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為促進跨越式發展 須創新分析儀器的研發思路

日期:2008-03-31  來源:機經網  作者:cfmif  點擊:

一.加速分析儀器發展刻不容緩
  據美國國家工業技術研究院(NIST)統計,美國每天要完成2.5億個檢測,需要大量種類繁多的分析和檢測儀器。上世紀90年代初,美國商業部國家標準局(NBS)評估儀器儀表工業對美國國民經濟總產值(GNP)的影響作用的調查報告就稱:儀器儀表工業總產值雖只占工業總產值的4%,但它對國民經濟的影響高達66%。
  值得欣慰的是我國分析化學界對此有著清醒的認識。早在1995年6月,就召開了“21世紀的分析科學”香山學術討論會。這是一次具有歷史意義的會議。香山會議在討論發展分析科學與發展我國分析儀器工業的關系時,與會學者強烈支持盧嘉錫等20位院士提出的“振興中國儀器儀表工業”建議。認為分析科學水平位居世界前列的先進國家基本上均是分析儀器生產大國,其分析儀器的產值在國民生產總值與對外貿易總額中占有相當的額度。我國分析儀器的發展尚處在比較落后狀態,我國科研上的投入有大量資金消耗在引進國外分析儀器上。與會者呼吁:大力支持以我國分析工作者自己的新學術思想構思為根基的分析測試系統的研制,積極發展有關分析儀器智能化等方面的化學計量學與接口技術研究,努力促進適合我國國情與具有本國特色的新型分析儀器的研制;應鼓勵分析儀器生產廠家利用和進一步開發分析科學工作者創造的新分析儀器系統,對他們將科研成果轉化為生產力的努力給予支持與鼓勵,而對購置進口分析儀器,以及盲目引進我國分析工作者有能力研制的分析儀器生產線要進行限制。建議考慮對分析科學在這方面的研究工作實施基金扶持,以及制定激勵本國分析儀器及相關工業發展的政策等。這些認識及建議,具有前瞻性,可謂高屋建瓴;遺憾的是,我國相關決策及管理部門對此重視不足。
  目前我國科學儀器總體水平與國際先進水平已存在明顯的差距。自主研發投入少,核心技術不多;市場巨大但卻主要依靠進口,科學研究“空芯化”現象嚴重,使得我國科技創新面臨十分不利的局面。
  今年6月,中國儀器儀表學會等在北京人民大會堂舉辦了“儀器科學技術創新與發展——王大珩院士關于科學儀器重要思想報告會”。王老認為:儀器儀表看似“配角”實為“核心”。會議提出要以儀器科學技術創新與發展為著眼點,大力開展創新方法研究,全面提升自主創新能力;應當把儀器和機器放到同等地位上,把儀器工業與機械工業同等看待。儀器是機械學、電子學、光學、計算機技術、材料科學、物理學、化學、生物學等學科和先進技術綜合作用下的高技術產物。會上,國家科技部劉燕華副部長強調指出:要將科學儀器設備自主創新擺在科技工作的突出位置。
  8月,北京召開了“國產科學儀器應用、創新和產業化學術研討會”,與會代表近200人。科技部條財司吳波爾司長就“大力發展科學儀器設備切實增強自主創新能力”作了大會報告。在肯定我國科學儀器成績的同時也提出了不足,并為國產儀器設備發展指明了的思路和方向。
  我們應該充分認識到自主研發科學儀器意義重大。從某種意義上說,誰掌握了最先進的科學儀器,誰就掌握了科技發展的優先權、人民健康的保障權、商業標準的制定權以及突發事件的主動控制權。因此,加速分析儀器發展,刻不容緩。

