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分析儀器在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用
2015-08-14
人們?yōu)榱烁玫卣J(rèn)識自然、改造自然，需要一定的工具來延伸手及眼的功能。分析儀器為人們提供了不斷深入認(rèn)識自然的可能性，也為人們在改造自然的過程中起著保證作用。幾乎各行各業(yè)都需要應(yīng)用分析數(shù)據(jù)控制產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和表征產(chǎn)品的質(zhì)量，以確保各種產(chǎn)品的安全生產(chǎn)和合理使用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對人身安全和健康保證也都離不開分析數(shù)據(jù)，近年來生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)的發(fā)展和深入研究，進(jìn)一步對分析儀器提出了新的挑戰(zhàn)和苛刻的要求。具體地說，分析樣品量越來越少，己由微量級減少到超微量級，要測定的組分濃度己由50年代10－6級(ppm級) 降低到10－12級(ppt級) 甚至更低，現(xiàn)已有監(jiān)測極限低到10－18級(attogrom，渺級) 以下技術(shù)。
一、 分析儀器在生命科學(xué)中的應(yīng)用
生命科學(xué)是以生物的生命過程為研究對象，也是生物、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科之間相互滲透形成的交叉學(xué)科。以基礎(chǔ)科學(xué)來講，未來發(fā)展最迅速，影響最大的可能是生命科學(xué)。事實(shí)上世界科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)國家都已將生命科學(xué)列為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。21世紀(jì)是生命科學(xué)世紀(jì)，生命科學(xué)的領(lǐng)域主要包括生態(tài)平衡、生物化學(xué)、醫(yī)療診斷、健康保健、醫(yī)藥制造、毒品檢驗(yàn)、食品營養(yǎng)等。分析儀器發(fā)揮了重要作用。
提到今天的生命科學(xué)，就不能不提到本領(lǐng)域內(nèi)頭號工程即人類基因研究計劃。自1990年正式起動以來，經(jīng)過全球科學(xué)家的共同努力，目前已完成全部人類基因組序列測定工作，這得益探索大分子－核酸、蛋白質(zhì)、結(jié)構(gòu)與功能的各種儀器手段。如利用基因堿基互補(bǔ)配對制造出來的聚合酶鏈擴(kuò)增儀（PCR）。毛細(xì)管凝膠電泳儀由于其快速、準(zhǔn)確、定量的測定蛋白質(zhì)、核酸、以及DNA的特點(diǎn)，較傳統(tǒng)板凝膠電泳的速度快25倍，大大促進(jìn)了這一宏偉計劃的實(shí)現(xiàn)。近年來，一系列質(zhì)譜軟電離技術(shù)得到新的發(fā)展，使質(zhì)譜技術(shù)發(fā)生了突破性的革新，而且使質(zhì)譜技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用得到了前所未有的擴(kuò)展。毛細(xì)管電泳／質(zhì)譜聯(lián)用（CE／MS）儀，已被成功應(yīng)用于多肽和蛋白質(zhì)的鑒定中，傅立葉轉(zhuǎn)換離子回旋共振質(zhì)譜儀(FTI-CR-MS) 己使得在阿托摩文10－18m0.1L-1水平上進(jìn)行蛋白質(zhì)鑒定成為可能，基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS) ，可檢測單核苷酸多肽及寡核苷酸的序列分析，液相色譜、電噴霧質(zhì)譜儀(LC-ESI-MS) 分析糖蛋白，解決了糖生物分子的研究由于基糖鏈的復(fù)雜性及糖蛋白結(jié)構(gòu)分析帶來的困難。傅里葉紅外光譜儀（FT－IR）可進(jìn)行蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的定量分析與蛋白構(gòu)象變化研究，可跟蹤DNA右手螺旋和左手螺旋之間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，進(jìn)行核酸的分析。