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綜述:現代分析儀器及其應用發展的六大特點和有關問題

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綜述:現代分析儀器及其應用發展的六大特點和有關問題

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綜述:現代分析儀器及其應用發展的六大特點和有關問題?由于科學儀器是“四兩撥千斤”的產業,發展前景非常廣闊。基于它在國家的科技、經濟、國防、民生和社會發展中戰略地位的重要性,在“農、輕、重、海、陸、空、吃、穿、用”各行各業,無所不在,無所不有。所以,加速科學儀器產業發展已成為世界各國關注的重點之一。本文簡單介紹我國科學儀器和應用發展的有關情況。一、分析儀器的主要發展趨勢和方向(潮流)近10多年來,由

綜述:現代分析儀器及其應用發展的六大特點和有關問題

 

由于科學儀器是“四兩撥千斤”的產業,發展前景非常廣闊。基于它在國家的科技、經濟、國防、民生和社會發展中戰略地位的重要性,在“農、輕、重、海、陸、空、吃、穿、用”各行各業,無所不在,無所不有。所以,加速科學儀器產業發展已成為世界各國關注的重點之一。本文簡單介紹我國科學儀器和應用發展的有關情況。

一、分析儀器的主要發展趨勢和方向(潮流)

近10多年來,由于納米級的精密機械研究成果、分子層次的現代化學研究成果、基因層次的生物學研究成果、特種功能材料研究成果和全球網絡技術推廣應用成果等一大批當代最新技術成果競相問世,使得全球科學儀器領域發生了根本性的變革。

1、分析儀器發展的趨勢(方向):

目前國際上的科學儀器發展總體上呈現出以下的發展趨勢:

1)檢測原子、分子和組份的儀器向多功能、智能化、網絡化方向發展;

2)進行分離、分析的儀器向多維分離和分析方向發展;

3)生命科學儀器向原位、在體、實時、在線、高靈敏度、高通量、高選擇性方向發展;

4)檢測復雜組份樣品的儀器向聯用分析儀器方向發展;

5)用于環境、能源、農業、食品、臨床檢驗的儀器向專用、小型化方向發展;

6)樣品前處理儀器向專用、快速、自動化方向發展;

7)用于國防和生命科學的儀器向集成化、微型全分析系統方向發展;

8)監控工業生產過程的分析儀器向小型化、在線分析、原位分析方向發展。

2、分析儀器的發展潮流

微型、微量、快速、專用、在線檢測是目前國際上分析儀器的主要發展方向或發展潮流:

微型:應用需求;便攜、占地方小;

微量:應用需求;兔子耳窩2微升液體要求做一個方法研究;

快速:應用需求;疾控應急、食物中毒、車載、網絡實驗室;

專用:應用需求;流水線、環保、食品;

在線:自動化儀器發展的需要;特別是水質檢測,每年10億RMB的市場;

因為研發出的儀器是給使用者用的,所以,分析工作者的需求是:微型、微量、快速、專用、在線;所以,分析儀器的發展方向也是微型、微量、快速、專用、在線。

這些方向或潮流,是現代分析儀器研發工作者應該重視的問題之一。

科學儀器是一種高科技產品,它受益于采用各種前沿技術的最新成果,同時也面臨各種前沿技術不斷地創新和發展的挑戰。可以預測,隨著信息科學、生命科學、材料科學、能源科學、海洋科學、空間科學、環境科學、民生科學和公共安全科學的發展,以及新技術的不斷出現,科學儀器會在微型、微量、快速、專用、在線等方面將不斷的創新、不斷發展。

二、分析儀器及其應用發展的特點

1、分析測試對象發生了戰略轉移,對分析儀器提出了更高的要求

眾所周知,五十年代以前的分析測試,主要是無機化學領域的定量分析,七十年代前后的分析測試,則以成分分析為主,同時結合結構分析。目前的分析測試,已發生了很大變化,已突破了傳統的分析測試專業界限,涉及到現代科學技術的各個領域。