二.發展分析儀器需要思路創新
  分析檢測技術和分析儀器是人類認識自然、了解物質構成及其變化必不可少的技術手段,是人類感官功能的延伸和發展。100多年來它伴隨著科技和社會發展而不斷進步,同時,其發展又推動了科學技術的進步。
  《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020)》提出,我們必須堅持“自主創新、重點跨越、支撐發展、引領未來”的方針,通過加強科學儀器自主研發,以及監測技術、檢測技術、測試技術、勘探測試技術等工作的戰略部署,采取原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新等自主創新模式,結合學科發展和國家需求,進一步加強分析儀器及裝備研究發展工作。同時指出,科學儀器自主創新在國家層面上的具體發展思路包括:1)要特別開展一些科學儀器的新原理、新設計、新工藝的研究和開發;2)要充分集成光學、機械、電子、計算機、物理、化學、生物等方面力量,綜合運用激光、超導、納米、生物芯片、MEMS技術等高新技術,加強重要科學儀器的自主研發。攻克一批關鍵核心技術和核心部件,研制與生命科學、材料科學等新興領域相關的重大科學儀器。研制涉及我國獨特資源和獨特環境的科學儀器,研制與大科學裝置配套的重要科學儀器;3)開展科學儀器升級改造技術研究開發,加強重要科學儀器消化吸收再創新,研究開發與現有科學儀器配套的關鍵部件,拓展現有科學儀器功能,提升其性能指標;4)高度重視科學儀器的輔助設備的研究開發;5)加強科學儀器成果二次創新等。
  而研發分析儀器的思路創新首先應該建立在對現代分析化學理論及應用的科學理解基礎之上。所謂現代分析化學,一般認為是研究檢測物質組成、含量、結構及狀態和研究解決各種化學理論及實際問題的測試方法及其相關理論的一門科學(分析科學)。針對復雜分析化學問題,一般思路是先將復雜問題簡單化,分而析之,然后加以綜合。
  各種分析方法的基礎一般可分為利用物質與場的相互作用、利用化學中的幾大矛盾(四大化學平衡、抗原與抗體、酶與底物、蛋白活性激發與抑制)以及先分離后檢測等多類。常用的分離方法包括:揮發與蒸餾、沉淀與過濾、萃取、經典色譜、離子交換、浮選、電泳、膜分離等;此外,尚有離心、密度梯度、透析、電滲透等。現代分離方法包括:固相萃取與微萃取、超臨界萃取、微滴萃取、微波萃取、色譜分離、毛細管電泳等。已有許多分析儀器就是利用上述方法原理研制發展起來的。最常用的色譜類分析儀器就是先分離后測試相結合的實例。
  現代分析化學,不僅需要定性分析,更需要定量分析;策略上,一般遵循相對分析原理。定性分析,需要參照物,需要考慮專一性(選擇性)、靈敏度等;定量分析,則需要標準物,需要考慮選擇性、線性范圍、檢測下限等品質因數。綜合考慮定量分析過程中涉及的標準樣、預測樣、測量原理、測量儀器以及測量選擇性、背景干擾、基體效應等因素,我們認為,分析儀器發展需要方法學思路創新。“數學分離”可以成為研發分析儀器的創新點,促進分析儀器跨越式發展。所謂“數學分離”,一般是指利用數學方法處理復雜體系的復合響應信號,以獲得復雜體系各組分相應特征信號,可進一步進行組分定性和定量分析,從而達到與先分離后分析相同的效果。這一過程,又可稱作“數學分離”過程。“數學分離”一般基于三維數陣分析。利用“數學分離”與現代多通道測試手段相結合,可以研發系列新型分析儀器。

