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仪器分析在实验检测中的地位和作用

2021.11.17

现代仪器分析实验与技术主要的发展方向是:高精密度、灵敏度、空间分辨率或特异性的高效仪器和测量方法;微量分析、实时过程控制分析、化学物质和有毒生物物质的非接触分析的仪器和测量方法;建立包括信息学和数学在内的解析大量数据流的高通量测量方法;对极端复杂性和异质性化学和生物混合物的高效分离分析方法;测定非晶形化学物质中原子的结构排列,并认识它在任何时间尺度上随时间的变化。
分析化学在20世纪发生了三次重大变革,第一次大变革发生在20世纪初,从单纯的分析技术发展成为以四大溶液平衡为基础的独立的学科——经典化学分析。第二次大变革发生在第二次世界大战前后,分析化学进入以仪器分析为主的现代分析化学的时代。目前,正在进入和经历分析化学历史上第三次大变革,分析化迈入分析科学的时代,远远突破了原来化学的范畴,发展成为分析科学。其理论基础除了四大溶液平衡理论之外,还涉及数学、信息理论、图像处理和计算机科学。分析仪器也不再限于常规的化学器皿和简单的称量与测量仪器。现在分析化学实验室使用的分析仪器,许多都是集光、机、电、热、磁、声多学科的综合系统,融合了各种已经和正在发展的新材料、新器件、微电子技术、激光、人工智能技术,数字图像处理、化学计量学等各方面的成就,使分析化学获取物质定性、定量、形态、形貌、结构、微区等各方面信息的能力得到极大的增强,采集和处理信息的速度越来越快,获得的信息量越来越大,采集信息的质量越来越高,可以完成从组成到形态分析,从总体到微区表面、分布及逐层分析,从宏观组成到微区结构分析,从静态到快速反应动态分析,从破坏试样到无损分析,从离线到在线分析等各种复杂的分析任务。
国家自然科学基金委员会在1993年发表的《分析化学学科发展战略调研报告》和美国21世纪化学科学的挑战委员会在所著《超越分子前沿——化学与化学工程面临的挑战》一书中都强调了检测和测量对于人类活动的所有方面——制造业、环境、医药和健康、农
现代仪器分析实验与技术业以及国家安全的至关重要性,它的发展与数学、物理学、生物学以及生命、环境、材料、资源、信息、医药等科学的发展息息相关,影响到国民经济、国防建设、资源开发和人的衣、食、住、行等各个方面。分析领域的前沿在于不断地提高方法的灵敏度以测定极微量甚至难以察觉的物质,分离非常复杂混合物中的化学物质,以及评定组分的结构和组成。主要的发展方向是:高精密度、灵敏度、空间分辨率或特异性的高效仪器和测量方法;微量分析、实时过程控制分析、化学物质和有毒生物物质的非接触分析的仪器和测量方法;建立包括信息学和数学在内的解析大量数据流的高通量测量方法;对极端复杂性和异质性化学和生物混合物的高效分离分析方法;测定非晶形化学物质中原子的结构排列,并认识它在任何时间尺度上随时间的变化。建议将测量科学作为研究生以及科学工作者和工程师的核心基础知识融入教育之中。
分析仪器和仪器分析是人们获取物质成分、结构和状态信息、认识和探索自然规律的不可缺少的有力工具。据统计,自20世纪初到现在,获得诺贝尔奖的研究成果中,有一半以上与科学仪器和实验技术、实验方法的创新有关,或直接应用了最新的科学仪器和实验技术,单是应用x射线晶体学技术取得重大突破的就有10多位科学家获得了诺贝尔奖。1990年美国制定了计划投资30亿美元在15年完成的人类基因组项目,完成人类基因组全部DNA测序、定位与遗传研究。直到1998年lO月,只完成了总测序工作量的6%。由于测序仪器的改进,采用比常用板式凝胶电泳分离速度快100倍、比毛细管电泳分离速度快10倍的芯片毛细管电泳,大大加快了测序速度,终于在1999年12月1日成功地完成了人体染色体基因完整序列的测定,2000年6月26日,六国科学家公布人类基因组工作框架图,2001年2月12日人类基因组图谱及初步分析结果首次公布。提前两年于2003年4月14日由美、英、日、德、法、中6个国家共同宣布人类基因组序列图完成。
仪器分析广泛地应用于科学技术和国民经济的各个领域。分析仪器的制造水平和对分析仪器的需求反映了一个国家的经济和科学发展的水平。以美国而论,每年用于产品质量控制分析的费用为500亿美元,每天要进行2.5亿次分析,控制美国全国三分之二产品的质量,对保证美国大多数产品稳定在国际一流水平起了重要的作用。
人们普遍关心的日常生活中的三件大事如优美的生存和生活环境、良好的医疗保健系统和食品安全保障体系,都与分析仪器和仪器分析密切相关。为保护人类的生活环境,环境监测人员每天要用各种监测仪器获取成百万的环境数据,医务工作者每天要用各种仪器为病人获取各种生理和病理数据,为疾病诊断和正确施药提供依据,为病人康复提供指导。食品安全是一个世界性问题。欧洲曾发生过二晤英污染饲料和畜禽产品、疯牛病和口蹄疫,亚洲出现过禽流感。
发达国家经常利用分析检测技术优势,在国际贸易中对发展中国家设置贸易壁垒,损害发展中国家的利益。有报道称,由于农药残留超标,造成我国农产品出口的经济损失每年达几十亿美元。食品安全保障体系的建立,要以法律和国家标准为依据,以完善的分析检验体系为技术支撑,以严格的行政执法为后盾,三者缺一不可。

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