我国分析化学学科发展战略.doc

我国分析化学学科发展战略摘要分析化学经历了二次重大的变革。分析科学是分析化学发展的新阶段,使分析化学迎来了第二个春天。分析科学与传统分析化学有重大区别,是多学科交叉而成的新学科。从人才培养的角度出发,有必要在大学中设立独立的、理工结合的分析科学专业。分析仪器创新是分析化学创新的重要内容。分析化学的主要应用领域正向生命科学转移,分析方法发展的重点应有相应的变化。谈一门学科的发展战略,不能不弄清这一学科的发展历程和趋势,因此,为了正确探讨我国分析化学的发展战略,有必要先回顾和研究一下它的历史发展和发展趋势。1分析化学发展简史关于分析化学的发展史,比较普遍的看法是认为它经历了3次重大的变革(或革命),即:第一次变革发生在19世纪末20世纪初,分析化学从分析化学家的“手艺”()变成了“科学”();第二次变革发生在第二次世界大战前后,分析化学从以溶液化学分析为主的经典分析化学发展成了以仪器分析为主的现代分析化学;第三次变革则从20世纪70年代末开始直到现在,分析化学发展到了分析科学阶段1,2。作者自1981年开始曾多次宣传过这种观点35,但经过最近较深入的学习和研究后却发现,虽然在经典分析化学和现代分析化学之间可用所依赖的主要方法加以区分。但就其所回答的问题(即“有什么?”“有多少?”)和所起的历史作用(只出数据,不出产品)看,这两个阶段并没有根本的区别。因此,从分析化学发展的历史着眼,把分析化学看成经历了二次重大变革的观点似乎更符合实际情况,即:19世纪末和20世纪初发生的第一次大变革和20世纪末开始发生的第二次大变革。第一次大变革使“现代化学之母”6的分析化学沦为了化学和许多其他学科的“配角”,使分析化学落到了近百年受冷遇的境地。第二次变革则使分析化学重新焕发青春,迎来了分析化学家重新“当家作主”的第二个春天。1.1经验分析化学阶段分析化学的第一个春天分析化学是最早发展起来的化学分支学科,而且在早期化学的发展中一直处于前沿和主要的地位,因为在早期化学发展的一个很长历史阶段中,化学的前沿一直是发现新元素、鉴定和研究新元素;发现和合成新的化合物、鉴定和研究新的化合物。这里最主要的显然是分析化学工作。正因为这样,分析化学被称为“现代化学之母”6。我国的化学先驱者徐寿先生认为:“考质求数之学,乃格物之大端,而为化学之极致也”7,意思是说,定性(考质)和定量(求数)分析是物质科学()的主体,是化学的最高境界。正因为当时学术界对分析化学有这样高的认识和重视,所以当时一大批著名的化学家都是分析化学家,也创制了许多精巧的分析仪器,如天平、容量仪器、显微镜、分光仪等。实际上,自然界存在的近90种元素的发现,主要都是分析化学家的功劳。正因为这样,尽管这一阶段的分析化学还主要靠分析化学家的经验和“手艺”(),还没有系统的理论指导(故可称其为经验分析化学),但分析化学家对当时化学的贡献却是十分巨大的,是许多其他化学分支学科所难以比拟的。因此,当时分析化学家在化学界乃至整个科学界都享有崇高的威望。这一时期是分析化学的真正春天,第一个春天。1.2分析化学的第一次大变革从“手艺”到“科学”,从主角到“配角”19世纪末20世纪初溶液化学的发展,特别是四大平衡(沉淀 溶解平衡;酸 碱平衡;氧化 还原平衡;络合反应平衡)理论的建立,为以溶液化学反应为基础的经典分析化学奠定了理论基础,使分析化学实现了从“技艺”到“科学”的飞跃,这是分析化学的第一次大变革。经典分析化学研究的是物质的化学组成,回答的是“有什么()?”和“有多少()?”这两个问题,所用的定性和定量方法主要是以溶液化学反应为基础的方法,即所谓化学分析法。由于有了系统的理论指导,化学分析法得到了空前的繁荣和发展,分析化学从此确立了作为化学的一个分支学科的地位。但由于有关的基础理论已基本奠定,分析化学工作者的主要任务变成了扩展其应用范围和完善现有的分析方法,“分析化学只出数据,不出产品”不幸成了分析化学界的“共识”。学术界也把分析化学家看作化学分析程序()和数据的提供者,是大家的“服务员”。