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专访林金明:分析化学──从工具到科学

2017.2.07

  ──专访ICAS 2017秘书长,清华大学化学系教授林金明

  分析测试百科网讯 分析化学的发展,赶上了历史最好时期。全球学者对生命科学领域的探索,打开了全新的分析化学研究空间。而对于中国的分析化学学者,经历了改革开放后三十余年的高速发展,尤其是近十年来的快速发展,逐渐在向世界一流水平靠近。

  “我国的分析化学,在部分领域,已经达到世界先进水平,未来的目标是能够在某些领域引领世界,出现由我国学者提出分析化学新概念、新原理。过去30多年来,从不够先进,经过追赶,逐渐缩短到只慢一步、慢一毫米的前沿水平,直至未来能够快人家一毫米的目标。”清华大学化学系教授林金明说。

  2017年5月5-8日,由中国化学会(CCS)及国际纯粹与应用化学联盟 (IUPAC)联合主办的2017国际分析科学大会(ICAS 2017)将在海南举办。汪尔康院士担任名誉主席,中国化学会分析化学学科委员会主任杨秀荣院士担任主席。

  在我国首次举办分析化学学科领域的综合性国际学术交流会议前夕,分析测试百科网采访了本次大会的秘书长,清华大学化学系林金明教授。

  “我很乐意做这件事,希望通过我们的努力,进一步促进我国分析化学界与世界的交流。”林金明说。

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清华大学教授 林金明

  分析仪器使分析化学实现跨越式发展

  “早在公元前3000年甚至公元5000年前,古代埃及人就已知称量的技术。最早出现的分析用仪器当推等臂天平,在许许多多的文献报道中能够发现对这一称重装置的描述,但是等臂天平用于分析,当在中世纪用于试金法之中。数千年前,人们已经能够使用试金石以鉴定金的成色,通过火烧的方式来识别铜和金,这就是早期的元素分析。再到后来的‘炼丹术’ 等各种方法基本上都与元素有关系。”林金明说。

  林金明把分析化学在方法学上的发展分成三个阶段,远古时期的分析化学,集中于简单的称量以及对物质体积的判断。经过长期的发展,滴定管的出现,天平和量筒的使用得到了完美的结合,形成了近代的分析化学,也被称为容量分析方法。天平和量筒这两个最简单的工具,构成了最基础的分析化学单元,在此基础上,发现了一些元素、化合物,逐渐建立了基础的分析化学理论。

  “近一百年来,特别是第二次世界大战之后,随着光谱、色谱、质谱、电化学等分析仪器理论和技术的出现与发展,分析化学融合了数学、物理、化学、生物学、信息科学等多学科的内容,形成了一门交叉的学科,逐渐从工具发展成为一门初具规模的科学,形成了跨越式的发展。”林金明说。

  也因此,2017年5月5-8日即将在海南国际会展中心召开的国际分析科学大学,主题定为 “分析化学-从工具到科学”。

  以色谱、质谱发展为例,20世纪初科学技术迅速发展,石油、分子生物学和遗传工程等新领域兴起,由于这些物质成分复杂,将这些成分进行分离就成了需要解决的问题,色谱技术的出现给小分子的分离和分析带来了很大的机会,其中气相色谱的出现使得挥发性和半挥发性的物质得以分离,而对于一些较大的分子,比如医药中的一些难挥发的高沸点物质,气相色谱就显示出了局限性,于是就出现了液相色谱。

  从上个世纪80年代直到本世纪初,以往的技术已经满足不了蛋白质、基因等更大分子的检测需求,于是就出现了电泳、毛细管电泳等技术,这项技术目前还在不断发展和完善之中。

  物质分离之后就需要高灵敏的,选择性好的检测器与之匹配完成不同成分的检测。除了电导、紫外、荧光等检测器,质谱是至今为止最典型的检测技术。

  在光谱方面,近100年来,也获得了超常规的快速发展。从面对的研究对象来看,有分子光谱、原子光谱;从光谱波长来看,有可见、紫外、红外等光谱;从光谱的产生方式来看,又可分为吸收、发射、散射等光谱……

  “近100年来,这些分析方法的发展形成了相应的分析仪器理论,分析化学学科的发展也亦步亦趋。”林金明说。

  分析化学从早期的定性研究,逐渐发展到定量分析,分析的对象,也从早期的元素分析,逐渐发展到了对小分子的研究,以及如今仍然处于热点的蛋白质、DNA等生物大分子的研究。在研究进展方面,分析工具的不断发展,给科学家们创造了研究新问题的可能性。也因此,在诺贝尔奖历史上,诸多分析仪器理论或技术发明人获得了诺贝尔奖。“尤其在质谱领域,有多位科学家获得了诺贝尔奖。”林金明说。

  分析化学已成为人民生活保障的重要手段

  “分析化学经常被人们比喻为现代科学技术的‘眼睛’,一个国家分析化学发展得好,科技水平就容易获得提高。”林金明说,“比如钢铁中的微量元素对它的品质影响很关键,如果我们没有办法分析和检测,就很难做出高质量的钢材。”

   “无论对于材料还是人们的生活品质,分析化学都起着重要的保障作用。”林金明说,“过去,我们国家比较贫穷,物质相对比较匮乏,对于物质数量的追求是人们的重要目标。通过各种手段增加物质数量和创造新物质是科研领域重中之重。甚至创造出许许多多危害人体健康、危害自然界的新物质或者新的生物品种。但是,经过近10多年来的各种环境事件、食品安全、医药品事故以及目前严重的雾霾现象,人们逐渐开始重视分析化学的作用,大力投资分析仪器的研发,鼓励分析方法的创新。

