分析仪器在生命科学、环境科学中的应用
2015-08-14
人们为了更好地认识自然、改造自然，需要一定的工具来延伸手及眼的功能。分析仪器为人们提供了不断深入认识自然的可能性，也为人们在改造自然的过程中起着保证作用。几乎各行各业都需要应用分析数据控制产品的生产过程和表征产品的质量，以确保各种产品的安全生产和合理使用。在工业生产过程中，对人身安全和健康保证也都离不开分析数据，近年来生命科学、环境科学的发展和深入研究，进一步对分析仪器提出了新的挑战和苛刻的要求。具体地说，分析样品量越来越少，己由微量级减少到超微量级，要测定的组分浓度己由50年代10－6级(ppm级) 降低到10－12级(ppt级) 甚至更低，现已有监测极限低到10－18级(attogrom，渺级) 以下技术。
一、 分析仪器在生命科学中的应用
生命科学是以生物的生命过程为研究对象，也是生物、化学、物理、数学等学科之间相互渗透形成的交叉学科。以基础科学来讲，未来发展最迅速，影响最大的可能是生命科学。事实上世界科学技术发达国家都已将生命科学列为优先发展领域。21世纪是生命科学世纪，生命科学的领域主要包括生态平衡、生物化学、医疗诊断、健康保健、医药制造、毒品检验、食品营养等。分析仪器发挥了重要作用。
提到今天的生命科学，就不能不提到本领域内头号工程即人类基因研究计划。自1990年正式起动以来，经过全球科学家的共同努力，目前已完成全部人类基因组序列测定工作，这得益探索大分子－核酸、蛋白质、结构与功能的各种仪器手段。如利用基因碱基互补配对制造出来的聚合酶链扩增仪（PCR）。毛细管凝胶电泳仪由于其快速、准确、定量的测定蛋白质、核酸、以及DNA的特点，较传统板凝胶电泳的速度快25倍，大大促进了这一宏伟计划的实现。近年来，一系列质谱软电离技术得到新的发展，使质谱技术发生了突破性的革新，而且使质谱技术在生命科学中的应用得到了前所未有的扩展。毛细管电泳／质谱联用（CE／MS）仪，已被成功应用于多肽和蛋白质的鉴定中，傅立叶转换离子回旋共振质谱仪(FTI-CR-MS) 己使得在阿托摩文10－18m0.1L-1水平上进行蛋白质鉴定成为可能，基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS) ，可检测单核苷酸多肽及寡核苷酸的序列分析，液相色谱、电喷雾质谱仪(LC-ESI-MS) 分析糖蛋白，解决了糖生物分子的研究由于基糖链的复杂性及糖蛋白结构分析带来的困难。傅里叶红外光谱仪（FT－IR）可进行蛋白质二级结构的定量分析与蛋白构象变化研究，可跟踪DNA右手螺旋和左手螺旋之间的结构转变，进行核酸的分析。核磁共振仪（NMR），如高场和多维NMR使生命科学研究达到一个新水平，不仅可研究残基不多的糖类和核酸，研究肽和蛋白的相互作用和键合，多维NMR可研究残基多于150个的蛋白的结构，也可研究蛋白的氨基酸序列。用来检测各种体液、血尿、羊水、脑脊髓等，对研究药物代谢和毒物效果极为有用。原子吸收光谱仪（AAS）和电感耦合等离子质谱（ICP－MS）在人体内微量元素的测定中很有意义。许多元素，特别是微量元素，是生物生命，发育所必需的养分，但一些元素，特别是重金属元素，如吸收过量则成为毒素。扫描X－射线显微技术（SXM）分辩率可达10-100nm，可在不染色、不脱水的状态观测生物活体样品。其它的分析仪器如：气相色谱、液相色谱仪、荧光光度计、拉曼光谱仪等在研究生物大分子的结构及其变化，蛋白质二级结构，DNA和致癌物分子间的作用有许多成功的示例。