分析化学从此进入了一个配角时代:美国许多著名大学拒不设立分析化学教授席位;几乎没有以分析化学家为主的重大科学基金项目;尽管分析化学家占了美国化学会会员总数的1/5以上,是人数最多的一个化学分支学科,但美国科学院几乎没有一位分析化学家出身的院士(是唯一的例外,但那也是在他的晚年才当上的),这方面情况在前苏联及东欧要稍好一些。第二次世界大战前后,由于许多新技术(如射线、原子光谱、极谱、红外光谱、放射性等)的广泛应用,使分析化学家拥有了一系列以测量物理或物理化学性质为基础的仪器分析方法,分析质量得以大大提高,分析速度也大大加快。但分析化学家的配角地位却始终没有根本改变,不仅外界,就是分析化学家自身对分析化学的认识也离不开“服务”二字。直到1980年美国分析化学主编在定义分析化学时还说:“分析化学是一门测量和表征的科学()”8。这一观点被广为接受,对我国学术界的影响更是根深蒂固。这一定义明显地把分析化学家的任务放在了对物质进行测量和表征这两件服务性任务上(实际上,表征也是一种测量,所以实质上是一件任务)。当然也可引伸到测量和表征方法的研究方面。但在一般人的心目中,这种方法的研究也仅限于对现有测量方法的改进(提高灵敏度、准确度、精密度等等)和推广应用范围(比如从地质样品,到材料,到环境样品等等)方面(即建立新的),而不是对新的测量原理的研究这被认为是物理学家或物理化学家的事,以致出现物理学家或物理化学家可以申请新分析方法(或分析仪器)的研究项目,而分析化学家往往难以获得相应资助的可悲情况。至于具体测量内容,又仅限于物质的化学组成,即化合物和元素的组成,因此在许多化学家(包括分析化学家)眼里,甚至结构分析也不是分析化学家的任务,分析化学家成了纯粹的化学分析师,自然只能当”配角”,而且一当就是近百年。1.3分析化学的第二次大变革“当家作主”的第二个春天进入20世纪70年代,随着科学技术的突飞猛进和人们生活质量的迅速改善,客观上对分析化学提出了许多空前的要求,同时又为解决这些新问题提供了许多空前的可能性(详见参考文献5)。分析化学逐渐突破原有的框框,开始介入形态、能态、结构及其时空分布等的测量,开始为进行这些测量而大量采用各种非化学的方法:包括物理的、数学和统计学的、乃至生物医学的方法。不仅如此,还有越来越多的分析化学家开始觉悟到“工欲善其事,必先利其器”,而这个“器”也不能完全靠别人来提供,要解决世界上从未解决过的分析化学问题,必须采用从未有过的分析仪器或方法。分析化学家必须参与到创造这种仪器和方法的过程中去,甚至主导这种创造过程。1990年开始的人类基因组计划()给分析化学家证明自身价值和发挥这种主导作用提供了一个绝好的机会。该计划原定15年时间完成,开始时由于急功近利,大量经费用于基因图谱,测序新技术的研究没有获得足够的经费,进展缓慢,成为整个计划进展的“瓶颈”。1993年重新制定计划,明确规定此后每年要拿出一半(1亿美元)的经费用于研究和开发测序新技术9,分析化学家终于走到前台中心位置。从此测序技术不断推陈出新,从板凝胶电泳到凝胶毛细管电泳、线性高分子溶液毛细管电泳、到阵列毛细管电泳,直至全基因组鸟枪测序()技术,终于使人类基因组计划得以提前到2001年完成。因此有人认为是分析化学家“拯救了人类基因组计划”10。分析化学家的主导作用还在环境保护和食品安全、突发事件处理等许多涉及人们健康和生命安全的领域得到了充分发挥。前几年发生在比利时的二噁英中毒事件,就是由大学的分析化学家.教授帮助弄清事件的真相和来龙去脉的(即二噁英与多氯联苯的关系及其解决办法)。因此,这位教授被称为“拯救了比利时的分析化学家”。在今后与各种恐怖袭击和重大疾病的斗争中,分析化学家显然也将起到同样的作用。在疾病诊断中已有人经过调查证实:在美国,疾病诊断有70%靠的是分析化验,只有30%靠医生经验。分析化学的这种重要而又崇高的作用,是别的化学分支学科所不具备的。正因为如此,分析化学家又一次获得了人们的尊重,一些美国著名大学终于突破长期的偏见开始设立分析化学教授席位:目前加州大学伯克利分校已有6名分析化学教授,曾担任过美国总统科学顾问和美国国家自然科学基金会主席的斯坦福大学教授.也经常以分析化学家的名义积极参加学术活动。