材料化学研究前沿和发展展望

第一篇：材料化学研究前沿和发展展望

材料化学研究前沿和发展展望

摘要:材料是人类发展的铺路石,从古至今材料伴随着人类的发展而发展,到了21世纪更是成为了材料的世纪。工业、军事、航空航天、生物、能源等都与材料密不可分。材料的研究前沿和发展成为众多科技工作者关注的对象。

本文关键字：材料、发展、工业、生活

能源、材料与信息是现代科技的基础，而材料是发展工程、信息、新能源等高科技的重要物质基础，是当代前沿科学技术领域之一。由于现代科技的不断进步，各个科学领域对材料的需求量越来越大，对其性能的要求也越来越高，甚至其形态规格，也由三维块状材料向二维薄膜材料、一维纤维材料和准零维纳米材料发展。

就此，本文将对材料化学的研究前沿和发展展望作简要讨论。

1.材料研究前沿

随着时代的不断发展，人类所使用的材料也由简到繁，由少到多。人类从石器时代走来，经历了上千年的风风雨雨，人类使用的器具也由石器到青铜，再到铁器„„慢慢地，到现在使用的许多高品质的化学材料。不光在我们的生活中，在当今世界的许多高科技领域，材料的品质和发展得到了极大的重视和进步，其中处于当前研究前沿并收到科学界、工业界广泛关注的，主要有纳米材料、先进陶瓷材料、功能薄膜材料等等。

1.1 纳米材料之概论

纳米是一个极小的度量单位，一纳米等于十的负九次方米，所以纳米级的材料由于它是由极小的微粒组成，因而具有许多其他材料所不具备的性质，因此在大量科学领域中纳米材料的开发和使用成为其领域发展和进步的重中之重。

而纳米材料则由于其优良的特性成为科学界青睐的对象，其特性主要表现在表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应。

（1）微粒随着粒径变小，比表面积将会明显增大，则表面原子所占的百分数会显著增加，即微粒表面具有极高活性的原子所占百分数增加，进而导致纳米材料可以直接和空气发生剧烈反应，这就是在材料研究中不可忽视的表面效应。

（2）纳米粉体的粒径和光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度形成透射深度等物

结构陶瓷主要在军事、航天、机械领域有着重要的作用。当然，处于不同的领域，陶瓷材料的性质品类也会有所不同，有高强度、耐磨损，可以制作轴承、燃烧室的氮化硅陶瓷材料；有高强度、高韧性，可以制作代替金属制作模具的氧化锆材料，且加韧的氧化锆材料可以制成不会生锈，也不会导电的新型剪刀，可以放心剪带点的电线。另外以氧化铝和氧化镁混合在1800℃高温下制得的全透明镁铝尖晶石陶瓷可以做“防弹玻璃”，这类陶瓷在国防和宇航领域中得到了广泛的运用。

还有一种很重要的结构陶瓷材料——生物陶瓷。生物陶瓷和纳米生物材料有着相似的作用，生物陶瓷目前主要用于人体硬组织的修复，它在人体中具有极佳的亲和性，因为生物陶瓷和骨组织的化学组成比较接近，将其成功植入后随着陶瓷的降解，新骨长成，所以这是今后医学上硬组织修复上的上乘之选。

1.2.2 功能陶瓷

功能陶瓷和结构陶瓷的差别很大，功能陶瓷因为其在电、磁、光、热、力学上优良的转换能力而广泛运用在信息技术和计算机技术之中。

首先介绍一个军事工业中的天之骄子——压电陶瓷。压电陶瓷晶体上没有对称中心，当在某个方向施加压力，则在特定方向引起极化，相应的一对表面就出现电位差；反之在一定方向上施加电场，则会发生特定形变和位移。由于这种令人惊讶的性能，压电陶瓷成为众多科技领域的研究和关注对象（但是其中常常有铅等有毒金属），原子弹的起爆器和压电扬声器等都是压电陶瓷的产物。

还有另外一大类非常常用、非常重要的敏感陶瓷材料。热敏、光敏、气敏、湿敏等大量的陶瓷，而且不能只想到我们生活中的声控开关等等，声控开关中的光敏开关和声敏开关与这类先进陶瓷材料还有很大的距离。

敏感陶瓷是由离子键的金属氧化物多晶体构成的一种导电材料。它可以敏感地感觉到周围环境的变化并及时做出相应的反应，由于这类陶瓷的特殊性，在各个领域都可以使用到，在节能和安全方面都有至关的作用。

