毒物化学分析主要是指对环境和生物体中有毒化学物及其代谢产物的分析，是毒理学研究中不可缺少的组成部分。
环境中毒物检测 化学物逸散于环境中，造成对空气、水和食品的污染，需要通过环境的检测以了解污染的程度和范围。例如，在南极大陆冰块中检出有0.04×10-9g/g的DDT，在北极圈冰盖中测出微量铅和汞，说明农药残毒和铅、汞的污染已遍及世界各地。我国对空气、水、食物中部分有害物质已制订出最高容许浓度的卫生标准。这些标准的实施都需要有检测方法的配合。
为使环境中微量毒物达到能被检出的程度，样品的采集和预处理是检测过程中极为重要的环节。某一毒物存在于不同介质——空气、水、食物、生物材料中时，虽用同一分析方法，却常需经不同的采样和预处理。改换分析方法时，样品的采集和处理往往也需作相应的改变。
空气中毒物检测 逸散到空气中的毒物有气体、蒸气、雾、烟及粉尘等多种形态。不同形态样品的采集方法也各有其特殊要求。毒物在空气中的浓度一般很低，分布亦不均匀，而且随着空气的流动而不断变动。要使检测结果正确反映人们所接触毒物的实际浓度，除了要有灵敏、准确的分析方法外，还要求样品具有代表性。
采集气体、蒸气形态的毒物，如硫化氢、苯的检样时，常用的方法是将一定量被检空气通过一盛有吸收液 (水溶液或其他溶剂) 的容器使之浓集。然后再测定吸收液中毒物的含量，根据被检空气的体积，可算得空气中毒物浓度。吸收液的吸收效果取决于它对毒物的溶解度、化学反应速度以及被检空气通过吸收液时的接触面积、接触时间等。一般的吸收效果都可达到95%以上，最小不得低于90%。必要时可将两个吸收管串联采样。
如果空气中有毒气体或蒸气的浓度较高，或分析方法有足够的灵敏度时，可用玻瓶或塑料袋采集0.1～1L被检空气带回实验室分析。
采集雾、烟、粉尘形态的毒物检样时，必须使空气以较高速度通过装有固体吸附剂(滤膜、滤纸、硅胶或其他涂有化学试剂的固体颗粒)的采集管，使毒物沾附在固体表面上。然后再用适当的溶剂洗下毒物进行分析。粉尘态的毒物需要有更高的采样速度，以使粉尘有效地收集于采集管中。
最常用的分析方法包括比色法及分光光度法。测定部分多环芳香烃致癌物如大气烟尘中的苯并(a)芘，较好的方法是用荧光光度法进行定性、定量，在含量低至3ng时仍可被测出。随着分析技术的发展，苯、甲苯等多种有机气体、蒸气已逐步采用气相色谱法测定，不但简化了采样方法，并能同时检测共存的多种物质。又如汞是唯一以蒸气态存在于空气中的金属，现改用冷原子吸收测汞仪法，将空气直接通入测汞仪，即可从仪表上直接读取汞浓度。如空气中汞含量极低，可用内盛固体金膜微粒的捕集管，使汞与金膜形成金汞齐; 也可用银丝或银膜微粒捕集管，使汞定量地浓集在捕集管中，然后经热解将汞蒸气吹入测汞仪。此外，对其他金属类毒物也可用原子吸收光谱法，检测灵敏度可大大提高。
检气管法是一种在现场就能检测空气中毒物的快速方法。这是一支两端熔封内装细小固体颗粒的细长玻管。固体颗粒是一种吸附化学试剂的多孔性物质，称指示胶。被检空气通过检气管，毒物与管中试剂反应，使指示胶产生颜色改变。比较颜色变化的强度或变色段的长度，就可以判定空气中毒物浓度。检气管用于检测气体、蒸气类毒物。常用的检气管有一氧化碳、硫化氢、氯、甲醇、汽油等数十种。检气管灵敏度能适合需要，但精确度较差。
用经过试剂浸渍的滤纸进行空气分析，也是一种简易的、半定量的现场测试方法。当一定量的空气通过时，滤纸就能显色; 或是采样后再在滤纸上滴加试剂以显色。部分气体、蒸气、烟雾状毒物可用此方法检测。
