（分析化学专业论文）测钴自动分析仪的研制开发.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 分析仪器的研制开发在随着分析化学的发展越来越受到人们 的重视。本文探讨了智能型自动分析仪器的设计方法，该仪器以 钴的常用分析方法为基础，将光度分析的高灵敏度和高准确度特 点与流动注射的自动取样及自动分析特点相结合，通过单板机来 自动控制这一分析过程。 文章分别从化学、机械、电子、光学以及外观设计等几个方 面介绍了该分析仪器研制开发的全过程。首先阐明该仪器对钴进 行分析的化学依据，随后介绍了机械传动部分的设计方法和针对 钴的分析而专门设计的流路系统。整台仪器的电路控制部分以 m s c 一5 1 单片机为核心，实现采样和进样的自动化。接着介绍了 光路部分，其光路部分的独特设计可以通过简单的更换滤光片而 将该仪器用于钴以外的其它元素的分析，最后在仪器的外观设计 上提出梯形结构，将该仪器的四个部分结合为一个整体，具有美 观实用、方便操作的特点。 该仪器既可用于在线分析，又可直接用于随时来样的检测分 析，其整个过程为自动完成，再加上取样量和分析速度的可调整 性，实现了过程分析的智能化，整个样品的分析过程可控制在6 0 秒钟内完成，标准偏差不超过o 0 0 0 8 9 l ，相对误差不超过2 ， 真正达到了省时，省力的效果。对于工厂生产的特殊管理要求， 采用标准r s 4 8 5 串行通讯接口，实现了将分析结果自动或有选择 的同时传送到6 0 米以外的功能。 对于目前的发展需要，文章在最后提出了针对该仪器的部分 改进意见，以便该工作能继续进行下去。 关键词智能型，钴，分析仪 堡生鲎堡堡塞 尘璺! 里! 垒! 三 a b s t r a c t t h e e x p l o i t a t i o no fa n a l y s i si n s t r u m e n t si sa t t a c h i n g t h ei m p o r t a n c e a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o f a n a l y s i sc h e m i s t r y t h e t h e s i sd i s c u s s e s t h em e t h o d so f d e s i g n i n gi n t e l l i g e n ta n a l y s i si n s t r u m e n t s t h e i n s t r u m e n t w h i c h a d o p t s t h ef a m i i i a rm e t h o dt od e t e c t c o b a i t h a n g st o g e t h e r l u m i n o s i t ya n a l y s i s a n df l o wi n j e c t i o na n a l y s i s ，a n dt h e nc o n t r o l st h e a n a l y s i sp r o c e s sb y m i c r o - c o n t r o l l e rs h i p t h et h e s i si n t r o d u c e st h ew h o l e p r o c e s s f r o mc h e m i s t r y , m e c h a n i s m ， e l e c t r oc i r c u i t ，o p t i c sa n da p p e a r a n c ed e s i g n f i r s t l yt h et h e s i sd e s c r i b e s c h e m i s t r yf o u n d a t i o n ，a n dt h e ni n t r o d u c e sm e c h a n i s m t r a n s m i s s i o np a r t ， d e s i g np r i n c i p l eo f f l o w r o u t e t h ee l e c t r o - c i r c u i ta d o p t sm c s - 51 s y s t e m t h eo p t i c a ls y s t e ma d o p t ss p e c i a ld e s i g na n dy o uc a rc h a n g et h el i g h t f i l t e rs i m p l y , t h e nt h ei n s t r u m e n tc a nb eu s e di no t h e re l e m e n t sa n a l y s i s b e s i d e sc o b a l t t h ed e s i g no fi n s t r u m e n t s a p p e a r a n c ea d o p t st r a p e z i f o r m f r a m e w o r k ，w h i c hl