9.2. Особенности современного этапа в развитии аналитической химии

Существенные изменения в направлении научных исследований химиков-аналитиков ведущих стран произошли в 70–80-х гг. XX века. Об этом можно было судить по изменившейся тематике статей в научных журналах, по количеству соответствующих докладов на международных конференциях, по заявлениям ведущих специалистов. Эти изменения можно было рассматривать как начало нового (четвертого) этапа в истории аналитической химии. К особенностям этого этапа можно отнести следующие.

Преимущественное внимание к анализу органических веществ. Разумеется, состав таких веществ начали исследовать очень давно, но даже в 60-х гг. XX века анализу «органики» посвящалось гораздо меньше работ, чем анализу неорганических веществ. Теперь, на рубеже XX и XXI веков, наблюдается обратное соотношение. Причем число публикаций по неорганическому анализу осталось примерно тем же, зато резко выросло количество книг, статей и патентов по анализу нефтепродуктов и полимеров, лекарственных препаратов и пищевых продуктов, биологических и медицинских объектов. Этот эффект объясняется многими причинами: изменением потребностей общества (развитие медицины, фармацевтической и химической промышленности), использованием в быту все новых и новых органических соединений. В связи с развитием молекулярной биологии и генетики резко возрос интерес самих ученых к составу и структуре наиболее сложных органических веществ (прежде всего, белков и нуклеиновых кислот). Еще одной причиной стало то, что исторически анализ неорганических веществ развивался значительно быстрее. Необходимо преодолеть давнее отставание органического анализа, в том числе в теоретическом отношении.

Преимущественное внимание к молекулярному анализу. В главе 1 уже отмечалось, что один и тот же материал можно изучать на разном уровне. Объектами обнаружения и определения могут быть либо изотопы, либо элементы, либо молекулы, даже определенные совокупности молекул, имеющих общие структурные особенности, и т. д. В истории аналитической химии всегда, начиная с Р. Бойля, ведущую роль играл элементный анализ. Но при исследовании сложных органических объектов (например, тканей человеческого тела или лекарственных препаратов) элементный состав оказался малоинформативным – все органические вещества содержат одни и те же элементы! Поэтому, начиная с 70-х гг. XX века, основное внимание химики-аналитики стали уделять молекулярному анализу.

Лидирующее положение хроматографии, масс-спектромет- рии и других новых инструментальных методов. На новом этапе потребовалось определять содержание молекул каждого вида по отдельности, нередко – при очень низком их содержании и в присутствии множества структурных аналогов (изомеров и гомологов). Такие ситуации постоянно возникали и в анализе биообъектов, и в анализе объектов окружающей среды. Для решения подобных задач классические химические методы анализа были совершенно не пригодны – они недостаточно чувствительны и селективны. Здесь не годятся методы атомной спектроскопии и электрохимические методы, далеко не всегда «работают» методы спектрофотометрического анализа. Именно поэтому в современных условиях на первый план вышли такие высокочувствительные и высокоселективные методы молекулярного анализа, как хроматография (ГЖХ и ВЭЖХ), масс-спектро­метрия (как правило, в сочетании с хроматографией), новые виды оптической молекулярной спектроскопии, а также ферментные методы. Именно этим методам уделяют теперь основное внимание научные журналы по аналитической химии. Для этих методов промышленность выпускает множество приборов, все более совершенных и высокопроизводительных. Меняются даже программы подготовки специалистов – в них все больше места занимают хроматография и родственные ей методы.

Компьютеризация анализа. Появившиеся в конце 70-х гг. персональные компьютеры оказались исключительно важными для современной аналитической химии. Они не только позволили решать новые задачи (см. выше), но и в определенной степени изменили содержание аналитической химии как науки. Использование компьютеров идет по многим направлениям:

• поиск и хранение информации. При составлении методики анализа и интерпретации результатов компьютер выступает в роли огромного справочника. Оперативно получать со всего мира информацию, относящуюся к аналитической химии, также можно с помощью компьютера – через Интернет;

• проведение сложных расчетов («компьютер как калькулятор»);

• управление аналитическим прибором и запись сигналов;

• цифровая обработка аналитических сигналов;

• компьютерная идентификация веществ;

• расчет содержания компонентов пробы (реализация многомерных градуировок);

• компьютерное моделирование и оптимизация методик анализа;

• сбор, сопоставление, интерпретация и использование результатов анализа.

Разные направления использования компьютеров будут кратко охарактеризованы в следующем разделе (для факультативного изучения), детали можно найти в дополнительной литературе последних лет издания и в научных журналах.