水中毒物检测 水中污染物质以酚、油、农药、氰化物和金属化合物等较常见。由于一般含量极微，因此水样必须经过浓缩或分离干扰物质等预处理手续，常用的预处理有下列方法。
(1) 吹出法进行分离浓缩： 分析水中易挥发的物质如氰化物、二硫化碳、硫化氢、甲烷、甲硫醇等，可在加热或常温下通入空气、氮气或水蒸气，将毒物从水中吹出，并吸收于溶剂中，以分离水中干扰物质。测定这类物质大都采用比色法。有时非挥发性物质亦可采用吹出法分离。例如，水中无机汞化合物，可加入二氯化锡还原剂使还原成汞而被吹出，直接通入测汞仪进行测定。
(2) 溶剂提取法进行浓缩： 此法是一种常用的简单快速方法。有机物如酚、碳氢化合物、氯苯和各种农药，都可用有机溶剂提取使之浓缩。某些金属污染物如铍、铬等可先转化成金属络合物，再抽提至有机溶剂中，以达到分离目的。
(3) 消化分解处理： 当水样中有有机物存在时，会显著干扰金属离子的测定。此时可将定量水样蒸干再用硝酸-硫酸消解法分解有机物。然后再作金属定量分析。
水中毒物的检测，还是以比色法和分光光度法应用最广; 检测有机物时，应用气相色谱法较多; 测金属离子时则较多采用原子吸收光谱法; 其他如氟离子、氰离子等可采用离子选择电极进行测定。
食物中毒物检测 食物中毒物主要分两类： 一类为一些具有特有元素如铅、镉、汞、砷、氟等的化合物，其中绝大多数是重金属元素化合物，以检测化合物特有元素的量作为衡量被污染的程度。另一类是一些不具有特有元素的有机毒物，如有机磷、有机氯农药，多氯联苯等。此外，尚有一些添加于食物中的有机物如糖精、苯甲酸、亚硝盐、色素等。组成上述有机物的元素如磷、氯、硫、钾、钠等，常属食物成分中本来就具有的。因此，必须按原化学结构检测这些化学物的含量，而不能只测定其中某一主要元素的含量。
由于食物本身就是具有复杂结构的有机化合物，因此要测定食物上的痕量毒物，必须按选用的分析方法将样品作必要的预处理。这是食物中毒物检测的极为重要的步骤，否则样品本身的化学组分就会严重干扰痕量毒物的测定。
测定含有重金属元素的食物样品时，首先将样品彻底消化，分解全部有机物，使样品无机化，样品中污染物也都转化为金属离子。然后可用比色法、分光光度法或原子吸收光谱法进行测定。消化时常用浓硝酸并辅以硫酸、高氯酸或过氧化氢。测定易挥发的元素如汞、锡、硒时，消化要采用回流冷凝装置，以避免损失。
测定农药残留量或其他有机毒物时，样品的处理分成两个主要步骤： ①提取： 用有机溶剂将毒物从样品中提取出来。提取方法随有机毒物的种类和食物的品种不同而异。由于食物中有多种其他有机组分，提取时色素和油脂等亦同时被溶出，因此提取液必须再经纯化后才能进行定性、定量分析。②纯化： 方法很多，有吸附柱法、液液分配法、磺化法、丙酮法以及薄层层析法等。纯化时可以选用一种或联合采用二或三种。吸附柱法是将提取液通过装有活性炭、氧化铝以及硅藻土等的混合柱，以除去色素和油脂。但对脂肪或动物组织样品，一般还需经过液液分配，即将提取液再与乙腈共振摇，脂肪仍留在非极性的提取液中，而有机氯杀虫剂则转溶于强极性的乙腈层中，使油脂分离出来。二甲基甲酰胺(DMF)及硫酸二甲酯亦常作为提取液进行液液分配的溶剂。磺化法亦已列为实验室的常规纯化法。此法大多用于有机氯杀虫剂的纯化。薄层层析法不仅是一个很好的纯化方法，也是农药残留量定性和粗定量方法。