近年来专用的生命科学分析仪器，如动态心电图仪、超声诊断仪器、磁共振成像仪、血气分析仪、生化分析仪、血细胞分析仪、免疫分析仪都已在临床诊断中实际运用。
二、 分析仪器在环境科学中的应用
人类在利用环境，开发环境和改造环境，发展经济的同时，打破了环境原有的平衡。由于人类对自然资源过渡的开采，对土地破坏性的使用；由于产业结构、工业发展布局的不合理及生产过程中任意向自然界排放有毒有害物质；由于人口的过度膨胀，生活废弃物骤增，这一切都使得环境发生恶化。为了对环境质量和生态环境进行实时准确的监测，现代环境监测分析仪器发挥了巨大作用。
分析仪器按环境分析的对象可分为水体污染分析、大气污染分析、土壤污染分析、生物污染分析。包括的分析仪器有：光学分析、电化学分析、放射性分析、热学分析、色谱分析，它用于有机分析和无机分析，既可定性也可定量，既可做污染环境分析，也可通过流动采样进行实验室分析以及污染源头进行遥测监控。
环境分析实验室常用的分析仪器有：光学仪器、如紫外可见分光光度计、荧光光度计、原子吸收光度计、等离子体光谱仪、X射线荧光光谱仪和红外光谱仪；电化学类仪器：如PH计、电导仪、库仑计、电位滴定仪、离子活度计和各种极谱仪；色谱类仪器，如离子色谱仪、气相色谱／质谱联机和液相色谱／质谱联机等。主要于分析环境中色质、SO42-、电导率、浓度、总有机碳、无机物、金属、有机物、农药等分析。
由于微电子、微型传感器、计算机、新材料以及各种高技术的应用，环境分析仪器正在向小型化、微型化和多参数化方向发展。目前已推出便携式的气相色谱仪，近红外光谱仪，X射线分析仪和多参数水质分析仪（用于测定水质酸碱度、溶氧、浊度、温度以及其它参数）。便携式分光光度计用于现场监测、测试氰化物、氨氮、酚类、胺类、砷、汞及钡等项目。小型有毒有害气体监测仪，用于现场有毒有害的CO、Cl2、H2S、SO2及可燃气体。
三、 如何发挥分析仪器的作用
在科学技术飞速发展的今天，没有多领域、跨学科知识和理论的支持与协作，没有高精尖的仪器设备的辅助，是难以得到有突破性、有领先水平的科研成绩。大型分析仪器设备还起着一定的引导作用，带动科研发展的步伐。在我国目前的基础研究或应用基础研究领域，科研人员所选择的研究方向往往取决于现有或将要配置的仪器设备。也就是说，配备哪个方面的设备，则造就出相应的科研环境，从而衍生出相应的科学研究方向。
我省在生命科学、环境科学方向分析仪器主要集中在高等院校和科研院所站。还处在一个低水平，高精尖分析仪器少，一般分析仪器设备重复投入，能熟练掌握和运用分析仪器的专业人才稀缺。与国内外分析仪器行业及学术团体的合作交流不够。为此应采取多种措施，进行体制改革、优化组合、资源共享调动一切有利因素，希望在较短的时间内赶上或超过国内先进水平。
1、 加强管理、充分利用。在国家还不是很富裕的今天，高精尖仪器设备引进后如何得到有效的使用以及使用的结果如何是一个十分重要的问题。科学工作者、设备管理人员对仪器的掌握熟悉程度，是否能达到预期目的，是否能使本单位科研水平上一个台阶，与该单位有多少科学工作者使用它以及对设备的管理措施。共用性等密切相关。应对大型分析仪器设备采取共用原理进行管理。打破部门所有的限制，以充分发挥分析仪器的使用率。
