我國分析化學學科發展戰略摘要分析化學經歷了二次重大的變革。分析科學是分析化學發展的新階段,使分析化學迎來了第二個春天。分析科學與傳統分析化學有重大區別,是多學科交叉而成的新學科。從人才培養的角度出發,有必要在大學中設立獨立的、理工結合的分析科學專業。分析儀器創新是分析化學創新的重要內容。分析化學的主要應用領域正向生命科學轉移,分析方法發展的重點應有相應的變化。談一門學科的發展戰略,不能不弄清這一學科的發展歷程和趨勢,因此,為了正確探討我國分析化學的發展戰略,有必要先回顧和研究一下它的歷史發展和發展趨勢。1分析化學發展簡史關于分析化學的發展史,比較普遍的看法是認為它經歷了3次重大的變革(或革命),即:第一次變革發生在19世紀末20世紀初,分析化學從分析化學家的“手藝”()變成了“科學”();第二次變革發生在第二次世界大戰前后,分析化學從以溶液化學分析為主的經典分析化學發展成了以儀器分析為主的現代分析化學;第三次變革則從20世紀70年代末開始直到現在,分析化學發展到了分析科學階段1,2。作者自1981年開始曾多次宣傳過這種觀點35,但經過最近較深入的學習和研究后卻發現,雖然在經典分析化學和現代分析化學之間可用所依賴的主要方法加以區分。但就其所回答的問題(即“有什么?”“有多少?”)和所起的歷史作用(只出數據,不出產品)看,這兩個階段并沒有根本的區別。因此,從分析化學發展的歷史著眼,把分析化學看成經歷了二次重大變革的觀點似乎更符合實際情況,即:19世紀末和20世紀初發生的第一次大變革和20世紀末開始發生的第二次大變革。第一次大變革使“現代化學之母”6的分析化學淪為了化學和許多其他學科的“配角”,使分析化學落到了近百年受冷遇的境地。第二次變革則使分析化學重新煥發青春,迎來了分析化學家重新“當家作主”的第二個春天。1.1經驗分析化學階段分析化學的第一個春天分析化學是最早發展起來的化學分支學科,而且在早期化學的發展中一直處于前沿和主要的地位,因為在早期化學發展的一個很長歷史階段中,化學的前沿一直是發現新元素、鑒定和研究新元素;發現和合成新的化合物、鑒定和研究新的化合物。這里最主要的顯然是分析化學工作。正因為這樣,分析化學被稱為“現代化學之母”6。我國的化學先驅者徐壽先生認為:“考質求數之學,乃格物之大端,而為化學之極致也”7,意思是說,定性(考質)和定量(求數)分析是物質科學()的主體,是化學的最高境界。正因為當時學術界對分析化學有這樣高的認識和重視,所以當時一大批著名的化學家都是分析化學家,也創制了許多精巧的分析儀器,如天平、容量儀器、顯微鏡、分光儀等。實際上,自然界存在的近90種元素的發現,主要都是分析化學家的功勞。正因為這樣,盡管這一階段的分析化學還主要靠分析化學家的經驗和“手藝”(),還沒有系統的理論指導(故可稱其為經驗分析化學),但分析化學家對當時化學的貢獻卻是十分巨大的,是許多其他化學分支學科所難以比擬的。因此,當時分析化學家在化學界乃至整個科學界都享有崇高的威望。這一時期是分析化學的真正春天,第一個春天。1.2分析化學的第一次大變革從“手藝”到“科學”,從主角到“配角”19世紀末20世紀初溶液化學的發展,特別是四大平衡(沉淀 溶解平衡;酸 堿平衡;氧化 還原平衡;絡合反應平衡)理論的建立,為以溶液化學反應為基礎的經典分析化學奠定了理論基礎,使分析化學實現了從“技藝”到“科學”的飛躍,這是分析化學的第一次大變革。經典分析化學研究的是物質的化學組成,回答的是“有什么()?”和“有多少()?”這兩個問題,所用的定性和定量方法主要是以溶液化學反應為基礎的方法,即所謂化學分析法。由于有了系統的理論指導,化學分析法得到了空前的繁榮和發展,分析化學從此確立了作為化學的一個分支學科的地位。但由于有關的基礎理論已基本奠定,分析化學工作者的主要任務變成了擴展其應用范圍和完善現有的分析方法,“分析化學只出數據,不出產品”不幸成了分析化學界的“共識”。學術界也把分析化學家看作化學分析程序()和數據的提供者,是大家的“服務員”。