先进陶瓷材料在很多方面性质都比金属要优良稳定，例如陶瓷没有锈蚀这个概念，这样可以极大程度的节省材料。虽然现在先进陶瓷材料还在发展研究阶段，但是在以后的发展中，陶瓷材料定会变得越来越广泛，越来越实用。

1.3 新型薄膜材料之概论

从古至今材料都是人类发展中不可缺少的一元，由三维块状材料到二维薄膜材料，薄膜材

随着现代人类的发展，能源问题已然成为全球共同面对的一个很严峻的考验，煤、石油、天然气等不可再生资源在地球上已探明的储量越来越少，且由于煤、石油的不完全燃烧产生了大量有毒有害的气体，它们对我们的环境有着极大的破坏作用。于是我们在不断地开发新能源，风能、地热、潮汐能、太阳能和核能。在将来核能与太阳能将会成为我们日常生活的主要能量来源，但是太阳能所面对的转换效率低下，核能面对的高温与核辐射都是我们需要考虑的，那样新材料的开发和使用又是科技工作者们需要关注的问题。另外在军工方面，各国也是抓紧时间研制军需材料，隐形材料，高强度、高韧性纤维材料，耐高温材料层出不穷。不光如此，空间技术、电子技术、激光技术、光电子技术、红外技术、环境保护等都需要高品质的新型材料。现今的普通材料已经不能成为社会的主流，它们造成的“白色污染”非常严重，对可以快速降解塑料的研制不仅可以方便普通居民的生活，同时也可以避免“白色污染”对人们生活造成的不良影响。再者，电力科研人员在关于怎样尽可能减少电在运输过程中出现的能量损耗上花费了大量的功夫，因为目前用于运输电力的输电线材料在常温下的电阻率不可能为零，但是后来出现了超导材料，它可以在某个温度时出现电阻率为零的惊人性能，但是这种温度往往是自然界里不可能出现的超低温。我们就来设想，如果我们能够研制出能在常温下实现超导的材料，再将其广泛运用到实际中不就可以实现电力运输中的零损耗了？理论上是成立的，但是实际上我们现在还没能开发出这中材料，所以这还需要我们广大的科学工作者的不懈努力和不断追求。

还有一种材料在未来将起到非常重要的作用——复合材料。树脂基高强度、高模量纤维材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，碳碳基复合材料，这类复合材料的性能大都强于单体材料，它们将来将会参与到各类科学研究中去。

回顾材料这几十年的飞速发展，给人类带来了许多福音，相信在未来材料定会带给我们更多的惊喜和福祉。

参考文献：

【1】 【2】 【3】 朱裕贞，顾达，黑恩成.现代基础化学.北京,化学工业出版社.2004 云南大学学报(自然科学版).2002.S1期

朱晒红，周科朝，黄伯云，黄苏萍，刘芳，薛志刚，龙志高.羟基磷灰石纳米颗粒:一种新型基因转染载体材料.生物科学杂志,2005,(05)【4】 【5】 全宏声.防弹冲击的透明装甲陶瓷.材料工程.2001,(07)杨亦权;导师:郑强,杜淼.压电陶瓷/聚合物复合材料压电阻尼性能研究.浙江大学材料学硕士论文.2002年

第二篇：近代化学前沿

有机合成中的生物催化

07级化学三班郑黄涛

背景介绍

近年来生物科学发展迅速，酶科学方面研究颇多，许多人将微生物转化或者酶转化技术应用在有机化学合成中，在各方面取得了长足的进步。许多复杂有机化合物的合成工艺中的某些重要反应都已可以用生物转化或是微生物转化替代。尤其随着对单一对映体功能的药物需求量的增长，生物催化也已经用于不对称合成中。

研究对象

生物催化指的是，利用某种酶将有机合成原料（底物）转化为另一种物质（产物）。在通常的生物体内，酶仅作为一种生物催化剂，催化生物新陈代谢中必须的反应，但它的催化作用并不局限于生物自身的物质，同时也能转化外源物质，即催化非天然反应。相对于传统的有机合成方法，酶催化有以下一些优势：

1、高效率

通常情况下，相比于传统催化剂，酶促反应可以将速率提高108-1010倍，有时甚至高达1014倍，大大超出传统催化剂催化能力[1]。

2、环境友好传统的有机合成催化剂，有些需要强酸强碱高温高压这样的苛刻条件，实现这些条件需要耗费大量的能源，有些催化剂含有Cd2+、Hg2+等重金属离子，甚至CN-这样的剧毒物质，对环境也是大大的不利。而酶本身来源于生物体系，自然是可以被自然界降解的。