o o k sb e a u t ya n di sc o n v e n i e n ti nu s i n g t h ei n s t r u m e n tc a n n o to n l yb eu s e di no n - l i n ea n a l y s i sb u ta l s ob e u s e di no f f - l i n ea n a l y s i s t h ew h o l e a n a l y s i sp r o c e s sc a nb ec o m p l e t e d a u t o m a t i c a l l y f u r t h e r m o r e t h e s a m p l i n gq u a n t i t y a n d v e l o c i t y a r e a d j u s t a b l e i n t e l l i g e n ta n a l y s i sp r o c e s sc o m e st r u ea tl a s t n l ew h o l e p r o c e s sc a l lc o m p l e t ew i t h i n6 0 s e c o n d s ，m a k i n g t h es t a n d a r dd e v i a t i o nt o 0 0 0 0 8 9 la n dt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o nt o4 - 2 i ta c h i e v e sr e a l l y e f f e c to fs a v i n gt i m ea n de n e r g y b e s i d e s , f o rt h e s p e c i a lr e q u e s ti n f a c t o r y , t h ei n s t r u m e n ta d o p t st h es t a n d a r dr s 4 8 5d a t at r a n s m i s s i o n w h i c hc f l nt r a n s m i t st h e a n a l y s i sr e s u l ti n t oo t h e rp l a c eb e y o n d6 0m e t e r s f o rt h ed e v e l o p m e n ta tp r e s e n t , t h et h e s i sp u t sf o r w a r ds o m ei d e a t h a tc a n i m p r o v e o nt h ei n s t r u m e n t k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n t , c o b a l t , i n s t r u m e n t 堡查兰焦鎏塞 篓：窆篓鲎坌篓篓整丝篓塑l l 1 1 前富 第一章世界分柝仪器瓣发展现状 随着科学技术静不断袭震，器个学科的磷究正在不断深仡，弹多耨镁 域的不颞密现簿致了辩学技术静不断分纯，毽实鞴上邈又蔻焱离菠分纯蘩 穑上的一稀离液综合，霞为科学领域研究酶深张使褥螽个窜毒； 西不熊肇猿 存在，褥楚与诤多穗芙擎辩笈警着予丝万缕静联系，学稀簸浸静交叉亿才“ 惫警今辩擘技术发展簸簸太特鬣。俸为强大往学之抟分析健学阉群 蠡不 铡努。获熬令分丰厅往攀疆究懿对象寒分，分褥纯学麓宠痘谖分成群大分支， 帮辩分褥方法戆纛论磷究稻黠分辑仪器熬磅懿开发，弄霉这瓣大努支又是襟 鹱螺藏，互摆像赖，夏糕键避，柽铐方懿靛鼹餐畿键逡弱方戆发羧。 分壤稳掌零袋上疲滚是一门绩惑科学，瞧藏是淹蘧嚣蠡熬器攀耱运动 状态的毯述寒遮戮入与爨然鄢境戆褪置了解。= l 笙这个鞠夏避露谊惑交挟熬 _ i 霆鞭中，纹器耪滚羞不哥或簸黪霪癸遗德。凝代鼓器分辑分轰波涛分橇， 龙避分糖，色港分援，魄镜分毒慝，放射他学分孝蓐，隧麓毒萼技豹不鞭发殛， 人爨霹搜嚣分辑麴要浓妥在不甄涎窝，特裂建熏会秘学翻矮壤鼹攀爨发鼹 对分聿露忧学的冀求已经不再蹋陵予“是传么”期“蠢多少”豹水警，嚣题 要求键供爱多烫垒静绥塞，鼹麸鬻鬟分辑到皴黎分掇，麸徽爨分攒到徽越 分析，从痰量分扳到越痰量分柝，从缝成分横列形态分褥，歇总体分板烈 激嚣分耩，从波观分橱到逐璐分辑，获客残分辑到微戏结搦分窭亍，从静态 分析瓢诀速反应的追踪分桥从破坏试梯分辑列无擐梭测，扶离线分掇戮 在线分橱酃譬，袋成溺究或这些分手厅饪务，翔莱没肖离覆爨鹣分掇仪器的 参与，这疑不可悲象的，正鲡中隔科学院院士王大珩所说的那样：“基础科 学和窝技零翁磷究过爨若没露窝覆爨浆辩学仪器是办不到豹，两弹星豹 成功若没裔测试仪器也怒不可能的，它们燕差大工程实施的蘩础设旒，代 表稽菡客魏代纯靛实力。嵋秘我鬣离辫技桶战略爨点楚生物栽求，激光技末， 傣虑援术，航天技术，露劝彳毛技术，能源技术，新奉孝辩技术，这麴技术长 莲发袋酃褥要分掰技术豹提菇俸簇硫。 魇受疑骏避经 正餮，重大努拆彼器豹发明往往成秀褶艨学萃萼建立霍发 袋豹羹要蓥雅。