我國分析化學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略.doc

我國分析化學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略摘要分析化學(xué)經(jīng)歷了二次重大的變革。分析科學(xué)是分析化學(xué)發(fā)展的新階段,使分析化學(xué)迎來了第二個春天。分析科學(xué)與傳統(tǒng)分析化學(xué)有重大區(qū)別,是多學(xué)科交叉而成的新學(xué)科。從人才培養(yǎng)的角度出發(fā),有必要在大學(xué)中設(shè)立獨立的、理工結(jié)合的分析科學(xué)專業(yè)。分析儀器創(chuàng)新是分析化學(xué)創(chuàng)新的重要內(nèi)容。分析化學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域正向生命科學(xué)轉(zhuǎn)移,分析方法發(fā)展的重點應(yīng)有相應(yīng)的變化。談一門學(xué)科的發(fā)展戰(zhàn)略,不能不弄清這一學(xué)科的發(fā)展歷程和趨勢,因此,為了正確探討我國分析化學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略,有必要先回顧和研究一下它的歷史發(fā)展和發(fā)展趨勢。1分析化學(xué)發(fā)展簡史關(guān)于分析化學(xué)的發(fā)展史,比較普遍的看法是認為它經(jīng)歷了3次重大的變革(或革命),即:第一次變革發(fā)生在19世紀(jì)末20世紀(jì)初,分析化學(xué)從分析化學(xué)家的“手藝”()變成了“科學(xué)”();第二次變革發(fā)生在第二次世界大戰(zhàn)前后,分析化學(xué)從以溶液化學(xué)分析為主的經(jīng)典分析化學(xué)發(fā)展成了以儀器分析為主的現(xiàn)代分析化學(xué);第三次變革則從20世紀(jì)70年代末開始直到現(xiàn)在,分析化學(xué)發(fā)展到了分析科學(xué)階段1,2。作者自1981年開始曾多次宣傳過這種觀點35,但經(jīng)過最近較深入的學(xué)習(xí)和研究后卻發(fā)現(xiàn),雖然在經(jīng)典分析化學(xué)和現(xiàn)代分析化學(xué)之間可用所依賴的主要方法加以區(qū)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(shù)據(jù),不出產(chǎn)品)看,這兩個階段并沒有根本的區(qū)別。因此,從分析化學(xué)發(fā)展的歷史著眼,把分析化學(xué)看成經(jīng)歷了二次重大變革的觀點似乎更符合實際情況,即:19世紀(jì)末和20世紀(jì)初發(fā)生的第一次大變革和20世紀(jì)末開始發(fā)生的第二次大變革。第一次大變革使“現(xiàn)代化學(xué)之母”6的分析化學(xué)淪為了化學(xué)和許多其他學(xué)科的“配角”,使分析化學(xué)落到了近百年受冷遇的境地。第二次變革則使分析化學(xué)重新煥發(fā)青春,迎來了分析化學(xué)家重新“當(dāng)家作主”的第二個春天。1.1經(jīng)驗分析化學(xué)階段分析化學(xué)的第一個春天分析化學(xué)是最早發(fā)展起來的化學(xué)分支學(xué)科,而且在早期化學(xué)的發(fā)展中一直處于前沿和主要的地位,因為在早期化學(xué)發(fā)展的一個很長歷史階段中,化學(xué)的前沿一直是發(fā)現(xiàn)新元素、鑒定和研究新元素;發(fā)現(xiàn)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(xué)工作。正因為這樣,分析化學(xué)被稱為“現(xiàn)代化學(xué)之母”6。我國的化學(xué)先驅(qū)者徐壽先生認為:“考質(zhì)求數(shù)之學(xué),乃格物之大端,而為化學(xué)之極致也”7,意思是說,定性(考質(zhì))和定量(求數(shù))分析是物質(zhì)科學(xué)()的主體,是化學(xué)的最高境界。正因為當(dāng)時學(xué)術(shù)界對分析化學(xué)有這樣高的認識和重視,所以當(dāng)時一大批著名的化學(xué)家都是分析化學(xué)家,也創(chuàng)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(fā)現(xiàn),主要都是分析化學(xué)家的功勞。正因為這樣,盡管這一階段的分析化學(xué)還主要靠分析化學(xué)家的經(jīng)驗和“手藝”(),還沒有系統(tǒng)的理論指導(dǎo)(故可稱其為經(jīng)驗分析化學(xué)),但分析化學(xué)家對當(dāng)時化學(xué)的貢獻卻是十分巨大的,是許多其他化學(xué)分支學(xué)科所難以比擬的。因此,當(dāng)時分析化學(xué)家在化學(xué)界乃至整個科學(xué)界都享有崇高的威望。這一時期是分析化學(xué)的真正春天,第一個春天。1.2分析化學(xué)的第一次大變革從“手藝”到“科學(xué)”,從主角到“配角”19世紀(jì)末20世紀(jì)初溶液化學(xué)的發(fā)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(luò)合反應(yīng)平衡)理論的建立,為以溶液化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的經(jīng)典分析化學(xué)奠定了理論基礎(chǔ),使分析化學(xué)實現(xiàn)了從“技藝”到“科學(xué)”的飛躍,這是分析化學(xué)的第一次大變革。經(jīng)典分析化學(xué)研究的是物質(zhì)的化學(xué)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(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的方法,即所謂化學(xué)分析法。由于有了系統(tǒng)的理論指導(dǎo),化學(xué)分析法得到了空前的繁榮和發(fā)展,分析化學(xué)從此確立了作為化學(xué)的一個分支學(xué)科的地位。