创新分析仪器研发思路 促进跨越式发展

一.加速分析仪器发展刻不容缓 
　　据美国国家工业技术研究院(NIST)统计，美国每天要完成2.5亿个检测，需要大量种类繁多的分析和检测仪器。上世纪90年代初，美国商业部国家标准局(NBS)评估仪器仪表工业对美国国民经济总产值(GNP)的影响作用的调查报告就称：仪器仪表工业总产值虽只占工业总产值的4%，但它对国民经济的影响高达66%。 
　　值得欣慰的是我国分析化学界对此有着清醒的认识。早在1995年6月，就召开了“21世纪的分析科学”香山学术讨论会。这是一次具有历史意义的会议。香山会议在讨论发展分析科学与发展我国分析仪器工业的关系时，与会学者强烈支持卢嘉锡等20位院士提出的“振兴中国仪器仪表工业”建议。认为分析科学水平位居世界前列的先进国家基本上均是分析仪器生产大国，其分析仪器的产值在国民生产总值与对外贸易总额中占有相当的额度。我国分析仪器的发展尚处在比较落后状态，我国科研上的投入有大量资金消耗在引进国外分析仪器上。与会者呼吁：大力支持以我国分析工作者自己的新学术思想构思为根基的分析测试系统的研制，积极发展有关分析仪器智能化等方面的化学计量学与接口技术研究，努力促进适合我国国情与具有本国特色的新型分析仪器的研制;应鼓励分析仪器生产厂家利用和进一步开发分析科学工作者创造的新分析仪器系统，对他们将科研成果转化为生产力的努力给予支持与鼓励，而对购置进口分析仪器，以及盲目引进我国分析工作者有能力研制的分析仪器生产线要进行限制。建议考虑对分析科学在这方面的研究工作实施基金扶持，以及制定激励本国分析仪器及相关工业发展的政策等。这些认识及建议，具有前瞻性，可谓高屋建瓴;遗憾的是，我国相关决策及管理部门对此重视不足。 
　　目前我国科学仪器总体水平与国际先进水平已存在明显的差距。自主研发投入少，核心技术不多;市场巨大但却主要依靠进口，科学研究“空芯化”现象严重，使得我国科技创新面临十分不利的局面。 
　　今年6月，中国仪器仪表学会等在北京人民大会堂举办了“仪器科学技术创新与发展——王大珩院士关于科学仪器重要思想报告会”。王老认为：仪器仪表看似“配角”实为“核心”。会议提出要以仪器科学技术创新与发展为着眼点，大力开展创新方法研究，全面提升自主创新能力;应当把仪器和机器放到同等地位上，把仪器工业与机械工业同等看待。仪器是机械学、电子学、光学、计算机技术、材料科学、物理学、化学、生物学等学科和先进技术综合作用下的高技术产物。会上，国家科技部刘燕华副部长强调指出：要将科学仪器设备自主创新摆在科技工作的突出位置。 
　　8月，北京召开了“国产科学仪器应用、创新和产业化学术研讨会”，与会代表近200人。科技部条财司吴波尔司长就“大力发展科学仪器设备切实增强自主创新能力”作了大会报告。在肯定我国科学仪器成绩的同时也提出了不足，并为国产仪器设备发展指明了的思路和方向。 
　　我们应该充分认识到自主研发科学仪器意义重大。从某种意义上说，谁掌握了最先进的科学仪器，谁就掌握了科技发展的优先权、人民健康的保障权、商业标准的制定权以及突发事件的主动控制权。因此，加速分析仪器发展，刻不容缓。 
　　二.发展分析仪器需要思路创新 
　　分析检测技术和分析仪器是人类认识自然、了解物质构成及其变化必不可少的技术手段，是人类感官功能的延伸和发展。100多年来它伴随着科技和社会发展而不断进步，同时，其发展又推动了科学技术的进步。 