由美国科学院组织的以教授为首的350位专家,经过调研和综合分析后,编写出版了化学中的机会:今天和明天(:)一书,把分析化学列为美国化学7个需要优先发展的领域之一,并指出分析化学在推进人们弄清环境和生命有关的化学问题中起着关键作用11。据英国2001年1月公布的资料,全英国有半数科学家为化学家,其中近1/4为分析化学家。目前对分析化学家的需求很旺盛,全英国化学方面的招聘广告中有一半都指明要求懂得分析化学。更令人兴奋的是2002年的3位诺贝尔化学奖得主全都是分析化学家12。这也是诺贝尔奖历史上第一次把化学奖授予自称为分析化学家的学者。在我国,国家自然科学基金委在新世纪中启动的第一项重大基金也是给分析化学家的(微流控芯片技术的基础研究),并且在新千年的第一年(2001年)就批准成立了两个分析化学方面的国家重点实验室。可以看到,分析化学在经历了第二次大变革进入分析科学阶段后终于迎来了朝气蓬勃、“当家作主”的第二个春天。我们真的应该大声地说:“”13!2分析化学的发展趋势关于这个问题,我已在近几年发表的一些文章中做过多次探讨5,1419,在此仅根据最近的研究简述如下。2.1 分析仪器已成为分析化学研究的重要内容前已述及,长期以来为大家所接受的关于“分析化学是一门测量和表征的科学”的定义并不确切,不仅未能全面反映分析化学所具有的特殊性,而且还在实践中把分析化学引向了“只出数据,不出产品”的纯服务方向,使分析化学家变成了纯粹的“服务员”,其不良后果已十分明显。那末分析化学到底是一门什么样的科学呢?关于“分析化学已经发展到了分析科学阶段”,“分析化学已经发展成为一门多学科为基础的综合性学科”1的论述无疑是正确的,但这是就分析化学的发展阶段而论的;称“分析化学是一门信息科学”的论点20也类似,是就其所起的作用而言的。这些都并不是对分析化学作为一门科学的内涵所下的定义。在这方面,我个人认为前不久美国分析化学杂志发表的由.教授撰写的“编者的话”中所下的定义,较好地反映了当今分析化学或者分析科学的内涵。他说:“分析化学是一门仪器装置和测量的科学()”21。这一定义与的定义虽然只有一字之差,即把“表征”()换成了仪器装置(),并在与测量的顺序上作了一下换位,但却把分析化学从一个纯粹的“服务员”变成了兼有“主人”和“服务员”双重身份、可以大有作为的一门科学。实际上,由于“表征”也是一种“测量”,所以在的定义中这两者是重复的。在的定义中,明确地把“仪器(装置)”作为分析化学的主要研究内容,并放在“测量”之前,这反映了当今分析化学发展的动向。英国科学家.曾经说过:“”21。上述观点也已在一定程度上被不久前出版的、由全世界30位国际著名的分析化学家合作编著的教材22,23所接受。该书对分析化学的定义是“分析化学是发展和应用各种方法、仪器和策略以获得有关物质在空间和时间方面组成和性质信息的一门科学”( ,)。也就是说,发展仪器是分析化学的一个重要内容。科学发展史也证明,仪器是现代科学发展的基础。许多重要的科学分支,特别是分析化学的许多分支学科都是从某项重要的仪器装置的研制成功而建立和发展的。例如,极谱仪的发明产生了极谱学;光谱仪的发明产生了光谱学;色谱仪的发明产生了色谱学;质谱仪的发明产生了质谱学,等等。由此可见仪器创新在分析化学的发展中的重要地位和作用。如果把眼光更放开一些,则可以看到分析仪器还是现代工农业生产中不可缺少的一部分,并且起着“指导者”和“把关者”的作用。在保护环境、打击违法犯罪和与恐怖主义作斗争中则是人们手中强大的技术武器。在保障人们健康、防病、治病、预防灾害发生等方面也都起着重大作用。把分析仪器的研究作为分析化学的一个主要内容,无疑将促进分析化学的迅速发展。那种把分析化学看成“只出数据,不出产品”51的观点应该被彻底地抛弃了。2.2 分析化学的主要应用领域正在向生命科学领域转移16进入20世纪90年代,随着人们生活质量的提高,人们更加关注自身的健康、长寿,分析化学的重点应用领域开始向医学和生物工程等生命科学领域转移。人类基因组计划就是这方面最典型的例子。食品安全、疾病预防、诊断和治疗、反恐斗争等等无不向分析化学提出了许多前所未有的挑战,要求分析化学家提供在分子水平上实时研究生命过程、了解基因改造的影响、筛选组合化学方法合成的药物、现场监测化学和生物武器等的新技术。