食物污染的痕量分析，尤其是对农药残留量的检测，仍以薄层层析法和气相色谱法使用最广。除金属离子外，如氰化物、亚硝胺、组胺、糖精等仍都使用比色法和分光光度法。食品中产生的黄曲霉毒素是一种多核碳氢化合物，其分析方法是经薄层层析分离后，用荧光光度法进行定性和定量。
体内毒物及代谢物检测 检测空气、水、食物中毒物的量，不能反映毒物在体内的负荷或影响健康的程度。为了早期发现其危害，还必须定期对某些人群进行特殊的健康检查，其中应包括体内有害物质的检测。这是为消除有害因素和改善劳动条件而制订有效措施的重要依据。例如当血铅量超过正常值时，可作为过量铅进入体内的警告。
不论化学物从哪种途径进入体内，它总要到血液中去。毒物在血液中通过全身循环，分布到组织，引起生化反应，经过代谢，由尿、汗、粪、呼气排出，也有进入毛发和指甲而离开人体的。因此，欲判定有害物质在体内吸收情况，一般可测定血、尿、毛发及呼气中该物质的含量;粪便中该物质含量往往不能代表体内毒物的量，一般不作测定。关于分析项目，则应根据各个有害物质在体内的变化过程来决定。此外，还需考虑毒物在体内的代谢产物以及其毒作用的特点(如某种酶活力的变化)。因此，在检测生物材料样品时，不一定能测得原有的毒物，而往往是它的代谢产物或某种体内组分的增多或减少。所以对体内毒物的检测，常须先了解其毒作用和在体内代谢过程。经选定应测的生物材料和分析项目后，还应先求得健康人的正常值，以便与有害物质接触者的测定值作比较。
(1) 血液： 与其他生物材料相比，血液检测的结果最能反映毒物在体内的吸收和中毒程度。特别是一些金属及其化合物，进入体内后，首先是血液中的浓度增高。当达到一定界限时，即出现中毒症状。例如汞在血液中的浓度超过10μg/100g以上时，就可能出现中毒症状。有时，在毒物作用后，血液中某些成分含量改变，或产生异常成分。用生化方法测定这些改变，就为判断中毒或吸收程度提供依据和参考。
环境和生物材料样品中毒物都是痕量的，检测时可以采集足够量的样品使毒物达到足以检出的程度。但血液的检测则必须要在少量样品中检测痕量的物质，否则分析方法就不能推广应用。因此必须采用灵敏度高，特异性强的方法。例如，血铅是检测铅中毒的一个最为可靠的指标，以往采用双硫腙比色法需要采取5～10ml血液，现采用阳极溶出伏安法，可从一滴血(0.05ml)中得到纳克(ng)量级的铅。此法快速，灵敏度高，取样量少，仪器价廉，值得推广。血液中镉、铜等金属离子也能被同时检测而不互相干扰。此外，用石墨炉原子吸收光谱法也能应用一滴血检测铅，且不需消化处理，但不能同时测定数种同时存在的金属离子，而且仪器价格昂贵、推广受到限制。
(2) 尿： 为判定有害物质在体内的吸收或中毒程度，尿中有害物质或其代谢产物的测定是最常用和方便的方法。但尿量与饮水或出汗量有很大关系，尿中有害物质以及正常与异常代谢产物的浓度，可随尿的稀释度不同而变化。为避免尿液浓淡所造成的误差，常采用尿液比重校正法，我国多采用1.020及1.010为尿样标准比重(国外常采用1.024及1.016作尿样比重标准); 亦有以每排出1g肌酐的尿量中的含量作为校正值。
尿样中金属毒物的分析方法，以比色法最常用，亦有用原子吸收光谱法者。要从尿液中判断机体接触有机毒物的程度，可测定其代谢产物，如苯、甲苯、二甲苯的代谢产物分别为苯酚、马尿酸及甲基马尿酸。尿液中有机物及其代谢物的常用测定方法有比色法、分光光度法、薄层层析法及气相色谱法。
