 检测。

1、 NMR 谱在有机化学中的应用以' HNMR 谱为例，我们主要获取三种信息：信号的位置、信号的强度和信号的裂分，这些均与有机物分子结构存在密切联系。因此 NMR 谱主要用于鉴定有机物结构，也可作定量分析。在外磁场作用下，分子中的电子云形成环电流而产生感应磁场，故原子核真实感受到的磁场是外加磁场和感应磁场的叠加。电子云密度不同，相应感应磁场不同，其差异能在 NMR 谱显示出来，区别着不同位置上的氢原子和碳原子，进而解析其结构。峰位置相同的氢原子数越多，峰面积越大（也可用峰高衡量），峰面积之比等于不同位置上的氢原子数之比。信号裂分满足（ N +1）规律。如CH2CH2中的' HNMR 谱图中有2个峰，峰面积之比3:2，分别有3重峰、4重峰。化合物分子式 CHO , HNMR 谱上有3组峰，提示有3种位置不同的氢原子，峰面积之比为3:3:2，提示有2个甲基和一个亚甲基，分子的不饱和度为1，故其结构为 CH ,COCH2CH。中科院将食用油和地沟油分别进行核磁共振测定，与图谱库比对相关核磁共振谱就可鉴定食用油和地沟油。

2、 NMR 谱在医学中的应用1973年在 NMR 谱的基础上产生了核磁共振成像技术（ MRI ),1980年核磁共振应用于临床医学。 B 的磁化率高，产生的信号强，它存在于各种生物组织中，这些都是 MRI 的物质基础。 MRI 信号来源于人体组织中的自由水和脂肪中的氢质子。一个70kg的人含有50kg的水，生物组织中'占原子数的2/3。通常情况下人体内的氢质子产生的磁场方向是随机无序排列的，宏观上并不是一块大磁铁，但置于磁场中将按外磁场平行的方向作有序排列，呈现与外磁场方向一致或相反的两种状态。为了达到成像的目的，在外加的均匀磁场之上再叠加一个与空间位置有关的梯度磁场。由于共振频率与空间位置有关，样品和反映样品空间结构信息经计算机处理后，获得三维立体或二维断面成像。因病变改变了正常组织的含水量， MRI 通过水含量分布状况来把病变部位找出来。 MRI 是无放射损害的绿色成像手段，对于脑部肿瘤和早期肿瘤诊断有重要的临床价值，具有极高的灵敏性，发现病变能力优于 CT 。在做 MRI 体检时不能带磁性物品，因此研究口腔临床常用的金属材料对磁共振成像影响程度就很有必要，金、银、钛、银汞合金和镍钛记忆合金因其导磁率低对磁共振成像无影响，镍铬合金的干扰最为严重。

3、在心理学研究中发挥重大作用功能性核磁共振成像技术（ fMRI ）主要探测的是大脑皮层在心理活动过程中静脉毛细血管中02浓度的变化。 fMRI 可真实拍摄人脑中发生的心过程，使读心术成为现实，在精神疾病的诊断、心理咨询和心理学研究方面实现跨越式发展。四川大学华西医院磁共振中心用 fMRI 研究了强迫症患者脑白质损伤，在国际上首次使用 fMRI 研究地震灾区幸存者的大脑出现的异常功能变化。有人在美国总统选举中，曾随机抽取选民样本来做脑部的 fMRI ，精确预言了选举结果。

四、色谱法

该法是1906年俄国植物学家茨维特创立的混合物分离技术（选修5)。它是根据混合物中各组分在互不相溶的两相中，由于吸附能力的差异，混合物在两相流动时各组分流动速度差异（有重力、真空、高压瓶、电场等驱动方式），对各组分进行分离，并进行定性和定量分析。上世纪30年代用色谱法对类胡萝卜素进行分离，色谱法从此得到广泛应用，形成分支学科色谱学；1935年合成酚醛树脂，人们采用离子交换树脂进行色谱分离；1938年将糊状A1,02涂在玻璃上，产生了薄层色谱（紫外光照射）;1941年液﹣液分配色谱法使人类基因组计划大大提前（原计划2050年完成）;1952年创建了气﹣液色谱法。为了甩掉贫油国的帽子，我国从1954年开始了气相色谱法的研究，使我国的色谱法研究水平处于世界前列。但色谱仪的制造方面很落后，显示其创新能力不足。

五、仪器分析在药物合成中的应用

拥有药物的知识产权是目前各国追求的目标。用化学方法提取中药中的有效成分，并对其分子结构的测定，进一步改造分子结构以提高其疗效，成为中国特色的新药研究方向。2015年屠呦呦荣获诺贝尔生理学或医学奖，正好证明这一点。由于上世纪实验技术的落后，屠呦呦在研究青蒿素的过程中身体受到极大损害。今天的仪器分析技术在药物研制中占有巨大优势。首先是对中药成分进行分离提取，色谱法是中药成分分离中最常用、最高效的分离和鉴定方法：然后是用质谱法（ MS ）测定其 Mr ，主要方法有 FD - MS 、 FAB - MS 、 HR - MS 、 EI - MS 和 MALDI - MS 等；最后是测定分子结构， UV 用于判断是否存在共轭体系， IR 主要用对羟基、羰基、苯环、双键等官能团的确认， NMR 判断 H 原子的化学环境、各种 H 原子数和复杂的分子结构信息。

一旦中药有效成分的分子结构被确定，化学家将对分子结构进行修饰，使其有更好的疗效和更低的毒性，最后进入临床实验阶段，对新药各种指标进行评价。如蒿甲醚就是对青蒿素分子结构修饰后的新药，挽救了数百万人的生命。汪小波，四川省夹江中学退休教师，四川省特级教师。曾任多届夹江县政协常委、夹江中学教科室主任。曾获乐山市优秀人才、乐山市优秀教师、夹江县首届名教师等称号。发表论文论著80多篇（部），有多个教育科研课题获省市成果。赵文碧，四川省青神县河坝子人，三苏文学社社长、主编，擅长写散文与地方传说，代表作品有《火烧玉蟾寺》、《丞相敬师》等，作品常见于《三苏文学》微信公众号、江山文学网、都市头条、金榜头条、美篇、百度等。个人简历

唐小虎，笔名：梦里，酷爱文学。喜爱散文、歌词创作。《三苏文学》常务社长，微信号／wxid_s3otpbxws4pn21，青神县作家协会会员。与音乐走廊合作之歌曲《锦绣青神》、《相知相守风雨同舟》、《南方的雪》等广为传唱。被百度音乐、MVBOX、酷狗等音乐平台收录其中。多篇散文作品在省、市级多家自媒体平台发表；主要作品：《青神之夜》、《峨眉情缘》、《老家的味道》、《天下太平 人皆向往》、《汉阳时光：一捧江水 半轮诗月》、《桂花香溢 岁月沉香》、《“东方明珠”之印象.白果》、《开放包容之浪漫丽江》、《腾冲之约》、《梦幻泸沽湖，摩梭走婚俗》、《洱海的风令人醉》、《邛海结缘》等。三苏文学将在每年年底评选当年三苏文学的优秀作者，按投稿量、浏览量、评论数、获精次数、上红榜各占25％，前三名将获得精美荣誉证书及至尊奖杯，并同时在《三苏文学》微信公众号、都市头条、金榜头条、今日头条、百度等平台广泛颁布彰显荣耀，到时可以做现场颁奖活动。欢迎文学老师们踊跃参加、积极支持、互相转告。