分析化學從此進入了一個配角時代:美國許多著名大學拒不設立分析化學教授席位;幾乎沒有以分析化學家為主的重大科學基金項目;盡管分析化學家占了美國化學會會員總數的1/5以上,是人數最多的一個化學分支學科,但美國科學院幾乎沒有一位分析化學家出身的院士(是唯一的例外,但那也是在他的晚年才當上的),這方面情況在前蘇聯及東歐要稍好一些。第二次世界大戰前后,由于許多新技術(如射線、原子光譜、極譜、紅外光譜、放射性等)的廣泛應用,使分析化學家擁有了一系列以測量物理或物理化學性質為基礎的儀器分析方法,分析質量得以大大提高,分析速度也大大加快。但分析化學家的配角地位卻始終沒有根本改變,不僅外界,就是分析化學家自身對分析化學的認識也離不開“服務”二字。直到1980年美國分析化學主編在定義分析化學時還說:“分析化學是一門測量和表征的科學()”8。這一觀點被廣為接受,對我國學術界的影響更是根深蒂固。這一定義明顯地把分析化學家的任務放在了對物質進行測量和表征這兩件服務性任務上(實際上,表征也是一種測量,所以實質上是一件任務)。當然也可引伸到測量和表征方法的研究方面。但在一般人的心目中,這種方法的研究也僅限于對現有測量方法的改進(提高靈敏度、準確度、精密度等等)和推廣應用范圍(比如從地質樣品,到材料,到環境樣品等等)方面(即建立新的),而不是對新的測量原理的研究這被認為是物理學家或物理化學家的事,以致出現物理學家或物理化學家可以申請新分析方法(或分析儀器)的研究項目,而分析化學家往往難以獲得相應資助的可悲情況。至于具體測量內容,又僅限于物質的化學組成,即化合物和元素的組成,因此在許多化學家(包括分析化學家)眼里,甚至結構分析也不是分析化學家的任務,分析化學家成了純粹的化學分析師,自然只能當”配角”,而且一當就是近百年。1.3分析化學的第二次大變革“當家作主”的第二個春天進入20世紀70年代,隨著科學技術的突飛猛進和人們生活質量的迅速改善,客觀上對分析化學提出了許多空前的要求,同時又為解決這些新問題提供了許多空前的可能性(詳見參考文獻5)。分析化學逐漸突破原有的框框,開始介入形態、能態、結構及其時空分布等的測量,開始為進行這些測量而大量采用各種非化學的方法:包括物理的、數學和統計學的、乃至生物醫學的方法。不僅如此,還有越來越多的分析化學家開始覺悟到“工欲善其事,必先利其器”,而這個“器”也不能完全靠別人來提供,要解決世界上從未解決過的分析化學問題,必須采用從未有過的分析儀器或方法。分析化學家必須參與到創造這種儀器和方法的過程中去,甚至主導這種創造過程。1990年開始的人類基因組計劃()給分析化學家證明自身價值和發揮這種主導作用提供了一個絕好的機會。該計劃原定15年時間完成,開始時由于急功近利,大量經費用于基因圖譜,測序新技術的研究沒有獲得足夠的經費,進展緩慢,成為整個計劃進展的“瓶頸”。1993年重新制定計劃,明確規定此后每年要拿出一半(1億美元)的經費用于研究和開發測序新技術9,分析化學家終于走到前臺中心位置。從此測序技術不斷推陳出新,從板凝膠電泳到凝膠毛細管電泳、線性高分子溶液毛細管電泳、到陣列毛細管電泳,直至全基因組鳥槍測序()技術,終于使人類基因組計劃得以提前到2001年完成。因此有人認為是分析化學家“拯救了人類基因組計劃”10。分析化學家的主導作用還在環境保護和食品安全、突發事件處理等許多涉及人們健康和生命安全的領域得到了充分發揮。前幾年發生在比利時的二噁英中毒事件,就是由大學的分析化學家.教授幫助弄清事件的真相和來龍去脈的(即二噁英與多氯聯苯的關系及其解決辦法)。因此,這位教授被稱為“拯救了比利時的分析化學家”。在今后與各種恐怖襲擊和重大疾病的斗爭中,分析化學家顯然也將起到同樣的作用。在疾病診斷中已有人經過調查證實:在美國,疾病診斷有70%靠的是分析化驗,只有30%靠醫生經驗。分析化學的這種重要而又崇高的作用,是別的化學分支學科所不具備的。正因為如此,分析化學家又一次獲得了人們的尊重,一些美國著名大學終于突破長期的偏見開始設立分析化學教授席位:目前加州大學伯克利分校已有6名分析化學教授,曾擔任過美國總統科學顧問和美國國家自然科學基金會主席的斯坦福大學教授.也經常以分析化學家的名義積極參加學術活動。