3、温和条件使用，大大避免了副反应

4、酶彼此相容[2]由于各种酶催化条件相似，专一性又强，由此可以采用一锅煮地方法，连续催化多步反应，省去了转移中间体的麻烦。

5、强选择性酶促反应就很强的选择性特别是立体选择性，因此可用于不对称合成。研究方法

针对各类生物催化反应，改变影响生物转化速率的各个因素，比如微生物种类及培养方法、反应介质、底物结构以及一些物理因素如氧的供应、搅拌系统、搅拌程度和温度等，以研究各种条件下的转化速率。

国内外研究现状

当今生物转化领域已经进入了充满活力蓬勃发展的阶段，在当今有机合成中酶已经占据重要地位[3~5]。

此领域的重点研究方向就是其在手性药物合成中的应用。由于生物体对药物手性要求非常高，往往只有一种对映体有药效，另一种无药效甚至有毒性，于是药物的手性合成就显得尤为重要。酶本身源自生物体系，有很强的立体选择性，在此方面自然极其有用。一个有代表性的例子是先锋霉素的生产，当用化学—酶法时，制备步骤有以前的l0步减少到了6步[6]。水解酶由于对底物要求宽泛，对映选择性高，不需要辅酶因子，最常用于有机物生物转

化，对水解酶的研究最多，应用也最多。[7]

随着化学家对非天然化合物生物转化研究的加深，也促进了越来越多的不同形式与纯度的的酶的商业开发与应用。[8]

研究前景展望

此领域有待开发一套简单的模型以帮助预测一个给定反应的立体化学结果。另外还需要寻找更丰富的可用于生物转化领域的酶，以扩大该领域的应用面。

总之，随着人们对绿色化学的重视，以及对有机产品手性要求的提高，有机合成中生物转化的应用将越来越宽泛，相信它在不久的将来将会体现出不可估量的价值！

参考文献1、2、3、4、5、6、Menger FM(1993)Acc.Chem.Res.26:106 Only proteases are exceptions to this rule for obvious reasons.Turner MK(1995)Trends Biotechnol.13:253 Faber K,Franssen MCR(1993)Trends Biotechnol.11:461 Faber K(1997)Pure Appl.Chem.69:1613 Bruggink, A.In Enzymes in Action, Green Solutions for Chemical Problems,Eds.;Zwanem-burg.B., Mikolajcyky, M.;Kielbasinsky, p., Nato Science Series, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2000 , pp.449~458.Faber，K．Biotransformations in Organic Chemistry，4th ed．，Springer-Verlag，Berlin，2O0O．

White JS,White DC(1997)Source Book of Enzymes.CRC Press,Boca Raton7、8、

第三篇：有机化学的发展前沿和研究热点

有机化学的发展前沿和研究热点

有机化学的研究对象是有机化合物, 它研究有机化合物的组成、结构、性质、合成、变化，以及伴随这些变化所发生的一系列现象。

20世纪的有机化学，从实验方法到基础理论都有了巨大的进展，显示出蓬勃发展的强劲势头和活力。世界上每年合成的近百万个新化合物中约70%以上是有机化合物。其中有些因具有特殊功能而用于材料、能源、医药、生命科学、农业、营养、石油化工、交通、环境科学等与人类生活密切相关的行业中，直接或间接地为人类提供了大量的必需品。与此同时，人们也面对着天然的和合成的大量有机物对生态、环境、人体的影响问题。展望未来，有机化学将使人类优化使用有机物和有机反应过程，有机化学将会得到更迅速的发展。

有机化学的迅速发展产生了不少分支学科，包括有机合成、金属有机、元素有机、天然有机、物理有机、有机催化、有机分析、有机立体化学等。下面就其中的一部分分支学科来说，了解有机化学的发展前沿和研究热点。(1)有机合成化学

这是有机化学中最重要的基础学科之一，它是创造新有机分子的主要手段和工具，发现新反应、新试剂、新方法和新理论是有机合成的创新所在。1828年德国化学家维勒用无机物氰酸铵的热分解方法，成功地制备了有机物尿素，揭开了有机合成的帷幕。100多年来，有机合成化学的发展非常迅速。