В каждом конкретном методе химического анализа компьютер может облегчить проведение отдельных стадий анализа и обеспечить получение более точных результатов. Однако существуют такие методы, которые целиком базируются на применении компьютеров, без них эти методы были бы вообще невозможны. Эти методы в англоязычной литературе объединяются под названием COBAC («компьютерная аналитическая химия»). Сюда входят, например, методы фурье-спектрометрии, хромато-масс-спектрометрии, а также мультисенсорные методы, условно называемые «электронный нос» и «электронный язык». Несомненно, значение таких методов в будущем будет постоянно возрастать.

Усиление значимости математических методов (хемометрика). Аналитическая химия всегда была одной из самых «математизированных» наук. Однако в 70–80-х гг. XX века ее математический аппарат существенно изменился. Кроме традиционных алгоритмов математической статистики и алгебры, появилось много новых направлений, специально созданных для решения химико-аналитических задач, для извлечения максимально возможного количества полезной информации из совокупности полученных аналитических сигналов. Этот математический аппарат получил специальное название – хемометрика. Исходным материалом для соответствующих расчетов служат всевозможные спектры, хроматограммы, кинетические кривые, кривые титрования и т. п., зарегистрированные современными аналитическими приборами и переведенные в цифровую форму. Техническим средством обработки этой информации являются мощные компьютеры. А сами расчеты проводятся по алгоритмам, создаваемым математиками вместе с химиками-аналитиками. Последние формулируют задачи, определяют границы применимости тех или иных расчетных моделей, интерпретируют полученные результаты.

В качестве примера можно указать одно из многих направлений хемометрики – использование многомерных градуировок. Как показано в разделе 6.3, традиционный «докомпьютерный» подход к физическим методам количественного анализа – это построение одномерных градуировочных функций в координатах «аналитический сигнал – содержание определяемого компонента», I = f (C). Влиянием остальных компонентов пробы либо пренебрегают, либо обеспечивают постоянство такого влияния. Для этого подбирают для построения градуировочных графиков образцы сравнения (эталоны) с одинаковым набором примесей, приблизительно тем же, что и в исследуемых пробах. В хемометрике реализуется другой подход к количественному анализу – учитывается влияние каждого компонента пробы на измеряемую физическую величину. Речь идет о нахождении и использовании зависимостей вида I = f (C₁, C₂, C₃...), где С_i – содержание i-го компонента в данном эталоне (или пробе). Чтобы получить многомерную градуировку, нужны образцы сравнения, эталоны с известным содержанием каждого компонента. Они вовсе не обязаны отличаться только содержанием одного компонента и быть одинаковыми по всем другим показателям! Например, в ходе спектрофотометрического анализа снимают спектры множества таких эталонов. Затем составляют систему алгебраических уравнений, в которые входят значения концентраций компонентов в каждом из эталонов и сигналы всех эталонов, измеренные на многих длинах волн. Число используемых эталонов и число аналитических длин волн должно быть гораздо больше, чем число определяемых компонентов.

Решение системы из большого числа линейных или даже нелинейных уравнений со множеством неизвестных обязательно требует специальных программ и без компьютера нереально. Результатом решения являются градуировочные функции, связывающие концентрации каждого компонента со спектральными данными. Затем на том же приборе и в тех же условиях снимают спектр пробы и с помощью ранее найденных градуировочных функций рассчитывают неизвестные значения концентраций компонентов пробы. Похожий, но гораздо более простой метод впервые был предложен Фирордтом для спектрофотометрического анализа смесей еще в XIX веке (см. 6.3). В отличие от метода Фирордта, хемометрические алгоритмы не предполагают использования заранее определенных коэффициентов чувствительности каждого сигнала к каждому компоненту смеси, не требуют детального исследования свойств компонентов по отдельности. Естественно, для многомерных градуировок можно использовать не только спектральные характеристики смесей, но и сигналы другого типа (например, потенциалы, значения электропроводности, плотности, вязкости и т. п.). Можно использовать и такие градуировки, где сигнал нелинейно связан с концентрациями. Аналитики традиционно избегают работы с нелинейными графиками, но для компьютера они принципиально не отличаются от линейных.

Мы перечислили далеко не все характерные особенности современного этапа в развитии химического анализа и аналитической химии как науки. Можно было бы указать на усиление внимания к метрологическим аспектам анализа и сближение аналитики и метрологии (см. главу 2), автоматизацию анализа и применение сенсоров (см. главу 5), усиление значимости биохимических и биологических методов (см. раздел 4.8), широкое применение тест-методов и других способов внелабораторного анализа. Новые направления развития нашей науки требуют дальнейшего развития связей со смежными областями знаний – физикой, математикой, биологией, инженерными науками. Именно поэтому современную аналитическую химию стали считать междисциплинарной наукой, а не одной из химических наук, какой она была в предыдущий период.