2、各高等院校、科研机构的数量以及整体的科研水平 也存在发展不平衡情况，相互间有较大差距。在飞行仪器设备的配备上，应本着基础设备与高精设备并存原则。在满足高层次研究需要的同时，需兼顾到科研水平的整体提高，适当倾斜对薄弱环节的投资，以达到提高整体研究水平的目的。
3、合理配置，在有限的经济财力的支持下，高等院校及科研单位的分析仪器设备应争取小型分散，大型集中的配备原则，即普及型、基础的分析仪器设备可多数单位拥有。
一、 分析仪器在生命科学中的应用
生命科学是以生物的生命过程为研究对象，也是生物、化学、物理、数学等学科之间相互渗透形成的交叉学科。以基础科学来讲，未来发展最迅速，影响最大的可能是生命科学。事实上世界科学技术发达国家都已将生命科学列为优先发展领域。21世纪是生命科学世纪，生命科学的领域主要包括生态平衡、生物化学、医疗诊断、健康保健、医药制造、毒品检验、食品营养等。分析仪器发挥了重要作用。
提到今天的生命科学，就不能不提到本领域内头号工程即人类基因研究计划。自1990年正式起动以来，经过全球科学家的共同努力，目前已完成全部人类基因组序列测定工作，这得益探索大分子－核酸、蛋白质、结构与功能的各种仪器手段。如利用基因碱基互补配对制造出来的聚合酶链扩增仪（PCR）。毛细管凝胶电泳仪由于其快速、准确、定量的测定蛋白质、核酸、以及DNA的特点，较传统板凝胶电泳的速度快25倍，大大促进了这一宏伟计划的实现。近年来，一系列质谱软电离技术得到新的发展，使质谱技术发生了突破性的革新，而且使质谱技术在生命科学中的应用得到了前所未有的扩展。毛细管电泳／质谱联用（CE／MS）仪，已被成功应用于多肽和蛋白质的鉴定中，傅立叶转换离子回旋共振质谱仪(FTI-CR-MS) 己使得在阿托摩文10－18m0.1L-1水平上进行蛋白质鉴定成为可能，基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS) ，可检测单核苷酸多肽及寡核苷酸的序列分析，液相色谱、电喷雾质谱仪(LC-ESI-MS) 分析糖蛋白，解决了糖生物分子的研究由于基糖链的复杂性及糖蛋白结构分析带来的困难。傅里叶红外光谱仪（FT－IR）可进行蛋白质二级结构的定量分析与蛋白构象变化研究，可跟踪DNA右手螺旋和左手螺旋之间的结构转变，进行核酸的分析。核磁共振仪（NMR），如高场和多维NMR使生命科学研究达到一个新水平，不仅可研究残基不多的糖类和核酸，研究肽和蛋白的相互作用和键合，多维NMR可研究残基多于150个的蛋白的结构，也可研究蛋白的氨基酸序列。用来检测各种体液、血尿、羊水、脑脊髓等，对研究药物代谢和毒物效果极为有用。原子吸收光谱仪（AAS）和电感耦合等离子质谱（ICP－MS）在人体内微量元素的测定中很有意义。许多元素，特别是微量元素，是生物生命，发育所必需的养分，但一些元素，特别是重金属元素，如吸收过量则成为毒素。扫描X－射线显微技术（SXM）分辩率可达10-100nm，可在不染色、不脱水的状态观测生物活体样品。其它的分析仪器如：气相色谱、液相色谱仪、荧光光度计、拉曼光谱仪等在研究生物大分子的结构及其变化，蛋白质二级结构，DNA和致癌物分子间的作用有许多成功的示例。
近年来专用的生命科学分析仪器，如动态心电图仪、超声诊断仪器、磁共振成像仪、血气分析仪、生化分析仪、血细胞分析仪、免疫分析仪都已在临床诊断中实际运用。
二、 分析仪器在环境科学中的应用