但由于有關(guān)的基礎(chǔ)理論已基本奠定,分析化學(xué)工作者的主要任務(wù)變成了擴展其應(yīng)用范圍和完善現(xiàn)有的分析方法,“分析化學(xué)只出數(shù)據(jù),不出產(chǎn)品”不幸成了分析化學(xué)界的“共識”。學(xué)術(shù)界也把分析化學(xué)家看作化學(xué)分析程序()和數(shù)據(jù)的提供者,是大家的“服務(wù)員”。分析化學(xué)從此進入了一個配角時代:美國許多著名大學(xué)拒不設(shè)立分析化學(xué)教授席位;幾乎沒有以分析化學(xué)家為主的重大科學(xué)基金項目;盡管分析化學(xué)家占了美國化學(xué)會會員總數(shù)的1/5以上,是人數(shù)最多的一個化學(xué)分支學(xué)科,但美國科學(xué)院幾乎沒有一位分析化學(xué)家出身的院士(是唯一的例外,但那也是在他的晚年才當(dāng)上的),這方面情況在前蘇聯(lián)及東歐要稍好一些。第二次世界大戰(zhàn)前后,由于許多新技術(shù)(如射線、原子光譜、極譜、紅外光譜、放射性等)的廣泛應(yīng)用,使分析化學(xué)家擁有了一系列以測量物理或物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)的儀器分析方法,分析質(zhì)量得以大大提高,分析速度也大大加快。但分析化學(xué)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(xué)家自身對分析化學(xué)的認識也離不開“服務(wù)”二字。直到1980年美國分析化學(xué)主編在定義分析化學(xué)時還說:“分析化學(xué)是一門測量和表征的科學(xué)()”8。這一觀點被廣為接受,對我國學(xué)術(shù)界的影響更是根深蒂固。這一定義明顯地把分析化學(xué)家的任務(wù)放在了對物質(zhì)進行測量和表征這兩件服務(wù)性任務(wù)上(實際上,表征也是一種測量,所以實質(zhì)上是一件任務(wù))。當(dāng)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(xiàn)有測量方法的改進(提高靈敏度、準(zhǔn)確度、精密度等等)和推廣應(yīng)用范圍(比如從地質(zhì)樣品,到材料,到環(huán)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(xué)家或物理化學(xué)家的事,以致出現(xiàn)物理學(xué)家或物理化學(xué)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(xué)家往往難以獲得相應(yīng)資助的可悲情況。至于具體測量內(nèi)容,又僅限于物質(zhì)的化學(xué)組成,即化合物和元素的組成,因此在許多化學(xué)家(包括分析化學(xué)家)眼里,甚至結(jié)構(gòu)分析也不是分析化學(xué)家的任務(wù),分析化學(xué)家成了純粹的化學(xué)分析師,自然只能當(dāng)”配角”,而且一當(dāng)就是近百年。1.3分析化學(xué)的第二次大變革“當(dāng)家作主”的第二個春天進入20世紀(jì)70年代,隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進和人們生活質(zhì)量的迅速改善,客觀上對分析化學(xué)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(xué)逐漸突破原有的框框,開始介入形態(tài)、能態(tài)、結(jié)構(gòu)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(xué)的方法:包括物理的、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)的、乃至生物醫(yī)學(xué)的方法。不僅如此,還有越來越多的分析化學(xué)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(xué)問題,必須采用從未有過的分析儀器或方法。分析化學(xué)家必須參與到創(chuàng)造這種儀器和方法的過程中去,甚至主導(dǎo)這種創(chuàng)造過程。1990年開始的人類基因組計劃()給分析化學(xué)家證明自身價值和發(fā)揮這種主導(dǎo)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(jīng)費用于基因圖譜,測序新技術(shù)的研究沒有獲得足夠的經(jīng)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(guī)定此后每年要拿出一半(1億美元)的經(jīng)費用于研究和開發(fā)測序新技術(shù)9,分析化學(xué)家終于走到前臺中心位置。從此測序技術(shù)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(shù),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(xué)家“拯救了人類基因組計劃”10。分析化學(xué)家的主導(dǎo)作用還在環(huán)境保護和食品安全、突發(fā)事件處理等許多涉及人們健康和生命安全的領(lǐng)域得到了充分發(fā)揮。前幾年發(fā)生在比利時的二噁英中毒事件,就是由大學(xué)的分析化學(xué)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(lián)苯的關(guān)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(xué)家”。在今后與各種恐怖襲擊和重大疾病的斗爭中,分析化學(xué)家顯然也將起到同樣的作用。在疾病診斷中已有人經(jīng)過調(diào)查證實:在美國,疾病診斷有70%靠的是分析化驗,只有30%靠醫(yī)生經(jīng)驗。分析化學(xué)的這種重要而又崇高的作用,是別的化學(xué)分支學(xué)科所不具備的。