这种转移的倾向在近年召开的美国匹兹堡会议上已反映得十分明显,例如,2000年的200个分会中有42个分会与生命科学有关,2001年的212个分会中有53个分会与生命科学有关,而2002年的227个分会中有75个分会与生命科学有关了。2.3适应应用领域的转移,分析方法研究的热点正在和将要发生相应的变化由于生命体系中元素都不以游离状态发挥作用,加上元素成分分析技术已趋成熟。因此元素成分分析方法的研究将不再成为热点,但综合形态分析()有可能加强。生命过程大都与溶液中分子或基团(当然还有其他分子片)的化学反应有关,因此分子光谱,特别是可作为在线和非侵入检测的振动光谱方法及可同时获得组成和结构信息的质谱法将成为分析化学研究的重点。电分析方法由于其在溶液电化学和界面性质研究方面的明显优势也已主要集中于生命过程的研究。分离技术则将侧重于样品前处理及与各种检测技术的联用(也包括合成 分离 检测技术的联用)。成像技术,特别是化学成像技术,由于可以得到多维的分子化学信息而将受到越来越多的重视。有人甚至已认定显微镜技术和各种光谱方法的结合(即化学成像技术)是“一种探测分子化学的理想工具”16。生命过程都是空间和时间的函数且受到生理甚至心理因素的影响。因此宜采用在体、原位、实时,且最好是非侵入的方法进行检测。这就要求不断采用各种高新技术以解决分析化学所面临的各种越来越复杂的挑战,这显然也会是今后分析化学发展过程中一个明显的特点。这些新技术包括:计算机技术、激光技术、纳米技术、芯片技术、光纤技术、仿生技术、微电子技术、生物技术等等。2.4分析化学的发展主要依靠溶液化学反应的时代一去不复返了尽管许多生命过程都在溶液(特别是水溶液)中进行,溶液化学反应也还是一些现代仪器方法(如电化学方法、化学发光法等)赖以获得信号的基础,许多样品制备过程(包括分离、富集等)离不开化学反应,多数待测组分是化学研究的对象,但就目前和今后面临的大量极富挑战性的分析问题的解决所能依赖的方法而言,化学的作用显然将越来越少。人们甚至已可完全不作任何化学处理而获得样品成分、结构乃至能态及空间和时间分布的信息(如非侵入式法,电子鼻,射线光谱法,法等等)。从这个意义上讲,离化学越来越远将是今后分析化学发展的又一个很重要的趋势。3关于我国分析化学学科发展战略3.1应把分析仪器创新作为分析科学创新的重要内容前面已经谈到,分析仪器的研究已经成为分析化学研究的重要内容,因此,当谈到分析化学的创新活动时就不能不把分析仪器的创新放在重要的位置上。正如王大珩先生所说,“能不能创造高水平的科学仪器和设备体现了一个民族、一个国家的创新能力。发展科学仪器设备应当视为国家战略”21。自然科学基金自然是应该资助这种创新活动的,因此,应把资助分析仪器的创新也纳入其资助范畴,并将其放在重要的位置上。学术界达成相应的共识当然也十分重要。3.2应大力发展生命科学有关分析仪器和方法的研究既然分析科学的主要应用领域已经转移到生命科学。因此,有必要加强生命科学有关分析仪器和方法的研究。这里,我认为比较重要的有:各种振动光谱法,质谱法,各种联用技术,光谱成像技术,微流控芯片技术,适于现场、原位、实时、在线分析用的各种微分析系统,等等。3.3大学应设立独立的、理工结合的新兴学科分析科学专业在我国,长期以来都把仪器制造专业设立在工科,而理科的分析化学专业又不包含分析仪器研制的内容。实际上,工科的仪器制造专业也并没有把分析仪器放在应有的位置上。因此,分析仪器研制人才的培养实际上一直处于空白状态,很大程度上限制了我国分析仪器水平的提高和分析科学的发展。许多国有大型分析仪器公司在市场经济条件下缺乏应有的竞争力,其中的一个重要原因,就是由于缺乏高水平的分析仪器的研究和开发人才。有鉴于此,为了迅速改变这种状态,在有一定条件的大学尽快设立独立的、理工结合的分析科学专业,特别是在研究生层次把分析科学作为一门独立的新兴学科加以发展,我认为已经迫在眉睫,十分必要。试谈分析化学的明天分析化学是化学学科几大主要二级学科之一,曾被认为是“现代化学之母”1,“化学是从分析化学开始的”2。