有机合成发展的基础是各类基本合成反应，不论合成多么复杂的化合物，其全合成可用逆合成分析法分解为若干基本反应，如加成反应、重排反应等。每个基本反应均有它特殊的反应功能。合成时可以设计和选择不同的起始原料，用不同的基本合成反应，获得同一个复杂有机分子目标物，起到异曲同工的作用，这在现代有机合成中称为“合成艺术”。在化学文献中经常可以看到某一有机化合物的全合成同时有多个工作组的报导，而其合成方法和路线是不同的。那么如何去评价这些不同的全合成路线呢?对一个全合成路线的评价包括：起始原料是否适宜，步骤路线是否简短易行，总收率高低以及合成的选择性高低等。这些对形成有工业前景的生产方法和工艺是至关重要的，也是现代有机合成的发展方向。

(2)金属有机化学和有机催化

金属有机化学在20世纪有机化学中是最活跃的研究领域之一，其中特别是与有机催化联系在一起。均相催化使有机化学、高分子化学、生命科学及现代化学工业发展到一个新的水平。金属有机化学使人们认识到无机化学和有机化学交叉产生的金属有机化学会产生如此巨大的活力和作用；同时还发现许多金属有机化合物在生物体系内有重要的生理功能，如维生素B12，引起了生物学界的关注。由于金属有机化学的本身结构和功能的特殊性，以及广泛的应用前景，它在21世纪将有更大的发展。

含有碳-金属键的化合物种类甚多，至今还有不少元素周期表上的金属元素尚无合成的金属有机化合物。因此，金属有机化合物的合成方法有待进一步研究和深入。如1849年就制得乙基锌〔Zn(C2H5)2〕，发现它有极好的反应性能；以后才相继制得含锂、钠、钾、镁、铝、汞、锡等的金属有机化合物。但直到20世纪50年代才发展到主族元素和过渡元素的金属有机化合物。金属有机化合物的结构和性能关系是一个很广泛和重要的研究领域。如茂金属催化剂，它是烯烃聚合反应的新型催化剂；现在又发现二茂铁可做燃烧催化剂。应用金属有机化合物作为光学材料、电子材料和医药也是正在开发的领域。在21世纪将会发现更多具有各种特殊功能、可用作功能材料的金属有机化合物。

金属有机化合物在有机合成的均相催化反应中起着十分重要的作用。往往在金属有机化合物催化下产生一系列的有机合成反应。各种金属有机化合物的催化活性是不同的，将其应用于有机合成中将会产生各种不同的反应。有机反应催化剂的研制趋势是模拟那些能起催化反应的酶。这些模拟酶的选择性催化剂将在化学合成中呈现日新月异的新局面，故有的诺贝尔化学奖获得者称其为化学酶。

(3)天然有机化学

天然有机化学是研究来自自然界动植物的内源性有机化合物的化学。大自然创造的各种有机化合物使生物能生存在陆地、高山、海洋、冰雪之中。发掘和认识自然界的这一丰富资源是世界发展和人类生存的需要，是有机化学主要研究任务之一，也是认识世界的基础研究。从事天然产物化学研究的目的是希望发现有生理活性的有效成分，或是直接用于临床药物和用于农业作为增产剂和农药，或是发现有效成分的主结构作为先导化合物，进一步研究其各种衍生物，从而发展成一类新药、新农药和植物生长调节剂等。对于自然界的天然产物，有机化学家和药物化学家长期以来一直对它具有广泛的兴趣，并从中已经获得了许多新药和先导化合物。

(4)物理有机化学

物理有机化学研究有机分子结构与性能的关系，研究有机化学反应机理及用理论计算化学的方法来理解、预见和发现新的有机化学现象。对有机分子结构与性能的关系以及对有机化学反应机理的研究，是希望从实验数据中找到其内在的规律，并提高到理论化学的高度来理解和认识。

① 分子结构测定，目前，有机化合物结构测定所用的波谱(紫外、红外、核磁共振、质谱)和X-射线单晶结构分析等已经能测定大多数有机分子的结构，但对于结构很复杂的生物大分子或存在量极微的有机化合物结构的测定尚有待于分析仪器设备的不断发展。如目前已有800兆核磁共振仪，更高级的已在研制中。某些新型的显微镜也正在发展之中，例如可以直接观察单个分子及其结构的显微术。这一领域的发展可能导致一系列生物大分子的发现，并测定它们的一级结构以及二、三级结构，了解分子在空间的排列以及分子-分子体系是如何组合的。这是物理有机化学研究的基础工作，只有了解清楚分子结构，才有可能联系其性能，研究结构与性质的关系。