  “与其他产业相比,分析仪器的制造和销售规模往往都不是很大,产生的直接经济效益也不高,在GDP主导的思维下,这一块就很容易被人忽视。近三十年来,我国分析仪器的发展可谓突飞猛进,但与世界发达国家相比,还有差距。而对于这个销售量不大,产生的直接经济效益不多的行业,因为它牵涉到人民生活的方方面面,又代表了一个国家科学技术的水平,更应该重视和扶持。” 林金明说。

   “在很多领域,我国的分析化学都取得了惊人的进步。就我的判断,目前,我国的分析化学水平,在很多领域与国际先进水平只差了一毫米。”林金明说,“所以人家是引领,我们是前沿。”

  要实现这一毫米的突破,并不是件容易的事,“从慢人一步到慢别人一毫米,我们取得了很大的成功。我希望有更多科学家能快别人一毫米,再往后,就有希望能够快别人一步。”

  开放与交流带动学科发展

  “近几年,国际性的学术交流会议越来越多地在中国举办。”林金明说,“但是,这些会议大多是分析化学中的某个分领域,ICAS 2017将是一次综合性的国际学术会议。”

  “希望通过国际性的学术交流,让更多年轻人在家门口作国际交流。”林金明说,“近年来,我国分析化学取得了很多成绩,学者们需要把自己的研究成果、研究思路传递给全世界。同时,也需要听听世界一流学者正在思考什么,是什么想法,发现别人的新思路。”

  “当前,分析化学的热点集中于生命科学,可以说,生命科学的问题解决了,其他相关的问题就会迎刃而解。”林金明说。在分析工具设备开发方面,林金明认为,热点集中于新材料的应用。“比如小型设备,没有新材料,信号无法接收。在样品前处理、重要元器件方面,新材料的应用都是关键。”

  分析化学的研究难点,与热点一样,集中于生命科学。“分析化学要突破的难点,我认为是生命过程的实时、在线示踪检测。”林金明说,“以前的分析化学研究的是静态的过程,而生命却是动态的,一个现象会快速完成。比如,人瞬间的不高兴是什么原因导致的,是什么物质发生了哪些变化,这需要对生命的动态过程进行示踪。到现在还没有比较成熟的工具能完全应对生命的动态过程的示踪。”

  “动态示踪,这需要高灵敏、高选择、快速的响应。目前,大家都还在思考中,这里面有很多的机会。或者是新原理的分析技术出现,或者是已有原理的分析技术进一步拓展,或者是不同原理的技术交叉,这需要更多的人来研究和思考。”林金明说。

  近年来,林金明团队也在生命科学领域不断探索。在国家自然科学基金资助下,2010年,该团队提出了微流控芯片-质谱联用平台,应用于细胞研究。他们很有信心地认为,用于细胞分析的芯片设计将会更加灵活有效,更重要的是用于细胞分析的标准化微流控系统的设计和制备,尤其是微流控芯片质谱联用分析技术(Chip-MS),也将逐步成熟,发展成继气相色谱-质谱(GC-MS)、液相色谱-质谱(LC-MS)、毛细管电泳-质谱(CE-MS)联用三个不同阶段的技术,分别应用于小分子、中等大小的分子、大分子等无生命的化合物的分离分析,到目前能够初步应用于具有生命最小单元的细胞的微流控芯片-质谱联用分析,其发展趋势将有可能如下图所示。

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  微流控芯片-质谱联用细胞分析方法研究与应用发展趋势。图中GC-MS、LC-MS、CE-MS和Chip-MS分别代表气相色谱、液相色谱、毛细管电泳、微流控芯片等四项重要的分离分析技术与质谱的联用

  “我们逐渐在追赶世界水平。要让人家认可,就要做各种理论知识的推广,还要造出设备来,让大家知道这东西可用。从理论,到设备,再到应用领域,我们都需要坚持不懈的努力。当然,作为大学的教师,我们的首要任务是教书育人,我们希望通过这一前沿的研究培养学生科研兴趣和产生新的科研思路。”林金明说。

  林金明简介

  林金明,博士,清华大学化学系教授,博士生导师。1997年获得东京都立大学博士学位,同年留校任教。2001年入选中国科学院“百人计划”并获得国家杰出青年科学基金的资助,同年受聘中国科学院生态环境研究中心研究员,博士生导师,环境化学与生态毒理学国家重点实验室副主任。2004年入选清华大学“百人计划”,受聘清华大学化学系教授,2008年受聘教育部长江学者特聘教授,2008年-2014年担任清华大学分析中心主任、化学系副主任、分析化学研究所所长。2014年入选英国皇家化学会会士。主要从事:1)微流控芯片质谱联用细胞相互作用研究;2)空气负离子制备方法及其对促进健康作用的机理研究;3)超微弱化学发光新体系的研究。出版《化学发光基础理论与应用》、《化学发光免疫分析》、《环境、健康与负氧离子》等专著三部,发表研究论文388篇,申请和授权发明ZL45项。目前担任中国化学会质谱分析专业委员会副主任兼秘书长,中国质谱学会副理事长,中国药学会药物分析专业委员会副主任委员。Trends in Analytical Chemistry责任编辑,J. Pharm. Anal.副主编, Current Analytical Chemistry副主编、Chinese Chemical Letters副主编,《分析试验室》副主编,以及10多种国内外学术期刊编委。


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