正因為如此,分析化學(xué)家又一次獲得了人們的尊重,一些美國著名大學(xué)終于突破長期的偏見開始設(shè)立分析化學(xué)教授席位:目前加州大學(xué)伯克利分校已有6名分析化學(xué)教授,曾擔(dān)任過美國總統(tǒng)科學(xué)顧問和美國國家自然科學(xué)基金會主席的斯坦福大學(xué)教授.也經(jīng)常以分析化學(xué)家的名義積極參加學(xué)術(shù)活動。由美國科學(xué)院組織的以教授為首的350位專家,經(jīng)過調(diào)研和綜合分析后,編寫出版了化學(xué)中的機會:今天和明天(:)一書,把分析化學(xué)列為美國化學(xué)7個需要優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域之一,并指出分析化學(xué)在推進人們弄清環(huán)境和生命有關(guān)的化學(xué)問題中起著關(guān)鍵作用11。據(jù)英國2001年1月公布的資料,全英國有半數(shù)科學(xué)家為化學(xué)家,其中近1/4為分析化學(xué)家。目前對分析化學(xué)家的需求很旺盛,全英國化學(xué)方面的招聘廣告中有一半都指明要求懂得分析化學(xué)。更令人興奮的是2002年的3位諾貝爾化學(xué)獎得主全都是分析化學(xué)家12。這也是諾貝爾獎歷史上第一次把化學(xué)獎授予自稱為分析化學(xué)家的學(xué)者。在我國,國家自然科學(xué)基金委在新世紀(jì)中啟動的第一項重大基金也是給分析化學(xué)家的(微流控芯片技術(shù)的基礎(chǔ)研究),并且在新千年的第一年(2001年)就批準(zhǔn)成立了兩個分析化學(xué)方面的國家重點實驗室?？梢钥吹?分析化學(xué)在經(jīng)歷了第二次大變革進入分析科學(xué)階段后終于迎來了朝氣蓬勃、“當(dāng)家作主”的第二個春天。我們真的應(yīng)該大聲地說:“”13!2分析化學(xué)的發(fā)展趨勢關(guān)于這個問題,我已在近幾年發(fā)表的一些文章中做過多次探討5,1419,在此僅根據(jù)最近的研究簡述如下。2.1 分析儀器已成為分析化學(xué)研究的重要內(nèi)容前已述及,長期以來為大家所接受的關(guān)于“分析化學(xué)是一門測量和表征的科學(xué)”的定義并不確切,不僅未能全面反映分析化學(xué)所具有的特殊性,而且還在實踐中把分析化學(xué)引向了“只出數(shù)據(jù),不出產(chǎn)品”的純服務(wù)方向,使分析化學(xué)家變成了純粹的“服務(wù)員”,其不良后果已十分明顯。那末分析化學(xué)到底是一門什么樣的科學(xué)呢?關(guān)于“分析化學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了分析科學(xué)階段”,“分析化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門多學(xué)科為基礎(chǔ)的綜合性學(xué)科”1的論述無疑是正確的,但這是就分析化學(xué)的發(fā)展階段而論的;稱“分析化學(xué)是一門信息科學(xué)”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(xué)作為一門科學(xué)的內(nèi)涵所下的定義。在這方面,我個人認為前不久美國分析化學(xué)雜志發(fā)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(dāng)今分析化學(xué)或者分析科學(xué)的內(nèi)涵。他說:“分析化學(xué)是一門儀器裝置和測量的科學(xué)()”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?lián)Q位,但卻把分析化學(xué)從一個純粹的“服務(wù)員”變成了兼有“主人”和“服務(wù)員”雙重身份、可以大有作為的一門科學(xué)。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(fù)的。在的定義中,明確地把“儀器(裝置)”作為分析化學(xué)的主要研究內(nèi)容,并放在“測量”之前,這反映了當(dāng)今分析化學(xué)發(fā)展的動向。英國科學(xué)家.曾經(jīng)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(xué)家合作編著的教材22,23所接受。該書對分析化學(xué)的定義是“分析化學(xué)是發(fā)展和應(yīng)用各種方法、儀器和策略以獲得有關(guān)物質(zhì)在空間和時間方面組成和性質(zhì)信息的一門科學(xué)”( ,)。也就是說,發(fā)展儀器是分析化學(xué)的一個重要內(nèi)容。科學(xué)發(fā)展史也證明,儀器是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。許多重要的科學(xué)分支,特別是分析化學(xué)的許多分支學(xué)科都是從某項重要的儀器裝置的研制成功而建立和發(fā)展的。例如,極譜儀的發(fā)明產(chǎn)生了極譜學(xué);光譜儀的發(fā)明產(chǎn)生了光譜學(xué);色譜儀的發(fā)明產(chǎn)生了色譜學(xué);質(zhì)譜儀的發(fā)明產(chǎn)生了質(zhì)譜學(xué),等等。由此可見儀器創(chuàng)新在分析化學(xué)的發(fā)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(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一部分,并且起著“指導(dǎo)者”和“把關(guān)者”的作用。在保護環(huán)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(shù)武器。在保障人們健康、防病、治病、預(yù)防災(zāi)害發(fā)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(xué)的一個主要內(nèi)容,無疑將促進分析化學(xué)的迅速發(fā)展。那種把分析化學(xué)看成“只出數(shù)據(jù),不出產(chǎn)品”51的觀點應(yīng)該被徹底地拋棄了。