　　《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》提出，我们必须坚持“自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来”的方针，通过加强科学仪器自主研发，以及监测技术、检测技术、测试技术、勘探测试技术等工作的战略部署，采取原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新等自主创新模式，结合学科发展和国家需求，进一步加强分析仪器及装备研究发展工作。同时指出，科学仪器自主创新在国家层面上的具体发展思路包括：1)要特别开展一些科学仪器的新原理、新设计、新工艺的研究和开发;2)要充分集成光学、机械、电子、计算机、物理、化学、生物等方面力量，综合运用激光、超导、纳米、生物芯片、MEMS技术等高新技术，加强重要科学仪器的自主研发。攻克一批关键核心技术和核心部件，研制与生命科学、材料科学等新兴领域相关的重大科学仪器。研制涉及我国独特资源和独特环境的科学仪器，研制与大科学装置配套的重要科学仪器;3)开展科学仪器升级改造技术研究开发，加强重要科学仪器消化吸收再创新，研究开发与现有科学仪器配套的关键部件，拓展现有科学仪器功能，提升其性能指标;4)高度重视科学仪器的辅助设备的研究开发;5)加强科学仪器成果二次创新等。 
　　而研发分析仪器的思路创新首先应该建立在对现代分析化学理论及应用的科学理解基础之上。所谓现代分析化学，一般认为是研究检测物质组成、含量、结构及状态和研究解决各种化学理论及实际问题的测试方法及其相关理论的一门科学(分析科学)。针对复杂分析化学问题，一般思路是先将复杂问题简单化，分而析之，然后加以综合。 
　　各种分析方法的基础一般可分为利用物质与场的相互作用、利用化学中的几大矛盾(四大化学平衡、抗原与抗体、酶与底物、蛋白活性激发与抑制)以及先分离后检测等多类。常用的分离方法包括：挥发与蒸馏、沉淀与过滤、萃取、经典色谱、离子交换、浮选、电泳、膜分离等;此外，尚有离心、密度梯度、透析、电渗透等。现代分离方法包括：固相萃取与微萃取、超临界萃取、微滴萃取、微波萃取、色谱分离、毛细管电泳等。已有许多分析仪器就是利用上述方法原理研制发展起来的。最常用的色谱类分析仪器就是先分离后测试相结合的实例。 
　　现代分析化学，不仅需要定性分析，更需要定量分析;策略上，一般遵循相对分析原理。定性分析，需要参照物，需要考虑专一性(选择性)、灵敏度等;定量分析，则需要标准物，需要考虑选择性、线性范围、检测下限等品质因数。综合考虑定量分析过程中涉及的标准样、预测样、测量原理、测量仪器以及测量选择性、背景干扰、基体效应等因素，我们认为，分析仪器发展需要方法学思路创新。“数学分离”可以成为研发分析仪器的创新点，促进分析仪器跨越式发展。所谓“数学分离”，一般是指利用数学方法处理复杂体系的复合响应信号，以获得复杂体系各组分相应特征信号，可进一步进行组分定性和定量分析，从而达到与先分离后分析相同的效果。这一过程，又可称作“数学分离”过程。“数学分离”一般基于三维数阵分析。利用“数学分离”与现代多通道测试手段相结合，可以研发系列新型分析仪器。 
　　三.我们实施分析仪器跨越式发展的若干思考 
　　2004年2月20日上午，2003年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂隆重举行，本课题组“复杂体系成分分析及波谱结构解析的化学计量学研究”科研成果获得国家自然科学二等奖。这一成果后被评为2004年度中国分析测试及仪器行业十大新闻之一。其第一部分内容主要就是这里强调的“数学分离”及其应用。 
