现代分析仪器发展趋势

现代分析仪器发展趋势

王学琳

(北京民族大学北京102402)

摘要本文论述现代分析仪器在高科技中的地位和作用,展望其发展趋势。关键词分析仪器发展趋势

引言

/21世纪是生物学世纪0。/人类基因组计划0 (HGP)与/曼哈顿0原子弹计划、/阿波罗0登月计划,并称为自然科学史上的/三计划0。但HGP对人类自身的影响,将远远超过另两项计划。

众所周知,人类的遗传物质是D NA,它的总和就是人类基因组。由大约30亿碱基对组成,分布在细胞核的23对染色体中,其中大约含有6万个作为生命活动基本单位的编码基因。/HGP0的核心,就是测定人类基因组的全部DNA序列,它蕴藏着生命的根本奥秘,揭示出生命本质,同样适用大自然中所有的生命体。

中国是参与/H GP0主要国家之一,必将推动中国生命科学和生物产业的高速发展,亦将是中华民族赶上世界发达国家的最后机遇。

现在中国,太平盛世,国泰民安,百废俱兴,日新月异,一派生机勃勃,可谓第二个/盛唐0。无疑,生产和科技的高速发展,特别是生命科学、环境科学和材料科学的发展,对科学仪器,特别是现代分析仪器要求愈来愈高,依赖性愈来愈强。

正如一位学者指出/21世纪是光明还是黑暗,大大地取决于人类在各种信息、能源、材料、环境和健康领域中科学和技术上取得的进步,而解决这些领域中的问题的关键因素将是分析科学0。

1现代分析仪器在高科技中的地位和作用

高科技并不是泛指一般的新技术或尖端技术也不是特指某一单项技术,它是建立在新技术基础上的。具备广泛科技、经济、社会效益的一个特定新技术群。

我国发展高科技的战略重点是生物技术、信息技术、航天技术、新材料技术、新能源技术、海洋技术和/绿色0高技术等7大高技术领域组成的高技术群体。

这些高科技没有现代分析仪器作基础很难发展起来,正如1991年诺贝尔奖金获得者恩斯特(R ic h2 erd R.E rnst)教授讲得好,/现代科学的进步越来越多地依靠尖端仪器的发展0。在此仅举二个例证。其一、生物技术或称生物工程

现代生物技术是指/利用生物有机体或其组成部分(含器官组织、细胞或细胞器等)发展新产品或新工艺产品或新工艺的一种技术体系0。是21世纪高技术的佼佼者。因为生物技术直接关系到人民生活和国民经济发展。同时对医药卫生、食品化工、环境保护和新能源等技术发展影响极大。生物技术主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。生物技术也以现代分析仪器的发展为基础。切看基因工程产物分析。

基因工程产物分析。基因工程就是利用基因重组,即对DNA脱氧核糖核酸分子的人工操纵与重新连接技术来生产对人类有用的蛋白质产品。D NA 是一种多聚物大分子,是细胞核的组成部分。作为遗传信息的携带者,在生命活动的延续中起关键作用,即遗传基因,核苷酸在D NA分子中排列的顺序构成遗传信息的物质基础。这也正是DNA顺序分析所要研究的对象。因此,DN A顺序分析是分子生物学和基因工程中一项关键技术。自然离不开DN A顺序分析仪及D NA自动合成仪、多肽自动合成仪和多肽自动顺序分析仪等。

有机质谱在剖析生物大分子方面有长足进步,其中包括与GC、H PLC、SFC联用接口、电离方式, MS-MS,等等。英国VG公司的BI O-Q生物大分子分析专用质谱计,最大分子量可达66000。用这台仪器可以对含有338氨基酸及一个铁原子的异青霉素N合成酶进行分析,这是一个由重组DN A技术生成的样品,分析的目的在于验证是否丢失N端蛋氨酸,确认铁原子的存在与否,测得其分子量为3836314,与预定结果的I PNS分子量减去一个蛋氨酸分子量(3835718)相一致,其结果证实N端蛋氨酸确实丢失。

PFT2MR和电子顺磁共振波谱仪在生物技术领

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域作用更突出,31P的N MR对生物工程较有用。31P 的自旋量子数为1/2,不存在电四极矩,共振信号较窄,便于观测。31PN MR谱图简单,容易解析。31P的化学位移约为600@1026,相当于1H的40倍,31P的N MR信号相互重叠机会少,无需分离即可同时鉴别或定量测定混合物中各组分含量。

