现代分析仪器发展的前沿技术和新思想

上一篇 / 下一篇  2010-06-09 10:55:45

  1 前 言

  近20年以来,由于世界社会和经济发展突飞猛进,无

  论在工农业社会大生产各行各业还是涉及人类生存发展的

  基础学科研究各领域,都对现代科学仪器技术的发展提出

  了前所未有的高要求;同时,在急迫的需求和现代科技发展

  成果的支持下,现代科学仪器技术也获得了前所未有的高

  速发展,涌现了许多意义重大的新思想,新技术和新仪器.

  作为信息时代信息源头技术的分析仪器科技发展更为引人

  注目.为了满足基础研究和各行各业提出的更灵敏, 更准

  确,更快速,更方便的要求,在现代光学,化学,生物学,电子

  学和计算机技术,软件技术新进展支持下,已经在新颖分析

  检测方法,分析仪器设计新思想,新方法,新型分析仪器开

  发和应用等方面取得了长足的进展.面对日新月异,五花

  八门的新发展,综合考虑仪器仪表学科发展方向和我国社

  会经济,科技发展的趋势及对分析仪器科技的新要求,本文

  拟对近年来已经呈现,并将在21世纪初深入发展,对我国

  分析仪器科技发展有重大影响的若干前沿技术和新思想作

  简略评述,以供我们在制定分析仪器科技和产业发展规划

  和计划时有所参考,及时看清世界发展潮流,抓住前沿思

  想,方法,技术,组织力量尽快尽早赶上世界分析仪器科技

  和产业发展先进水平.

  2 新颖高效分析测试技术不断涌现

  近20年来在分析仪器科技所覆盖的各种分析测试领

  域中,不断涌现出大批新颖高效分析测试技术.其中有些

  是在成熟技术基础上采用最新科技成果更新提高的,也有

  不少则是建立在全新基础上脱颖而出的,共同的特点是具有

  前所未有的更好性能,更高分析效率,更便于应用,更适合当

  今科技和产业发展新要求,甚至推动了它们的全新发展.

  211 近红外光谱分析技术的实用化和推广应用

  由于在近红外光谱区出现的分子振动光谱的倍频和组

  合频带信号弱,重叠严重,所以几十年来一直未能在分析检

  测工作中得到实际应用.近二十年来,由于高强度光源,低

  散射光栅,固态高灵敏探测器,尤其是计算机硬件和软件技

  术的发展,为近红外光谱仪的开发和实用提供了必需的基

  础;近年来化学计量学理论的发展更为复杂光谱信息提取,

  分离,多成份多参数同时分析提供了可能,从而使近红外光

  谱分析技术达到实用化阶段.由于近红外光谱分析不需繁

  复的样品预处理,可以方便地应用到生产线上完成实时在

  线分析,可以多成份同时分析,分析速度快,效率高,因此90

  年代以来商品化仪器不断涌现,正在从最初的农牧业产品

  分析,食品工业生产监控等领域迅速扩展到石油,化工,制

  药, 造纸,生化等行业的产品质量分析和工艺流程监测.

  近红外光谱分析技术的推广应用一定会在今后一段时

  期内成为世界热点,其快速,高效,低成本,无损无污染等特

  性,尤其是适用于现场,在线分析的特点使其应用范围更加

  广泛.