但是近年来情况却发生了变化,从有人说“不管人们喜欢不喜欢,化学正在走出分析化学”3,到1981年英国曼彻斯特大学理工学院建立独立的“仪器装置和分析科学系”,及国内外一些单位相继建立分析科学实验室或研究所,出版分析科学学报,到最近高鸿先生明确宣布“分析化学的现状和发展趋势都在说明分析化学实际上不再是化学的一个分支”2。“分析化学已发展到分析科学阶段”在分析化学界几乎已成了共识。“化学之母”怎么走出了化学?到底是什么原因使分析化学发生了如此巨大的变化?分析化学的明天又会是一个什么样子?1社会和科学技术的不断发展改变了分析化学的面貌和内涵关于这个问题,在最近出版的21世纪的分析化学2中,高鸿、汪尔康、黄本立等先生都作了精辟的论述。作者也在1983年4和1986年5作过初步的探讨。概括而论,一门学科的发生和发展都有其自身内在的规律,但它是在社会和整个科学技术发展的大环境中发生和发展的,因此又不能不受这个大环境的影响。正是后者“强迫”分析化学面向更广阔的社会和科学技术问题,同时也提供了解决这些越来越复杂的分析问题的、越来越多的非化学的手段,使分析化学“走出了”化学,成为一门相对独立的“分析科学”。众所周知,在化学的发展中,分析化学曾起过极其重大的作用,因为在很长的历史时期内,化学的前沿研究领域曾经是:发现新元素、研究新元素;发现和合成新的化合物,研究新的化合物5。在这当中,分析化学显然起着不可或缺甚至是主要的作用。正因为如此,著名科学史家和才在他们合著的分析化学史中称“分析化学是现代化学之母”1。世界上第一位纯分析化学教授(1859年由美国的大学聘任)博士才会成为美国化学会的创始人。但是,分析化学在19世纪末以前,并没有建立起自己系统的理论基础,当时它还主要是分析化学家的一门“手艺”()而不是科学。分析方法的发展,主要靠的是“炒菜式”的研究。分析任务的完成,主要凭借的是经验。19世纪末20世纪初溶液化学的发展,特别是溶液中四大平衡(沉淀 溶解平衡;酸 碱平衡;氧化 还原平衡;络合反应平衡)理论的建立,为以溶液化学反应为基础的经典分析化学奠定了理论基础,使分析化学实现了从“手艺”到科学的飞跃。这就是人们所说的分析化学的第1一次革命。经典分析化学研究的是物质的化学组成,回答的是“有什么()?”和“有多少()?”两个问题,所用的定量分析方法主要是以溶液化学反应为基础的重量法和容量法,即所谓化学分析法。二次世界大战前后,许多新技术(如射线、发射光谱、极谱、红外光谱、放射性等)的相继出现,加上战争的紧迫需求,使一系列以测量物理或物理化学性质为基础的“仪器分析方法”得到了迅速的发展,从而促成了分析化学发展史上第二次革命性的飞跃,即从以化学分析法为主的经典分析化学发展成了以仪器分析方法为主的近代分析化学。与经典分析化学方法相比,近代分析化学虽然在所用方法、所测物质的量及测量速度等方面都有显著变化,但就其研究的对象而论仍然局限于物质的化学组成,试图回答的问题仍然是“有什么?”“有多少?”。这实际上就是5060年代大学分析化学教科书教给学生的一些内容。20世纪70年代以后,由于科学技术的突飞猛进,新的产业革命逐渐兴起,客观上对分析化学提出了一些空前的要求,同时又为解决这些新问题提供了许多空前的可能性。这些“空前的要求”,主要表现在如下几方面5:(1)只作元素或化合物成份分析不够了,越来越多地要求作价态、形态、状态、结构、甚至能态的测定。(2)只作常量、微量分析不够了,越来越多地要求作痕量分析,要求作微量样品的剖析,甚至单原子、分子的检测也提到了日程上。(3)只求样品的平均组成不够了,越来越需要了解各组分的分布(小至几纳米,大至整个生物圈乃至整个宇宙内的分布)。(4)只作静态分析不够了,越来越多地要求作动态分析,作快速连续自动分析,作瞬态分析,甚至寿命短至飞秒以下的成份测定。(5)只作实验室分析不够了,越来越多地要求作实时分析,甚至要求作在线( , )以至线内( )监测和遥测乃至远距离监测和诊断。(6)只作破坏性取样分析不够了,越来越要求作非破坏性的、非侵入式的无损分析,甚至要求作活体内()原位分析。