人类在利用环境，开发环境和改造环境，发展经济的同时，打破了环境原有的平衡。由于人类对自然资源过渡的开采，对土地破坏性的使用；由于产业结构、工业发展布局的不合理及生产过程中任意向自然界排放有毒有害物质；由于人口的过度膨胀，生活废弃物骤增，这一切都使得环境发生恶化。为了对环境质量和生态环境进行实时准确的监测，现代环境监测分析仪器发挥了巨大作用。
分析仪器按环境分析的对象可分为水体污染分析、大气污染分析、土壤污染分析、生物污染分析。包括的分析仪器有：光学分析、电化学分析、放射性分析、热学分析、色谱分析，它用于有机分析和无机分析，既可定性也可定量，既可做污染环境分析，也可通过流动采样进行实验室分析以及污染源头进行遥测监控。
环境分析实验室常用的分析仪器有：光学仪器、如紫外可见分光光度计、荧光光度计、原子吸收光度计、等离子体光谱仪、X射线荧光光谱仪和红外光谱仪；电化学类仪器：如PH计、电导仪、库仑计、电位滴定仪、离子活度计和各种极谱仪；色谱类仪器，如离子色谱仪、气相色谱／质谱联机和液相色谱／质谱联机等。主要于分析环境中色质、SO42-、电导率、浓度、总有机碳、无机物、金属、有机物、农药等分析。
由于微电子、微型传感器、计算机、新材料以及各种高技术的应用，环境分析仪器正在向小型化、微型化和多参数化方向发展。目前已推出便携式的气相色谱仪，近红外光谱仪，X射线分析仪和多参数水质分析仪（用于测定水质酸碱度、溶氧、浊度、温度以及其它参数）。便携式分光光度计用于现场监测、测试氰化物、氨氮、酚类、胺类、砷、汞及钡等项目。小型有毒有害气体监测仪，用于现场有毒有害的CO、Cl2、H2S、SO2及可燃气体。
三、 如何发挥分析仪器的作用
在科学技术飞速发展的今天，没有多领域、跨学科知识和理论的支持与协作，没有高精尖的仪器设备的辅助，是难以得到有突破性、有领先水平的科研成绩。大型分析仪器设备还起着一定的引导作用，带动科研发展的步伐。在我国目前的基础研究或应用基础研究领域，科研人员所选择的研究方向往往取决于现有或将要配置的仪器设备。也就是说，配备哪个方面的设备，则造就出相应的科研环境，从而衍生出相应的科学研究方向。
我省在生命科学、环境科学方向分析仪器主要集中在高等院校和科研院所站。还处在一个低水平，高精尖分析仪器少，一般分析仪器设备重复投入，能熟练掌握和运用分析仪器的专业人才稀缺。与国内外分析仪器行业及学术团体的合作交流不够。为此应采取多种措施，进行体制改革、优化组合、资源共享调动一切有利因素，希望在较短的时间内赶上或超过国内先进水平。
1、 加强管理、充分利用。在国家还不是很富裕的今天，高精尖仪器设备引进后如何得到有效的使用以及使用的结果如何是一个十分重要的问题。科学工作者、设备管理人员对仪器的掌握熟悉程度，是否能达到预期目的，是否能使本单位科研水平上一个台阶，与该单位有多少科学工作者使用它以及对设备的管理措施。共用性等密切相关。应对大型分析仪器设备采取共用原理进行管理。打破部门所有的限制，以充分发挥分析仪器的使用率。
2、各高等院校、科研机构的数量以及整体的科研水平 也存在发展不平衡情况，相互间有较大差距。在飞行仪器设备的配备上，应本着基础设备与高精设备并存原则。在满足高层次研究需要的同时，需兼顾到科研水平的整体提高，适当倾斜对薄弱环节的投资，以达到提高整体研究水平的目的。
3、合理配置，在有限的经济财力的支持下，高等院校及科研单位的分析仪器设备应争取小型分散，大型集中的配备原则，即普及型、基础的分析仪器设备可多数单位拥有。