  对我国分析仪器行业来说,应该充分重视并加大投入

  到近红外光谱分析技术实用方法研究和各种近红外光谱仪

  器的开发和推广应用.在近红外光谱判读,数据处理及仪

  器设计,制造等方面,我们不会遇到很大困难,但在近红外

  光谱化学计量学软件设计,近红外光谱在各行各业的应用

  软件(建模,校准,评价,数据优化等软件和软件包)的开发

  和完善等方面还有大量工作要做,我们应该组织队伍,加大

  投入,开发出适应我国科技和产业国情的近红外光谱分析

  技术及配套的近红外光谱仪器.在世界范围内,近红外光

  谱分析检测技术和近红外光谱仪的开发和推广应用,目前

  也只处于开始成熟的发展阶段,面对各行各业对多成份实

  时快速分析检测的迫切需求(尤其是跳出传统实验室分析

  框子进入现场,在线分析发展要求),今后会迎来快速发展

  的局面.我们应该急起直追,以免再次面临进口近红外光

  谱仪器充斥我国市场的窘迫局面.如前所述,在仪器开发,

  研制方面我们已有足够的基础和条件,而在数据处理,应用

  软件等领域我们并不比国外缺少智力和软件人才,甚至可

  以比外国人开发出更好,更适合国情的应用软件.现在的

  问题是应立即切实重视近红外光谱分析技术和仪器的发展

  前景,做好开发—应用的结合,组织好"产,学,研,用"大合

  作,在适当的统一规划,统一指导下分工合作,并通过各种

  渠道加大投入.我们希望在近红外光谱技术方兴未艾之

  际,不失时机赶上世界发展潮流.

  212 生物芯片和芯片实验室技术

  近20年来,由于与人类生存,发展相关的科研和技术

  已成为全球注目的发展重点,因而在生物生态,医学诊断,

  药物开发等领域迫切要求新颖,高效分析检测技术.在计

  算机芯片技术的启示和技术支持下,90年代出现的生物芯

  片技术和芯片实验室已成为目前广受重视的新颖分析测试

  方法.简单而言,芯片分析就是在面积不大的基片表面有

  序地排列一系列探针分子,然后与待测分子反应,通过种种

  手段记录,显示反应结果,获得所需的分析信息.采用芯片

  技术不但大大提高分析检测效率,减少工作量,增加可比

  性, 而且为生物医学分析检测提供了新的手段.目前生物

  芯片已从DNA序列测定,基因表达谱鉴定和基因突变体检

  测分析(DNA芯片或基因芯片),发展到免疫反应,受体结合

  等非核酸领域的应用.

  在上述类似微传感器阵列的生物芯片(完成测试任务)

  以外,近年来已发展出可完成分离,反应等任务的芯片元

  件,因而可组合成能完成分离,反应,测试整套工作的芯片

  组合,构成完整的微型分析仪器,故称之为芯片实验室 (Lab

  on a chip).仅就可用于基因和基因组研究的芯片器件而

  言,已有微流量分析器,微电泳仪,微聚合酶链式反应器

  (PCR 仪)等.这些在玻璃,熔融硅甚至塑料片上制作的小

  型芯片元件,组合在一起不但可完成传统分析仪器的分析

  测试功能,而且也具备传统分离,反应装置的功能.

  微型芯片型分析检测技术和仪器的出现,不但大大提

  高分离分析速度,显著降低试剂用量,降低分析成本,而且

  预示了大量生产用过即丢弃的新颖分离分析仪器的涌现,

  不但为生物,医学,制药,军事等领域开辟全新的分离分析

  技术,而且也为21世纪分析仪器的发展开拓了新的途径.

  就我国科技和产业发展形势而言,芯片型技术和仪器

  是非常符合我们发展需求的;我国有不少研究院所,高校已

  经启动,正在为紧跟世界发展潮流,探索符合我国国情的芯

  片分析检测技术和仪器装置发展途径努力工作.今后除了

  应广泛介绍引起广泛重视以外,还应在芯片制造技术,试剂

  配套,准确方便阵列探测器,数据处理和应用等方面组织协

  作,开展攻关配套,真正将这种刚刚出现的新方法,新技术

  引入到我国分析仪器发展计划并予以推广应用.

  213 现场分析检测技术和在线分析仪器

  传统分析仪器一般都属于"大型精密仪器",不但仪器

  体积庞大,对被测试样预处理要求严格,而且十分"娇"气,

  对使用环境条件要求苛刻;传统分析仪器不但不能适用于

  现场条件复杂(高温,多尘, 震动大,电磁干扰严重……)的

  生产现场,也不适宜生态,环境领域的现场野外分析检测,

  其中尤其以各种光学,光谱学分析检测仪器更为突出. 而

  当今科技和产业发展却急迫需要可适应各种现场条件(生

  产线,野外,病床前,火箭上……)快速,准确,方便的分析检

  测仪器,同时还要求仪器轻巧,牢固,耐震甚至可遥控遥测

  或长时间无人监管自动监测.可以说现场分析检测仪器的

  研究开发和推广应用,将在今后成为分析仪器科技和产业

  面临的最大挑战,不但社会,经济,军事效益重大,而且市场

  前景极其惊人.

