高中生化学竞赛

你是否曾经对科学家手中能实时显示自来水硬度的仪表感到过好奇？你是否知道现在只需要简单的将探头深入水中，就能在短短的几秒钟之内获得液体中特定离子的浓度？随着科学技术的发展，传统的分析化学已经得到了极大地改变，越来越多的分析仪器已经走出了实验室，走入了人们的生活，像传统分析化学中pH和金属离子浓度的测量已经不再需要复杂的酸碱或是络合滴定，在淘宝上搜索关键字“pH计”，“自来水硬度计”，你就能得到上百页的相关商品。而这一切看上去神奇的仪器，其核心便是其中被保护的非常好的传感器，而分析化学领域传感器的研究与开发，便是化学计量学的一个重要课题。

提起化学计量学，也许很多人会对这样一个名词感到陌生，即使是化学专业的学生，他们更为熟悉的也应当是计算化学而非化学计量学。的确，化学计量学作为一个十分年轻的研究领域，从正式提出到今天也不过只有四十来年的历史，在中国更是只有二十来年的发展历程，相比于化学领域动辄上百年研究的学科，的确算得上是“晚辈”。

那么化学计量学到底在研究什么呢？根据S Wold博士的理论，化学计量学“是一门化学与统计学、数学、计算机科学交叉所产生的新兴的化学学科分支。它运用数学、统计学、计算机科学以及其他相关学科的理论与方法,优化化学量测过程,并从化学量测数据中最大限度地提取有用的化学信息”。从字面上来看，其主要研究的对象应当分为“化学方法获取数据”与“数据处理与信息提取”两大部分，前文中用于引入的传感器研究，就可以分类到“化学方法获取数据”的部分中。

在化学计量学在中国的发展过程中，俞汝勤先生可谓是当之无愧的引路人，在没有前人经验可供参考的情况下，从0开始，取得了让世界瞩目的成就，其研究成果到底如何呢，从下面一段对他的介绍中可见一斑：“俞汝勤从20世纪60年代起开展了铌等稀有元素的有机分析试剂合成及分析方法研究，建立了铌、铼、金、钯、铋、钨、钼、钙等元素的灵敏分析方法。有关分析试剂的研究与化学传感器的研制结合，发展为新型载体的合成。通过合成金属有机化合物，研制了多种药物及难测试离子的电化学传感器。在非玻璃膜氢离子敏感电极的研制方面，显著拓宽了其线性响应区间。另一方面，通过合成光化学载体制备光化学传感器，极大地推进了有机物浓度的仪器分析与测定。”用通俗的话来说，俞老先生的工作主要聚焦在传感器的研发与改进上，并且在这一领域取得了相当斐然的成果。与很多人的想象不同，仪器分析中的传感器并不是万能的，它具有的功能十分有限，大部分传感器都只能特异性地识别单一的离子。也就是说，每当我们想分析一种新的物质浓度的时候，就需要研制新的传感器。

传统的金属离子分析建立在浓差极化导致的电信号的变化上，通过不同浓度下电势的改变来获取体系中特定离子的浓度，但是当我们研究的对象从简单金属离子拓展到复杂阴离子，甚至是有机化合物的时候，传统电信号的研究可能就失去意义了。这时就不得不提到俞老的工作了，他在光化学传感器上找到了新的思路，通过合成一系列光化学载体，制备了相当多的可用于有机物测定的光化学传感器。比如通过荧光素及其卤代衍生物长链烷基酯制备了测试羧酸及脂肪醇的传感器，同时利用荧光素衍生物与荧光给予体稠环芳烃合用制备荧光能量转移型苦味酸传感器，大大提高了化学家与药学家们分析新物质的能力。

与此同时，俞老也在“数据处理与信息提取”有着惊人的成就，在多组分分析，多元光度法，稳健估计方法中都有所建树。与此同时，他不仅注重理论上的研究，更注重将所取得的科研成果转变为生活中的实际用途。带领其所在的湖南大学化学与化工学院化学计量学与传感技术研究所的同学，采用了化学定量构效关系（利用物质的化学成分与结构对其性质进行定量研究），品质计量学，药物计量学的一系列手段，将化学计量学的理论模型应用在中药的研究中。除此之外，还发表了一系列诸如《香港大气颗粒物中多环芳烃的 HELP 法解析》等一系列实用性极强的文章，让化学计量学真正的走进了人们的生活。

俞老曾在一次采访中说道：“像化学计量学这类科技含量高的领域，应该很好地去发展，以帮助企业取得原始创造成果，企业才能立于不败之地，不再重复跟在别人后面的老路。需要强调坚持在基础研究中投入的必要性和重要性，否则，永远是别人做出来了，我们跟在后面学习，这样比别人落后将是注定的！”的确，在别人构建好的框架下进行研究，终究比不上自主创新，做自己真正原创的东西来的更有生命力。这一席话语激励着我们，让我们在不断追求真理的路上时刻带着一颗求新求变的心。

依然用俞老先生采访中的一句话作为结尾，我认为这一定是他心中最真实的期盼：“我相信我们会有‘我们最先想出来的东西’，这一天会来的，只是早晚!”

作者：刘沁哲 北京大学化学与分子工程学

2016.11.10