所谓“空前的可能性”,主要表现在计算机、网络技术、激光、生物技术、纳米技术、光导纤维、功能材料、等离子体、化学计量学等新技术、新材料和新方法的快速发展,为解决上述问题提供了各种前所未有的可能性,从而大大推进了分析化学的发展,并使越来越多的人认识到关于分析化学的经典定义已日渐过时,分析化学要回答的问题已远远不止是“有什么?”“有多少?”这样两个简单的问题了。以一切可能的方法和技术(化学的、物理学的、生物医学的、数学的等等),利用一切可以利用的物质属性,对一切需要加以表征、鉴别或测定的化学组份(包括无机和有机组份)及其形态、状态(以至能态)、结构、分布(时、空)等等进行表征、鉴别或测定,以求得对样品所代表的问题有一个基本的了解,这就是当今分析化学所面临的任务。显而易见,这些任务不是传统意义上的化学分支学科分析化学所能完成的,我体会这也是为什么高鸿先生说“分析化学实际上不再是化学的一个分支”,“分析化学已经发展成为一门多学科为基础的综合性科学”的一个主要理由。2分析化学的明天分析化学既已发展到分析科学阶段并且“走出了”化学,那么今后到底会怎样发展?与化学到底还会有一个什么样的关系呢?下面结合近年匹兹堡会议反映的情况谈点个人看法。2.1 分析化学的发展和分析仪器的发展密不可分历史经验证明,重大分析仪器的发明往往成为相应学科赖以建立和发展的基础。原子发射光谱仪(原子发射光谱分析)、极谱仪(极谱学)、射线荧光光谱仪(射线荧光光谱分析)、核磁共振谱仪(波谱学)、色谱仪(色谱法)的发明都是典型的例子。英国著名科学家.爵士说“”。1992年诺贝尔奖得主.也说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展”,这些都是至理名言。也就是说,分析化学家必须抛弃“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(或至少主要不是)指研究如何用现成的仪器去分析实际样品(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析的新原理、新方法和新仪器上,把采用最新的科学和技术成果、研制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作为自己最重要的责任。从这个意义上讲,人为地把分析化学专业放在理科,把分析仪器专业放在工科的专业划分显然已不合时宜。建立把两者融为一体、理工合一的分析科学专业将是一个合乎逻辑的发展。2.2 分析化学的主要应用领域将向生命科学(或生物医学)领域转移化学是随分析化学的诞生而诞生的,也即分析化学最初主要应用于化学,回答所研究化学物质的质和量的问题。后来则被广泛用于地质勘探和冶金。二次大战期间和战后初期则被广泛用于原子能工业,以后是半导体和功能材料,再接下来是环境保护部门。进入20世纪90年代,随着生命科学的重要性日渐被人们认识,分析化学的应用开始向药物、医学和生物工程等领域拓展。在去年和今年的匹兹堡会议上都有约四分之一分会与生命科学直接相关6,7,今年会上的9名得奖者全都与他们所发展的分析方法在生命科学领域的成功应用有关7,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加剧这个趋势肯定还会增强。需要指出的是,在这方面人们关心的已不单单是一般影响人们健康长寿的有害有毒物质及其引起的直接的病理或生理变化的监测,而是要深入到细胞内部在分子水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。所用的方法也不再只靠取样分析,而更多的依靠在体或非侵入式的监测。这方面能发挥最大作用的当然是各种分子光谱方法,特别是各种振动光谱方法。许多学者认为,如果说生命科学是21世纪的一门基础科学,那么它的发展将绝对离不了作为21世纪技术科学的分析化学的帮助。人类基因组计划的提前完成就是一个最好的例证。2.3适应应用领域的转移,分析方法的研究热点将发生相应的变化由于元素成份分析方法日趋成熟及在生命体系中元素都不以游离状态发挥作用,因此元素成分分析方法的研究论文日渐减少已成为一个不争的事实,但综合形态分析()有可能加强9 186196。