(3) 毛发： 测定毛发中金属毒物含量，可以估计接触者体内的吸收情况。用毛发可分析的工业毒物有汞、砷、铅、镉、锌、锰、铜、氟等。
(4) 呼气： 可通过呼气分析的毒物有一氧化碳、二硫化碳、三氯甲烷、三氯乙烯、氯乙烯、苯乙烯、氯仿、乙醇等。某些气体吸入体内后还分解成另一种气体呼出，如二氯甲烷会部分分解生成一氧化碳，从而形成碳氧血红蛋白。测定呼气中的一氧化碳浓度，可作为评价二氯甲烷的接触程度。
呼气中一氧化碳可用检气管进行测定，其测定下限为5ppm，虽精密度很差，但作为现场调查，具有操作简便快速的优点。此外，用气相色谱法及红外分光光度法，可测得更低浓度的一氧化碳。
曾对二硫化碳接触者测定瞬间呼出气中二硫化碳浓度，发现它与日平均或时间加杈日平均浓度和所接触空气中的二硫化碳浓度均密切相关。二硫化碳可用吸收液采样，比色法测定，方法简便快速。亦可用快速检气管，但效果逊于一氧化碳检气管。
呼气中有机气体都可以采用带有氢火焰离子化检测器或电子捕获检测器的气相色谱仪进行分析。
毒物分析方法 分析方法要求灵敏度和准确度高，再现性和选择性好。因此，不仅需要发展和完善痕量和超痕量的分析方法，还需要有严谨的操作步骤和分析方法标准化。
分析方法的标准化和规范化是个十分重要的问题。用现有检测分析方法所测得的数值只能表明各次测定的相对值。虽然能测出环境中毒物浓度以判断毒物在体内吸收情况，但并不能真正表明样品中的真实值。同一样品使用不同检测方法(包括采样方法、预处理步骤和分析方法)，所测得的数值往往不同，甚至相差很多倍，说明检测方法的准确性是目前痕量分析、超痕量分析中存在的重大问题。为了保证分析数据的可靠性和准确性，必须在全国范围内有统一的检测方法，包括统一的样品采集、贮存、提取、浓缩、分离和定性、定量等操作技术，力求分析方法的标准化和规范化。此外，还需要有专门机构供应绝对标准品和标准样品，供各实验室应用。亦可用于校正分析仪器的准确度和精密度。
与此同时要使痕量分析(10-6～10-9g量级)、超痕量分析(10-9～10-12g量级)能得到准确结果，分析实验室必须十分清洁，应该有空气过滤设备，玻璃仪器必须是专用的，所有试剂都需要是超纯的，并能保存在超纯状态。所用蒸馏水应是无离子的。同时所有的技术人员也必须注意个人卫生，因为头发、皮肤、分泌物和呼出气都可能导致样品的污染。
痕量分析方法要求能检出痕量化学物并对它定量。痕量分析不仅是分析元素，并且需进行有机物分析，必要时，还需进行物质的状态分析。以汞的分析为例，按毒理学研究和职业病预防要求，应把无机态汞与有机态甲基汞区别开来分析。可是目前还不可能对痕量的化学物质都进行状态分析，因此测定数据大都还属于有关元素分析。常用的痕量分析方法介绍如下。
比色法和紫外可见光分光光度法 仍不失为最常用的痕量分析方法，适用于无机物及有机物分析，方法灵敏度一般为10-7g。
荧光分光光度法 一些多环化合物，经能量较高的可见光或紫外光激发后，会产生能量较低的荧光。荧光的强度与物质浓度呈线性关系。荧光分光光度法就是根据这一原理进行分析的。它虽不及比色法、可见光分光光度法应用广泛，但灵敏度一般可超过它们百倍至千倍，可达ppb量级甚至更低。可应用于元素分析，但特异性不强。对有机物的分析选择性高。存在于大气烟尘中的苯并(a)芘，以及食品中的黄曲霉毒素等的分析，就是采用荧光分光光度法进行测定的。