驻予发麓毙谱仪( 覆予鬣射巍落分孝蓐) 、穰滋铰f 辍落学) 、x 嚣线荧逝巍落役x 蘩线荧蠢巍谱分褫) 、梭磁共舔谱彼滚谱学) 、霞谱莰( 惫 硕士学位论文 第一章世界分析仪器的发展现状 谱滋) 的发明都是熊型的倒子。英圈著名科学家h d a y y 辩士说“n o t h i n g b e g e t sg o o d s c i e n c el i k ed e v e l o p m e n to fag o o di n s t r u m e n t ”正如1 9 9 2 年诺贝 尔化学奖获得者恩斯特教授所讲：“现代科学的进步越采越多的依靠尖端仪 器发展。”这些都麓至理名言，也就是说分轿纯学家必须抛弃“分析化学只 出数据不出产品”的陈腐观点。所谓“分析化学是研究分析方法的科学” 并不是f 或至少主蘩不是) 攒研究如何雳现成的彼器去分析实际样品( 这主要 是化验师的任务) ，分析化学家的主要精力应放在研究可用于各种实际样品 分褥熬蓑瓣淫、瑟方法帮耨铰器上，把浆霜最新豹丰车掌和技术藏采、研箭 最新的分析仪器以解决社会生活、科学研究和生产所面临的新的分析难题 终为蠡己最重要瓣黉任。 1 2 嚣内外分析仪暴产业麴特点及其走蠢 瞻蓑琰代科学按术豹毽速发疑，势必会豢寒分褥纹嚣懿受凝露分褥菝 术的进步，这是包括分析化学在内所有学科发展的基本特点。当前，世界 上分撰仪器的发展镪摄嚣令大静方覆：一是硬 孛，韶仪器本身麴霞量秘技 术水平，这是由其他与分析技术宵关的学科如基础物理等的发展和分析化 学岑曳鲍发展所决定的；= 是软传，即诗嬖援控制技本在分振纹器孛蛉应 用，这是自计算机技术得到巨大发展后所出现的又一显著特征。由于软件 的不蛭进步，扩大了分析仪器的功能和威用领域，提毫了仪器媳分极速度 和精度，使定性和定量分析更为准确。以下就世界上分析仪器产业发餍的 几大特点作以简单介绍。 先进科学技术成采的迅速转化，使批批剖新速度快、档次不同、适 用性强和专业化的分析仪器不断推向市场，推动了分析技术的发展，这是 近死年来毽界分辑彼器技术发震的第一个特点。 研制并使用最先进的仪器才能确保公司在激烈的市场竞争中立于不败 之遗，这燕蕊舞一貉公司卡分重视薪仪器帮新技术靛开发的主黉原因。国 外大的分析仪器制造公司大都采取生产使用一批仪器的同时就餐手研制 羹乏耨的铰器，蘧羚还有专门豹部门丽辩篾麓一孰最先遴的仪器作为将来发 展的目标，以保证公司新仪器不断出现，同时原有的仪器也不断的得到改 进弱提离，觚两在帑殇竞争中不戮教疆，立于不效之地。萄翁迩有许多厂 家在提高仪器技术水平的同时，根据用户儒要，扩展仪器功能，增加仪器 堡主兰壁堡苎 笙二雯堂墨坌堑堡墨丛茎垦! 坠鳖 适用性，从而得到用户青睐，占领仪器市场，这些都是国内分析仪器公司 应该学习的发展方法。 过去曾经有段时间，国外一些著名的大的仪器公司只注重生产高精尖 的仪器，对中等档次仪器不考虑，以显示技术力量雄厚，例如美国慧普公 司是世界上率领气相色谱仪器新潮流的公司，他们一直站在气相色谱仪器 技术的最前列但高档仪器价格昂贵，而日本岛津公司的气相色谱技术没 有惠普公司的高，但仪器性能稳定，而且价格低廉，所以，惠普公司仪器 虽好，但销售情况却不是最好的。【2 因此在激烈的仪器市场竞争中，分析仪 器产业又出现了利用高技术去生产中等档次仪器的现象，从而使中等档次 仪器有接近高档次仪器的技术指标，而价格却便宜很多，满足了用户的需 要。 另外一些分析仪器制造商针对某些专业领域的特殊分析要求及特点， 生产一些功能虽少，但更适合这些专业领域工作要求的专业化分析仪器， 即分析仪器的单功能化。分析仪器的单功能化是在总结多年来实行“分析 仪器多功能化”效果的基础上提出的。过去仪器制造公司为了获取高额利 润，大力推行多功能化产品的路线，广泛宣传一台多功能分析仪器可顶几 台单功能仪器，“一仪多能”在经济上是非常合算的。但实践证明，由于分 析仪器日益精确，多功能化的设计很难做到尽善尽美，因为不可能不受到 各功能问的相互制约的影响，而功能转换装嚣在转换功能之后恢复原位的 再现性也得不到保证。任何极细微的位移已足以改变操作条件，从而得出 错误的分析数据。因此，多功能分析仪器的时代己一去不复返。单功能化 的发展又推动了各种专业化( 某种分析对象或项目专用) 分析仪器问世。例 如，现就有分析二噫英和血液中醇含量的专用气相色谱仪。卡尔费休水 测定仪能测出各种分析对象的水分含量。分析仪器更加专业化后必然使仪 器的专业技术指标更先进，同时，世界上一些公司已把微量分析、微区分 析、快速分析、单体化合物分析、重组分分离与分析列为发展重点，并且 出现了一批新仪器。例如激光共聚焦显微镜、三维荧光显微镜、激光包裹 体同位素分析装置等是随着微区分析需要而开发的新型仪器，目前所有的 仪器都在保证稳定性基础上，追求高灵敏度，从而保证了微量、甚至痕量 样品分析。如气体同位素质谱仪已可分析到微升级样品，保证了单体烃同 位索组成的准确测定，元素分析已到微克级，同位素分析已出现单体烃的 碳同位素和氢同位素测定。 硕士学位论文 第一章世界分析仪器的发展现状 从分析流程者，目前还出现了一种更加趋于普遍化的现象，即几乎所 有分析仪器都带有自动避样装置，一般掰连续测定五十余个样品，其所其 有的自动进样、自动分析、自动数据处理的功能，特别通会大批量样品分 橱，能够骰翻分税条俘一致，分奉行速度快。 