2.2 分析化學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域正在向生命科學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移16進入20世紀(jì)90年代,隨著人們生活質(zhì)量的提高,人們更加關(guān)注自身的健康、長壽,分析化學(xué)的重點應(yīng)用領(lǐng)域開始向醫(yī)學(xué)和生物工程等生命科學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)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(yù)防、診斷和治療、反恐斗爭等等無不向分析化學(xué)提出了許多前所未有的挑戰(zhàn),要求分析化學(xué)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(xué)方法合成的藥物、現(xiàn)場監(jiān)測化學(xué)和生物武器等的新技術(shù)。這種轉(zhuǎn)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(xué)有關(guān),2001年的212個分會中有53個分會與生命科學(xué)有關(guān),而2002年的227個分會中有75個分會與生命科學(xué)有關(guān)了。2.3適應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的轉(zhuǎn)移,分析方法研究的熱點正在和將要發(fā)生相應(yīng)的變化由于生命體系中元素都不以游離狀態(tài)發(fā)揮作用,加上元素成分分析技術(shù)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(tài)分析()有可能加強。生命過程大都與溶液中分子或基團(當(dāng)然還有其他分子片)的化學(xué)反應(yīng)有關(guān),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(jié)構(gòu)信息的質(zhì)譜法將成為分析化學(xué)研究的重點。電分析方法由于其在溶液電化學(xué)和界面性質(zhì)研究方面的明顯優(yōu)勢也已主要集中于生命過程的研究。分離技術(shù)則將側(cè)重于樣品前處理及與各種檢測技術(shù)的聯(lián)用(也包括合成 分離 檢測技術(shù)的聯(lián)用)。成像技術(shù),特別是化學(xué)成像技術(shù),由于可以得到多維的分子化學(xué)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(shù)和各種光譜方法的結(jié)合(即化學(xué)成像技術(shù))是“一種探測分子化學(xué)的理想工具”16。生命過程都是空間和時間的函數(shù)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(shù)以解決分析化學(xué)所面臨的各種越來越復(fù)雜的挑戰(zhàn),這顯然也會是今后分析化學(xué)發(fā)展過程中一個明顯的特點。這些新技術(shù)包括:計算機技術(shù)、激光技術(shù)、納米技術(shù)、芯片技術(shù)、光纖技術(shù)、仿生技術(shù)、微電子技術(shù)、生物技術(shù)等等。2.4分析化學(xué)的發(fā)展主要依靠溶液化學(xué)反應(yīng)的時代一去不復(fù)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(xué)反應(yīng)也還是一些現(xiàn)代儀器方法(如電化學(xué)方法、化學(xué)發(fā)光法等)賴以獲得信號的基礎(chǔ),許多樣品制備過程(包括分離、富集等)離不開化學(xué)反應(yīng),多數(shù)待測組分是化學(xué)研究的對象,但就目前和今后面臨的大量極富挑戰(zhàn)性的分析問題的解決所能依賴的方法而言,化學(xué)的作用顯然將越來越少。人們甚至已可完全不作任何化學(xué)處理而獲得樣品成分、結(jié)構(gòu)乃至能態(tài)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(xué)越來越遠將是今后分析化學(xué)發(fā)展的又一個很重要的趨勢。3關(guān)于我國分析化學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略3.1應(yīng)把分析儀器創(chuàng)新作為分析科學(xué)創(chuàng)新的重要內(nèi)容前面已經(jīng)談到,分析儀器的研究已經(jīng)成為分析化學(xué)研究的重要內(nèi)容,因此,當(dāng)談到分析化學(xué)的創(chuàng)新活動時就不能不把分析儀器的創(chuàng)新放在重要的位置上。正如王大珩先生所說,“能不能創(chuàng)造高水平的科學(xué)儀器和設(shè)備體現(xiàn)了一個民族、一個國家的創(chuàng)新能力。發(fā)展科學(xué)儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)視為國家戰(zhàn)略”21。自然科學(xué)基金自然是應(yīng)該資助這種創(chuàng)新活動的,因此,應(yīng)把資助分析儀器的創(chuàng)新也納入其資助范疇,并將其放在重要的位置上。學(xué)術(shù)界達成相應(yīng)的共識當(dāng)然也十分重要。3.2應(yīng)大力發(fā)展生命科學(xué)有關(guān)分析儀器和方法的研究既然分析科學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)轉(zhuǎn)移到生命科學(xué)。因此,有必要加強生命科學(xué)有關(guān)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(zhì)譜法,各種聯(lián)用技術(shù),光譜成像技術(shù),微流控芯片技術(shù),適于現(xiàn)場、原位、實時、在線分析用的各種微分析系統(tǒng),等等。