三.我們實施分析儀器跨越式發展的若干思考
  2004年2月20日上午,2003年度國家科學技術獎勵大會在人民大會堂隆重舉行,本課題組“復雜體系成分分析及波譜結構解析的化學計量學研究”科研成果獲得國家自然科學二等獎。這一成果后被評為2004年度中國分析測試及儀器行業十大新聞之一。其第一部分內容主要就是這里強調的“數學分離”及其應用。
  最近十多年來,我們綜合利用現代分析分離技術,結合研究應用數學、生命科學等領域最新成果,研究利用化學系統信息結構特征,在化學計量學基礎研究中取得了較深入的創新性成果。我們打開了現代分析科學中三維數陣分析理論及應用研究的新局面,拓展了化學計量學研究領域。率先規范了三維數陣分析研究的理論平臺,提議改善了三維數陣科學的符號體系,發現了三線性模型的循環對稱性,規范了模型及方法的分類,開展了三維數陣化學秩估計新方法研究。基于交替最小二乘原理,提出了交替三線性分解算法及以此為基礎的張量校正法和張量標準加入法等,建立了優勢突出的自加權交替三線性分解、交替懲罰三線性分解、交替不對稱三線性分解等系列新方法及新算法,進一步改善了三維數陣分解的唯一性理論,倡導并力行以“數學分離”代替或增強化學和物理分離,在解決復雜體系快速同時定量分析和化學動力學過程近實時解析等分析難題中獲得突破,發展了現代分析化學定量分析新理論,也為研制新型分析儀器提供了新的設計依據。我們認為,將多維數陣分析方法如張量校正等方法與高維分析儀器共同組成量測手段是解決環境、材料、生命等科學中一些復雜多組分體系以及化學動力學體系的分辨解析、定量分析等問題的最有效途徑之一,具有經濟、快速、準確、近實時、功能強大等優勢。我們利用該法所特有“二階優勢”,可直接用于未知干擾共存下待測多組分的同時快速定性定量分析,用于復雜體系動力學過程中多組分的近實時表征和同時分辨解析。這將對化學各分支學科,其中特別是生物化學、環境化學、藥物化學等學科帶來較大影響,為直接解決這些分支學科中的實際分析難題提供有力武器,同時,可使分析化學計量學與現代儀器分析新技術實現有機結合,為構建新一代高性能化分析儀器奠定基礎。
  我們建立的三維數陣分析及張量校正分析等方面的一些新方法,正逐步得到國際同行的認同。有關代表性論文獲得“分析化學百科全書”綜述文章的較大篇幅引用。這篇由國際化學計量學學會創始人和前會長、美國華盛頓大學B.R. Kowalski教授等所撰寫的綜述對此給予較高評價。有關研究成果已被“Factor Analysis in Chemistry”這一國際分析化學界名著的第三版以新增章節形式獨立介紹。該書以長達4頁的顯著篇幅介紹了我們的多個三線性分辨及校正新方法。
  國際上已有阿根廷、巴西、加拿大、美國、西班牙、荷蘭、丹麥、意大利、日本、伊朗等學術小組,通過研究表明,本實驗室發展的三線性分解算法及二階校正方法等是國際上同類工作中性能最好者之一。美國分析化學雙年綜述評論也多次給予較高評價。海外Wiley 網站專門報導了本實驗室工作,給予高度評價。近期,由阿根廷、西班牙、荷蘭、巴西等四國著名分析化學家應邀共同撰寫的發表在Trends on Analytical Chemistry的一篇有關三線性分解及二階校正的最新專題綜述,引用136篇文獻,其中本實驗室提出新方法的文獻占11篇,國外其他實驗室應用本實驗室建立的方法解決其實際問題的文獻有8篇。文章認為本實驗室工作處于國際定量分析化學(二階校正)理論及應用的研究前沿。
  鑒于我們已經取得的研究成果和影響,我們完全有理由相信,通過發揮我們的分析化學方法學研究優勢,可以創新分析儀器研發思路,研制系列新型分析儀器,促進分析儀器產業跨越式發展。
  首先在戰略層面上,我們應該面向分析化學實際問題,進行分析儀器方法學創新,把“數學分離”作為分析儀器創新的著眼點;研制“數學分離”模塊,作為分析儀器的關鍵部件之一,使其成為具有自主知識產權的分析儀器的必要組合部件,實現分析儀器系統的整體優化或簡化;可根據實際問題的不同分析對象、不同分析原理、不同分析范圍等,研制相應的通用或專用性部件乃至分析儀器,實現分析儀器系列化生產。
  在戰術層面上,我們首先可以開展如下工作:1)研制便攜式智能(三線性)熒光分析儀;2)研制醫用藥物熒光定量分析儀;3)研制系列通用或專用熒光定量分析儀;4)研制多維色譜數據處理性能增強模塊,如進行重疊峰待測組分定量分析、全二維色譜三維漂移扣除/定量分析等。
  總之,我們一定要抓住我國目前分析儀器發展這一機遇,獨辟蹊徑,以“數學分離”作為亮點,創新分析儀器研發思路,研制系列新型分析儀器,為實現我國分析儀器產業跨越式發展,做出我們應有的貢獻。

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