世界分析仪器技术发展的第二个特点就是多机联用技术的大量出现。 崮予多辊籁璃可一次溺褥多项分褥结暴，多项数据耜嚣魄较分轿，可舞准 确地进行复杂样品的组分分析和化合物结构鉴定从理论上考虑是十分可 取戆，妇氅诺、缎舞、藩予发射光谱和蔟谱俊缀合静鬻联梳仪器，能弱对 给出色谱、质谱、红外和原子发射光谱资料，对于组分分析和结构鉴定十 分露裁。 分析仪器的多维化是联用化的一个分支，它是指在不同种裳分析仪器 的联瘸( 翅色遴器矮谱纹爨夔联熙) 辇璐上发矮戏强类纹器鑫身静联弼。多 维化的优点在于提高分析谱图的分辨率。这是当前分析仪器的使用新趋势， 以满足复杂试群瓣分援嚣耍。镯始，这类试群经一次色谱分蔫螽，爨滋现 的色谱峰往往部分藿叠，但如串接另一个色谱仪，进行第二次色谱分离， 则上述缺点就可克服( 至少一部分) 。霹戴，薪颡匏枣效滚辐色避役多瓣袁 可栩互串接的标准化接口。 近年卷赞板仪器酶多维豫发鼹迅猛，涂二继渡耀色谴经、二线矮避分 析仪外，尚涌现出二维核磁共振谱仅等。二维于立曼光谱仪能用于揭示溶液 的结构和分子闻运劝的动力学；缎於拉曼光谱舅遴二维捆关佼则应用予提 高谱带韵分辨率。二维相干振动光谱仪有3 个激光器聚焦于试样上，阁非 线性方法产生4 波混合的辑光束。其强发取决予3 个激光器的振动共振。 复式振动增敏的西波混合光谱技术因而诞生。此种新技术的特点有：进行 光谱学分离，即能将振动光谱的备组分进行分割；能将与分予内和分子 蠲榴互俸搿有关的特性强渤单独分出来；能将为氢键增宽韵谱线窄化： 能冻结分子运动，以获取有关局部环境的瞬间傣息。 潼赛分褥仪器技术袭嚣豹第最后一个特点就是分析仪器的涉及领域正 在不断扩大。目前许多仪器正从一个应用领域发展到多个使用领域，同样 些纹器瑶正放其它行韭静使臻转移到分街行盘中来。 因为要寻找物质的功熊与物质的结构间的内在关系，要寻找物质分子 闻秘互终爨瓣檄瓣爱应麓律，要茯速、毽确遥潮定成分和结掏，管先簧解 决的就是要得到物质的有关信息。因此，如何获得信息，是解决分析测试 4 硕士学位论文第一章世界分析仪器的发展现状 问题的首要前提，信息获得就成了分析测试的重要基础。而现代科学仪器 是信息的源头，它包涵许多基础科学和应用学科方面的内容，包涵许多边 缘科学、交叉学科、实验技能知识。现代分析测试技术必须依赖于现代科 学仪器，因此，就势必涉及到许多专业。如众所周知的h p l c 和h p c e 等 是当代分析测试技术中的重要仪器，但它涉及到光、机、电、计算机、分 析化学、生物化学等许多学科，若要用好h p l c 和h p c e ，既要有相当的理 论基础，又要有丰富的实践知识，否则不可能掌握这种分析测试技术。又 如，当代最引人注目的b i o c h i p 扫描仪pj 是9 7 年由美国的h p 公司推出的 最新分析仪器，它主要用作d n a 序列分析，但它涉及到光学( 光刻技术和 光学传感器) 、机械、电子、计算机、数学、化学、生物等许多学科。尤其 有趣的是，9 7 年9 月在我国的同一个科学会议上，物理学家们认为b i o c h i p 是物理学家的研究课题，而生物学家则认为它是生物学家的研究课题。这 既说明该课题己无法从学科上绝对划分，又说明现代分析测试技术的确已 打破了学科界限，更说明了现代分析测试技术涉及的专业面越来越广。这 是现代分析测试技术的第三个特点。 面对这些特点，我们不得不反思我国分析仪器产业的现状。首先我国 在分析仪器产业方面技术相当薄弱，大部分大型的分析仪器主要以进口为 主，这主要是研制这些仪器所需要的技术难度相当大。就国内自己所生产 的分析仪器来看，主要是集中在小型分析仪器上，通常这类仪器在国外的 生产技术已经相当成熟了。但在我国分析仪器产业中有一类仪器却在近几 年发展非常迅速，这就是单功能化的智能型快速分析仪，具体的讲就是一 些元素分析仪器h 。j ，这类仪器所涉及的技术不深，但却可以满足工业分析 的需要，然而这类仪器毕竟在价格上不能和国外的一些大型仪器的价格相 比，所以从资金的在投入来看，这类仪器在我国的发展还不能对我国分析 仪器产业形成较大的推动作用。 表1 中所列举的1 9 类仪器占了实验室分析仪器销售额的5 3 ，部件 ( p a r t s ) 元件( c o m p o n e n t s ) 附件( a c c e s s o r i e s ) 占了2 1 ，其他实验室 分析仪器，包括氨基酸、蛋白质和多肽分析仪、粒度分析仪、表面积测试 仪和其他仪器，占了2 6 。1 9 9 9 年有2 8 3 个公司底实验室分析仪器核科学 仪器( 临包括床仪器) 销售额超过0 1 1 0 6 美元，在1 9 8 9 1 9 9 9 年十年内， 这一数字在2 0 3 ( 1 9 9 1 年) 和2 9 4 ( 1 9 9 7 年) 之间。 表1 美国实验室分析仪器销售额 旦! ! ! li ! ! ：! ! 垒：! l 敬堡! 坚! ：竺! ! ! ! ! 垒竺! ! ! ! ! ! ! ! ! 坌堑堡墨壁耋 曼q 璺 ! ! ! ! 