分析儀器在生命科學、環境科學中的應用
2015-08-14
人們為了更好地認識自然、改造自然，需要一定的工具來延伸手及眼的功能。分析儀器為人們提供了不斷深入認識自然的可能性，也為人們在改造自然的過程中起著保證作用。幾乎各行各業都需要應用分析數據控制產品的生產過程和表征產品的質量，以確保各種產品的安全生產和合理使用。在工業生產過程中，對人身安全和健康保證也都離不開分析數據，近年來生命科學、環境科學的發展和深入研究，進一步對分析儀器提出了新的挑戰和苛刻的要求。具體地說，分析樣品量越來越少，己由微量級減少到超微量級，要測定的組分濃度己由50年代10－6級(ppm級) 降低到10－12級(ppt級) 甚至更低，現已有監測極限低到10－18級(attogrom，渺級) 以下技術。
一、 分析儀器在生命科學中的應用
生命科學是以生物的生命過程為研究對象，也是生物、化學、物理、數學等學科之間相互滲透形成的交叉學科。以基礎科學來講，未來發展最迅速，影響最大的可能是生命科學。事實上世界科學技術發達國家都已將生命科學列為優先發展領域。21世紀是生命科學世紀，生命科學的領域主要包括生態平衡、生物化學、醫療診斷、健康保健、醫藥制造、毒品檢驗、食品營養等。分析儀器發揮了重要作用。
提到今天的生命科學，就不能不提到本領域內頭號工程即人類基因研究計劃。自1990年正式起動以來，經過全球科學家的共同努力，目前已完成全部人類基因組序列測定工作，這得益探索大分子－核酸、蛋白質、結構與功能的各種儀器手段。如利用基因堿基互補配對制造出來的聚合酶鏈擴增儀（PCR）。毛細管凝膠電泳儀由于其快速、準確、定量的測定蛋白質、核酸、以及DNA的特點，較傳統板凝膠電泳的速度快25倍，大大促進了這一宏偉計劃的實現。近年來，一系列質譜軟電離技術得到新的發展，使質譜技術發生了突破性的革新，而且使質譜技術在生命科學中的應用得到了前所未有的擴展。毛細管電泳／質譜聯用（CE／MS）儀，已被成功應用于多肽和蛋白質的鑒定中，傅立葉轉換離子回旋共振質譜儀(FTI-CR-MS) 己使得在阿托摩文10－18m0.1L-1水平上進行蛋白質鑒定成為可能，基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF-MS) ，可檢測單核苷酸多肽及寡核苷酸的序列分析，液相色譜、電噴霧質譜儀(LC-ESI-MS) 分析糖蛋白，解決了糖生物分子的研究由于基糖鏈的復雜性及糖蛋白結構分析帶來的困難。傅里葉紅外光譜儀（FT－IR）可進行蛋白質二級結構的定量分析與蛋白構象變化研究，可跟蹤DNA右手螺旋和左手螺旋之間的結構轉變，進行核酸的分析。核磁共振儀（NMR），如高場和多維NMR使生命科學研究達到一個新水平，不僅可研究殘基不多的糖類和核酸，研究肽和蛋白的相互作用和鍵合，多維NMR可研究殘基多于150個的蛋白的結構，也可研究蛋白的氨基酸序列。用來檢測各種體液、血尿、羊水、腦脊髓等，對研究藥物代謝和毒物效果極為有用。原子吸收光譜儀（AAS）和電感耦合等離子質譜（ICP－MS）在人體內微量元素的測定中很有意義。許多元素，特別是微量元素，是生物生命，發育所必需的養分，但一些元素，特別是重金屬元素，如吸收過量則成為毒素。掃描X－射線顯微技術（SXM）分辯率可達10-100nm，可在不染色、不脫水的狀態觀測生物活體樣品。其它的分析儀器如：氣相色譜、液相色譜儀、熒光光度計、拉曼光譜儀等在研究生物大分子的結構及其變化，蛋白質二級結構，DNA和致癌物分子間的作用有許多成功的示例。