3.3大學(xué)應(yīng)設(shè)立獨立的、理工結(jié)合的新興學(xué)科分析科學(xué)專業(yè)在我國,長期以來都把儀器制造專業(yè)設(shè)立在工科,而理科的分析化學(xué)專業(yè)又不包含分析儀器研制的內(nèi)容。實際上,工科的儀器制造專業(yè)也并沒有把分析儀器放在應(yīng)有的位置上。因此,分析儀器研制人才的培養(yǎng)實際上一直處于空白狀態(tài),很大程度上限制了我國分析儀器水平的提高和分析科學(xué)的發(fā)展。許多國有大型分析儀器公司在市場經(jīng)濟條件下缺乏應(yīng)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(fā)人才。有鑒于此,為了迅速改變這種狀態(tài),在有一定條件的大學(xué)盡快設(shè)立獨立的、理工結(jié)合的分析科學(xué)專業(yè),特別是在研究生層次把分析科學(xué)作為一門獨立的新興學(xué)科加以發(fā)展,我認為已經(jīng)迫在眉睫,十分必要。試談分析化學(xué)的明天分析化學(xué)是化學(xué)學(xué)科幾大主要二級學(xué)科之一,曾被認為是“現(xiàn)代化學(xué)之母”1,“化學(xué)是從分析化學(xué)開始的”2。但是近年來情況卻發(fā)生了變化,從有人說“不管人們喜歡不喜歡,化學(xué)正在走出分析化學(xué)”3,到1981年英國曼徹斯特大學(xué)理工學(xué)院建立獨立的“儀器裝置和分析科學(xué)系”,及國內(nèi)外一些單位相繼建立分析科學(xué)實驗室或研究所,出版分析科學(xué)學(xué)報,到最近高鴻先生明確宣布“分析化學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢都在說明分析化學(xué)實際上不再是化學(xué)的一個分支”2?！胺治龌瘜W(xué)已發(fā)展到分析科學(xué)階段”在分析化學(xué)界幾乎已成了共識?！盎瘜W(xué)之母”怎么走出了化學(xué)?到底是什么原因使分析化學(xué)發(fā)生了如此巨大的變化?分析化學(xué)的明天又會是一個什么樣子?1社會和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展改變了分析化學(xué)的面貌和內(nèi)涵關(guān)于這個問題,在最近出版的21世紀(jì)的分析化學(xué)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(xué)科的發(fā)生和發(fā)展都有其自身內(nèi)在的規(guī)律,但它是在社會和整個科學(xué)技術(shù)發(fā)展的大環(huán)境中發(fā)生和發(fā)展的,因此又不能不受這個大環(huán)境的影響。正是后者“強迫”分析化學(xué)面向更廣闊的社會和科學(xué)技術(shù)問題,同時也提供了解決這些越來越復(fù)雜的分析問題的、越來越多的非化學(xué)的手段,使分析化學(xué)“走出了”化學(xué),成為一門相對獨立的“分析科學(xué)”。眾所周知,在化學(xué)的發(fā)展中,分析化學(xué)曾起過極其重大的作用,因為在很長的歷史時期內(nèi),化學(xué)的前沿研究領(lǐng)域曾經(jīng)是:發(fā)現(xiàn)新元素、研究新元素;發(fā)現(xiàn)和合成新的化合物,研究新的化合物5。在這當(dāng)中,分析化學(xué)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(xué)史家和才在他們合著的分析化學(xué)史中稱“分析化學(xué)是現(xiàn)代化學(xué)之母”1。世界上第一位純分析化學(xué)教授(1859年由美國的大學(xué)聘任)博士才會成為美國化學(xué)會的創(chuàng)始人。但是,分析化學(xué)在19世紀(jì)末以前,并沒有建立起自己系統(tǒng)的理論基礎(chǔ),當(dāng)時它還主要是分析化學(xué)家的一門“手藝”()而不是科學(xué)。分析方法的發(fā)展,主要靠的是“炒菜式”的研究。分析任務(wù)的完成,主要憑借的是經(jīng)驗。19世紀(jì)末20世紀(jì)初溶液化學(xué)的發(fā)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(luò)合反應(yīng)平衡)理論的建立,為以溶液化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的經(jīng)典分析化學(xué)奠定了理論基礎(chǔ),使分析化學(xué)實現(xiàn)了從“手藝”到科學(xué)的飛躍。這就是人們所說的分析化學(xué)的第1一次革命。經(jīng)典分析化學(xué)研究的是物質(zhì)的化學(xué)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(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的重量法和容量法,即所謂化學(xué)分析法。二次世界大戰(zhàn)前后,許多新技術(shù)(如射線、發(fā)射光譜、極譜、紅外光譜、放射性等)的相繼出現(xiàn),加上戰(zhàn)爭的緊迫需求,使一系列以測量物理或物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)的“儀器分析方法”得到了迅速的發(fā)展,從而促成了分析化學(xué)發(fā)展史上第二次革命性的飛躍,即從以化學(xué)分析法為主的經(jīng)典分析化學(xué)發(fā)展成了以儀器分析方法為主的近代分析化學(xué)。與經(jīng)典分析化學(xué)方法相比,近代分析化學(xué)雖然在所用方法、所測物質(zhì)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(zhì)的化學(xué)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(xué)分析化學(xué)教科書教給學(xué)生的一些內(nèi)容。