由美國科學院組織的以教授為首的350位專家,經過調研和綜合分析后,編寫出版了化學中的機會:今天和明天(:)一書,把分析化學列為美國化學7個需要優先發展的領域之一,并指出分析化學在推進人們弄清環境和生命有關的化學問題中起著關鍵作用11。據英國2001年1月公布的資料,全英國有半數科學家為化學家,其中近1/4為分析化學家。目前對分析化學家的需求很旺盛,全英國化學方面的招聘廣告中有一半都指明要求懂得分析化學。更令人興奮的是2002年的3位諾貝爾化學獎得主全都是分析化學家12。這也是諾貝爾獎歷史上第一次把化學獎授予自稱為分析化學家的學者。在我國,國家自然科學基金委在新世紀中啟動的第一項重大基金也是給分析化學家的(微流控芯片技術的基礎研究),并且在新千年的第一年(2001年)就批準成立了兩個分析化學方面的國家重點實驗室。可以看到,分析化學在經歷了第二次大變革進入分析科學階段后終于迎來了朝氣蓬勃、“當家作主”的第二個春天。我們真的應該大聲地說:“”13!2分析化學的發展趨勢關于這個問題,我已在近幾年發表的一些文章中做過多次探討5,1419,在此僅根據最近的研究簡述如下。2.1 分析儀器已成為分析化學研究的重要內容前已述及,長期以來為大家所接受的關于“分析化學是一門測量和表征的科學”的定義并不確切,不僅未能全面反映分析化學所具有的特殊性,而且還在實踐中把分析化學引向了“只出數據,不出產品”的純服務方向,使分析化學家變成了純粹的“服務員”,其不良后果已十分明顯。那末分析化學到底是一門什么樣的科學呢?關于“分析化學已經發展到了分析科學階段”,“分析化學已經發展成為一門多學科為基礎的綜合性學科”1的論述無疑是正確的,但這是就分析化學的發展階段而論的;稱“分析化學是一門信息科學”的論點20也類似,是就其所起的作用而言的。這些都并不是對分析化學作為一門科學的內涵所下的定義。在這方面,我個人認為前不久美國分析化學雜志發表的由.教授撰寫的“編者的話”中所下的定義,較好地反映了當今分析化學或者分析科學的內涵。他說:“分析化學是一門儀器裝置和測量的科學()”21。這一定義與的定義雖然只有一字之差,即把“表征”()換成了儀器裝置(),并在與測量的順序上作了一下換位,但卻把分析化學從一個純粹的“服務員”變成了兼有“主人”和“服務員”雙重身份、可以大有作為的一門科學。實際上,由于“表征”也是一種“測量”,所以在的定義中這兩者是重復的。在的定義中,明確地把“儀器(裝置)”作為分析化學的主要研究內容,并放在“測量”之前,這反映了當今分析化學發展的動向。英國科學家.曾經說過:“”21。上述觀點也已在一定程度上被不久前出版的、由全世界30位國際著名的分析化學家合作編著的教材22,23所接受。該書對分析化學的定義是“分析化學是發展和應用各種方法、儀器和策略以獲得有關物質在空間和時間方面組成和性質信息的一門科學”( ,)。也就是說,發展儀器是分析化學的一個重要內容。科學發展史也證明,儀器是現代科學發展的基礎。許多重要的科學分支,特別是分析化學的許多分支學科都是從某項重要的儀器裝置的研制成功而建立和發展的。例如,極譜儀的發明產生了極譜學;光譜儀的發明產生了光譜學;色譜儀的發明產生了色譜學;質譜儀的發明產生了質譜學,等等。由此可見儀器創新在分析化學的發展中的重要地位和作用。如果把眼光更放開一些,則可以看到分析儀器還是現代工農業生產中不可缺少的一部分,并且起著“指導者”和“把關者”的作用。在保護環境、打擊違法犯罪和與恐怖主義作斗爭中則是人們手中強大的技術武器。在保障人們健康、防病、治病、預防災害發生等方面也都起著重大作用。把分析儀器的研究作為分析化學的一個主要內容,無疑將促進分析化學的迅速發展。那種把分析化學看成“只出數據,不出產品”51的觀點應該被徹底地拋棄了。2.2 分析化學的主要應用領域正在向生命科學領域轉移16進入20世紀90年代,隨著人們生活質量的提高,人們更加關注自身的健康、長壽,分析化學的重點應用領域開始向醫學和生物工程等生命科學領域轉移。人類基因組計劃就是這方面最典型的例子。