核磁共振儀（NMR），如高場和多維NMR使生命科學(xué)研究達(dá)到一個新水平，不僅可研究殘基不多的糖類和核酸，研究肽和蛋白的相互作用和鍵合，多維NMR可研究殘基多于150個的蛋白的結(jié)構(gòu)，也可研究蛋白的氨基酸序列。用來檢測各種體液、血尿、羊水、腦脊髓等，對研究藥物代謝和毒物效果極為有用。原子吸收光譜儀（AAS）和電感耦合等離子質(zhì)譜（ICP－MS）在人體內(nèi)微量元素的測定中很有意義。許多元素，特別是微量元素，是生物生命，發(fā)育所必需的養(yǎng)分，但一些元素，特別是重金屬元素，如吸收過量則成為毒素。掃描X－射線顯微技術(shù)（SXM）分辯率可達(dá)10-100nm，可在不染色、不脫水的狀態(tài)觀測生物活體樣品。其它的分析儀器如：氣相色譜、液相色譜儀、熒光光度計、拉曼光譜儀等在研究生物大分子的結(jié)構(gòu)及其變化，蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)，DNA和致癌物分子間的作用有許多成功的示例。
近年來專用的生命科學(xué)分析儀器，如動態(tài)心電圖儀、超聲診斷儀器、磁共振成像儀、血?dú)夥治鰞x、生化分析儀、血細(xì)胞分析儀、免疫分析儀都已在臨床診斷中實(shí)際運(yùn)用。
二、 分析儀器在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用
人類在利用環(huán)境，開發(fā)環(huán)境和改造環(huán)境，發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時，打破了環(huán)境原有的平衡。由于人類對自然資源過渡的開采，對土地破壞性的使用；由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)發(fā)展布局的不合理及生產(chǎn)過程中任意向自然界排放有毒有害物質(zhì)；由于人口的過度膨脹，生活廢棄物驟增，這一切都使得環(huán)境發(fā)生惡化。為了對環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時準(zhǔn)確的監(jiān)測，現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測分析儀器發(fā)揮了巨大作用。
分析儀器按環(huán)境分析的對象可分為水體污染分析、大氣污染分析、土壤污染分析、生物污染分析。包括的分析儀器有：光學(xué)分析、電化學(xué)分析、放射性分析、熱學(xué)分析、色譜分析，它用于有機(jī)分析和無機(jī)分析，既可定性也可定量，既可做污染環(huán)境分析，也可通過流動采樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析以及污染源頭進(jìn)行遙測監(jiān)控。
環(huán)境分析實(shí)驗(yàn)室常用的分析儀器有：光學(xué)儀器、如紫外可見分光光度計、熒光光度計、原子吸收光度計、等離子體光譜儀、X射線熒光光譜儀和紅外光譜儀；電化學(xué)類儀器：如PH計、電導(dǎo)儀、庫侖計、電位滴定儀、離子活度計和各種極譜儀；色譜類儀器，如離子色譜儀、氣相色譜／質(zhì)譜聯(lián)機(jī)和液相色譜／質(zhì)譜聯(lián)機(jī)等。主要于分析環(huán)境中色質(zhì)、SO42-、電導(dǎo)率、濃度、總有機(jī)碳、無機(jī)物、金屬、有機(jī)物、農(nóng)藥等分析。
由于微電子、微型傳感器、計算機(jī)、新材料以及各種高技術(shù)的應(yīng)用，環(huán)境分析儀器正在向小型化、微型化和多參數(shù)化方向發(fā)展。目前已推出便攜式的氣相色譜儀，近紅外光譜儀，X射線分析儀和多參數(shù)水質(zhì)分析儀（用于測定水質(zhì)酸堿度、溶氧、濁度、溫度以及其它參數(shù)）。便攜式分光光度計用于現(xiàn)場監(jiān)測、測試氰化物、氨氮、酚類、胺類、砷、汞及鋇等項(xiàng)目。小型有毒有害氣體監(jiān)測儀，用于現(xiàn)場有毒有害的CO、Cl2、H2S、SO2及可燃?xì)怏w。
三、 如何發(fā)揮分析儀器的作用