②反应机理随着对反应过渡态及反应活性中间体的研究来确证，往往一个有机化学反应将不单纯是某一类反应机理，而是涉及多类有机反应历程，如自由基反应会涉及电子转移反应。现有的研究进展表明，对任何一个有机化学反应历程，最终必须搞清楚反应过程中原子和分子的碰撞及重组情况，不同反应步骤的速率及反应中能态和相关能量。因此在研究有机反应机理中发现新的反应机理是一个方面，而搞清楚已知反应历程的速率、能量也是控制有机化学反应的一个重要方面。

③分子间的弱相互作用分子间的弱相互作用决定参与反应的分子间的识别，因而决定反应的选择性；它还决定分子间的聚集方式。研究分子间弱相互作用及其后果是十分重要的。

(5)生物有机化学

生物有机化学的主要研究对象是核酸、蛋白质和多糖三种主要生物大分子及参与生命过程的其他有机化合物分子。它们是维持生命机器正常运转的最重要的基础物质。

核酸是信息分子，负担着遗传信息的储存、传递及表达功能。近10年来对核糖核酸的研究发现，除上述功能之外，它还显示出独特的催化活性，即有着酶一样的作用。这大大加深了对核酸和蛋白质这两类重要生命基础物质的性质和相互关系的认识。核酸研究的深入发展，深刻揭示了DNA复制、转录、RNA前体加工、蛋白质生物合成过程中的相互关系，从而了解许多疾病的病因与核酸的相关性，为核酸在医学上的应用开拓了广阔的前景。全新蛋白质是蛋白质研究中的一个新领域。国际上正在尝试按化学、生物、催化等性质的需要合成新的蛋白质分子，对酶蛋白和膜蛋白的研究和模拟将起到重要作用。

多糖也是生物体内的重要信息物质。目前多糖研究侧重于分离、纯化、化学组成及生物活性测定等方面。对多糖的溶液构象、空间结构与功能的关系都还未深入研究。要深入研究多糖结构和功能的关系，必须首先在将其分离、分析和合成方法上有所突破。

模拟酶的研究。模拟酶的主客体分子间的相互识别与相互作用已取得了可喜的进展。此外在酶的模拟方式上最近出现了所谓催化性抗体的新策略，这种设想有可能创造出新型的高效、高选择性催化剂。

生物膜化学和细胞信号传导的分子基础是生物有机化学的另一个重要研究领域，对医学、卫生、农业生产均会产生深远的影响。

目前，随着结构理论和化学反应理论以及计算机、激光、磁共振和重组DNA技术等新技术的发展，有机化学对分子水平的掌握日益得心应手，能够按照某种特定需要，在分子水平上设计结构和进行制备，并由此形成了化学发展的一个新方向——分子工程学。

对于21世纪有机化学的展望：(1)走出纯化学，进入大科学

当生物化学和药物化学彻底脱离有机化学后，化学家则把兴趣更多地转向获得结构奇特或昙花一现的分子，较少象生物学家那样发挥想象力，探索其有时是捉摸不定的功能。随着20世纪的过去，化学知识和化学生产的普及和发展，数学、物理的进展，一些在此基础上综合发展起来的大科学开始显现出它们重要的地位，而这些大科学的发展，又反过来对化学提出了新的挑战和发展方向。

尤其是与信息时代相关的功能材料以及当前可能更受人们重视的生命科学，都面临着众多的化学问题亟待解决，要求化学家更多更积极的参与。如果说生物学家致力于阐明生命的过程，那么化学家的使命就是研究如何调控这一过程。

然而，化学虽然在20世纪有了飞跃的发展，但面对生命这样复杂的体系，现有的化学知识是不敷应用的，特别需要新化合物和新结构的提供以及复杂体系中分子识别本质的知识和实践经验的积累。(2)迎接挑战，发展化学

21世纪初，化学发展的几个重要方面可能为：化学反应动态学（如1999年诺贝尔奖授予的飞秒化学等）；分子识别、分子间的弱相互作用和分子聚集体化学；合成和组装化学等。以合成为例：