  近20年来,各学科各行各业的科技和产业的发展,大

  量新技术新产品的涌现已经为现场分析仪器的开发和应用

  奠定了基础,世界市场上也在不断推出商品化的现场分析

  仪器.就应用而言,对现场分析检测技术和仪器的技术要

  求可归结为:对试样预处理要求低,甚至无需处理就可在现

  场对样品(或工艺流程物流)进行实时,在线检测;对试样的

  物理形态(气,液,固态或凝胶,粉末,活体生物组织……)或

  化学构成(单组份,多组份,反应过程中……)有很好的适用

  性; 对环境条件(高温,高压,高腐蚀性,多尘,粘滞,电磁干

  扰严重……)适应性好,可实现精确分析检测或长期自动监

  测;有足够的检测精度和分辨率,选择性,满足实时或在线

  复杂试样检测要求;能快速获得分析检测数据,可实现数据

  传输,交换,便于实现实时测控;希望能完成多路,多组份同

  时检测,提高分析效率;仪器系统有分散或集中控制网络功

  能,甚至计算机联网能力,可实现现代化远距监控;对特殊

  场合提出的遥控,遥测要求,能满足灵敏,可靠,自动化程度

  高,信息传输快速,正确等要求.从技术经济和市场角度,

  当然对现场分析仪器也有小巧,轻便,可使用电池工作,牢

  固,防护性好以及价廉物美,市场竞争力强等要求.

  就我国分析仪器科技和产业来说,已经具备开发和推

  广应用现场分析仪器的科技和物质基础.在我国,各种小

  型高效半导体激光器,半导体二极管泵浦固体激光器,高强

  度发光二极管等小型高效光源, 各种光纤微型化学和生化

  传感器,高密度低散射全息光栅,声光调谐晶体器件,传光

  或传感光纤,微透镜及其阵列,各种工业电化学电极,色谱

  柱,色谱检测器,微型泵和阀门器件,高集成度微电子器件,

  小尺寸高分辨光电,热电控测器(如CCD等),小尺寸高分辨

  率液晶显示屏等等,都已有国产的商品供应,一些特殊或更

  高性能的国外产品也能方便地选购.所以,只要我们认清

  发展趋势,认真对待,是完全可以在现场分析技术和仪器领

  域做更多工作的,是可以与进口技术和仪器并驾齐驱的.

  214 微传感与微制造技术

  在分析仪器现代化发展的进程中,除了微电子技术和

  器件的发展和引入使传统分析仪器摆脱了庞大的分立电气

  的束缚以外,微传感技术的微制造技术正成为当前分析仪

  器现代化发展过程中最引人注目的新技术潮流.

  离子选择电极,药物选择性电极,PVC膜电极,酶电极,

  微生物电极,组织电极,免疫电极等等,都是近年来对分析

  仪器传统玻璃电极的突破和发展,不但在灵敏度,选择性,

  稳定性等主要性能方面有极大升跃,而且尺寸小,牢固,方

  便,寿命也长.各种光纤化学,生化传感器和应用技术的开

  发也是近年来热门的方向,已在各分析检测领域(尤其是环

  境监测,生物医学在体无损伤分析等)得到了成功的应用.

  11现代科学仪器2000 3

  采用微电子硅元件制造技术,已经在微型分析传感器

  件开发方面获得了令人印象深刻的发展,预计今后仍会是

  分析仪器微传感,微制造技术发展的重要手段,尤其在微传

  感阵列器件开发方面将会有重大发展.

  近年来纳米技术的惊人发展,也为分析仪器现代化发

  展提供了一条全新的技术途径.已经报导了用纳米粒子荧

  光免疫法进行单分子检测,在病毒感染,心血管和癌症诊断

  方面得到成功结果;用金胶体纳米粒子增强表面光学过程,

  可使表面增强Raman散射效率提高14~15个数量级!由

  纳米技术带动发展起来的近场光学显微术已可摆脱衍射效

  应限制,达到光波长几十分之一的超分辨率,从而使近场光

  谱仪的光谱探测范围拓展到纳米尺度,可以分辨单一分子,

  得到单一分子发出的荧光光谱及其动态变化, 也可以在分

  子水平研究细胞的有丝分裂,染色体分辨,基因识别,DNA

  和RNA测序等等.在扫描隧道电子显微镜基础上可发展

  纳米分析新技术,可确定原子和亚微米尺度范围内的超薄

  膜的层面结构中几何排列和电子排列形式.至于微机械学

  和纳米机械学已经造出可在人体器官内操作的微机器人,

  可完成生物血管中和眼科手术中的诊断,细微检测甚至修

  补,除栓等任务.