近幾年來,國際上高新技術的發展日新月異,令人眼花繚亂,其中最有代表性、最核心和最能代表未來方向的高新技術有六個方面,它們被科學家們稱之為六大技術群,即信息技術群、新材料技術群、新能源技術群、生物技術群、海洋技術群和空間技術群。這六大技術群,都離不開現代分析測試技術。

1)信息技術群:它是新興技術群體的核心和先導,是未來世界的中樞神經系統。但信息技術群中所有儀器設備材料的光、機、電、磁學等性能和成分、結構分析測試都離不開現代分析測試儀器;

2)新材料技術群:它是新興產業的基礎,被稱為技術發展的骨骼的肌肉組織,但不論有機材料還是無機材料,其結構分析,特別是微觀、亞微觀結構分析、功能材料分析、微量雜質含量的分析等,都必須依靠現代分析測試儀器。

3)新能源技術群:是替代傳統石油、煤等燃料能源的途徑,是未來社會物質運作的動力源泉,相當人體的心血管系統,但它的每一細小環節,都少不了分析測試。

4)生物技術群:是前沿科學中的前沿,是利用生物體及其組織和功能的全新領域,開發前景廣闊。但生物體及其組織和功能的開發研究、復雜體系的分離、生物大分子的測試、生物活性的測試、空間構象的測試等都必須要有分析測試儀器。

5)海洋技術群:是充分利用和開發占地球表面71%的海洋和海底資源的現代手段,但海洋和海底物質資源的提純、分離等,都涉及到現代分析測試儀器。

6)空間技術群:是當今科技發展的偉大象征,是探索地球、太陽系、銀河系、乃至整個宇宙的新起點,但空間技術中的新材料和太空物質資源的開發研究等,都與分析儀器發展密切相關。

綜上所述,縱觀當今世界上科技發展的現狀和世界分析測試技術發展的歷史,人們會深深認識到現代分析測試技術領域已發生了巨大變化,出現了一個明顯的特點,那就是分析對象已經發生了戰略性的轉移,已經從過去的成分分析和一般的結構分析,發展到了趨向于從微觀和亞微觀結構這兩個層次上去尋找物質的功能與物質結構之間的內在關系,尋找物質分子間相互作用的微觀反應規律。同時,要求進行快速、準確的定性和定量分析。可以說,分析對象的戰略轉移對分析儀器的要求進一步提高,或者說分析儀器必須適應分析對象的戰略轉移,這是現代分析儀器和應用發展的第一個特點。

2、分析測試技術的難度明顯增大,分析儀器必須相適應

隨著現代分析測試對象的戰略轉移,分析測試研究的深度、廣度和難度都發生了很大的變化,特別是當今的分析測試技術的難度,比過去有明顯增大。縱觀世界上分析測試技術領域的現狀,可以明顯看出,當今世界上分析測試技術的主要難點集中反映在以下三個方面:第一,大分子的分析測試;第二,復雜體系的分析測試;第三,動態分析測試。

所謂大分子的分析測試,主要指生物分子的微量提純和分離、結構的測定(一級、二級、三級結構測定)、表征生物大分子活性的空間構象的測定、細胞的骨架、細胞膜、受體細胞等的測定等等。這些都是當代分析測試技術中的難點。

