江桂斌院士：科学驱动和国家重大需求推动光谱事业长青
1979年11月，我国在桂林举办第一届全国分子光谱学术会议，受到吴学周、王大珩、吴征凯等院士及老一辈科学家的热情关怀，在全国分子光谱科研工作者的积极支持和共同参与下，迄今已成功举办十九届。近年来，会议中增加了原子光谱、ICP-MS等学术交流内容，成为今日之“全国光谱会议”，今年适逢其创办40年，并将于今年10月在青岛召开第二十届大会(会议主页：http://www.sinospectroscopy.org.cn/meeting/index.php?mid=23 )。日前，应组委会的邀约，分析测试百科网采访到中国科学院生态环境中心的江桂斌院士，他将回顾自己30多年原子光谱研究经历，分享他对光谱发展、科技创新的思考，并预祝全国光谱大会圆满成功。
中国科学院生态环境中心江桂斌院士
中国光谱发展的两大推动力
江桂斌院士表示，中国光谱能够取得今日之成就，主要来源于两大驱动力，首先是国家重大需求的牵引，其次是科学创新的驱动。
国家重大需求推动中国光谱的发展
光谱分析技术已有上百年发展史，中国上世纪50、60年代开始有光谱分析技术；光谱分析技术在中国的发展首先来自国家重大需求的牵引。1949年刚解放时我国没有光谱分析技术，国防、探矿、工业、民生等方面的需求催生和推动了光谱技术的发展。随经济的发展和社会进步国家需求也在发生着变化，在70、80和90年代，出现了环境分析、食品安全、国家安全等国家重大需求，这些重大需求推动了光谱技术在中国的发展。比如，基于最简单的紫外分光光度计首先在各个实验室普及，后来又出现荧光分光光度计。然后是分子光谱、分子探针、拉曼光谱等的发展。对于重金属的检测，原子光谱的发展也满足了国家需求，由于原子光谱有很高的光谱选择性和灵敏度，特别适用于环境安全、食品安全、国家安全中的分析需求。
科学创新驱动推动中国光谱的发展
第二点来自于科学创新的驱动。从事科学研究强调创新，过去几十年中，中国的光谱工作者做出很多创新工作，如拉曼光谱、新型紫外、远近红外、原子吸收、原子荧光、光谱成像等。例如，原子荧光光谱仪是中国具有独立自主知识产权的工作。后来发展到与色谱分离技术的联用，为解决复杂机体中的金属形态问题提供了重要技术手段，这些领域中国学者都有很好的科学创造。
过去几十年，在中国也举办过多次世界光谱方面的会议，无论是紫外、红外、激光拉曼、原子光谱在分析方面的应用，还是应用光谱技术来研究反应动力学及若干化学机理。光谱技术赋予了科学研究丰富的手段，是创新的源头。所以没有光谱技术的发展，若干方面的科学创新是很困难的；而有了光谱技术的支撑，我们在阐明科学现象、寻找科学规律方面取得了重要进展。
光谱技术未来的发展
谈到光谱技术未来的发展，江桂斌院士分别从仪器技术、国家需求和科学研究三大方面阐述。
光谱仪器技术的发展
他说，首先是实验室常规应用的，比如紫外、荧光等，经典光谱技术将继续发挥作用。其次在重金属测量方面，ICP-MS将占据比较主导的地位，高分辨ICP-MS将会成为重要的金属元素测定手段。比如测定重金属的形态，需要色谱分离和原子光谱测定技术的联用，将色谱和原子光谱联用，或将色谱和ICP-MS联用，这些技术可以在复杂的基体中识别、分辨并提供重要的形态信息。第三，这些技术也将对生命科学领域产生很大的推动作用，如在流式细胞、场流分析、光谱成像方面的工作。
光谱应用方面的发展
未来，这些光谱技术将成为科学竞争力的重要保障。首先在科学仪器相关领域，光谱技术是重要的推动力。其次在生命科学领域也离不开光谱技术，比如分子探针应用很广，光谱技术还可为单细胞的测定提供更好的微区成像。第三在民生领域，我们国家正面临严重的大气污染、水污染和土壤污染，光谱技术在控制污染中也发挥重要作用。