近年來專用的生命科學分析儀器，如動態心電圖儀、超聲診斷儀器、磁共振成像儀、血氣分析儀、生化分析儀、血細胞分析儀、免疫分析儀都已在臨床診斷中實際運用。
二、 分析儀器在環境科學中的應用
人類在利用環境，開發環境和改造環境，發展經濟的同時，打破了環境原有的平衡。由于人類對自然資源過渡的開采，對土地破壞性的使用；由于產業結構、工業發展布局的不合理及生產過程中任意向自然界排放有毒有害物質；由于人口的過度膨脹，生活廢棄物驟增，這一切都使得環境發生惡化。為了對環境質量和生態環境進行實時準確的監測，現代環境監測分析儀器發揮了巨大作用。
分析儀器按環境分析的對象可分為水體污染分析、大氣污染分析、土壤污染分析、生物污染分析。包括的分析儀器有：光學分析、電化學分析、放射性分析、熱學分析、色譜分析，它用于有機分析和無機分析，既可定性也可定量，既可做污染環境分析，也可通過流動采樣進行實驗室分析以及污染源頭進行遙測監控。
環境分析實驗室常用的分析儀器有：光學儀器、如紫外可見分光光度計、熒光光度計、原子吸收光度計、等離子體光譜儀、X射線熒光光譜儀和紅外光譜儀；電化學類儀器：如PH計、電導儀、庫侖計、電位滴定儀、離子活度計和各種極譜儀；色譜類儀器，如離子色譜儀、氣相色譜／質譜聯機和液相色譜／質譜聯機等。主要于分析環境中色質、SO42-、電導率、濃度、總有機碳、無機物、金屬、有機物、農藥等分析。
由于微電子、微型傳感器、計算機、新材料以及各種高技術的應用，環境分析儀器正在向小型化、微型化和多參數化方向發展。目前已推出便攜式的氣相色譜儀，近紅外光譜儀，X射線分析儀和多參數水質分析儀（用于測定水質酸堿度、溶氧、濁度、溫度以及其它參數）。便攜式分光光度計用于現場監測、測試氰化物、氨氮、酚類、胺類、砷、汞及鋇等項目。小型有毒有害氣體監測儀，用于現場有毒有害的CO、Cl2、H2S、SO2及可燃氣體。
三、 如何發揮分析儀器的作用
在科學技術飛速發展的今天，沒有多領域、跨學科知識和理論的支持與協作，沒有高精尖的儀器設備的輔助，是難以得到有突破性、有領先水平的科研成績。大型分析儀器設備還起著一定的引導作用，帶動科研發展的步伐。在我國目前的基礎研究或應用基礎研究領域，科研人員所選擇的研究方向往往取決于現有或將要配置的儀器設備。也就是說，配備哪個方面的設備，則造就出相應的科研環境，從而衍生出相應的科學研究方向。
我省在生命科學、環境科學方向分析儀器主要集中在高等院校和科研院所站。還處在一個低水平，高精尖分析儀器少，一般分析儀器設備重復投入，能熟練掌握和運用分析儀器的專業人才稀缺。與國內外分析儀器行業及學術團體的合作交流不夠。為此應采取多種措施，進行體制改革、優化組合、資源共享調動一切有利因素，希望在較短的時間內趕上或超過國內先進水平。
1、 加強管理、充分利用。在國家還不是很富裕的今天，高精尖儀器設備引進后如何得到有效的使用以及使用的結果如何是一個十分重要的問題。科學工作者、設備管理人員對儀器的掌握熟悉程度，是否能達到預期目的，是否能使本單位科研水平上一個臺階，與該單位有多少科學工作者使用它以及對設備的管理措施。共用性等密切相關。應對大型分析儀器設備采取共用原理進行管理。打破部門所有的限制，以充分發揮分析儀器的使用率。