所謂復雜體系,主要指材料科學。材料科學本身就是復雜體系,再加上添加劑、輔助劑等就更加復雜。有時只要萬分之幾或十萬分之幾的添加劑,就可以改變材料的全部特性,如離子束注射技術就是如此,只需在材料中注入極少量的離子,材料的機械、電子、光學、磁學等特性就會發生極大的變化。例如,目前全世界一致公認,人工心臟瓣膜的最好材料是熱解碳,但它有凝血性。熱解碳做成的人工心臟瓣膜裝入人體后,病人必須長期每天吃藥,以使血液流過人的心臟時,不產生血栓,否則會導致生命危險!但吃藥后,又有副作用,尤其對有生育能力的人影響極大。為此,我國的科技工作者,用離子束注射熱解碳,再用它做成人工心臟瓣膜,就可提高抗凝血性,所以裝入人體后,可以不吃藥。這是一個有重大意義的課題,但其分析測試工作的難度很大,既要作離子束注射后熱解碳的材料分析,又要作動物乃至人體的血液相溶性分析測試,工作量巨大,要求很高;又如無機大分子,有機高分子和簇類物質(原子、分子簇,即人們所講的納米材料)的聚合態結構研究,特別是其三維分子結構、低維分子結構、分子取向度、表面結構等的分析測試,都屬于材料科學的難點。并且,這些方面的分析測試工作都屬于當代材料分析測試技術中的熱點。人們正在開展納米結構半導體發光材料的研究,這是材料科學中一個有重大意義的課題,但其分析測試非常困難。因要尋找晶粒在一定程度上可控的納米薄膜,以制備高致密度、與襯底有高結合力的納米晶粒薄膜,故分析測試工作量很大,且難度非常大。這項工作在微電子學中有重大意義。

還有,現代分析測試技術中,往往要求快速、準確的解決被測對象中某些組分的含量,如鋼鐵、冶金、機械等行業中最普遍,而又是最重要的C、S、Mn、Si、P等含量的現場、快速、實時的分析測試就是如此,這些實時的現場快速分析測試,也是相當難的。

所謂動態測試,主要指的是反應動力學。在對亞穩態、分子、離子、自由基等物質的實時分析測試時,全部要求在動態過程中進行。就拿一個簡單的化學反應來講,一般我們知道的是反應后的結果產物,分析測試的也是反應結束后的最終產物。但若要知道反應過程中,任何一個t時間上的具體細微信息,就相當困難了。如果是一個復雜體系的動態測試,那就更難了。

綜上所述,分析測試的難度明顯增大,對分析儀器的要求就會提高。這是現代分析儀器和應用發展的第二個特點。

3、現代分析測試技術涉及的專業面越來越廣

隨著分析對象的戰略轉移,分析測試技術涉及的專業也發生了變化。因為要尋找物質的功能與物質的結構間的內在關系,要尋找物質分子間相互作用的微觀反應規律,要快速、準確的測定成分和結構,首先要解決的就是要得到物質的有關信息。因此,如何獲得信息,是解決分析測試問題的首要前提,信息獲得就成了分析測試的重要基礎。而現代科學儀器是信息的源頭,它包含許多基礎科學和應用學科方面的內容,包含許多邊緣科學、交叉學科、實驗技能知識。現代分析測試技術必須依賴于現代科學儀器。分析技術涉及的面越廣,對儀器的要求就越高。這是現代分析儀器和應用發展的第三個特點。

4、要求分析儀器制造者和使用者,越來越重視儀器學理論

由于分析對象轉移、難度增大、涉及的面更廣,做儀器和用儀器的人就需要有理論支撐,這個理論就是儀器學理論。儀器學理論是一種綜合性學科的理論,是一門涉及到多個領域的、復雜的、交叉的、邊緣學科的理論,是涉及到光學、機械學、電子學、計算機、應用等各個領域的理論,特別是現代分析儀器,都離不開這些方面。

儀器學理論是一切科學儀器研發者、生產者、使用者,是最基本、最重要的理論之一。

目前,很多儀器設計者沒有重視儀器學理論,往往出現數據不準確或發生疑慮時、分析數據與文獻值不一致時,大家就不知所措!如:當試樣很稀或很濃時,分析誤差很大!但是中等濃度時,分析誤差就正常,為什么?這個問題很多人不清楚!因為,從儀器學理論來講,所有根據比耳定律設計的分析儀器,都只能適用于一定濃度;噪聲N都是限制被分析樣品濃度下限的。根據儀器學的S/N理論:信號S一定,噪聲N大,則儀器S/N就小、靈敏度就低。同時儀器的分析測試誤差就會大。而雜散光SL是限制被分析樣品濃度上限的,試樣很濃時,濃度與吸光度不成正比、就偏離比耳定律,分析誤差就會很大。如果有人要求用UVS檢測0.0004Abs的樣品,這是違背儀器學理論的。目前世界上最好的UVS,美國Varian的6000i,其BF(基線平整度,表征儀器全波長范圍內的每個波長上的噪聲)為± 0.001 Abs,儀器的噪聲都比0.0004Abs大幾倍,根本不能檢測0.0004Abs的樣品。所以,懂了一點儀器學理論,你才會知其然,也知其所以然,才會當儀器出現誤差大、不穩定、重復性差等問題時,能夠解釋或順利解決。所以,越來越需要和重視儀器學理論是現代分析儀器和應用發展的需要,也是現代分析儀器和應用發展的第四個特點。