在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，沒有多領(lǐng)域、跨學(xué)科知識和理論的支持與協(xié)作，沒有高精尖的儀器設(shè)備的輔助，是難以得到有突破性、有領(lǐng)先水平的科研成績。大型分析儀器設(shè)備還起著一定的引導(dǎo)作用，帶動科研發(fā)展的步伐。在我國目前的基礎(chǔ)研究或應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，科研人員所選擇的研究方向往往取決于現(xiàn)有或?qū)⒁渲玫膬x器設(shè)備。也就是說，配備哪個方面的設(shè)備，則造就出相應(yīng)的科研環(huán)境，從而衍生出相應(yīng)的科學(xué)研究方向。
我省在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)方向分析儀器主要集中在高等院校和科研院所站。還處在一個低水平，高精尖分析儀器少，一般分析儀器設(shè)備重復(fù)投入，能熟練掌握和運(yùn)用分析儀器的專業(yè)人才稀缺。與國內(nèi)外分析儀器行業(yè)及學(xué)術(shù)團(tuán)體的合作交流不夠。為此應(yīng)采取多種措施，進(jìn)行體制改革、優(yōu)化組合、資源共享調(diào)動一切有利因素，希望在較短的時間內(nèi)趕上或超過國內(nèi)先進(jìn)水平。
1、 加強(qiáng)管理、充分利用。在國家還不是很富裕的今天，高精尖儀器設(shè)備引進(jìn)后如何得到有效的使用以及使用的結(jié)果如何是一個十分重要的問題?？茖W(xué)工作者、設(shè)備管理人員對儀器的掌握熟悉程度，是否能達(dá)到預(yù)期目的，是否能使本單位科研水平上一個臺階，與該單位有多少科學(xué)工作者使用它以及對設(shè)備的管理措施。共用性等密切相關(guān)。應(yīng)對大型分析儀器設(shè)備采取共用原理進(jìn)行管理。打破部門所有的限制，以充分發(fā)揮分析儀器的使用率。
2、各高等院校、科研機(jī)構(gòu)的數(shù)量以及整體的科研水平 也存在發(fā)展不平衡情況，相互間有較大差距。在飛行儀器設(shè)備的配備上，應(yīng)本著基礎(chǔ)設(shè)備與高精設(shè)備并存原則。在滿足高層次研究需要的同時，需兼顧到科研水平的整體提高，適當(dāng)傾斜對薄弱環(huán)節(jié)的投資，以達(dá)到提高整體研究水平的目的?！?br />
3、合理配置，在有限的經(jīng)濟(jì)財力的支持下，高等院校及科研單位的分析儀器設(shè)備應(yīng)爭取小型分散，大型集中的配備原則，即普及型、基礎(chǔ)的分析儀器設(shè)備可多數(shù)單位擁有。
一、 分析儀器在生命科學(xué)中的應(yīng)用
生命科學(xué)是以生物的生命過程為研究對象，也是生物、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科之間相互滲透形成的交叉學(xué)科。以基礎(chǔ)科學(xué)來講，未來發(fā)展最迅速，影響最大的可能是生命科學(xué)。事實(shí)上世界科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)國家都已將生命科學(xué)列為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。21世紀(jì)是生命科學(xué)世紀(jì)，生命科學(xué)的領(lǐng)域主要包括生態(tài)平衡、生物化學(xué)、醫(yī)療診斷、健康保健、醫(yī)藥制造、毒品檢驗(yàn)、食品營養(yǎng)等。分析儀器發(fā)揮了重要作用。
提到今天的生命科學(xué)，就不能不提到本領(lǐng)域內(nèi)頭號工程即人類基因研究計劃。自1990年正式起動以來，經(jīng)過全球科學(xué)家的共同努力，目前已完成全部人類基因組序列測定工作，這得益探索大分子－核酸、蛋白質(zhì)、結(jié)構(gòu)與功能的各種儀器手段。如利用基因堿基互補(bǔ)配對制造出來的聚合酶鏈擴(kuò)增儀（PCR）。毛細(xì)管凝膠電泳儀由于其快速、準(zhǔn)確、定量的測定蛋白質(zhì)、核酸、以及DNA的特點(diǎn)，較傳統(tǒng)板凝膠電泳的速度快25倍，大大促進(jìn)了這一宏偉計劃的實(shí)現(xiàn)。