“中央在十九大报告中提出：要坚决打好防范化解重大风险、精准脱贫、污染防治的攻坚战；污染防治在今天尤其重要。”江院士进一步说，“我们的空气质量这么差，水质这么差，这和我们这个大国不相称，更重要的是污染影响人体的健康。中国业已建立了覆盖全国的监测网，需要在线、实时、快速灵敏的高通量低成本检测技术，其中光谱仪器将会继续发挥主体作用。在食品安全领域，当前我们对食品监管的力度仍然不够，原因之一是技术能力有限，光谱技术的发展也将促进食品安全的保障。在国家安全领域，光谱技术在排查危险化学物质的过程中发挥了重要作用，未来需要各种小型便携式产品，采集现场数据传输到大数据网络，增强预警和防范决策的科学性，这都是未来光谱技术发展的重要趋势。”
科学研究的要求
在科学研究领域，需要更灵敏的技术，能看到单个原子、分子的精细结构、迁移规律；从现有观测的微观世界走向更加微观；还需要更多高通量筛选技术。光谱技术在上述方面都将发挥作用，未来的舞台很大。
光谱技术在科学研究中发挥的作用
用色谱-光谱联用测定金属形态
“我大学时学的分析化学，一直和分析仪器的使用与改造相结合”。 江桂斌院士回忆说，“过去测定的往往是金属总量，比如环境和食品中经常测到的铅超标、镉超标、汞超标，都是测一个总量。但事实上，不同的金属形态有不同的化学特性，它的迁移、累积和生物可利用性等都会发生变化，更重要的是其毒性有很大变化，比如汞和甲基汞的毒性差别非常大。我去过多次日本水俣这个地方。1956年，日本发生水俣病，该地有条河的上游是尿素（氮素）生产厂家，当时生产尿素用二氯化汞做催化剂，导致二价汞排放到水俣湾，沉积入底泥，在底泥中的微生物作用下，将二价汞变成甲基汞。而甲基汞与汞最大的区别是，甲基汞是有机形态的，由亲水变为亲脂，很容易同生命体中的蛋白质结合，能够在生物体的食物链中传递、累积和放大，最终穿过血脑屏障。甲基汞比汞的毒性高数百倍。鱼吃了游离的甲基汞后在鱼体内富集，人吃了鱼后甲基汞就会在人体内大量累积。甲基汞的神经毒性最终导致水俣病的爆发。当时的情况是，水俣地区人们突然观察到猫开始变疯，接着一些人也疯了，这就是水俣病。我们开展汞的形态分析的工作是80年代末90年代初，希望能够测定甲基汞有机形态，由于当时只有原子吸收、ICP-OES测总量。为了能够测定形态，就开始用色谱与原子吸收，色谱与ICP-MS联用测形态，到2000年后我们和海光公司合作的色谱-原子荧光联用法测形态获得BCEIA金奖，目前也受到市场的广泛欢迎。用色谱-光谱联用测定金属形态，我们在国际上是很早的。”
水俣病的由来
研究金属和蛋白的结合体和金属元素的甲基化
90年代中期，课题组的研究从化学形态分析，深入到研究金属和生命体蛋白的结合作用。该工作分成两大方面，其一是研究金属与蛋白质的作用，希望找到类似金属硫蛋白的一些金属结合蛋白并研究其功能，但该领域目前尚无重大发现，课题组还在继续研究。
另一项研究是，90年代初江桂斌课题组提出：金属元素的甲基化。研究的第一个方向是：除已知的铅、汞、锡可形成甲基化化合物外，其它元素是否也产生甲基化；另一个方向是找到更多金属元素甲基化的供体（donor）。现在已知有环境微生物如底泥中的微生物；可提供活泼甲基的化学供体如碘甲烷，以及光化学成因，高空大气中漂浮的汞亦可以在光致作用下形成甲基汞，汞和甲基汞也会互相变化。“我们希望在该领域有所发现，发现具有甲基化特性的金属，或发现新的甲基化供体。”江院士说，“90年末我们有这个想法后，国际上出现了金属组学方向，研究金属元素的甲基化也被纳入金属组学研究领域。我们一项较重要的工作是发现碘甲烷是汞甲基化的供体，发表在《自然.通讯》（Fumigant methyl iodide can methylate inorganic mercury species in natural waters，天然水体中碘甲烷熏蒸剂可以导致无机汞的甲基化，Nature Communications volume 5, Article number: 4633 (2014)）上。该工作特别的意义在于：碘甲烷作为一种新型熏蒸剂农药已在美国、日本、新西兰等国家批准使用，其用量可高达11千克/亩。这一重要发现预示着未来会有更多的甲基汞通过碘甲烷这一化学甲基化途径产生并释放到环境中，从而对生物体健康产生影响。”