从科学发展的角度来看，合成化学是化学学科的核心，是未来化学家改造世界、创造社会的最有力的手段。创造新的合成反应一直是化学界的热点，多年来不少诺贝尔化学奖就是授予了合成化学家。最近20年SCI引用次数最多的50名化学家中约有1/3是从事合成化学的。200年来化学家不仅发现和合成了众多天然存在的化合物，同时也人工创造了大量非天然的化合物，使得人类社会所有的化合物已达2230 万个（CA1999年12月10日收录的化合物数）。其增加速度从20世纪90年代前每年60多万个到今天几个月100万个。

随着21世纪的到来和社会高科技的迅猛发展，要求合成化学家能够更多地提供新型结构和新型功能的化合物，并在此基础上设计和组装各种功能的分子聚集体，进而制备高技术传感器、仿生智能材料以及分子电子器件、分子开关等新材料。

生命科学研究进入到分子水平，需要化学的参与，需要合成研究的参与。材料科学、环境、能源乃至信息科学都对化学提出了诸多挑战。

大科学正在召唤着化学。走出纯化学，进入大科学，迎接挑战，发展化学，超越前人，闪耀辉煌。

第四篇：化学前沿课程感想

对《化学前沿》系列讲座的感想

高采 化基1101班

20110902203 很荣幸我能够选修这一学期的《化学前沿》这一门很有意义的课程，通过听24位优秀的化学界的专家的讲座，感受颇丰。通过老师们介绍各自的研究项目与研究成果，以及他们的未来的研究目标，我了解了化学研究的各个领域，对化学科研道路有了更深的认识。在大三下学期这一关键的时期，对于我们这些即将面对读研选导师的学生来说，这些讲座是一个很大的帮助。

对于这些专家的讲座，我个人觉得都是非常优秀的，他们在各自的领域都取得了特别显著的成就，其中，我对一位老师的讲座印象特别深刻。下面我讲一下自己通过本课程学习后的感受与体会。

其中一位作报告的是化工院的顶级专家--俞汝勤院士。讲座上，俞汝勤院士称，化学对人类所做的贡献是巨大的，一项化学合成如同棋手的一步棋，为人类创造了许多奇迹。化学对人类健康的贡献大体可以分为以下四个方面：

一、化学与人类的生存、繁衍和健康息息相关。利用化学知识提取药物、研发医药，为解决人类健康问题做出了巨大的贡献。

二、生命科学已进入分子（化学）层次，利用化学知识可以解决生命的疑难，揭示生命的奥秘。

三、化学能为信息、材料及能源等学科提供关键支撑。无论是高分子化合物材料、光化学电池、生物质能源，还是人们日常的衣、住、行，都是通过化学合成材料做成，与化学息息相关。

四、就化学与环境方面，俞汝勤院士提倡对此应给予公正合理的评价。他表示，虽然化学在环境保护方面曾走过一些弯路，但我们对未来的科学应充满信心，展望化学“万木逢春”的景象。最后，俞院士期望我们化学系的学生不要忽视化学知识的学习，让化学在帮助实现自己的人生理想进程中，发挥更大的作用。

通过听这位德高望重的院士的讲座，对我影响最大的不仅是俞汝勤院士的丰富的学术知识，更多的是俞汝勤院士的个人魅力。在讲座中，俞汝勤院士传递出一种昂扬的乐观的积极的人生态度，虽已是满头银发，但是字字句句铿锵有力，引人瞩目。他的讲座让我感受到了一位优秀的科研者的积极的态度。作为化学界的泰斗，在与我们本科生的交流中，俞汝勤院士显示出的不是趾高气扬的气势，而是平易近人和蔼可亲，很认真的回答我们的问题。俞汝勤院士的品质非常值得我学习。

其他导师的讲座各有千秋，就不一一做陈述了。从这些做《化学前沿》系列的讲座的老师身上，我深深地感受到了真正的科研的魅力，科研者的魅力所在。虽然他们所属不同的化学领域，但是，他们身上体现了相同的科研者的共同的品质：丰富的科研知识与技能；严谨的科研态度；创新的科研思维„„

这些品质是我们这些即将步入科研队伍的新生必须培养和具备的专业素养，通过这次讲座，我发现了自己的知识和性格上的一些不足，但是我相信，在这些优秀导师们的带领下，站在巨人的肩膀上的我们，一定能提升和完善自我，成为一个优秀的科研者。

第五篇：化学前沿讲座作业

金属罐消解－ 石墨炉原子吸收法直接测定

土壤中镉和镍

董杰

(河西学院化学化工学院化学化学121班，1251101105，1563509541@qq.com)