食品安全、疾病預防、診斷和治療、反恐斗爭等等無不向分析化學提出了許多前所未有的挑戰,要求分析化學家提供在分子水平上實時研究生命過程、了解基因改造的影響、篩選組合化學方法合成的藥物、現場監測化學和生物武器等的新技術。這種轉移的傾向在近年召開的美國匹茲堡會議上已反映得十分明顯,例如,2000年的200個分會中有42個分會與生命科學有關,2001年的212個分會中有53個分會與生命科學有關,而2002年的227個分會中有75個分會與生命科學有關了。2.3適應應用領域的轉移,分析方法研究的熱點正在和將要發生相應的變化由于生命體系中元素都不以游離狀態發揮作用,加上元素成分分析技術已趨成熟。因此元素成分分析方法的研究將不再成為熱點,但綜合形態分析()有可能加強。生命過程大都與溶液中分子或基團(當然還有其他分子片)的化學反應有關,因此分子光譜,特別是可作為在線和非侵入檢測的振動光譜方法及可同時獲得組成和結構信息的質譜法將成為分析化學研究的重點。電分析方法由于其在溶液電化學和界面性質研究方面的明顯優勢也已主要集中于生命過程的研究。分離技術則將側重于樣品前處理及與各種檢測技術的聯用(也包括合成 分離 檢測技術的聯用)。成像技術,特別是化學成像技術,由于可以得到多維的分子化學信息而將受到越來越多的重視。有人甚至已認定顯微鏡技術和各種光譜方法的結合(即化學成像技術)是“一種探測分子化學的理想工具”16。生命過程都是空間和時間的函數且受到生理甚至心理因素的影響。因此宜采用在體、原位、實時,且最好是非侵入的方法進行檢測。這就要求不斷采用各種高新技術以解決分析化學所面臨的各種越來越復雜的挑戰,這顯然也會是今后分析化學發展過程中一個明顯的特點。這些新技術包括:計算機技術、激光技術、納米技術、芯片技術、光纖技術、仿生技術、微電子技術、生物技術等等。2.4分析化學的發展主要依靠溶液化學反應的時代一去不復返了盡管許多生命過程都在溶液(特別是水溶液)中進行,溶液化學反應也還是一些現代儀器方法(如電化學方法、化學發光法等)賴以獲得信號的基礎,許多樣品制備過程(包括分離、富集等)離不開化學反應,多數待測組分是化學研究的對象,但就目前和今后面臨的大量極富挑戰性的分析問題的解決所能依賴的方法而言,化學的作用顯然將越來越少。人們甚至已可完全不作任何化學處理而獲得樣品成分、結構乃至能態及空間和時間分布的信息(如非侵入式法,電子鼻,射線光譜法,法等等)。從這個意義上講,離化學越來越遠將是今后分析化學發展的又一個很重要的趨勢。3關于我國分析化學學科發展戰略3.1應把分析儀器創新作為分析科學創新的重要內容前面已經談到,分析儀器的研究已經成為分析化學研究的重要內容,因此,當談到分析化學的創新活動時就不能不把分析儀器的創新放在重要的位置上。正如王大珩先生所說,“能不能創造高水平的科學儀器和設備體現了一個民族、一個國家的創新能力。發展科學儀器設備應當視為國家戰略”21。自然科學基金自然是應該資助這種創新活動的,因此,應把資助分析儀器的創新也納入其資助范疇,并將其放在重要的位置上。學術界達成相應的共識當然也十分重要。3.2應大力發展生命科學有關分析儀器和方法的研究既然分析科學的主要應用領域已經轉移到生命科學。因此,有必要加強生命科學有關分析儀器和方法的研究。這里,我認為比較重要的有:各種振動光譜法,質譜法,各種聯用技術,光譜成像技術,微流控芯片技術,適于現場、原位、實時、在線分析用的各種微分析系統,等等。3.3大學應設立獨立的、理工結合的新興學科分析科學專業在我國,長期以來都把儀器制造專業設立在工科,而理科的分析化學專業又不包含分析儀器研制的內容。實際上,工科的儀器制造專業也并沒有把分析儀器放在應有的位置上。因此,分析儀器研制人才的培養實際上一直處于空白狀態,很大程度上限制了我國分析儀器水平的提高和分析科學的發展。許多國有大型分析儀器公司在市場經濟條件下缺乏應有的競爭力,其中的一個重要原因,就是由于缺乏高水平的分析儀器的研究和開發人才。有鑒于此,為了迅速改變這種狀態,在有一定條件的大學盡快設立獨立的、理工結合的分析科學專業,特別是在研究生層次把分析科學作為一門獨立的新興學科加以發展,我認為已經迫在眉睫,十分必要。