2、各高等院校、科研機構的數量以及整體的科研水平 也存在發展不平衡情況，相互間有較大差距。在飛行儀器設備的配備上，應本著基礎設備與高精設備并存原則。在滿足高層次研究需要的同時，需兼顧到科研水平的整體提高，適當傾斜對薄弱環節的投資，以達到提高整體研究水平的目的。
3、合理配置，在有限的經濟財力的支持下，高等院校及科研單位的分析儀器設備應爭取小型分散，大型集中的配備原則，即普及型、基礎的分析儀器設備可多數單位擁有。
一、 分析儀器在生命科學中的應用
生命科學是以生物的生命過程為研究對象，也是生物、化學、物理、數學等學科之間相互滲透形成的交叉學科。以基礎科學來講，未來發展最迅速，影響最大的可能是生命科學。事實上世界科學技術發達國家都已將生命科學列為優先發展領域。21世紀是生命科學世紀，生命科學的領域主要包括生態平衡、生物化學、醫療診斷、健康保健、醫藥制造、毒品檢驗、食品營養等。分析儀器發揮了重要作用。
提到今天的生命科學，就不能不提到本領域內頭號工程即人類基因研究計劃。自1990年正式起動以來，經過全球科學家的共同努力，目前已完成全部人類基因組序列測定工作，這得益探索大分子－核酸、蛋白質、結構與功能的各種儀器手段。如利用基因堿基互補配對制造出來的聚合酶鏈擴增儀（PCR）。毛細管凝膠電泳儀由于其快速、準確、定量的測定蛋白質、核酸、以及DNA的特點，較傳統板凝膠電泳的速度快25倍，大大促進了這一宏偉計劃的實現。近年來，一系列質譜軟電離技術得到新的發展，使質譜技術發生了突破性的革新，而且使質譜技術在生命科學中的應用得到了前所未有的擴展。毛細管電泳／質譜聯用（CE／MS）儀，已被成功應用于多肽和蛋白質的鑒定中，傅立葉轉換離子回旋共振質譜儀(FTI-CR-MS) 己使得在阿托摩文10－18m0.1L-1水平上進行蛋白質鑒定成為可能，基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF-MS) ，可檢測單核苷酸多肽及寡核苷酸的序列分析，液相色譜、電噴霧質譜儀(LC-ESI-MS) 分析糖蛋白，解決了糖生物分子的研究由于基糖鏈的復雜性及糖蛋白結構分析帶來的困難。傅里葉紅外光譜儀（FT－IR）可進行蛋白質二級結構的定量分析與蛋白構象變化研究，可跟蹤DNA右手螺旋和左手螺旋之間的結構轉變，進行核酸的分析。核磁共振儀（NMR），如高場和多維NMR使生命科學研究達到一個新水平，不僅可研究殘基不多的糖類和核酸，研究肽和蛋白的相互作用和鍵合，多維NMR可研究殘基多于150個的蛋白的結構，也可研究蛋白的氨基酸序列。用來檢測各種體液、血尿、羊水、腦脊髓等，對研究藥物代謝和毒物效果極為有用。原子吸收光譜儀（AAS）和電感耦合等離子質譜（ICP－MS）在人體內微量元素的測定中很有意義。許多元素，特別是微量元素，是生物生命，發育所必需的養分，但一些元素，特別是重金屬元素，如吸收過量則成為毒素。掃描X－射線顯微技術（SXM）分辯率可達10-100nm，可在不染色、不脫水的狀態觀測生物活體樣品。其它的分析儀器如：氣相色譜、液相色譜儀、熒光光度計、拉曼光譜儀等在研究生物大分子的結構及其變化，蛋白質二級結構，DNA和致癌物分子間的作用有許多成功的示例。
近年來專用的生命科學分析儀器，如動態心電圖儀、超聲診斷儀器、磁共振成像儀、血氣分析儀、生化分析儀、血細胞分析儀、免疫分析儀都已在臨床診斷中實際運用。
二、 分析儀器在環境科學中的應用