20世紀(jì)70年代以后,由于科學(xué)技術(shù)的突飛猛進,新的產(chǎn)業(yè)革命逐漸興起,客觀上對分析化學(xué)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(xiàn)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(tài)、形態(tài)、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、甚至能態(tài)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(nèi)的分布)。(4)只作靜態(tài)分析不夠了,越來越多地要求作動態(tài)分析,作快速連續(xù)自動分析,作瞬態(tài)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(nèi)( )監(jiān)測和遙測乃至遠距離監(jiān)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(nèi)()原位分析。所謂“空前的可能性”,主要表現(xiàn)在計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、激光、生物技術(shù)、納米技術(shù)、光導(dǎo)纖維、功能材料、等離子體、化學(xué)計量學(xué)等新技術(shù)、新材料和新方法的快速發(fā)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(xué)的發(fā)展,并使越來越多的人認識到關(guān)于分析化學(xué)的經(jīng)典定義已日漸過時,分析化學(xué)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(shù)(化學(xué)的、物理學(xué)的、生物醫(yī)學(xué)的、數(shù)學(xué)的等等),利用一切可以利用的物質(zhì)屬性,對一切需要加以表征、鑒別或測定的化學(xué)組份(包括無機和有機組份)及其形態(tài)、狀態(tài)(以至能態(tài))、結(jié)構(gòu)、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(dāng)今分析化學(xué)所面臨的任務(wù)。顯而易見,這些任務(wù)不是傳統(tǒng)意義上的化學(xué)分支學(xué)科分析化學(xué)所能完成的,我體會這也是為什么高鴻先生說“分析化學(xué)實際上不再是化學(xué)的一個分支”,“分析化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門多學(xué)科為基礎(chǔ)的綜合性科學(xué)”的一個主要理由。2分析化學(xué)的明天分析化學(xué)既已發(fā)展到分析科學(xué)階段并且“走出了”化學(xué),那么今后到底會怎樣發(fā)展?與化學(xué)到底還會有一個什么樣的關(guān)系呢?下面結(jié)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(xué)的發(fā)展和分析儀器的發(fā)展密不可分歷史經(jīng)驗證明,重大分析儀器的發(fā)明往往成為相應(yīng)學(xué)科賴以建立和發(fā)展的基礎(chǔ)。原子發(fā)射光譜儀(原子發(fā)射光譜分析)、極譜儀(極譜學(xué))、射線熒光光譜儀(射線熒光光譜分析)、核磁共振譜儀(波譜學(xué))、色譜儀(色譜法)的發(fā)明都是典型的例子。英國著名科學(xué)家.爵士說“”。1992年諾貝爾獎得主.也說“現(xiàn)代科學(xué)的進步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展”,這些都是至理名言。也就是說,分析化學(xué)家必須拋棄“分析化學(xué)只出數(shù)據(jù)不出產(chǎn)品”的陳腐觀點。所謂“分析化學(xué)是研究分析方法的科學(xué)”并不是(或至少主要不是)指研究如何用現(xiàn)成的儀器去分析實際樣品(這主要是化驗師的任務(wù)),分析化學(xué)家的主要精力應(yīng)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(xué)和技術(shù)成果、研制最新的分析儀器以解決社會生活、科學(xué)研究和生產(chǎn)所面臨的新的分析難題作為自己最重要的責(zé)任。從這個意義上講,人為地把分析化學(xué)專業(yè)放在理科,把分析儀器專業(yè)放在工科的專業(yè)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(xué)專業(yè)將是一個合乎邏輯的發(fā)展。2.2 分析化學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑾蛏茖W(xué)(或生物醫(yī)學(xué))領(lǐng)域轉(zhuǎn)移化學(xué)是隨分析化學(xué)的誕生而誕生的,也即分析化學(xué)最初主要應(yīng)用于化學(xué),回答所研究化學(xué)物質(zhì)的質(zhì)和量的問題。后來則被廣泛用于地質(zhì)勘探和冶金。二次大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后初期則被廣泛用于原子能工業(yè),以后是半導(dǎo)體和功能材料,再接下來是環(huán)境保護部門。進入20世紀(jì)90年代,隨著生命科學(xué)的重要性日漸被人們認識,分析化學(xué)的應(yīng)用開始向藥物、醫(yī)學(xué)和生物工程等領(lǐng)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(xué)直接相關(guān)6,7,今年會上的9名得獎?wù)呷寂c他們所發(fā)展的分析方法在生命科學(xué)領(lǐng)域的成功應(yīng)用有關(guān)7,這些都說明分析化學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域已開始轉(zhuǎn)移到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(guān)心的已不單單是一般影響人們健康長壽的有害有毒物質(zhì)及其引起的直接的病理或生理變化的監(jiān)測,而是要深入到細胞內(nèi)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(xué)方法合成藥物時對分析化學(xué)的挑戰(zhàn)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(jiān)測。