周锦帆:解决实际问题是分析化学硬道理

2011-2-19 14:26 来源: 分析测试百科
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——访我国应用分析化学专家周锦帆教授

  【导语】初次见他的人都很吃惊,一个刚过70周岁生日的老人有着充沛的精力,还时常爆出一些猛一听觉得意外且印象深刻的言论如:“解决实际问题是分析化学硬道理,无用的创新是不可取的”!“我能即时回答复杂A物质中X的ICP分析问题,迄今可能国内无人能及”。他就是《检验检疫科学》创办人/原责任副主编周锦帆教授。不久前,分析测试百科网记者走访了周教授,相信看了本文,您一定会对他的观点有所思考或行动……在此周教授也祝愿中青年分析化学工作者在新的一年中,在学术上有新的、大的进步。


周锦帆教授

上图为周锦帆教授在复旦大学作报告的海报年历

      注:3月初周教授与您相约Antpedia,进行精彩的演讲并在线回答网友问题。

      如您在分析工作中遇到诸如复杂物质A中X(如卤素、金属元素、稀土元素)的分析难题,欢迎您参与本次活动,周教授将帮助解决您的实际难题。

  请登录http://vote.antpedia.com/index.php?sid=97576〈=zh-Hans,留下您的问题和联系方式。我们将在讲座时间确定后,及时通知您。


  感谢上苍对我的眷顾,我有幸解决了我碰到的所有分析难题

  我建立的分析方法无一不为别人的实验室采用

  周锦帆教授1963年从南京大学分析化学专业毕业,被分配到核工业部北京五所(原二机部北京第五研究所)分析化学研究室的光谱组,从事建立分析方法的研究,一干就是27年。在北大、清华、复旦、南开、南京大学等名校高材生云集的五所,他建立的创新分析方法、解决的分析难题、发表的学术文章都是出类拔萃的、并给全国的读者们留下深刻印象,好多人知道周锦帆教授都是从杂志上认识的。武汉大学的一位分析化学教授第一次见到周锦帆时就说:“我们武大都知道你”!!1990年国家检验检疫局创办《检验检疫科学》杂志,周锦帆去面试时,把自己发表的文章递上去,马上就被聘为责任副主编(主编是国家检验检疫局副局长兼),因此可以说是他一手创办了《检验检疫科学》杂志。1963年参加工作以后从事离子交换光谱分析和离子选择电极的研究,同时兼任《理化检验》、《离子选择电极》和《化学传感器》编委。2003年退休后他继续从事光谱分析研究,解决光谱分析的难题及在常熟(老家)检验检疫局指导年轻人工作。

  周教授曾在网上发表了一篇博文”70岁自颁发金银铜奖杯”(http://www.antpedia.com/?uid-55840-action-viewspace-itemid-123121) ,来说明自己跨度40余年来解决实际分析问题的贡献。

  • 金杯(30岁):6克铀中0.1微克钆钐铕镝的超负载阳离子交换分离~光谱分析。解决世界核工业1号分析难题。
  • 银杯(44岁):1克试剂级钴盐中1微克镍的自创LZ85螯合树脂分离~AAS测定。解决钴镍分离的无机分析化学公认难题。
  • 铜杯(69岁):洁净钢中14个稀土元素的Dowex树脂分离~ICPAES分析。解决有重要意义的世界难题。

  奖杯条件是:一)学术原创且至今CA表明,在国际仍是无可争议的最佳分析方法。二)大量样品考验;若有标样,己经标样考验。三)若分析,不得不用我方法。

  为什么称这些是“解决了公认或世界难题”呢?周教授以他2010年的工作——洁净钢中14个稀土元素的分离分析来说明。此前,国外文献没有任何成功分离钢中微克级稀土的报道。周教授与常熟检验检疫局的科技人员仅花了约半年时间,通过Dowex阴离子交换树脂成功将14个稀土元素从钢中分离,最后用ICPAES分析,这个方法解决了钢铁分析最后的有重要意义的世界难题——钢中微量稀土的光谱分析;分析手续简便易推广;方法验证是南京大学、复旦大学、浙江大学等7位外单位专家亲自动手分离操作,得到的(由电脑打出来的)光谱分析结果与事先提供的数据以及标样中总稀土数据三者完全吻合,说明方法的准确性。此论文己在2010年第5期《Applied spectroscopy》上发表。

  他说:“我是非常幸运的,从1963年以来每次都乐于向分析化学难题挑战,而每一次挑战,也碰巧都能将难题解决;所以也就有了所谓的那些成就。感谢上苍对我的眷顾!”

  周教授还有一点非常自信,他说:“我建立的分析方法无一不为别人的实验室采用。”当年在核工业部北京五所,三个湿法冶金工艺研究室的科研人员的共识是——“有分析问题,去找周锦帆!”他说,“针对各种具体情况,我会采用不同的测定方法,而不仅仅局限在光谱分析方面。在建立各种分析方法时,我会考虑哪种仪器最适用、最便于在铀工厂的分析室推广就用哪种仪器。选择测定方法的唯一标准是方法的准确性与可推广性。原子吸收、分光光度法、离子选择电极法,甚至络合滴定,我都做过,而分离基本上都用离子交换分离。”迄今为止,周老师所创建的研究方法,依然在全国很多铀工厂实验室使用。

  江西上饶一家铀水冶厂,主要是从铀矿石得到铀的浓缩产品。该厂实验室原先采用重量法分析铀浓缩产品中的硫酸根含量,实验人员操作非常熟练,但分析时间需要5小时。“我要让原先闭着眼睛都会做这种方法的分析人员,宁愿放下手头的方法,而采用一种我提出的新方法,你说——需要对他产生多大的动力!”奇怪的是,自从周教授建立的用(他自制的)铅离子选择电极电位滴定法分析铀浓缩产品中硫酸根的方法后,分析人员马上换了新方法,因为分析时间缩短到不足2小时。从此全国的铀工厂都采用这种分析方法。