試談分析化學的明天分析化學是化學學科幾大主要二級學科之一,曾被認為是“現代化學之母”1,“化學是從分析化學開始的”2。但是近年來情況卻發生了變化,從有人說“不管人們喜歡不喜歡,化學正在走出分析化學”3,到1981年英國曼徹斯特大學理工學院建立獨立的“儀器裝置和分析科學系”,及國內外一些單位相繼建立分析科學實驗室或研究所,出版分析科學學報,到最近高鴻先生明確宣布“分析化學的現狀和發展趨勢都在說明分析化學實際上不再是化學的一個分支”2。“分析化學已發展到分析科學階段”在分析化學界幾乎已成了共識。“化學之母”怎么走出了化學?到底是什么原因使分析化學發生了如此巨大的變化?分析化學的明天又會是一個什么樣子?1社會和科學技術的不斷發展改變了分析化學的面貌和內涵關于這個問題,在最近出版的21世紀的分析化學2中,高鴻、汪爾康、黃本立等先生都作了精辟的論述。作者也在1983年4和1986年5作過初步的探討。概括而論,一門學科的發生和發展都有其自身內在的規律,但它是在社會和整個科學技術發展的大環境中發生和發展的,因此又不能不受這個大環境的影響。正是后者“強迫”分析化學面向更廣闊的社會和科學技術問題,同時也提供了解決這些越來越復雜的分析問題的、越來越多的非化學的手段,使分析化學“走出了”化學,成為一門相對獨立的“分析科學”。眾所周知,在化學的發展中,分析化學曾起過極其重大的作用,因為在很長的歷史時期內,化學的前沿研究領域曾經是:發現新元素、研究新元素;發現和合成新的化合物,研究新的化合物5。在這當中,分析化學顯然起著不可或缺甚至是主要的作用。正因為如此,著名科學史家和才在他們合著的分析化學史中稱“分析化學是現代化學之母”1。世界上第一位純分析化學教授(1859年由美國的大學聘任)博士才會成為美國化學會的創始人。但是,分析化學在19世紀末以前,并沒有建立起自己系統的理論基礎,當時它還主要是分析化學家的一門“手藝”()而不是科學。分析方法的發展,主要靠的是“炒菜式”的研究。分析任務的完成,主要憑借的是經驗。19世紀末20世紀初溶液化學的發展,特別是溶液中四大平衡(沉淀 溶解平衡;酸 堿平衡;氧化 還原平衡;絡合反應平衡)理論的建立,為以溶液化學反應為基礎的經典分析化學奠定了理論基礎,使分析化學實現了從“手藝”到科學的飛躍。這就是人們所說的分析化學的第1一次革命。經典分析化學研究的是物質的化學組成,回答的是“有什么()?”和“有多少()?”兩個問題,所用的定量分析方法主要是以溶液化學反應為基礎的重量法和容量法,即所謂化學分析法。二次世界大戰前后,許多新技術(如射線、發射光譜、極譜、紅外光譜、放射性等)的相繼出現,加上戰爭的緊迫需求,使一系列以測量物理或物理化學性質為基礎的“儀器分析方法”得到了迅速的發展,從而促成了分析化學發展史上第二次革命性的飛躍,即從以化學分析法為主的經典分析化學發展成了以儀器分析方法為主的近代分析化學。與經典分析化學方法相比,近代分析化學雖然在所用方法、所測物質的量及測量速度等方面都有顯著變化,但就其研究的對象而論仍然局限于物質的化學組成,試圖回答的問題仍然是“有什么?”“有多少?”。這實際上就是5060年代大學分析化學教科書教給學生的一些內容。20世紀70年代以后,由于科學技術的突飛猛進,新的產業革命逐漸興起,客觀上對分析化學提出了一些空前的要求,同時又為解決這些新問題提供了許多空前的可能性。這些“空前的要求”,主要表現在如下幾方面5:(1)只作元素或化合物成份分析不夠了,越來越多地要求作價態、形態、狀態、結構、甚至能態的測定。(2)只作常量、微量分析不夠了,越來越多地要求作痕量分析,要求作微量樣品的剖析,甚至單原子、分子的檢測也提到了日程上。(3)只求樣品的平均組成不夠了,越來越需要了解各組分的分布(小至幾納米,大至整個生物圈乃至整個宇宙內的分布)。(4)只作靜態分析不夠了,越來越多地要求作動態分析,作快速連續自動分析,作瞬態分析,甚至壽命短至飛秒以下的成份測定。(5)只作實驗室分析不夠了,越來越多地要求作實時分析,甚至要求作在線( , )以至線內( )監測和遙測乃至遠距離監測和診斷。