竖塑一 d h 电极和p h 计 1 96 5 6 0 离子选择电极 1 3 3 23 9 电泳 1 2 6 l6 3 其他电化学仪器 1 2 1 41 0 色谱 3 68 7 38 9 3 发射光谱( 电弧，火花) 7 2 12 1 原子吸收i c p 激光光谱 1 21 3 01 3 2 红外傅立叶红外近红外光谱 1 81 4 01 3 3 紫外，可见，比色计 2 11 4 71 3 7 荧光光谱 1 34 45 8 色度测量装置 98 27 9 其他光度计 1 22 72 9 热分析仪 1 01 3 41 3 7 扫描电镜 61 0 3l l o 核磁共振波谱仪表面分析仪、 71 5 01 5 7 x - 射线荧光光谱衍射仪 117 67 6 质谱仪 1 73 2 93 5 5 元素分析仪( c h n o s ) 1 28 46 8 气体检测器2 5 9 41 0 0 其他分析仪器 9 91 2 9 41 3 3 9 部件元件附件 1 0 91 1 5 31 0 7 7 总计 5 0 5 45 0 7 l c o s ：1 9 9 9 年销售额超过0 1x1 0 6 美元的公司数。 而对发达国家来说，情况就大不一样，因为发达国家靠先进技术所生 产的仪器每年可以给他们带来巨大的经济回报。以美国为例，美国实验室 分析仪器和科学仪器在全球市场的销售额从1 9 8 9 1 9 9 9 年每年以4 3 的复 合年增长率增长，1 9 9 9 年已超过6 2 亿美元。减去临床分析仪器的贡献，美 国实验室分析仪器在全球市场的销售额每年增长速率增加到约为5 引。这 6 堡主堂焦鲨壅 笙二雯堂墨坌堑垡逮型垡鲨! l 堕鳖 表明在这十年中，美国分析仪器在全球市场的销售额增长超过了6 0 a 表2 给出了部分实验室分析仪器每台平均售价。 表2 部分实验室分析仪器平均售价 盟望! ! j 尘! 竖! ! ! 翌! ! ! ! ! 竺! 垒! ! 生! 堡! ! 璺! ! 竺! ! 堡 实验室分析仪器包括了实验室所用的分析仪器( 见表1 ) ，以及氨基酸、 蛋白质和多肽分析仪，气体检测器等其他分析仪器，还包括元件和附件。 不包括在表1 内的工业过程分析仪器底销售额1 9 9 9 年超过了4 5 亿美元。 i 临床仪器包括生化、血液、生物组织和免疫学方面的仪器，以及其他临床 仪器。 从这些数据可以清楚的看到，每年发达国家利用其他国家技术落后， 在分析仪器的出口上就赚取了丰厚的利润，这不得不值得我们思考。因此 我国应该把分析仪器事业作为一项重大的产业来看待，除了加大资金投入 外更应该注重技术的投入，不要只停留在低水平的简单重复，而应该瞄准 世界分析技术发展的趋势，把握世界分析仪器产业发展的新潮流，打造我 国自己的分析仪器新产业。 那么当前世界分析仪器产业新的趋势是什么呢? 从2 0 0 0 年仪器行业中 的某些主导公司公布的结果来看，生命科学产品的销售额呈两位数的增长， 而某些传统行业的增长保持平稳的态势。w a t e r s 公司在9 个月内销售额增 长1 3 ，这要感谢t o f m s 的销售：v a r i a n 公司2 0 0 0 年财政增长1 8 主要 是靠医用n m r 和色谱仪器在生命科学领域中的销售。在欧洲德国是科学和 实验室仪器的最大的生产者和消费者。1 9 9 9 年，在3 4 8 亿美元德德国市场 之外，还从美国进口了6 3 亿美元。该研究指出，整个德国市场1 9 9 9 年增 长3 5 。主要是由于生命科学和制药工业的兴起。 从这牲分析仪器的投资走向我们可以清楚的看到，在接下来很长一段 时期内，生命科学将是人们重视的焦点，那么我们分析化学的应用同样也 应该开始向药物、医学和生物工程等领域拓展。这一点从1 9 9 9 年和2 0 0 0 硕士学位论文第一章世界分析仪器的发展现状 年的匹兹蘩会议上的内容就可见斑，闳为会上有约圆分之一分会与生命 科学轰接相关【叭，2 0 0 0 年会上的9 名缛奖者全都与他们所发展的分柝方法 在生命科学领域的成功应厢有关，这些都说明分析化学的主要应用领域已 开始转移到生物医学领域。随着人类基因组计划的完成和人口老龄化问题 的热尉这个趋势肯定还会增强。需要指磁的是在这方面入们莱心的既不 单单是一般影响人们健康长寿的肖害有毒物质及其引起的直接的病理或生 瑾窝位豹鼗溺，焉是要深入到缅飘内部程分子永平上研究生命的过程、基 因改造的影响及采用组合化学方法合成药物时对分析化学的挑战等等。所 爱赫方法邈不再翼纛彀撵分耩，褥更多豹依靠程俸或棼侵入式翁盗溺。许 多学者认为，如果说生命科学是2 l 世纪的一门繁础科学、那么宦的发展将 绝对离不拜佟荧2 l 整纪蔽零穰掌豹势辑亿学静帮麓。人类基困缀诗翅黪提 前究成就是一个最好的例证。那么在分析化学成功的朝生命科举迈进的今 天，邀爨分辑莰嚣渡共投蠢落伍，宅遣溺榉歪套经掰饕历史程豹交革，在 这一变革当中起到里程碑性作用的便是生物芯片的出现【 0 - 1 1 l ，而旦谈到 生貔芯片，羧不雩导不涉及徽全分瓣系绫。 微全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m ，u t a s ) 的概念是在1 9 9 0 年蓥次由瑞士c i b a - g e i g y 公司静m a n z 与w i d m e r 提是f 1 2 l ，当拜重主要强调了 分析系统的“微”与“全”，及微管道网络的微电子机械系统( m e m s ) 的 加工方法，i 莛势未躜确其羚型特，霞。