其二、材料科学

材料是国民经济发展三大支柱之一。材料自身结构剖析与验证;材料中助剂,如渗透剂、清洗剂、显示剂和催化剂等分析;材料合成过程中动力学研究及过程监控等都离不开现代分析仪器。如MS法,特别是GC2M S法、GC2FTI R法已成为鉴别和测定高分子复合材料不可缺少的手段,有人用场解吸离子源质谱法分析偏氯乙稀与氯乙烯共聚试样时,采用热解与场离子源结合的方法,可以清楚地得出裂解碎片B AA,BBA,BBB等质谱图,也更有利于定量分析,解决该共聚物质的序列分布问题。

PFT2N MR对高分子材料定性、结构测定可提供重要信息。如区分组成相同的聚丙烯酸乙脂和聚乙酸丙脂时,可判明其结构式;测定出共聚物的组成与序列,分析出X、Y、Z三区域中各峰归属。用X2射线四园单晶衍射仪和X2射线粉末衍射仪可以判别和解晶体内部三维空间中原子的排列情况、晶体分子组成、立体构型、构象、键长、键角及电荷分布等。

综上所述,可以看出现代分析仪器在现代化建设中发挥重要作用,随着科学技术发展,必将取得更长足进步,成为高科技领域不可缺少的重要手段,是综合国力标志之一。

2现代分析仪器发展趋势

现代分析仪器是基于多学科的高科技产物。既得益于各种技术成果,又接受其挑战,特别是微电子技术和计算机科学的巨大进步,已成为分析仪器飞跃发展的巨大推动力,其发展趋势可概括为如下几点:

211微型化、自动化和智能化

采用计算机实现自动化,并基于高超的软件技术提高仪器性能,于是涌现出一大批体积小、自动化程度高的分析仪器。且因价格便宜,这些仪器逐渐走向小型研究室和生产实验室。如日本岛津公司的FT I R28201PC/8601PC和FT I R28201A/8101A,美国H P公司的质量选择检测器(MS D)和F i n n i g an公司的离子阱(I T D),英国V2G公司的Trio2I S台式质谱计和荷兰Phili p s的XL系列台式扫描电镜等都属于这一范畴。

所谓分析仪器智能化是指仪器具有随外界条件变化确定应有的正确行为的能人(拟人应变力)。现代分析仪器几乎都配有一台计算机。仪器在计算机系统支配下,能自动收集、选择、理解外部信息,并能根据信息的变化去模拟人的思维,确定仪器最佳工作方式、工作条件,最终获得满意的分析结果或提供最佳监控输出信号。因此,智能化分析仪器具有感知外界信息的传感器,有能对信息进行快速自动处理的计算机硬件系统。更重要的是配有能综合信息,在理解、推理、判断、优选的基础上,能模拟人的智能的软件设施。例如,在一台智能化的原子吸收分光光度计上,操作者启动仪器(接通电源)后,仪器立即开始自动巡检。如有异常(包括外接气源和打印输出设备的故障)不仅能自动寻找并显示出故障点,还可以给出适用的故障提示。操作者放上试样后,仪器自动进行一次快速低精度测试。将测试数据与内存最佳化数学模型对比,即可自动设定对该试样作正式测定时应有的检测方式和最佳工作参数,自动调节气路达到最佳燃烧条件、最佳试样吸入量。并自动旋转空心阴极灯转塔,将正确的元素灯转入工作光路,给出应有的工作电流。同时单色器也能自动快速达到应有的波长位置。狭逢宽度调节机构也可以自动将狭逢调到合适宽度,以保证最佳检测信噪比和最佳分辨率。电子系统能自动设定光电倍增管工作负高压值、放大系统的增益、记忆系统的响应速度等。任何非熟练人员,只要能轻轻一触键盘规定键,就可以获得最佳测试结果。

212灵敏度要求愈来愈高

近年来超分子化学识别理论的深入普及,仪器分析方法的选择性已由经典意义拓展至手性水平。无疑,分析方法灵敏度的提高更实际更重要。可以说是21世纪现代仪器分析科学的主攻方向。当然,灵敏度提高包括有化学和物理两种途径。如建立新的检测原理,也必然涉及仪器和相关技术改进。

灵敏度提高的最终目标是实现单原子(分子)检测。近几年,也有这方面报导,然而多以激光诱导荧光或共振电离(R I S)为检测原理。笔者认为,单分子(原子)检测是21世纪的主攻方向,是提高仪器分析方法灵敏度研究的动力之一,提高信噪比也是提高灵敏度的关键。

213仿生化和进一步智能化

回首往事,上个世纪分析科学的发展可以概括为:50年代仪器化,60年代电子化,70年代计算机化,80年代智能化,90年代信息化。21世纪将是仿

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