  可以预见,微传感和微制造技术的深入发展,一会定直

  接影响现代分析仪器技术和产品的发展,在生物,医学,生

  态,航天等等领域中会应运而生开发出种种完全新颖的微

  分析仪器.

  3 分析仪器设计思想,设计方法现代化

  传统分析的设计是基于传统的光学,化学,物理学,电

  子学设计方法基础上的,近年的智能化发展则是基于计算

  机硬件和软件设计基础上的.但是近年来由于各种最新科

  技发展成果的渗透和推动,已经出现了许多不同于传统的

  新设计思想和新设计方法,为分析仪器现代化发展提供了

  巨大推动力.

  311 模块化仪器设计思想

  传统分析仪器针对一个门类或一个型号仪器单独设

  计,制造,因而仪器门类,品种繁多,甚至一个厂商生产的同

  一类不同型号仪器之间都缺少共性,从仪器工作原理,主要

  光学,电子学,机械结构(例如光谱仪器的光栅台结构),到

  信息处理,显示都各不相同,不能互换.因此,不但使仪器

  设计,生产,维修增加了很大困难,使用不方便,成本降不

  下,而且对仪器的功能扩展,技术指标升级都很难实现;随

  着技术的发展,用户要求发生变化时,厂方不得不重新设计

  新仪器,用户只能搁置已有仪器去购买新仪器.

  随着科技发展日新月异,不但在技术上为仪器设计模

  块化提供了基础,而且也有了必要的技术和物质条件实现

  仪器模块化设计,可方便,低成本地适应用户千变万化的需

  求.模块化设计已经有三十多年的发展历史了,但近年来

  这种设计思想变得越来越明显,已为越来越多的厂商广泛

  采用,尤其在大型高价仪器的发展工作中,对仪器核心光,

  机,电部件,尤其是计算机硬件和应用软件的设计,都越来

  越多地形成成系列的不同功能,性能模块化组件,不但可视

  用户需求用适当的模块组件组合出满足要求又适用价廉的

  仪器,而且也给用户已有仪器扩展功能,提高性能指标提供

  了更新或升级换代的可能性.

  在我国分析仪器界,标准化,通用化的观念已经普及,

  生产厂商为成本和市场竞争已经在仪器设计系列化方面做

  了大量工作,为用户提供不同功能,性能系列仪器.但是,

  在一台新仪器的设计开发中,真正贯彻模块化设计思想,则

  不但在观念上,而且在技术手段,生产工艺方面尚存在不少

  问题,如果不及早注意和采取有效措施,则国产仪器在现代

  化水平上将会更加落后于进口仪器,应该引起我们的关切.

  312 建立和发展虚拟仪器概念

  当前大工业发展对流程监控仪器的要求越来越高,不

  但要求分析仪器能完成在线实时分析检测,而且还要求分

  析检测系统可适应越来越多种多样的使用要求,随时可变

  换检测对象,完成不同检测任务或升级换代.因此,由厂商

  生产时设定,面对固定对象,完成确定分析检测任务的传统

  分析检测仪器和系统,已越来越不适应要求了.

  由电子测量仪器新发展中出现的虚拟仪器概念已经逐

  步被更多领域所接受,对实现"柔性"分析检测系统具有明

  显的推动作用.利用现有的计算机,加上适当设计的仪器

  硬件和专门的应用软件,构成虚拟仪器,使其既具有传统仪

  器的基本功能,又能由用户根据自己的需求变化随时定义,

  实现多种多样的应用要求,确实是对传统分析仪器技术的

  挑战.虚拟仪器不但灵活可变,功能强大,而且作用方便,

  便于技术升级更新,价格也低廉(尤其仪器系统的使用维护

  费用极低).