次年m a n z 等期在乎援徽蕊冀上实凝了 毛纲管电泳与流动注射分析，从而把微系统的主疆构型定位为一般厚度不 超过5 毫米，面积必数平方厘米至_ ”几平方厘米的平板芯片l 玛】。缎直到1 9 9 4 年之前这一新领域的发展前景并不十分明朗。1 9 9 4 年始，美国橡树岭阑家 实验塞r a m s e y 等在m a n z 的工作簇础上发表了一系到论文，改避了芯片毛 缅管电泳的进样方法，提高了其性能与实用性，弓l 起了更广泛的关注。在 此形势下该年首脶1 t t a s 学术会议以工作室的形式在穗兰举行，起到了 摇广微全分析系统驹作用。1 9 9 5 年荚国加州大学b e r k l e y 分校的m a t h i e s 等 人在微流控芯片上实现了离速d n a 测序，微流控芯片的商业开发价值拜始 显聪，两j 驽：时微薄捌垄静艇物芯片已进入实质性的商品开发阶段。同年9 月，酋家微流控芯片企业，c a l i p e rt e c h n o l o g i e s 公司在美成立，一年即集资 莲子万美元。1 9 9 6 年m a t h i e s 等又将基酮分耩中有重要意义的浆合酶镳反 应扩增与毛细管电泳集成在一起，展示了微全分析系统在试样处理方耐的 港力，次年 氇裁又实现了徽流控芯片上魏雾通遒壤维管魄泳d n a 铡序，从 而为微流控芯片在然因分析中的实际应用提供了重要基础。与此同时，有 关企娩孛瓣锾流控蕊片研究开发工作也在糯紧送行，1 9 9 8 年之聪些徽流 堡主堂垡笙塞 笙二童堂墨坌堑垡墨堕垄垦l 堕! 苎_ 控芯片开发企业纷纷与世界著名分析仪器生产厂家( 其中包括惠普、p i e 、 岛津、日立等) 合作，利用各自的优势技术平台抢先推出首台微流控分析仪 器。1 9 9 9 年9 月惠普与c a l i p e rt e c h n o l o g i e s 公司联合研制的首台微流控芯 片商品化仪器开始在欧美市场销售，其他几家厂商也于今年开始将其产品 推向市场。 微全分析系统( u t a s ) 是一个跨学科的新领域，其目标是借助微机 电加工( mems ) 技术与生物技术实现化学分析系统从试样处理到检测的 整体微型化、集成化与便携化。它已成为目前分析仪器发展的重要方向与 前沿。当前许多发达国家已把现代科学仪器当作信息社会的源头和基础纳 入其未来发展的战略重点，而分析仪器又是其中最重要的组成部分之一。 最近，人类基因组计划的提前完成充分说明了先进的分析仪器与技术在现 代高科技发展中的重要甚至关键作用。面临着21 世纪科技发展中提出的众 多挑战，分析仪器和分析科学也正经历着深刻的变革，其中一个日益明显 的发展趋势就是化学分析设备的微型化、集成化与便携化。 微全分析系统( u t a s ) 的出现对于化学的意义将不亚于大规模集成 电路相对于传统电子学和计算机科学所起的作用。以往需要在一个大实验 室花大量样品、试剂和很多时间才能进行和完成的分析和合成，今后将在 一块小的芯片上花很少量样品和试剂以很短的时间同时完成大量实验。由 于排污很少，u t a s 也是一种“绿色”技术。另外，由于扩散传质过程随 几何尺寸减小而呈指数加快，c c 键形成反应在微小规模时有很高的产 率( 例如，在硅片上进行的w i t t i n g 反应在不到1 秒时间内即可达1 0 0 的产 率) 。因此，u t a s 又是一种极富吸引力的药物合成和筛选技术。 当前的微全分析系统可分为芯片式与非芯片式两大类。目前芯片式是 发展重点，其中依据芯片结构及工作机理又可分为两大类：即微阵列芯片 ( m i c r oa r r a yc h i p ) 和微流控芯片( m i c r of l u i d i cc h i p ) ，二种技术问虽有少 量交叉但基本经历了各自独立的发展过程。其中微流控芯片主要以分析化 学和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结 构特征，是当前微全分析系统发展的重点。它把整个化验室的功能。包括 采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可多次使 用，因此具有更广泛的适用性。 另一类微阵列芯片也就是前面所提到的生物芯片，主要以生物技术为 基础，以亲和结合技术为核心，以在芯片表面固定一系列可寻址的识别分 子阵列为结构特征。它使用方便测定快速但一般是一次性使用，并有 很强的专用性。生物芯片作为一种高通量的检测技术，主要包括基因芯片， 9 塑圭堂生堕皇 丝二童堂墨坌堑堡登盟垄垦垫坚 蛋白质芯片及芯片实验室三大领域。这类芯片在前几年发展较快，在国外 已实现深度产业化，生产生物芯片的企业数以百计。目前市场上出现的生 物芯片大多数是基因芯片，比较成熟的产品有检测基因突破和细胞内基因 表达水平的d n a 微阵列芯片。蛋白质芯片是生物芯片研制中极有挖掘潜力 的一种芯片，因为它是从蛋白质水平去了解和研究各种生命现象背后更真 实的情况，蛋白质芯片分析本质上就是利用蛋白质之间的亲和作用，对样 品存在的特定蛋白质分予进行检测。1 9 9 8 年，美国开发成功世界上第块 蛋白质芯片。l u e k i n g 等人把作为探针的蛋白质分子高密度地固定在聚双氟 乙烯膜上制得蛋白质芯片，可检测到1 0 p g 得微量蛋白质。同时蛋白质芯片 技术还在蛋白质纯化和氨基酸序列测定领域显示出很好的应用前景。