  复杂物质分析的首选方法——离子交换分离

  当笔者问及“为什么您能创建这么多新方法、发表这么多文章”时,周教授首先说,很多人现在实验室有了ICP、ICP-MS等先进仪器,如果分析工作只是局限于把样品溶解成溶液,然后用ICP测定元素含量,这样是“不可能发表高水平的文章。因为在研究过程中没有解决分析化学难点,即没有学术水平。”

  而要成为一名能真正解决实际分析问题的优秀分析工作者,能够建立原创的、被他人实验室使用的方法,就必须了解离子交换分离——这是复杂物质分析的首选方法。说到这里,他翻开不久前方晓明、刘崇华和自己一起编写的新书《有害物质分析——仪器及应用》,周教授根据自己几十年的工作经验,写了其中第20章:离子交换分离。

《有害物质分析——仪器及应用》封面

  在这一章节中,第一张表就比较了“离子交换与吸附”、“溶剂萃取”、“沉淀”、“蒸馏与挥发”、“电化学分离”5种分离方法,综合评价来看,离子交换与吸附方法是最优的首选方法。Jackson在“Anal.Chem.”(1995,67: 71R-85R)的长篇综述“地质和无机材料分析”中,引用了13篇文献的分析方法必须分离富集,其中采用离子交换分离富集的占11篇,并且剩余的2篇在后来证实也能用离子交换法进行很好的分离富集。离子交换分离是分析化学中最重要的样品前处理技术之一,它可以分离干扰物质,消除干扰;富集待测的痕量物质,提高测定灵敏度;而且分离时通常不用有机试剂,实用、环保;离子交换能够解决复杂物质的分析,同时又可能使整个分析方法具有创新性。周教授说:“分析化学工作者掌握离子交换分离,能显著提高自己的总体分析化学研究水平。

  前文列举的周教授自颁的金银铜奖杯,均是直接由于离子交换分离产生的原创性成果,解决了“公认的世界难题”。而周教授在离子交换分离上的另两大突出贡献,就是“小型离子交换柱设计及Kd40法”,和“阳离子交换法分离金属离子时淋洗剂浓度的速查法”。

  分配系数Kd在离子交换中有极其重要的意义,它是在某一条件下,金属在离子交换树脂上吸附能力的标志。而离子交换分离研究的核心在于:分离An+与Bm+时,选择什么淋洗剂?如何确定淋洗的浓度?

  1960年F.W.E. Strelow 首先在‘Anal Chem.’上发表了测定40种金属离子在不同浓度HCl介质的分配系数Kd值的文章,这对于离子交换分离具有里程碑式的意义。用周教授的话来说,“确定了金属离子的Kd值,就好比发明了血压计,测出了人的血压高低。”周教授本人的贡献在于提出了Kd40法,相当于确立了如何判定高压(140)和低压(90)的标准。周教授设计的小型离子交换柱(树脂量为1毫升),大大的提高了离子交换分离的实用价值,95%以上的离子交换分离均能用这种树脂层高度仅5厘米的小型离子交换柱解决问题。现场他拿出一支小型离子交换柱,笔者看到其长度仅约20cm。在这根柱子上,周教授发明了Kd40/Kd10定义: Kd>40,强吸附于树脂,Kd40指淋洗10个柱体积,刚好不穿透;Kd<10,不吸附于树脂,Kd10指淋洗10个柱体积,刚好全部洗脱。

  

小型离子交换柱及各种离子交换树脂

  在此基础上,周教授又发明了“阳离子交换法分离金属离子时淋洗剂浓度的速查法”(第294-295页,《有害物质分析——仪器与应用》)查这个表,半分钟内就能查到A与B离子分离的可能性及两者分离的最佳淋洗剂浓度,从而极大简化了离子交换分离探索研究的过程。“淋洗剂浓度速查表”确实是离子交换分离研究的一把金钥匙。

  不久前某公司向周教授请教,他们经营的美国进口纯水器,采用阳离子交换树脂分离水中的Ca2+,即变成软水,这样洗澡就会更舒服。但使用一段时间后,需要洗下吸附在树酯上的Ca2+,从而使树脂再生。他们问周教授如何有效把Ca2+洗下来,同时使用酸度最低、效果最好、费用最低。由速查表即可知道Ca2+的Kd10(即完全洗脱),用HCl需用2.6当量,用HNO3只需1.95当量,单从浓度上考虑,就是用HNO3合适。


  Kd值类似的原理是否能推广到农药残留分析?

  周教授在无机分析领域是专家,在色谱/农残分析方面,周教授说:“我并不熟悉”。但他提出了一个观点,即“无论是离子交换还是固相萃取,应寻找一种方法有效地将农药残留选择性地 ‘拎’出来。”

  目前农残检测实验中,普遍做法是将认为有可能可行的几种固相萃取柱一起拿来做实验,选择相对回收率最高的某种固相萃取柱。这种方法的缺点是:每次研究都得重新摸索。他主张,“希望有人能像Strelow那样,对500种常用农药在不同介质于不同(装在固相萃取柱)吸附剂的分配系数Kd值精确测定。这样可以通过参照不同农药的Kd值的表,即可选择最佳的固相萃取柱及找到正确的实验条件。这项研究做好了,那么对全世界的农残分析来说,将是一个里程碑式的贡献。”