這方面能發(fā)揮最大作用的當(dāng)然是各種分子光譜方法,特別是各種振動光譜方法。許多學(xué)者認為,如果說生命科學(xué)是21世紀(jì)的一門基礎(chǔ)科學(xué),那么它的發(fā)展將絕對離不了作為21世紀(jì)技術(shù)科學(xué)的分析化學(xué)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(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的轉(zhuǎn)移,分析方法的研究熱點將發(fā)生相應(yīng)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(tài)發(fā)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(tài)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(xué)反應(yīng)有關(guān),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(xué)性質(zhì)研究方面的明顯優(yōu)勢也已主要集中于生命過程的研究。分離技術(shù)則主要側(cè)重于各種樣品前處理技術(shù)及與檢測技術(shù)的聯(lián)用和進一步提高速度與分離效率方面。成象技術(shù)特別是醫(yī)學(xué)化學(xué)成象技術(shù)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(shù)與各種光譜方法的結(jié)合是“一種探測分子化學(xué)的理想工具”0 406。實際上多光譜成象或超光譜成象技術(shù)已在醫(yī)學(xué)、食品、法庭科學(xué)等許多方面發(fā)揮著重大作用。射線的三維成象技術(shù)則更是一種較成熟的技術(shù)了。最新出現(xiàn)的化學(xué)成象技術(shù)還有正電子成象技術(shù)(),它對于在體研究癌癥的分子生物化學(xué)和診斷特別有價值9 535。與許多生產(chǎn)過程和環(huán)境事件一樣,生命過程都是時間和空間的函數(shù)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(biāo)的實現(xiàn),當(dāng)然只能靠科學(xué)技術(shù)的進步。因此不斷采用新出現(xiàn)的各項高新科技成果解決各種各樣分析化學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)將仍然是分析化學(xué)發(fā)展的一個明顯的特點。就最近的情況看,下面這些高新技術(shù)值得重視68。納米技術(shù):納米技術(shù)主要是由材料科學(xué)家發(fā)展起來的。由于納米晶體(量子點)有許多獨特的電子光學(xué)性質(zhì),他們已在光電子器件方面得到了成功的應(yīng)用。量子點在分析化學(xué)中的應(yīng)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(xué)和化學(xué)中都有很重要的應(yīng)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(chǔ)9。但用有機染料作熒光探針有容易發(fā)生光褪色,對環(huán)境過于敏感,熒光強度低等缺點。與之相反,采用水溶性半導(dǎo)體量子點(如包有的)其發(fā)光強度將比有機染料大20倍,而對光褪色的穩(wěn)定性則要好100倍以上,量子點還有熒光發(fā)射波長可通過量子點的大小加以調(diào)節(jié)(從可見到近紅外)且發(fā)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(fā)射波長短10即可)加以激發(fā)的優(yōu)點10。量子點又很容易與一些生物活性物質(zhì)結(jié)合而又不至于使后者失去活性,因此特別適于生物反應(yīng)動力學(xué)的研究11。由于激光誘導(dǎo)熒光的極高靈敏度,已可容易地用這種方法觀測細胞內(nèi)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(shù)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(yīng)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(jīng)相當(dāng)成熟的技術(shù)了0 205209,1150,1151,1155,8 596,1175。半導(dǎo)體激光器:傳統(tǒng)的二極管激光器已有很大發(fā)展并可以大量生產(chǎn),藍色激光器也已商品化,通過倍頻技術(shù),紫外半導(dǎo)體激光器也已可容易地獲得,但它們的可調(diào)波長范圍窄,穩(wěn)定性也不夠理想。近年出現(xiàn)的量子級聯(lián)激光器()和量子阱激光器將可大大超過傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器,因為這種激光器的波長可在很寬的波長范圍內(nèi)加以調(diào)節(jié),而且可在室溫下工作,帶寬也更窄,發(fā)射波長的重復(fù)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(fā)展。最近出現(xiàn)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(zhì)的強有力工具0 667,669,671。