芯片 实验室是生物芯片中最为理想的一种。在生命科学和医学研究中，对样品 的分析通常包括三个典型步骤，即：样品的分离处理，生物化学反应，结 果的检测分析。芯片实验室正是通过专门的样品制备芯片，反应芯片，检 测芯片以及微泵和微阀门等器件，将以上三个步骤连续化，集成化，得到 一个封闭式、全功能、微型化便携式实验室【1 4 一”。芯片实验室技术相对于 传统的生化分析技术而言有许多优点：信号检测快，样品消耗量少，稳定 性高，没有交叉污染，制作容易，成本低。 生物芯片貌似计算机芯片，能在其上进行数以千计的反应，目前，它 的应用主要着重于遗传物质的分析。与传统方法相比，具有速度快、效率 高、容易实现自动化操作等优点。同时，生物芯片的发展也面临许多挑战， 诸如开发出一种标准化的芯片以扩展其应用【嵋】，另外，芯片分析将产生大量 的数据，怎样处理这些数据并从中挖掘有用结果也是一大课题【”】，从这个角 度看，生物芯片与生物信息学的关系也十分密切 2 0 】。总之，生物芯片的出 现，将对2 1 世纪的生命科学与医学带来另一场革命。 微芯片分析系统的出现不仅可使珍贵的生物试样与试剂消耗大大降低 到微升甚至纳升级，而且使分析速度成十倍、百倍地提高，费用成十倍、 百倍地下降，从而为分析测试技术普及到千家万户创造了条件。微流控芯 片分析系统除涉及到大量的微加工技术和芯片材料的知识外，还涉及到广 泛的基础理论和应用基础知识，例如微米通道中的传质、导热、吸附及微 区反应规律等。这些都对相关的研究提出了挑战。 u t a s 的主要应用领域是在生命科学方面。例如用于p c r 碎片、总 r n a m r n a 及许多蛋白质样品的分析。还可用于分子生物学的许多领域， 如p c r 反应的优化、d n a 阵列的性能优化、总r n a 和m r n a 制备中的质 量控制、生物化学中基因表达的研究、蛋白制备的质量控制、纯度监测。 o 硕士学位论文 第一章世界分析仪器的发展现状 还可用于化学和生物战剂、环境污染物的监测等。在生物医学领域，则可 用于监控胎儿的健康状况、用于药物的输送以提高化疗的安全性。高速p t a s 则是超高速开发药物的有用工具。还可用于监控微秒级的化学和生物 化学反应动力学。当然，此种微芯片显然也可用于许多合成反应的研究， 这对组合化学研究来说无疑是一个极其强有力的工具。另外，根据需要也 可把不同的d n a 制备和分析步骤集成在单一芯片上。u - t a s 虽然发展的 历史很短，但就迄今的研究成果已可明显看出，u - t a s 为分析化学家打开 了通往无限美好明天的大门。 1 3 我国跨入世界先进分析仪器行业的可能性 从以上的分析来看。分析化学正在发生着深刻的变革，在这一变革当 中，分析仪器起到了决定性的作用。从这一变革的整体形式来看，现在仅 仅是个开端，但是我们应该清醒的认识到，在这一变革当中，西方发达国 家又一次走到了我们的前面，然而毕竟各国都起步较晚，我们并不是没有 跟进的可能性。 在未来生命科学占主导的情况下，我们虽然比西方发达国家有所落后， 但我们却应该发现在这一方面的投入各国均是上个世纪末才真正开始的。 以微全分析系统为例，目前各方弼都领先的美国也仅在9 0 年代中期才有较 大投入，紧随其后的日本则在1 9 9 7 年才开始重视并介入该领域的研究，毕 竟起步时间都还不久。我们应当抓住这难得的历史机遇，以分析仪器微型 化为突破口，迅速赶上国际分析技术与仪器的先进水平。 从实际技术水平的角度来讲，我们国家同样有实力完全可以赶上国际 分析技术与仪器的先进水平。为什么可以这样讲，我们可以从微全分析系 统的技术基础来进行分析。 从微流控分析的构成基础来看一个是电化学分析技术，另一个是流 动注射分析技术。电化学分析技术近年来在我国已取得长足的进展，某些 领域已处于世界发展前沿。例如自1 9 9 3 年启动的国家自然科学基金重大项 目“生命科学中的电化学分析和分子光谱分析”以电化学和分子光谱方法 为主，对与生命科学相关的基础理论进行了较深入的研究，创建了一批与 生命科学有关的测试新方法、新技术，突破了一些分析疑难问题，取得了 许多首创性的成果。 在生物活性物质的分子光谱分析研究方面已对生物大分子( 蛋白质、 核酸) 的光谱探针与生物大分子的结合机理进行了较深入的研究，首次将 堡主堂垡堡奎 蔓二童些墨坌堑垡墨塑茎垦垫鉴， 光散射技术应用于生物大分子分析。研制成功多种药物、激素和毒剂的多 克隆或单克隆抗体，有些为国际上首次制得。建立了这些化合物的新型时 间分辨荧光免疫分析方法；提出了几种对d n a 可以进行高灵敏、高选择性 结构表征或定量测定的发光探针体系。 在生物活性物质的电化学分析研究方面用分子设计构造的仿生界面打 开了多利蛋白质封闭的电活性中心，建立了这类物质的直接电化学分析法； 通过分子自组装、衍生、电聚和掺杂，研制成近3 0 种性能精良的修饰电极 及具有分子识别功能的分子“开关”器件，并由此建立了一系列相应的高 灵敏、高选择的生物分子电化学分析法。用等离子刻蚀技术制成尖端直径 可小至3 0 纳米的超微柱电极( 这是目前已见文献报道的最小电极尖端) ， 继而制成超微盘电极，用于单个细胞内神经递质多巴胺的动态测定获得成 功。