　　最近十多年来，我们综合利用现代分析分离技术，结合研究应用数学、生命科学等领域最新成果，研究利用化学系统信息结构特征，在化学计量学基础研究中取得了较深入的创新性成果。我们打开了现代分析科学中三维数阵分析理论及应用研究的新局面，拓展了化学计量学研究领域。率先规范了三维数阵分析研究的理论平台，提议改善了三维数阵科学的符号体系，发现了三线性模型的循环对称性，规范了模型及方法的分类，开展了三维数阵化学秩估计新方法研究。基于交替最小二乘原理，提出了交替三线性分解算法及以此为基础的张量校正法和张量标准加入法等，建立了优势突出的自加权交替三线性分解、交替惩罚三线性分解、交替不对称三线性分解等系列新方法及新算法，进一步改善了三维数阵分解的唯一性理论，倡导并力行以“数学分离”代替或增强化学和物理分离，在解决复杂体系快速同时定量分析和化学动力学过程近实时解析等分析难题中获得突破，发展了现代分析化学定量分析新理论，也为研制新型分析仪器提供了新的设计依据。我们认为，将多维数阵分析方法如张量校正等方法与高维分析仪器共同组成量测手段是解决环境、材料、生命等科学中一些复杂多组分体系以及化学动力学体系的分辨解析、定量分析等问题的最有效途径之一，具有经济、快速、准确、近实时、功能强大等优势。我们利用该法所特有“二阶优势”，可直接用于未知干扰共存下待测多组分的同时快速定性定量分析，用于复杂体系动力学过程中多组分的近实时表征和同时分辨解析。这将对化学各分支学科，其中特别是生物化学、环境化学、药物化学等学科带来较大影响，为直接解决这些分支学科中的实际分析难题提供有力武器，同时，可使分析化学计量学与现代仪器分析新技术实现有机结合，为构建新一代高性能化分析仪器奠定基础。 
　　我们建立的三维数阵分析及张量校正分析等方面的一些新方法，正逐步得到国际同行的认同。有关代表性论文获得“分析化学百科全书”综述文章的较大篇幅引用。这篇由国际化学计量学学会创始人和前会长、美国华盛顿大学B.R. Kowalski教授等所撰写的综述对此给予较高评价。有关研究成果已被“Factor Analysis in Chemistry”这一国际分析化学界名著的第三版以新增章节形式独立介绍。该书以长达4页的显著篇幅介绍了我们的多个三线性分辨及校正新方法。 
　　国际上已有阿根廷、巴西、加拿大、美国、西班牙、荷兰、丹麦、意大利、日本、伊朗等学术小组，通过研究表明，本实验室发展的三线性分解算法及二阶校正方法等是国际上同类工作中性能最好者之一。美国分析化学双年综述评论也多次给予较高评价。海外Wiley 网站专门报导了本实验室工作，给予高度评价。近期，由阿根廷、西班牙、荷兰、巴西等四国著名分析化学家应邀共同撰写的发表在Trends on Analytical Chemistry的一篇有关三线性分解及二阶校正的最新专题综述，引用136篇文献，其中本实验室提出新方法的文献占11篇，国外其他实验室应用本实验室建立的方法解决其实际问题的文献有8篇。文章认为本实验室工作处于国际定量分析化学(二阶校正)理论及应用的研究前沿。 
　　鉴于我们已经取得的研究成果和影响，我们完全有理由相信，通过发挥我们的分析化学方法学研究优势，可以创新分析仪器研发思路，研制系列新型分析仪器，促进分析仪器产业跨越式发展。 
　　首先在战略层面上，我们应该面向分析化学实际问题，进行分析仪器方法学创新，把“数学分离”作为分析仪器创新的着眼点;研制“数学分离”模块，作为分析仪器的关键部件之一，使其成为具有自主知识产权的分析仪器的必要组合部件，实现分析仪器系统的整体优化或简化;可根据实际问题的不同分析对象、不同分析原理、不同分析范围等，研制相应的通用或专用性部件乃至分析仪器，实现分析仪器系列化生产。 
　　在战术层面上，我们首先可以开展如下工作：1)研制便携式智能(三线性)荧光分析仪;2)研制医用药物荧光定量分析仪;3)研制系列通用或专用荧光定量分析仪;4)研制多维色谱数据处理性能增强模块，如进行重叠峰待测组分定量分析、全二维色谱三维漂移扣除/定量分析等。 
　　总之，我们一定要抓住我国目前分析仪器发展这一机遇，独辟蹊径，以“数学分离”作为亮点，创新分析仪器研发思路，研制系列新型分析仪器，为实现我国分析仪器产业跨越式发展，做出我们应有的贡献。