第一期仪器分析青年论坛活动报道
科学仪器发展史与仪器创新
中国科学院过程工程研究所分析测试中心 张贵锋 副主任
来自中国科学院过程工程研究所分析测试中心的张贵锋副主任介绍了《科学仪器发展史与仪器创新》的报告。张老师从现代物理与科学仪器关系的角度讲述了科学仪器的发展史，进而讲到科学仪器的发展趋势，最后与大家分享了对科技的创新思考。
量子力学作为现代物理学重要内容，在化学、物化、纳米等学科和技术中得到广泛应用。大部分现代科学仪器以量子力学为理论基础，如基于电磁波和光电效应、主要用于表面分析的X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectrum，XPS)，以及衍生出的俄歇电子能谱(Auger electron spectroscopy，AES)和紫外光电子能谱(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS)等，基于量子力学中隧道效应的扫描隧道显微镜(scanning tunnel microscopy, STM)，在此基础上衍生出一系列的扫描探针显微技术等，核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)、光学检测中的圆二色(circular dichroism，CD)以及衍生出的X射线磁性圆二色吸收谱(XMCD)、X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)等，以及光谱仪器、量子点、电子显微镜等等。
对于科学仪器的应用和研究发展趋势，张老师认为主要集中自以下几方面：
1、现代物理学基本原理在生物大分子研究中的应用
仪器的研制应当以物理学基本原理为基础，如1957年李政道和杨振宁发现宇称不守恒，并获得了诺贝尔化学奖。宇称不守恒是指在弱相互作用中，互为镜像的物质的运动不对称。将宇称不守恒原理用于解释手性分子和生物大分子等生物领域的研究国外已有文献报道。目前，中国科学院物理所也有老师在从事这方面的工作。
2、生物检测与纳米技术相结合
量子点(Quantum Dots)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料，由少量的原子所构成。量子点三个维度的尺寸都在100nm以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应(quantum confinement effect)特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子不连续电子能阶结构而被称为“人造原子”。量子点的表面效应、量子限域效应、量子隧道效应、量子尺寸效应均非常特殊，是近几年非常活跃的研究方向。
目前，国际上量子点在生物分析领域应用非常活跃，虽然国内中科院化学所等单位也在从事相关研究，但并不活跃。今后，量子点在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中有极大的应用前景。
张老师举了2009年发表在 “Nature Nanotdchnology”上一篇文章的例子。加州理工大学的一位老师做了一个2微米长、100纳米宽的桥状谐振器，振动频率与其测量目标的质量成正比，振动频率的变化会与被测物的质量变化契合。将一个蛋白放到谐振器上后，谐振器的振动频率就会下降，而通过这种频率转换即可测定蛋白的质量。这种方法叫做“单分子纳米机械质谱(single-molecular nanomechanical mass spectrometry)”。这一方法已经提出，在世界范围内产生了非常大的影响，各媒体争相报道该技术。
纳米谐振器
3、已有仪器设备再发展
以扫描电镜为例，从1986年获得诺贝尔奖的STM到后来衍生出的原子利显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)、扫描磁力显微镜(Magnetic Force Microscope)、扫描静电力显微镜、光子扫描隧道显微镜(Photon Scanning Tunneling Microscope)等均属已有设备的发展和再创新，许多科学仪器也都遵循类似的发展规律。
张老师特别提出，对于蛋白质研究，2002年日本的田中耕一和美国的约翰·芬恩分别发明了基质辅助激光解析电离源(Matrix assisted laser desorption ionization, MALDI)和电喷雾离子源(Electrospray ionization, ESI)，并获得了诺贝尔化学奖。这两种技术的发明实现了蛋白质的离子化，分别在超大分子质量确认和高通量蛋白质鉴别方面为蛋白质组学研究建立了方法基础。
另一项质谱新技术是直接实时分析(DART)技术，该技术将离子源与等离子体相结合，通过等离子体使得分子离子化。DART实现了质谱的现场无损检测。
4、不同专业领域科学仪器与研究融合
许多领域的仪器均可与生物科学领域的仪器交叉使用，如物理化学领域中表面分析技术和纳米科学仪器在生物研究中应用以及生物学研究成果在蛋白质分离纯化研究中的应用。
不同领域科学仪器的融合近年来很受关注，国内外的相关报道屡见不鲜，如XPS表征蛋白质层析介质表面、原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)和XPS表征蛋白表面的耦联结果、AFM研究蛋白分离等。
5、生化工程研究领域资源整合
在生物工程研究领域，可以将不同的仪器进行整合。如下图的基因组蛋白和生产和MS用于蛋白分离过程优化研究。
基因重组蛋白生产过程
MS在分离过程中的应用
此外，对于蛋白质折叠，可将蛋白固定在一个膜上，通过AFM、XPS等设备研究整个折叠过程形成先后顺序的变化。这方面的研究已有报道。
本网收录前沿Lab：生化工程国家重点实验室