在免疫分析中引入用金属离子代替天然酶作底物催化剂的新概念，提 出了一系列用金属离子、非放射性多碘化合物和敏化红细胞标记并耦合催 化放大作用的电化学免疫分析新技术。 在生物膜功能的电化学模拟研究方面首次将拓扑指数法引入液一液界 面研究中，提出了一种新的制备支撑双层磷脂膜的方法一一涂抹冷冻法， 此法简便易行，制备的膜稳定性好、寿命长以及膜中不含有机溶剂，将广 泛应用于生理学及电化学方面的研究。 在微量稀土元素在植物生理作用中的电化学分析研究方面开展了模拟 生物膜双层类脂膜和酶催化反应研究，用叶绿索水溶液电化学分析法。从 稀土一b 二酮一半花青嵌入膜中得到了目前最大的光电效应及最大的光电 流；用计时法测出了谷氨酸脱氢酶的活性和动力学参数，说明当稀土浓度 小于1 0 。m o l l 时有促活作用；用微分脉冲、循环伏安法测得稀土对乳酸脱 氢酶有抑制作用。 在传感器的基础及应用研究方面研制成功限域晶体电传感器、单晶压 电传感器和超高频液声传感器，将电压晶体用于血液流变学研究。进行了 压电微生物传感器和生物免疫压电传感器的研究，建立了多种医学微生物 和工业微生物压电传感技术新方法。在光导纤维传感器和光导纤维生物传 感器的研究中，建立和发展了若干光纤化学和生物传感器新的分子识别体 系，合成了一种新的癌细胞标记物，是细胞免疫分析的一大突破。 从这些成果可以发现，我国在电分析化学方面的确取得了可喜的成果， 这为我国在分析科学方面跟进世界先进水平提供了一个坚实的基础。另 个基础就是流动注射分析技术。流动注射分析技术由于本身出现并不是很 早( 自1 9 7 5 年r u z i c k a 与h a n s e n 发表首篇流动注射分析( f i a ) i 仓文提出) ， 堡主堂焦堡皇 篁= 童堂墨坌堑丛墨塑垄垦堡l 所以我国科学家对这一技术接触较早，因此流动注射分析技术在我国发展 非常快，而且具备了一定的实力，每年发表的流动注射分析类的论文约占 世界总文献量的1 8 2 1 1 ，我国在流动注射研究中，不仅将流动注射分析技术 应用于环境监测、医药和临床化验、工业在线分析等领域，同时也应用于化 学反应动力学机理、络合物的形成过程及生化反应等理论研究。一些复杂 的物理和化学过程通过流动注射分析技术加以实现，并由此产生出在线离 子交换、在线固相萃取、在线氢化物发生、液液萃取、气体扩散、停流技 术、稀释技术、流动注射滴定技术和同时分析等许多新的技术和装置，使 得一些反应过程复杂、要求条件苛刻及操作繁琐的分析方法变得简单、快 速易行。此外在生化分析方面已成功的流动注射用于免疫分析，目前已在 i 临床检验、药物分析及环境监测等方面得到了广泛发展。而且更加可喜的 是，我国在流动注射分析仪器研制开发方面也有着相当的实力，其中流动 注射仪是少数基本实现了成功地将进口仪器拒于国门之外的分析设备之 一。 有了这些技术作基础，我想我国在分析仪器行业跟进世界发达国家的 可能性完全是有的，但这并不能表明我国在分析仪器行业就已经具备了足 够的实力。虽然近年来国内在研制开发新仪器及其应用方面进行了大量的 工作【2 4 ”，但是我们还应清醒的看到我国从分析仪器这个整体行业来讲还 是存在着许多问题，以流动注射分析仪器为例，虽然在国内有多种自动化、 微机化甚至号称“智能化”的商品流动注射仪器供用户使用，但能稳定地 投入日常分析的却不多。这是因为构成多数列仪器的主要部件的调整、维 护与使用仍需操作人员具有较高的专业技术水平，而由于过去过多地强调 了流动注射的自动化与操作的简易性，淡化了对标准流动注射基本设备的 技术要求。更重要的是至今多数列仪器的设计思想仍强调应用的广泛性、 灵活性、智能性，而相对忽视了稳定性、耐用性与简易性。除此之外，国 内在分析仪器的使用上部分的还存在一些由于盲目追求高档，而实际上是 并不十分需要的分析仪器：或是确有需要，但因不会使用而闲置；或是制 造公司所设计的性能过于超前，脱离当前实际的工作需要42 1 。而英国皇家 化学会所属分析方法委员会针对此现象通过文献规定4 5 4 】客观地对1 2 类分 析仪器各项性能的实际利甩率进行评价，以便促进分析仪器事业的良好发 展，这一点值得国内学习。 所以说国内在分析仪器行业取得可喜进展的同时，还应清醒我们的弱 点所在，我们在分析仪器研制方面应采取积极措施，取长补短，大力发挥 我们已有的长处，来减小我国与发达国家之间的差距，在国家投入的基础 硕t ? 学位论文第一章世界分析仪器的发展现状 上，各研究开发单位须千方百计送行商波引资，瞄准近嬲市场需求，迅速实 现微流控分析系统毒关产品的产业化，以勰至少占领圃内市场，同时墩为 带动基础研究，键避该领域的迸一步发袋建立雄厚的学科与物质基础。相信 通过大家的努力，在不久的将来我国的分析仪器事业一定会蒸蒸日上，蓬 勃发展，从丽迸一步推动整个科学技术韵大发袋，这正好对应了先进的科 学分析仪器是现代科学技术发展的基础，我国之所以在诈多技术上落后于 发遮国家，主要的覆困不是主体久静困豢，丽怒客体仪器方谣大大落精于 发达国家，因此我困要稳定的立足于世界民族之林，科学技术的强大是必 不瑟少， 嚣辩技静强大褒认为因索之韩簸壹接豹影响嚣素就蘧先避静辩学 仪器，让我们共同努力，为我国的分析仪器事业奋斗终生。 基予戡上论述，我戆选题添戴对紧躐薅代步伐，抵主这一发矮方淘在 我阐正处于新兴阶段的契机，为分析化学朝分析科学发展做一点微薄的贡 献，我懿冀体簪 究内容就