  在工业流程分析监测仪器和系统开发中,虚拟仪器概

  念应该可以直接引入,为传统分析仪器技术赶上科技和产

  业发展潮流开拓新的途径.当然,目前存在更新观念问题,

  也还存在许多技术实施方面的难点,但这不应妨碍我们探

  索分析仪器系统虚拟化的研究,实验工作,尤其在这"软件

  就是仪器"(美国National Instruments公司提出的说法,仪

  器= AD/ DA + CPU +软件,仪器的性能,价值完全取决于软

  件.)的世界发展潮流中,仍"以不变应万变"吃传统硬件饭,

  吃亏与落伍将是必然的结局.以软件技术实现虚拟仪器,

  是一条天地广阔的发展途径.事实上,国内外已有许多功

  能强大,效果极好的软件技术可供选用,我们的问题只在于

  观念更新,应该努力汲取新思想并动手实践.谁醒悟得早,

  动手得快,谁就会当排头兵占尽天机,抢占市场."软件就

  是仪器"预示了全新的分析仪器科技和产业的发展潮流,将

  会迅速改变世界分析仪器行业面貌的!

  313 以信息网络思想指导新仪器设计

  传统分析仪器设计是以单台仪器独立工作,手工操作,

  人工判读或记录分析信息为基本设计思想的,因此每台仪

  器"各自为战".信息是孤立的,不开放的.

  在当今信息时代,网络铺天盖地,而作为信息源头的分

  析仪器若不能将分析测试信息通过网络快速,多方位传递,

  交换,就不能适应当今科技和产业发展的需要.现在已有

  不少分析仪器计算机系统中装上调制解调器可直接联网,

  从而可达到异地远距控制仪器或维修仪器的功效.这是传

  统仪器初步网络化的第一步,仪器还是按传统思想设计,制

  造的,仍然是仪器与网络的简单功能相加,如同70年代

  "Built in computer"分析仪器一样(仪器仍可独立工作,内置

  计算机只承担数据处理工作),而不是以计算机为主导设计

  的新型智能化分析仪器 (仪器完全由计算机控制).

  以信息技术网络化思想设计分析仪器,必然会跳出单

  个独立仪器自成系统的传统思想,而是将构成分析仪器(或

  系统)的传感,数据采集,数据处理,传输,仪器控制各功能

  都通过计算机在网上(可以是局域网)实施.仪器离开网络

  不能工作,仪器不是独立单元,也不再需要光,机,电,算"五

  脏俱全"的完整结构.建立在网络化思想设计的仪器,不但

  可以方便地实现模块化设计,制造,而且也易于实现虚拟

  化,依靠多种多样功能强大的通用或专用软件完成更强功

  能,更高效率,可以变化的种种分析测试任务;对用户来说

  网络化仪器不再是一大堆各自独立,分别工作,给出一大堆

  无法传递,交换信息,离开大量的人工管理就得不到实时,

  有效检测,控制效果的仪器集群,而是有机,有序分布在网

  络各端,平行分布工作的完整系统,既可在小范围内(本实

  验室,本企业内)也可远距(异地,全球)联网工作.

  目前,国内外都已出现了不少基于信息网络化思想设

  计的新颖仪器或分析检测系统的研究报导,也已见到若干

  专用性好的网络仪器商品.在信息时代 (按H—P公司提出

  的信息技术=测量技术×计算机技术×通讯技术,即IT =

  MC2),基于信息网络思想设计开发仪器是必然的发展趋势,

  尽管眼下还没有太明显的势头但我们必须予以郑重的关

  注,也应该在各行各业的专业分析检测工作中尝试开发,应

  用新颖的网络化分析仪器(或系统).

  314 发展小型化,固态化仪器设计思想

  近年来,由于环境监测,生物医学,科技农业,军事分析

  以及工业流程监控等领域的现代化发展,提出了非常急迫

  的分析仪器小型化,轻量化要求,在特殊场合(如环保,野

  外,现场监测,星载分析检测等)还要求仪器牢固耐震.因

  此近年来分析仪器小型化已成潮流,各国都设计,开发了许

  多功能不亚于传统庞大实验室仪器的小型化,轻量化甚至

  全固态化的仪器,例如可在野外工作的短柱高速气相色谱

  仪,便携式质谱仪,便携式气相色谱/质谱联用仪,便携式γ

  射线分析仪,移动式傅里叶变换微波谱仪等等;极端的例子

  是在一个硅片上用光刻技术制成的集分离器,反应器和检

  测器的"Lab on a chip",没有任何运动部件,全固态化.