(6)只作破壞性取樣分析不夠了,越來越要求作非破壞性的、非侵入式的無損分析,甚至要求作活體內()原位分析。所謂“空前的可能性”,主要表現在計算機、網絡技術、激光、生物技術、納米技術、光導纖維、功能材料、等離子體、化學計量學等新技術、新材料和新方法的快速發展,為解決上述問題提供了各種前所未有的可能性,從而大大推進了分析化學的發展,并使越來越多的人認識到關于分析化學的經典定義已日漸過時,分析化學要回答的問題已遠遠不止是“有什么?”“有多少?”這樣兩個簡單的問題了。以一切可能的方法和技術(化學的、物理學的、生物醫學的、數學的等等),利用一切可以利用的物質屬性,對一切需要加以表征、鑒別或測定的化學組份(包括無機和有機組份)及其形態、狀態(以至能態)、結構、分布(時、空)等等進行表征、鑒別或測定,以求得對樣品所代表的問題有一個基本的了解,這就是當今分析化學所面臨的任務。顯而易見,這些任務不是傳統意義上的化學分支學科分析化學所能完成的,我體會這也是為什么高鴻先生說“分析化學實際上不再是化學的一個分支”,“分析化學已經發展成為一門多學科為基礎的綜合性科學”的一個主要理由。2分析化學的明天分析化學既已發展到分析科學階段并且“走出了”化學,那么今后到底會怎樣發展?與化學到底還會有一個什么樣的關系呢?下面結合近年匹茲堡會議反映的情況談點個人看法。2.1 分析化學的發展和分析儀器的發展密不可分歷史經驗證明,重大分析儀器的發明往往成為相應學科賴以建立和發展的基礎。原子發射光譜儀(原子發射光譜分析)、極譜儀(極譜學)、射線熒光光譜儀(射線熒光光譜分析)、核磁共振譜儀(波譜學)、色譜儀(色譜法)的發明都是典型的例子。英國著名科學家.爵士說“”。1992年諾貝爾獎得主.也說“現代科學的進步越來越依靠尖端儀器的發展”,這些都是至理名言。也就是說,分析化學家必須拋棄“分析化學只出數據不出產品”的陳腐觀點。所謂“分析化學是研究分析方法的科學”并不是(或至少主要不是)指研究如何用現成的儀器去分析實際樣品(這主要是化驗師的任務),分析化學家的主要精力應放在研究可用于各種實際樣品分析的新原理、新方法和新儀器上,把采用最新的科學和技術成果、研制最新的分析儀器以解決社會生活、科學研究和生產所面臨的新的分析難題作為自己最重要的責任。從這個意義上講,人為地把分析化學專業放在理科,把分析儀器專業放在工科的專業劃分顯然已不合時宜。建立把兩者融為一體、理工合一的分析科學專業將是一個合乎邏輯的發展。2.2 分析化學的主要應用領域將向生命科學(或生物醫學)領域轉移化學是隨分析化學的誕生而誕生的,也即分析化學最初主要應用于化學,回答所研究化學物質的質和量的問題。后來則被廣泛用于地質勘探和冶金。二次大戰期間和戰后初期則被廣泛用于原子能工業,以后是半導體和功能材料,再接下來是環境保護部門。進入20世紀90年代,隨著生命科學的重要性日漸被人們認識,分析化學的應用開始向藥物、醫學和生物工程等領域拓展。在去年和今年的匹茲堡會議上都有約四分之一分會與生命科學直接相關6,7,今年會上的9名得獎者全都與他們所發展的分析方法在生命科學領域的成功應用有關7,這些都說明分析化學的主要應用領域已開始轉移到生物醫學領域。隨著人類基因組計劃的完成和人口老齡化問題的加劇這個趨勢肯定還會增強。需要指出的是,在這方面人們關心的已不單單是一般影響人們健康長壽的有害有毒物質及其引起的直接的病理或生理變化的監測,而是要深入到細胞內部在分子水平上研究生命的過程、基因改造的影響及采用組合化學方法合成藥物時對分析化學的挑戰等等。所用的方法也不再只靠取樣分析,而更多的依靠在體或非侵入式的監測。這方面能發揮最大作用的當然是各種分子光譜方法,特別是各種振動光譜方法。許多學者認為,如果說生命科學是21世紀的一門基礎科學,那么它的發展將絕對離不了作為21世紀技術科學的分析化學的幫助。人類基因組計劃的提前完成就是一個最好的例證。2.3適應應用領域的轉移,分析方法的研究熱點將發生相應的變化由于元素成份分析方法日趨成熟及在生命體系中元素都不以游離狀態發揮作用,因此元素成分分析方法的研究論文日漸減少已成為一個不爭的事實,但綜合形態分析()有可能加強9 186196。