摘要: 利用金属罐加热酸消解－ 石墨炉原子吸收法直接快速测定土壤中的Cd 和Ni。该方法前处理操作过程简便、省力，干扰小，空白低，所用设备简单，成本低廉。试验结果表明，该方法测定土壤中的重金属，测定结果准确可靠，重复性好。经国家一级土壤标准物质样品测定验证，结果与标准值吻合。Cd、Ni 的回收率分别为97.5% ～ 102.5%、98.7% ～ 101.6%，相对标准偏差为3.25%、1.12%，方法检出限为0.1、1.0 μg /L。关键词: 金属罐 消解 石墨炉 土壤 Cd Ni 土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是生态环境的重要组成部分。随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，土壤重金属污染日益严重。重金属在土壤中积累，达到一定程度便会对农作物的产量和品质产生不良影响，进一步通过食物链最终影响［1］人体健康。在中国，随着污灌面积不断扩大，土壤重金属的污染问题日益严重，近年来，突发性的环境污染事件骤增，其中重金属污染的案例占很大比例。重金属污染问题已日益严

［2］重，对污染环境的治理迫在眉睫，因此，对土壤中的重金属进行定性和定量分析，对于防治重金属污染，维持生态平衡，保护人们的健康，都有着十分重大的意义。目前，常用的土

［3］［4］壤重金属检测分析方法有: 激光诱导击穿光谱法，感应耦合电浆质谱法，火焰原子吸［5］［6］［7］收光谱法，石墨炉原子吸收光谱法和分光光度计比色法。上述方法或者样品前处理较为麻烦;或者测量时间长精密度不高;或者使用的仪器较为复杂，测量成本高。而GB /T 17141—1997《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》测定Cd 的方法，又存在着检测限太高，干扰大，需加基体改进剂而导致的效果不好、稳定性差、波动性大等问题。本文采用金属罐消解－ 石墨炉法快速直接测定土壤样品中的Cd、Ni 含量，具有操作简单，进样量少，准确度高，定量准确、迅速等优点，所得结果准确、可靠。实验部分

1．1 主要仪器与试剂

美国PE—600 原子吸收分光光度计，镉、镍空心阴极灯，与主机配套石墨炉，自动进样器，塞曼扣背景。浓硝酸、氢氟酸，均为GB 以上级。高纯氩气: 纯度为99.999%。标准储备溶液: 镉、镍质量浓度均为1.00 mg /mL(标准物质研究中心)。标准工作溶液: 镉、镍质量浓度均为0.01 mg /mL，使用时按要求逐级稀释。实验用水为去离子水。1．2 仪器测量条件

测量条件见表1。

表1 石墨炉测量条件

［8 － 9］1．3 金属罐消解溶解方法

称取土壤样品0.1 g(精确至0.000 1 g)于聚四氟乙烯消解罐中，加入1 mL HF + 2 mL HNO3溶液，将聚四氟乙烯管放置于金属罐中密封，置烘箱中于180 ～ 190 ℃加热24 ～ 30 h，冷却，将聚四氟乙烯管取出，放置在电热板上蒸至近干(140 ℃左右)，再加少许HNO3(＜ 1 mL)，蒸干(干透)，加入2 mLHNO3 + 3 mL 去离子水，如前密封，置烘箱内于140 ℃加热4 ～ 5 h，冷却至室温，直接定容到100 mL 容量瓶中，待测。随同做空白试样。1．4 校准曲线的绘制

准确配制0、0.05、0.1、0.5、1.0、2.5 μg /L的镉标准溶液及0、5、10、20、30、50 μg /L 的镍标准溶液，按照表1 设定的仪器条件测定标准溶液，绘制标准曲线。同时测定空白试样。1．5 样品测定

将已处理好的土壤样品在测定标准曲线相同条件下进行测定，同时做全程序试剂空白，然后计算其含量。结果与讨论

2．1 样品消解方法

采用金属罐消解法消解土壤样品时，为控制好空白，避免样品损失，消解液加入量不宜太多，温度不宜太高，时间不宜太长。金属罐消解通过样品与酸的混合体内部发热，热量损失很少，从而使样品快速分解。消解时，硝酸加入量要适宜，太高会造成测定结果偏低，而且在高温下硝酸对石墨炉具有腐蚀性，造成仪器的损害。如果消解后硝酸残留量多，可在通