而生命过程大都与水溶液中分子或基团的化学反应有关,因此分子光谱特别是溶液分子或基团的分子光谱检测就成了许多研究工作的重点。电分析方法由于其在溶液电化学性质研究方面的明显优势也已主要集中于生命过程的研究。分离技术则主要侧重于各种样品前处理技术及与检测技术的联用和进一步提高速度与分离效率方面。成象技术特别是医学化学成象技术由于可以提供多维信息而将受到越来越多的重视,有人甚至认为显微镜技术与各种光谱方法的结合是“一种探测分子化学的理想工具”0 406。实际上多光谱成象或超光谱成象技术已在医学、食品、法庭科学等许多方面发挥着重大作用。射线的三维成象技术则更是一种较成熟的技术了。最新出现的化学成象技术还有正电子成象技术(),它对于在体研究癌症的分子生物化学和诊断特别有价值9 535。与许多生产过程和环境事件一样,生命过程都是时间和空间的函数且受到许多生理甚至心理因素的影响。因此宜采用在体、在线、最好是非侵入式的分析方法。以上这些目标的实现,当然只能靠科学技术的进步。因此不断采用新出现的各项高新科技成果解决各种各样分析化学所面临的挑战将仍然是分析化学发展的一个明显的特点。就最近的情况看,下面这些高新技术值得重视68。纳米技术:纳米技术主要是由材料科学家发展起来的。由于纳米晶体(量子点)有许多独特的电子光学性质,他们已在光电子器件方面得到了成功的应用。量子点在分析化学中的应用则是最近几年的事0 476,639,804,807,853,854,858,859,1325。众所周知,用有机染料作荧光探针的方法在生物学和化学中都有很重要的应用,它也是有可能进行溶液中单分子检测的荧光免疫方法的基础9。但用有机染料作荧光探针有容易发生光褪色,对环境过于敏感,荧光强度低等缺点。与之相反,采用水溶性半导体量子点(如包有的)其发光强度将比有机染料大20倍,而对光褪色的稳定性则要好100倍以上,量子点还有荧光发射波长可通过量子点的大小加以调节(从可见到近红外)且发射带较窄而且对称,并可以低于量子限制峰的任何波长(一般比发射波长短10即可)加以激发的优点10。量子点又很容易与一些生物活性物质结合而又不至于使后者失去活性,因此特别适于生物反应动力学的研究11。由于激光诱导荧光的极高灵敏度,已可容易地用这种方法观测细胞内单分子的行为。并有望用于病毒感染、心血管病和癌症的诊断8 042。同样,利用纳米粒子(或)对拉曼光谱的极大增强作用(达10141015数量级)8 864,用表面增强拉曼光谱法()也可以作溶液中单分子的观测12。纳米粒子在表面等离子体子共振光谱法()0 1323,1659,各种液相色谱通用的高灵敏度聚凝晶化光散射检测器(0 788)等方面也都有很成功的应用,各种纳米尺度的传感器包括无光纤纳米光极(也称)则更是已经相当成熟的技术了0 205209,1150,1151,1155,8 596,1175。半导体激光器:传统的二极管激光器已有很大发展并可以大量生产,蓝色激光器也已商品化,通过倍频技术,紫外半导体激光器也已可容易地获得,但它们的可调波长范围窄,稳定性也不够理想。近年出现的量子级联激光器()和量子阱激光器将可大大超过传统半导体激光器,因为这种激光器的波长可在很宽的波长范围内加以调节,而且可在室温下工作,带宽也更窄,发射波长的重复性非常好,功率也更高。它们的成功将进一步推进激光光谱分析的发展。最近出现的腔衰荡光谱法()就是一例,由于这种方法装置十分简单,所测量的又是吸收的速率而非吸收的大小,因此将成为一种测量痕量强吸收物质的强有力工具0 667,669,671。其他各种激光光谱分析技术也将因有了这种小巧而强有力的激光器而达到真正的实用化。近红外光谱法:近红外光谱富含分子的基团和结构信息,且近红外辐射穿透深度大而背景吸收干扰小,一般样品都不必专门制备,因此近红外光谱法是一种不需试剂、非破坏、非侵入式的快速分析方法,特别适于作连续自动在线监测0 319;8 1338,2188。