而生命過程大都與水溶液中分子或基團的化學反應有關,因此分子光譜特別是溶液分子或基團的分子光譜檢測就成了許多研究工作的重點。電分析方法由于其在溶液電化學性質研究方面的明顯優勢也已主要集中于生命過程的研究。分離技術則主要側重于各種樣品前處理技術及與檢測技術的聯用和進一步提高速度與分離效率方面。成象技術特別是醫學化學成象技術由于可以提供多維信息而將受到越來越多的重視,有人甚至認為顯微鏡技術與各種光譜方法的結合是“一種探測分子化學的理想工具”0 406。實際上多光譜成象或超光譜成象技術已在醫學、食品、法庭科學等許多方面發揮著重大作用。射線的三維成象技術則更是一種較成熟的技術了。最新出現的化學成象技術還有正電子成象技術(),它對于在體研究癌癥的分子生物化學和診斷特別有價值9 535。與許多生產過程和環境事件一樣,生命過程都是時間和空間的函數且受到許多生理甚至心理因素的影響。因此宜采用在體、在線、最好是非侵入式的分析方法。以上這些目標的實現,當然只能靠科學技術的進步。因此不斷采用新出現的各項高新科技成果解決各種各樣分析化學所面臨的挑戰將仍然是分析化學發展的一個明顯的特點。就最近的情況看,下面這些高新技術值得重視68。納米技術:納米技術主要是由材料科學家發展起來的。由于納米晶體(量子點)有許多獨特的電子光學性質,他們已在光電子器件方面得到了成功的應用。量子點在分析化學中的應用則是最近幾年的事0 476,639,804,807,853,854,858,859,1325。眾所周知,用有機染料作熒光探針的方法在生物學和化學中都有很重要的應用,它也是有可能進行溶液中單分子檢測的熒光免疫方法的基礎9。但用有機染料作熒光探針有容易發生光褪色,對環境過于敏感,熒光強度低等缺點。與之相反,采用水溶性半導體量子點(如包有的)其發光強度將比有機染料大20倍,而對光褪色的穩定性則要好100倍以上,量子點還有熒光發射波長可通過量子點的大小加以調節(從可見到近紅外)且發射帶較窄而且對稱,并可以低于量子限制峰的任何波長(一般比發射波長短10即可)加以激發的優點10。量子點又很容易與一些生物活性物質結合而又不至于使后者失去活性,因此特別適于生物反應動力學的研究11。由于激光誘導熒光的極高靈敏度,已可容易地用這種方法觀測細胞內單分子的行為。并有望用于病毒感染、心血管病和癌癥的診斷8 042。同樣,利用納米粒子(或)對拉曼光譜的極大增強作用(達10141015數量級)8 864,用表面增強拉曼光譜法()也可以作溶液中單分子的觀測12。納米粒子在表面等離子體子共振光譜法()0 1323,1659,各種液相色譜通用的高靈敏度聚凝晶化光散射檢測器(0 788)等方面也都有很成功的應用,各種納米尺度的傳感器包括無光纖納米光極(也稱)則更是已經相當成熟的技術了0 205209,1150,1151,1155,8 596,1175。半導體激光器:傳統的二極管激光器已有很大發展并可以大量生產,藍色激光器也已商品化,通過倍頻技術,紫外半導體激光器也已可容易地獲得,但它們的可調波長范圍窄,穩定性也不夠理想。近年出現的量子級聯激光器()和量子阱激光器將可大大超過傳統半導體激光器,因為這種激光器的波長可在很寬的波長范圍內加以調節,而且可在室溫下工作,帶寬也更窄,發射波長的重復性非常好,功率也更高。它們的成功將進一步推進激光光譜分析的發展。最近出現的腔衰蕩光譜法()就是一例,由于這種方法裝置十分簡單,所測量的又是吸收的速率而非吸收的大小,因此將成為一種測量痕量強吸收物質的強有力工具0 667,669,671。其他各種激光光譜分析技術也將因有了這種小巧而強有力的激光器而達到真正的實用化。近紅外光譜法:近紅外光譜富含分子的基團和結構信息,且近紅外輻射穿透深度大而背景吸收干擾小,一般樣品都不必專門制備,因此近紅外光譜法是一種不需試劑、非破壞、非侵入式的快速分析方法,特別適于作連續自動在線監測0 319;8 1338,2188。