［10］风橱中低温加热，蒸发至近干。用混合酸分解土样，能彻底破坏土壤晶格，适于重金属的测定，消解过程中要控制好温度和时间。2．2 金属罐消解条件的选择

对HNO3 － HF 这一消解体系，按照不同用量、消解温度及消解时间进行试验。结果表明，酸比例为2 ∶

1、温度为190 ℃、消解时间在24 ～ 30 h，能获得满意的结果。试验结果如图1 ～ 3 所示。

图1 混酸不同比例与A 的关系

图2 消解时间与A 的关系

θ /℃

图3 消解温度与A 的关系

2．3 方法检出限

以空白溶液测定10 次的标准偏差的3 倍所对应的浓度作为检出限，测得镉的检出限为0.1 μg /L，镍的检出限为1.0 μg / L。此检出限可以满足日常监测要求。2．4 干扰试验

++2 +2 +2 +3 + 试验表明，在所选试验条件下，5000 倍的K、Na、Ca、Mg、Zn，250 倍的Fe、4 +6 +2 +2 +2 +Mn、Mo、Cu，800 倍以下的Pb、Co 对测定无干扰。2．5 方法的精密度及稳定性试验

土壤测定用ESS—1 质控样作分析质量控制样，测定15 次，其重复性和稳定性见表2。由表2 看出，Cd、Ni 的测定值在标准值的范围之内，RSD 分别为3.25%及1.12%。2．6 线性方程与线性范围

将Cd、Ni 标准溶液均用1% 的HNO3溶液介质逐级稀释配制系列标准工作溶液，系列准工作溶液质量浓度见表3，按1． 2 仪器条件测定标准溶液的谱线强度，对谱线强度X 和标准溶液的浓度Y 进行线性回归，得线性方程与相关系数(表3)。

表2 ESS—1 质控样重复性和稳定性实验结果

2．7 加标回收率试验

按照限定的工作条件和金属罐消解程序，在样品中分别加入不同量的Cd、Ni 标准溶液进行加标回收试验，结果见表4，由表4 可知，待测元素Cd、Ni的回收率均接近100%，表明方法准确可靠。2．8 样品测定

用本试验方法对实际土壤样中的Cd、Ni 含量进行测试，结果如表5 所示。由表5 可看出所采集土壤中Cd、Ni 的含量情况，Cd 含量范围在0.052 ～0.266 mg /kg之间，Ni 含量范围在15.7 ～ 58.2 mg /kg之间。均能达到土壤的环境质量标准要求。

表5 土壤样品的分析结果

结语

(1)用金属罐消化样品快速、完全、易保存。

(2)用石墨炉原子吸收法直接测定土样，用ESS—1 质控样作对照测定及加入标准作回收试验，试验结果证明方法可靠。

参考文献

［1］于艳秋，张笑竹，刘娟． 重金属污染对人体的危害［J］．企业标准化，2008，1: 16． ［2］李战，李坤． 重金属污染的危害与修复［J］． 现代农业科技，2010，16: 268 － 270．

［3］王建伟，张娜珍，侯可勇，等． LIBS 技术在土壤重金属污染快速测量中的应用［J］． 化学进展，2008，20(7): 1165－ 1171.［4］芮玉奎，孔祥斌，李静． 应用ICP － MS 检测不同种植制度土壤重金属含量［J］． 光谱学与光谱分析，2007，27(6): 1201 － 1203．

［5］任海仙，王迎进． 微波消解－ 火焰原子吸收光谱法测定土壤中重金属元素的含量［J］． 分子科学学报，2009，25(3): 213 － 216．

［6］马元庆，杨建敏，刘义豪，等． 微波消解－ 石墨炉原子吸

收法研究海湾扇贝中重金属的富集效应［J］． 齐鲁渔业，2009，26(1): 17 － 19．

［7］景丽洁，马甲． 火焰原子吸收分光光度法测定污染土壤中5 种重金属［J］． 中国土壤与肥料，2009(1): 74 － 77．

［8］许海，王沽琼，徐俊，等． 土壤重金属测定中不同消解方法的比较［J］． 常州工学院学报，2008，21(4): 70 － 74．

［9］王京文，徐文，周航，等． 土壤样品中重金属消解方法的探讨［J］． 浙江农业科学，2007(2): 223 － 225．

［10］奚旦立，孙裕生，刘秀英． 环境监测［M］． 北京: 高等教育出版社，2004：257 － 259．