其他各種激光光譜分析技術(shù)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(jié)構(gòu)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(xù)自動在線監(jiān)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(xué)計量學(xué)0 313317的發(fā)展和對近紅外輻射有很好響應(yīng)特性的陣列檢測器的研究成功及采用聲光可調(diào)濾光片()0 465和液晶可調(diào)濾光片()的全電子分光系統(tǒng)的日趨成熟,儀器已完全無可動部件,易于在現(xiàn)場作實時以至瞬時信號的檢測,如病人血糖的監(jiān)測0 319,1356,1359,藥品質(zhì)量的監(jiān)控0 1431,作物種子的篩選,發(fā)酵過程的控制等等?；瘜W(xué)發(fā)光和電生化學(xué)發(fā)光分析法:由于這類方法利用化學(xué)反應(yīng)本身產(chǎn)生的能量發(fā)光,而且是在一個“黑暗的”背景中測量發(fā)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(xué)發(fā)光體系還不多,但電生化學(xué)發(fā)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(fā)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(xué)反應(yīng)9 173。在發(fā)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?？梢灶A(yù)期,化學(xué)發(fā)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(shù):陣列檢測器是一個頗受爭議的領(lǐng)域,近年來已有多家從事電子鼻生產(chǎn)的公司倒閉,但仍有14家公司繼續(xù)生產(chǎn)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(dǎo)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(wěn)定性也都已有改進。采用質(zhì)譜計的電子鼻也已出現(xiàn)。一種有32個傳感器的電子鼻芯片據(jù)稱可被訓(xùn)練得能聞出任何氣體,價格只有傳統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)來代替人類自身去預(yù)先鑒別可能的有害物質(zhì),顯然有其巨大的潛在應(yīng)用價值,因此可以預(yù)期,不管會有多少困難,這類陣列傳感器的研究和開發(fā)還會不斷繼續(xù)下去。生物芯片技術(shù):生物芯片主要有芯片實驗室、基因芯片和蛋白質(zhì)芯片等?；蛐酒巧镄酒凶钕壬唐坊漠a(chǎn)品,它利用核酸雙鏈的互補堿基間的氫鍵作用,形成穩(wěn)定的雙鏈結(jié)構(gòu)。通過檢測目的單鏈上的熒光信號實現(xiàn)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?；蛐酒臐撛趹?yīng)用領(lǐng)域包括新基因的尋找、測序、疾病診斷(例如肺結(jié)核病的診斷)、藥物篩選、農(nóng)作物優(yōu)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(shù),目前主要用于核酸分析?？梢灶A(yù)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(chuàng)造了條件。這一技術(shù)由于所需樣品和試劑都很少(),芯片本身又可以大批量生產(chǎn),顯然是一種大有前途的分析技術(shù)。但檢測器的微型化和提高靈敏度尚需解決0 418。光譜視網(wǎng)膜技術(shù):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(gòu)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(fā)展起來的固相微萃取()0 433,液相微萃取()0 584,特別是管內(nèi)( ),以及微波萃取技術(shù)都是很好的樣品分離富集技術(shù)0 435。離子淌度譜()由于可在常壓下工作,被稱為“窮人的質(zhì)譜”,是一種靈敏度很高的檢測儀器,可用于毒品、化學(xué)戰(zhàn)劑、爆炸物的檢測,新近開發(fā)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(shù)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(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法也將在生物醫(yī)學(xué)分析領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,并形成新的獨立的學(xué)科生物計量學(xué)()。2.4作為分析化學(xué)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)的分析儀器,其發(fā)展將呈現(xiàn)如下幾個特點:2.4.1儀器與計算機結(jié)合,強化軟件功能,實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運作,創(chuàng)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”?；萜展菊f,信息技術(shù)=測量技術(shù)(計算機技術(shù)通訊技術(shù)),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(jù)美國1999年5月號對21世紀(jì)的預(yù)測,其中之一為由于計算機技術(shù)的發(fā)展(納米碳管計算機、光子計算機、計算機、量子計算機),在數(shù)十年內(nèi)人和機器之間的差別將變得模糊,甚至“靈魂”也將與硅片結(jié)為一體。帶有植入神經(jīng)系統(tǒng)(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