5、分析儀器制造者和使用者結合越來越緊密

分析儀器是給儀器分析工作者使用的,因此儀器分析工作者對分析儀器的要求是“好用”;所謂“好用”,就是分析儀器要穩定可靠;而所謂穩定,就是漂移小、重復性好;所謂可靠,作者在30年前提出,應分為狹義和廣義兩種。狹義可靠性主要指分析儀器的故障率,它不能全面完整的表達可靠性的內涵。儀器故障不出,但是,分析測試的數據不準,這是最大的不可靠。所以作者提出了廣義可靠性的定義,即指分析儀器的可靠性,主要指分析測試數據的準確度高、穩定性好、故障率低和售后服務好。因此,分析儀器的優劣,要在分析測試工作中檢驗,應由儀器分析工作者來評價。使用者是裁判員,分析儀器的好壞,必須要經過分析測試實際使用的檢驗后才能下結論!由于許多分析儀器研發、制造工作者,不了解使用者如何使用分析儀器,不了解使用者的思路,導致做儀器和用儀器的人脫節,互不溝通。所以,做出的分析儀器有時不大好用,甚至不好用,這是造成我國分析儀器落后的主要原因之一。所以,分析儀器制造者如果離開使用者,就沒有目標。

一臺(或一種)新的分析儀器問世,必定是來自儀器分析工作的需要或儀器分析工作的實踐。許多分析儀器都來自應用實踐的需求。如:八十年代中期,中科院上海有機化學研究所的知名有機化學家汪猷教授在核酸的研究中發現:五種核苷中有的對UVS有吸收,有的對UVS沒有吸收;有的有天然熒光,有的沒有天然熒光;國外用HPLC分析測試時,往往用兩種檢測器(紫外、熒光)串連檢測,這樣,會使峰形擴散,降低靈敏度。當時,汪猷教授提出,能否研制一種紫外/熒光同時檢測(記譜)的HPLC檢測器?作者根據他的要求(實踐需要),在他的啟發下,與他緊密結合,很快發明了一種紫外可見分光光度計和熒光光度計一體化設計、一機兩用的多功能新型儀器。它作為HPLC檢測器,只需要8微升樣品,一次進樣,就可得到試樣的紫外和熒光兩種信息。該儀器大大減少了試樣的擴散,具有很高的靈敏度。并且一次進樣,可將五種核苷中的發熒光和不發熒光、有紫外吸收和沒有紫外吸收的核苷區分開。該儀器1988年獲得了國家發明獎,至今還未見國外報道過同類儀器。這就是分析儀器來自分析測試工作實踐的一個很好的典型例子。我們的儀器研發人員應該重視研發儀器與使用儀器的關系。要走出去,向用戶學習。從他們那里吸取營養、拓寬思路。

還有,諾貝爾化學獎得主之一是日本島津公司的田中耕一,他之所以能得諾貝爾化學獎,主要是他提出了“基體輔助激光解吸質譜法”,這是一種對生物分子進行確認和結構分析的新方法。他用激光照射成團的生物大分子,成功的將生物大分子完整地相互分開,并電離,再用飛行時間質譜來測量。這一發明解決了世界上兩大難題:第一,解決了成團的生物分子的結構和成份不受破壞地拆成單個分子的難題;第二,解決了用飛行時間質譜來測量分子量大到50-60萬的生物大分子的難題。這一發明,使人類可以通過對蛋白質的詳細分析,從而加深對生命進程的了解,使新藥開發發生了革命性的變化,并在食品控制、癌癥的早期診斷等領域有廣泛的應用!我們可以設想一下:如果沒有先進的激光儀器和先進的飛行時間質譜儀器,田中耕一能發明“MALDI-TOF-MS”方法嗎?他能得諾貝爾化學獎嗎?回答是不能。