原子吸收光谱法 是基于元素的原子蒸气能定量地吸收其特征谱线的光能这一原理的光学分析法，是测定痕量金属的有效手段。它可以测定六、七十种金属，方法选择性高，检出限量可达ppt量级。如采用无火焰原子吸收分光光度法，可直接将生物材料试样置于钽舟原子化器或石墨原子化器中，而省略样品的预处理手续，因而操作简便。此法灵敏度高且不太复杂，其最大缺点是每分析一种元素，需要更换一种光源，故不能同时测定多种元素; 仪器价格也较贵。另一种冷原子吸收法，即专作测汞用的测汞仪，检出极限可达0. 1ng/ml。
阳极溶出伏安法 能在同一溶液中对多种金属离子同时进行连续测定。它对镉、铅、锌、锡、锑、砷、铬等元素有很高灵敏度(ppb量级)，其检出下限为0.01ppb，因此能在微量样品中测定痕量毒物。方法的基本原理是在已消化的血样溶液中插入一组具有外加电压的电极，使溶液中超痕量金属离子沉积在电极上。这实质上就是将金属离子富集，经一定沉积时间，然后逐渐下降外加电压，当下降到一定电压数值时，富集在电极上的金属，又重新溶入溶液中成为金属离子而产生一溶出电流，此电流大小与离子浓度成正比。这是定量分析基础;而溶出电位是定性分析基础。血液中镉、铅、铜等金属离子能同时检出而互不干扰。镉的溶出电位为-0.8V，铅为-0.55V，铜为-0.18V。近年来对某些痕量有机污染物(如酚、多环芳烃、亚硝胺、硝酸和亚硝酸根等)的测定方面也有进展。
离子选择电极分析 这是一种以电位法来测量溶液中某一特定离子浓度的指示电极，特别适用于一价阳离子和阴离子的微量分析，如氟、氯、溴、碘、氰、钠、氨等。某些离子选择电极可直接用于测定生物材料中的离子浓度，例如分析氟吸收或中毒者的尿氟时，尿中加入等量离子强度缓冲剂，即可将氟离子选择电极插入尿样读取它与参比电极之间的电位差。但大多数电极的选择性和灵敏度有待提高。
气相色谱法(包括色谱-质谱法) 其特点是能把混合物分离为单体而同时对逐个单体进行定量测定。配合各种类型的检测器，能解决很多复杂的痕量毒物分析问题。如四臂钨丝热导池检测器灵敏度高，能测定各种能气化的有机和无机毒物; 氢火焰离子化检测器，用于测定各种烃类; 电子捕获检测器，以63Ni作放射源，可用于350℃高温。对有机氯农药和多氯联苯等电负性物质的测定，灵敏度高达10-11g。许多金属污染物如铍、铬等均可先转化成挥发性有机络合物后用气相色谱法进行测定，可测出10-12g和10-14g的含量，超过了所有其他方法。火焰光度检测器对有机磷和硫的化合物都有特殊的选择性。在痕量有机分析中，气相色谱是一种使用最广的技术。
气相色谱能用于定性，但不是一个好的定性方法，将气相色谱和质谱联用，那是目前检测能气化的痕量毒物最有效的方法。
高速液相色谱 和气相色谱一样能把混合物分离检测。凡不能气化的痕量物质可用高速液相色谱检测。高速液相色谱可用电化学检测器、质谱仪、紫外分光光度计、荧光计以及原子吸收光谱仪作为它的检测器。此外，在色谱方面还发展了离子交换色谱、沟层色谱、凝胶色谱以及超临界流体色谱。这对痕量的毒物分离和检测都非常有用。
其他如中子活化法灵敏度可达10-14g，激光光谱和火花源质谱的灵敏度都在10-11～10-14g，电子探针和离子探针可以分析体积小至10-12ml的样品，可检出10-15g的元素。这些超痕量的分析方法只适用于元素的分析，尚不能普遍使用，对于痕量有机分析的手段，还有待进一步发展。
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