由于小巧便宜的二极管激光器0 853;8 2016,化学计量学0 313317的发展和对近红外辐射有很好响应特性的阵列检测器的研究成功及采用声光可调滤光片()0 465和液晶可调滤光片()的全电子分光系统的日趋成熟,仪器已完全无可动部件,易于在现场作实时以至瞬时信号的检测,如病人血糖的监测0 319,1356,1359,药品质量的监控0 1431,作物种子的筛选,发酵过程的控制等等。化学发光和电生化学发光分析法:由于这类方法利用化学反应本身产生的能量发光,而且是在一个“黑暗的”背景中测量发出的光子,因此有很高的灵敏度,且装置极为简单0 409。目前化学发光体系还不多,但电生化学发光的潜力很大0 412,414,并已被用于10-15受体和治疗用中和抗体的检测,有可能发展出一种新的的早期诊断方法0 413,并可用以研究随机条件下的化学反应9 173。在发展芯片实验室的过程中,检测器的微型化是一个主要的问题。可以预期,化学发光检测将为这一问题的解决提供一条比较理想的出路。仿生技术:阵列检测器是一个颇受争议的领域,近年来已有多家从事电子鼻生产的公司倒闭,但仍有14家公司继续生产着各类电子鼻,所用的传感器则包括表面声波()传感器,本体声波()传感器,导电聚合物()传感器,金属氧化物()传感器等9 1375,1378;0 810813,其可靠性和长期稳定性也都已有改进。采用质谱计的电子鼻也已出现。一种有32个传感器的电子鼻芯片据称可被训练得能闻出任何气体,价格只有传统电子鼻的十分之一,但目前还只能定性,不能定量。商品电子舌也已出现0 815。由于气味是人们随时都要面对的东西,如果能用人造的智能嗅觉和味觉系统来代替人类自身去预先鉴别可能的有害物质,显然有其巨大的潜在应用价值,因此可以预期,不管会有多少困难,这类阵列传感器的研究和开发还会不断继续下去。生物芯片技术:生物芯片主要有芯片实验室、基因芯片和蛋白质芯片等。基因芯片是生物芯片中最先商品化的产品,它利用核酸双链的互补碱基间的氢键作用,形成稳定的双链结构。通过检测目的单链上的荧光信号实现对样品的检测。目前用来检测基因突变和细胞表达水平的表达基因芯片都已比较成熟。基因芯片的潜在应用领域包括新基因的寻找、测序、疾病诊断(例如肺结核病的诊断)、药物筛选、农作物优选、司法鉴定等。芯片实验室也已于去年商品化,它可被看作是一种微型流动分析技术,目前主要用于核酸分析。可以预期它将成为实验室测量的一种通用平台。特别是微管道阵列的研究成功为高速处理大量样品创造了条件。这一技术由于所需样品和试剂都很少(),芯片本身又可以大批量生产,显然是一种大有前途的分析技术。但检测器的微型化和提高灵敏度尚需解决0 418。光谱视网膜技术:所需要的多波长滤光片已研制成功,由它与各种阵列检测器构成的光谱仪是目前已知的最小的光谱仪(约4433)。色谱分析(特别是液相色谱)的样品前处理是一个重要而难以对付的步骤,最近发展起来的固相微萃取()0 433,液相微萃取()0 584,特别是管内( ),以及微波萃取技术都是很好的样品分离富集技术0 435。离子淌度谱()由于可在常压下工作,被称为“穷人的质谱”,是一种灵敏度很高的检测仪器,可用于毒品、化学战剂、爆炸物的检测,新近开发的巢式,进一步提高了选择性和灵敏度0 1016。由于人类基因组计划的推动,各种序列分析技术自然都成了研究的热点,但最有前途的还是阵列毛细管电泳和板凝胶电泳,特别是芯片毛细管电泳。数学和统计学方法也将在生物医学分析领域获得广泛应用,并形成新的独立的学科生物计量学()。2.4作为分析化学发展的物质基础的分析仪器,其发展将呈现如下几个特点:2.4.1仪器与计算机结合,强化软件功能,实现联网运作,创建虚拟仪器和虚拟实验室。美国公司称“软件就是仪器”,提出“仪器=/+软件”。惠普公司说,信息技术=测量技术(计算机技术通讯技术),即=2。这些说法都不能被看作是偏激之词或广告语,值得我们深思。根据美国1999年5月号对21世纪的预测,其中之一为由于计算机技术的发展(纳米碳管计算机、光子计算机、计算机、量子计算机),在数十年内人和机器之间的差别将变得模糊,甚至“灵魂”也将与硅片结为一体。带有植入神经系统(软件)的人类将超过自然人,信息将可在瞬间即被这些人所理解,以至教育的目的将不再是“传道、授