以上事實,足以說明儀器分析工作者(用儀器)與分析儀器(生產儀器)之間的關系。更能說明分析儀器與儀器分析必須緊密結合、相互溝通、相互促進,這個問題,必須引起廣大分析儀器工作者的極大關注。這是當前世界分析儀器和應用發展的顯著特點之五。

6、正在朝著聯用技術方向大發展

聯用技術的迅速發展,是當前國際上分析儀器及其應用發展的熱門話題之一。很多工作,某一種技術解決不了,但是,兩種或多種技術聯用就迎而解了。例如:單純一臺薄層掃描儀器或單純一臺拉曼光譜儀器都不能解決的問題,二者聯用(薄層掃描儀起分離作用,拉曼光譜儀起檢測作用),問題就很容易解決了,這對復雜體系、中藥的分析等特別有意義。又如:FIA(流動注射分析)與AAS聯用、ICP-MS、LC-MS、GC-MS等等均系如此。所以,聯用技術發展,在集成創新方面將有廣闊的前景,它是現代分析儀器及其應用發展的顯著特點之六。

三、有關問題

1、再次希望分析儀器和應用行業的廣大科技工作者注重學習,要特別重視儀器學理論、要不斷注意擴大自己的知識面、多參加各類專業學術會議、多看文獻、重視與同行之間的交流、不斷提高和充實自己。特別是儀器使用者,一定要注意研究影響分析誤差的五大主要因素及其排除方法(作者將另文論述)。

2、建議大家參考以下幾本書。這些書的內容都具可操作性。因為作者在大學里學儀器,畢業后,50多年來一直使用儀器、研發儀器、維修儀器。這些書是作者的經驗教訓總結,既有儀器學理論內容,又有應用實踐的內容;對研發儀器、生產儀器、使用用儀器、維修儀器和管理者都有參考意義。這五本書都是著的,而不是編的。它們是:

(1)李昌厚著,《紫外可見分光光度計》,北京:化學工業出版社,2005

一般科技新書首印2000冊;這本書首印4000冊,后來重印過兩次,總共銷售1萬多冊。內容都具有可操作性。

(2)李昌厚著,《紫外可見分光光度計及其應用》,北京:化學工業出版社,2010。

這本書有很多設計、使用的具體例子,都具有可操作性。

(3)李昌厚著,《原子吸收分光光度計儀器及其應用》,北京:科學出版社,2006

這本書很多科技工作者作為起蒙書籍在讀。特別是分析行業的研發生產儀器、使用儀器、維修儀器、銷售儀器的人,都有參考價值。

(4)李昌厚著,《儀器學理論與實踐》(儀器學理論與光學類分析儀器整機及關鍵核心部件的設計、制造、測試、使用和維修),北京:科學出版社,2008

儀器學理論是研發儀器、生產儀器、使用儀器、維修儀器的科技工作者必須了解的基礎理論;它可以保證你掌握儀器指標與分析誤差的關系、使你做出優質儀器;可以使你把儀器用到最佳水平、得到最佳的、最可靠分析數據。

(5)李昌厚著,《高效液相色譜儀器及其應用》,北京:科學出版社,2014

此書三位院士作序。第六章“HPLC一百問”得到了很多讀者青睞。

目前分析儀器類的書很多,特別是光譜、色譜儀器方面的書更多。但大多都是專講儀器或專講應用,真正將儀器和應用有機結合起來介紹作者的科研成果的書比較少。上述5本書在儀器及其應用的結合方面有獨到之處,建議讀者參考。(作者:李昌厚 中國科學院上海生物工程研究中心來源:儀器信息網)

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