  目前,"微分析仪器"的概念已经普及,将微电子技术移

  植到分析仪器的设计,开发,设计,开发出尺度微小,可脱离

  传统实验室工作类型的完成新颖分析仪器是其第一层含

  义;为适应现代化科技发展要求,设计,开发出只需微量

  (nL2pL) 样品就可完成准确分析检测要求,或可插入单个细

  胞,或可对基因进行分析检测的分析仪器,是微分析仪器的

  另一层含义.现代科技发展迫切需要这两种含义的微小型

  分析仪器.市场前景宏大的家用,个人用分析仪器,也要求

  发展小型化设计思想,设计开发出不但尺寸小,重量轻,需

  样量小,而且无磨损(无活动件),耐震动甚至"零故障"的新

  颖分析仪器.

  完全从小型化,微型化设计思想出发,探索全新分析检

  测机理,采用全新技术(例如纳米技术)设计开发出完全新

  颖的仪器,是应该努力争取的方向;但基于传统仪器工作原

  理,以小型化设计思想为指导, 完美地采用现代科技最新技

  术和器件,则可更快捷方便地设计开发出微小型仪器,这是

  我们马上可动手,立竿见影的方向.

  315 推广专用化分析仪器开发思想

  传统分析仪器基于实验室应用思想,因而往往设计成

  在相当大范围内可适应多种分析检测目的的"通用"型仪

  器, 甚至配套了大量附件拓宽其应用范围.时代在变化,现

  代科技和产业对分析仪器的要求也发生了明显的变化,即

  对专用型分析仪器(甚至单一功能仪器)的需求大大增加.

  在大工业生产流程中,在科技农业,环境生态监测,生

  物医疗分析诊断,家庭个人安全保健分析以及现代战争前

  后方毒剂分析等等应用领域,都要求开发适应某个具体分

  析检测目的的专用型仪器,并随之而带来仪器结构简单,轻

  巧耐用,适应工作环境又准确可靠,使用寿命长,价格适宜

  等要求和特点.仪器设计者坐在工厂中因循守旧,不了解

  用户具体要求,仍"以不变应万变"设计开发"小而全"或" 大

  而全"的通用型仪器,让用户来承受"杀鸡用牛刀"或"以高

  射炮打苍蝇"的困惑,不但不符合当今分析仪器现代化发展

  潮流,而且也会把发展之路堵塞.

  美国戴尔计算机公司的Dell以其"直销"理念跻身世界

  计算机业界前列,其成功之道就是针对用户要求,直接根据

  用户需求制造计算机,使其产品比其他公司产品更接近顾

  客,更具人性化特征.他们在产品细分以外还加上顾客细

  分,分得越细就越能准确预测顾客日后的需求及其需求的

  时机.戴尔公司宣称,今日成功或希望明日制胜的公司是

  那些最接近顾客需求的公司.在分析仪器这样如同计算机

  一样用户覆盖面广而且将日益拓宽的领域,分析仪器设计

  开发思想也一定要借鉴Dell战略,推广专用化分析仪器开

  发思想,这不仅会带来市场和经济效益,更重要的是还可推

  动分析仪器设计开发技术的发展.面对各行各业,五花八

  门的专用仪器要求,必然会以最先进,合理的原理,结构,器

  件,软件设计开发出最贴近用户需求的分析仪器;比起因循

  守旧沿袭旧思想,旧方法,旧原理和旧技术制造技术上无进

  展, 少有人问津的库存仪器,单纯从技术角度来说也是我们

  应该推崇的.

  4 结束语

  在现代分析仪器发展的纷杂现象中,以上从技术和思

  想发展角度作了简略的归纳,提出了若干看法,谨供大家参

  考.个人陋见,谬误或错漏之处欢迎指正.

  参考文献

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  6 李青霞,任焱 ,虚拟仪器综述,《现代科学仪器》, No . 4 : 10~12 ,

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