碘甲烷进入水环境后参与无机汞甲基化过程的机理
光谱仪器研制
江院士还介绍了环境化学与生态毒理学国家重点实验室的一些工作，比如，我国地下水砷污染严重，实验室景传勇课题组研制了可进行现场测定的便携仪器，用便携的增强拉曼测定水中的三价砷、五价砷，满足国家的重大需求。
课题组在有机污染物方面的研究工作
江院士还介绍了课题组的其它部分工作。课题组主要研究有机污染物，使用各种类型的质谱，包括15.3 特斯拉的FTICR-MS，2000年后购置了多台二恶英实验室所用的高分辨质谱。重点实验室张庆华研究员等在二恶英检测标准实验室能力建设方面支持了全国的发展，为全国70%二恶英实验室提供了实验室设计技术咨询与人员培训。
大力支持国产仪器 研制原创仪器
课题组开展了众多仪器研制工作，如同海光仪器合作原子荧光联用技术，同普立泰科合作前处理设备。对于当今的国产科学仪器发展，江院士谈了两点看法。首先，我国科学仪器的进步明显，如在PM 2.5监测仪方面，几年以前是国外产品的一统天下；但2012年迄今已发生很大变化，国产的PM2.5测定仪器已占超过60%的市场份额，说明国产仪器已取得很大的进步，承担了主体作用。
其次，江院士希望中国的科学仪器发展企业要有国际化的视野，追求高质量、创新性，而不要打价格战。中国的分析仪器应该稳步走向国际。当前，中国仪器的同质化竞争非常严重，竞争时若干厂家靠降价；但其实很好的产品需要与价格相符，价格往往是质量的反映。进口仪器为何卖得贵，服务也不尽如人意，目前主要因为中国仪器和其质量相距甚远。“中国分析仪器市场所有外商的服务，我们也不满意。有时候实验室仪器坏了，他们的响应也很慢”。
江桂斌院士一直非常支持分析仪器国产化工作，比如无偿帮助海光公司开发色谱-原子荧光联用仪，只为了能让市场把专项技术真正用起来。关于和普立泰科公司的合作，江院士表示：“一个国产分析仪器公司能够盈利很不容易，总经理田莉娟不仅能闯，还非常虚心，能够把握大局和市场前景，这点非常重要。”相信不久的将来，江院士的更多成果能够支持中国仪器公司做出更多符合市场需求、特色突出、高质量的仪器。
据悉，江桂斌院士还承担了国家重大仪器研制项目“高通量多功能成组毒理学分析系统”，江院士介绍了仪器的整体理念以及设计背景：我们面临的环境污染90%来源于化学污染物，它们又来自于全球化学品、化工产品的迅速增长，全球在美国化学会登记的化学品已有1.4亿种，相较于5年前翻了一番。快速增长的化学品必然有很多用于生活和工业生产，最后进入环境和人体。该仪器的主要设计目标就是针对未知化学品，无论来自于食品还是环境，能够快速鉴定其结构，同时测定其含量和毒性。目前的分析仪器有专门定性定量的却不知其毒性，有专门测毒性却无法定性的。在应用上，该仪器对化学品的风险评估、化学污染物的管理将非常重要；在其它应用领域也有很大的推广价值。比如在中药有效成分的研究中，生物可利用性是非常重要的，而该仪器将可以真正解释其原因。此外在国防、反恐、生命科学、毒理学和大数据积累中，该仪器都将做出贡献。江桂斌院士接着说：“未来我们或以该技术为核心，建立毒理健康分析测试中心，因为该仪器是一个复合系统，具有高通量、多功能性，可针对不同来源的各种样品，自动产生很多数据。该系统中融合了多项创新，在国际上也是原创的。”
归纳科技四种创新 寄语全国光谱会议
今年以来，江桂斌院士多次就“我国分析仪器的创新与机遇”作大会报告，在报告中提出科学仪器创新的各种思路。对于全球科技来说，我国的光谱领域还缺乏原始创新的技术，未来任重道远，还需长期努力。
对于10月将在青岛召开的全国光谱大会，江桂斌院士有三点寄语：“首先是团结和交流，希望大会能够团结全国光谱同行，通过交流探索学术前沿，找到大家的兴趣研究领域和方向，大家互相学习和提高；第二点是要为最终目标服务，要紧密结合科学前沿，并通过光谱技术解决我国在国民经济发展和民生领域的重大难题。第三点是，可以进一步把国内会议与国际交流结合起来，进一步提升中国光谱在国际上的影响力。”