人類在利用環境，開發環境和改造環境，發展經濟的同時，打破了環境原有的平衡。由于人類對自然資源過渡的開采，對土地破壞性的使用；由于產業結構、工業發展布局的不合理及生產過程中任意向自然界排放有毒有害物質；由于人口的過度膨脹，生活廢棄物驟增，這一切都使得環境發生惡化。為了對環境質量和生態環境進行實時準確的監測，現代環境監測分析儀器發揮了巨大作用。
分析儀器按環境分析的對象可分為水體污染分析、大氣污染分析、土壤污染分析、生物污染分析。包括的分析儀器有：光學分析、電化學分析、放射性分析、熱學分析、色譜分析，它用于有機分析和無機分析，既可定性也可定量，既可做污染環境分析，也可通過流動采樣進行實驗室分析以及污染源頭進行遙測監控。
環境分析實驗室常用的分析儀器有：光學儀器、如紫外可見分光光度計、熒光光度計、原子吸收光度計、等離子體光譜儀、X射線熒光光譜儀和紅外光譜儀；電化學類儀器：如PH計、電導儀、庫侖計、電位滴定儀、離子活度計和各種極譜儀；色譜類儀器，如離子色譜儀、氣相色譜／質譜聯機和液相色譜／質譜聯機等。主要于分析環境中色質、SO42-、電導率、濃度、總有機碳、無機物、金屬、有機物、農藥等分析。
由于微電子、微型傳感器、計算機、新材料以及各種高技術的應用，環境分析儀器正在向小型化、微型化和多參數化方向發展。目前已推出便攜式的氣相色譜儀，近紅外光譜儀，X射線分析儀和多參數水質分析儀（用于測定水質酸堿度、溶氧、濁度、溫度以及其它參數）。便攜式分光光度計用于現場監測、測試氰化物、氨氮、酚類、胺類、砷、汞及鋇等項目。小型有毒有害氣體監測儀，用于現場有毒有害的CO、Cl2、H2S、SO2及可燃氣體。
三、 如何發揮分析儀器的作用
在科學技術飛速發展的今天，沒有多領域、跨學科知識和理論的支持與協作，沒有高精尖的儀器設備的輔助，是難以得到有突破性、有領先水平的科研成績。大型分析儀器設備還起著一定的引導作用，帶動科研發展的步伐。在我國目前的基礎研究或應用基礎研究領域，科研人員所選擇的研究方向往往取決于現有或將要配置的儀器設備。也就是說，配備哪個方面的設備，則造就出相應的科研環境，從而衍生出相應的科學研究方向。
我省在生命科學、環境科學方向分析儀器主要集中在高等院校和科研院所站。還處在一個低水平，高精尖分析儀器少，一般分析儀器設備重復投入，能熟練掌握和運用分析儀器的專業人才稀缺。與國內外分析儀器行業及學術團體的合作交流不夠。為此應采取多種措施，進行體制改革、優化組合、資源共享調動一切有利因素，希望在較短的時間內趕上或超過國內先進水平。
1、 加強管理、充分利用。在國家還不是很富裕的今天，高精尖儀器設備引進后如何得到有效的使用以及使用的結果如何是一個十分重要的問題。科學工作者、設備管理人員對儀器的掌握熟悉程度，是否能達到預期目的，是否能使本單位科研水平上一個臺階，與該單位有多少科學工作者使用它以及對設備的管理措施。共用性等密切相關。應對大型分析儀器設備采取共用原理進行管理。打破部門所有的限制，以充分發揮分析儀器的使用率。
2、各高等院校、科研機構的數量以及整體的科研水平 也存在發展不平衡情況，相互間有較大差距。在飛行儀器設備的配備上，應本著基礎設備與高精設備并存原則。在滿足高層次研究需要的同時，需兼顧到科研水平的整體提高，適當傾斜對薄弱環節的投資，以達到提高整體研究水平的目的。
3、合理配置，在有限的經濟財力的支持下，高等院校及科研單位的分析儀器設備應爭取小型分散，大型集中的配備原則，即普及型、基礎的分析儀器設備可多數單位擁有。
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