由于小巧便宜的二極管激光器0 853;8 2016,化學計量學0 313317的發展和對近紅外輻射有很好響應特性的陣列檢測器的研究成功及采用聲光可調濾光片()0 465和液晶可調濾光片()的全電子分光系統的日趨成熟,儀器已完全無可動部件,易于在現場作實時以至瞬時信號的檢測,如病人血糖的監測0 319,1356,1359,藥品質量的監控0 1431,作物種子的篩選,發酵過程的控制等等。化學發光和電生化學發光分析法:由于這類方法利用化學反應本身產生的能量發光,而且是在一個“黑暗的”背景中測量發出的光子,因此有很高的靈敏度,且裝置極為簡單0 409。目前化學發光體系還不多,但電生化學發光的潛力很大0 412,414,并已被用于10-15受體和治療用中和抗體的檢測,有可能發展出一種新的的早期診斷方法0 413,并可用以研究隨機條件下的化學反應9 173。在發展芯片實驗室的過程中,檢測器的微型化是一個主要的問題。可以預期,化學發光檢測將為這一問題的解決提供一條比較理想的出路。仿生技術:陣列檢測器是一個頗受爭議的領域,近年來已有多家從事電子鼻生產的公司倒閉,但仍有14家公司繼續生產著各類電子鼻,所用的傳感器則包括表面聲波()傳感器,本體聲波()傳感器,導電聚合物()傳感器,金屬氧化物()傳感器等9 1375,1378;0 810813,其可靠性和長期穩定性也都已有改進。采用質譜計的電子鼻也已出現。一種有32個傳感器的電子鼻芯片據稱可被訓練得能聞出任何氣體,價格只有傳統電子鼻的十分之一,但目前還只能定性,不能定量。商品電子舌也已出現0 815。由于氣味是人們隨時都要面對的東西,如果能用人造的智能嗅覺和味覺系統來代替人類自身去預先鑒別可能的有害物質,顯然有其巨大的潛在應用價值,因此可以預期,不管會有多少困難,這類陣列傳感器的研究和開發還會不斷繼續下去。生物芯片技術:生物芯片主要有芯片實驗室、基因芯片和蛋白質芯片等。基因芯片是生物芯片中最先商品化的產品,它利用核酸雙鏈的互補堿基間的氫鍵作用,形成穩定的雙鏈結構。通過檢測目的單鏈上的熒光信號實現對樣品的檢測。目前用來檢測基因突變和細胞表達水平的表達基因芯片都已比較成熟。基因芯片的潛在應用領域包括新基因的尋找、測序、疾病診斷(例如肺結核病的診斷)、藥物篩選、農作物優選、司法鑒定等。芯片實驗室也已于去年商品化,它可被看作是一種微型流動分析技術,目前主要用于核酸分析。可以預期它將成為實驗室測量的一種通用平臺。特別是微管道陣列的研究成功為高速處理大量樣品創造了條件。這一技術由于所需樣品和試劑都很少(),芯片本身又可以大批量生產,顯然是一種大有前途的分析技術。但檢測器的微型化和提高靈敏度尚需解決0 418。光譜視網膜技術:所需要的多波長濾光片已研制成功,由它與各種陣列檢測器構成的光譜儀是目前已知的最小的光譜儀(約4433)。色譜分析(特別是液相色譜)的樣品前處理是一個重要而難以對付的步驟,最近發展起來的固相微萃取()0 433,液相微萃取()0 584,特別是管內( ),以及微波萃取技術都是很好的樣品分離富集技術0 435。離子淌度譜()由于可在常壓下工作,被稱為“窮人的質譜”,是一種靈敏度很高的檢測儀器,可用于毒品、化學戰劑、爆炸物的檢測,新近開發的巢式,進一步提高了選擇性和靈敏度0 1016。由于人類基因組計劃的推動,各種序列分析技術自然都成了研究的熱點,但最有前途的還是陣列毛細管電泳和板凝膠電泳,特別是芯片毛細管電泳。數學和統計學方法也將在生物醫學分析領域獲得廣泛應用,并形成新的獨立的學科生物計量學()。2.4作為分析化學發展的物質基礎的分析儀器,其發展將呈現如下幾個特點:2.4.1儀器與計算機結合,強化軟件功能,實現聯網運作,創建虛擬儀器和虛擬實驗室。美國公司稱“軟件就是儀器”,提出“儀器=/+軟件”。惠普公司說,信息技術=測量技術(計算機技術通訊技術),即=2。這些說法都不能被看作是偏激之詞或廣告語,值得我們深思。根據美國1999年5月號對21世紀的預測,其中之一為由于計算機技術的發展(納米碳管計算機、光子計算機、計算機、量子計算機),在數十年內人和機器之間的差別將變得模糊,甚至“靈魂”也將與硅片結為一體。帶有植入神經系統(軟件)的人類將超過自然人,信息將可在瞬間即被這些人所理解,以至教育的目的將不再是“傳道、授