近年來，一系列質(zhì)譜軟電離技術(shù)得到新的發(fā)展，使質(zhì)譜技術(shù)發(fā)生了突破性的革新，而且使質(zhì)譜技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用得到了前所未有的擴(kuò)展。毛細(xì)管電泳／質(zhì)譜聯(lián)用（CE／MS）儀，已被成功應(yīng)用于多肽和蛋白質(zhì)的鑒定中，傅立葉轉(zhuǎn)換離子回旋共振質(zhì)譜儀(FTI-CR-MS) 己使得在阿托摩文10－18m0.1L-1水平上進(jìn)行蛋白質(zhì)鑒定成為可能，基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS) ，可檢測單核苷酸多肽及寡核苷酸的序列分析，液相色譜、電噴霧質(zhì)譜儀(LC-ESI-MS) 分析糖蛋白，解決了糖生物分子的研究由于基糖鏈的復(fù)雜性及糖蛋白結(jié)構(gòu)分析帶來的困難。傅里葉紅外光譜儀（FT－IR）可進(jìn)行蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的定量分析與蛋白構(gòu)象變化研究，可跟蹤DNA右手螺旋和左手螺旋之間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，進(jìn)行核酸的分析。核磁共振儀（NMR），如高場和多維NMR使生命科學(xué)研究達(dá)到一個新水平，不僅可研究殘基不多的糖類和核酸，研究肽和蛋白的相互作用和鍵合，多維NMR可研究殘基多于150個的蛋白的結(jié)構(gòu)，也可研究蛋白的氨基酸序列。用來檢測各種體液、血尿、羊水、腦脊髓等，對研究藥物代謝和毒物效果極為有用。原子吸收光譜儀（AAS）和電感耦合等離子質(zhì)譜（ICP－MS）在人體內(nèi)微量元素的測定中很有意義。許多元素，特別是微量元素，是生物生命，發(fā)育所必需的養(yǎng)分，但一些元素，特別是重金屬元素，如吸收過量則成為毒素。掃描X－射線顯微技術(shù)（SXM）分辯率可達(dá)10-100nm，可在不染色、不脫水的狀態(tài)觀測生物活體樣品。其它的分析儀器如：氣相色譜、液相色譜儀、熒光光度計、拉曼光譜儀等在研究生物大分子的結(jié)構(gòu)及其變化，蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)，DNA和致癌物分子間的作用有許多成功的示例。
近年來專用的生命科學(xué)分析儀器，如動態(tài)心電圖儀、超聲診斷儀器、磁共振成像儀、血?dú)夥治鰞x、生化分析儀、血細(xì)胞分析儀、免疫分析儀都已在臨床診斷中實(shí)際運(yùn)用。
二、 分析儀器在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用
人類在利用環(huán)境，開發(fā)環(huán)境和改造環(huán)境，發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時，打破了環(huán)境原有的平衡。由于人類對自然資源過渡的開采，對土地破壞性的使用；由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)發(fā)展布局的不合理及生產(chǎn)過程中任意向自然界排放有毒有害物質(zhì)；由于人口的過度膨脹，生活廢棄物驟增，這一切都使得環(huán)境發(fā)生惡化。為了對環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時準(zhǔn)確的監(jiān)測，現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測分析儀器發(fā)揮了巨大作用。
分析儀器按環(huán)境分析的對象可分為水體污染分析、大氣污染分析、土壤污染分析、生物污染分析。包括的分析儀器有：光學(xué)分析、電化學(xué)分析、放射性分析、熱學(xué)分析、色譜分析，它用于有機(jī)分析和無機(jī)分析，既可定性也可定量，既可做污染環(huán)境分析，也可通過流動采樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析以及污染源頭進(jìn)行遙測監(jiān)控。
環(huán)境分析實(shí)驗(yàn)室常用的分析儀器有：光學(xué)儀器、如紫外可見分光光度計、熒光光度計、原子吸收光度計、等離子體光譜儀、X射線熒光光譜儀和紅外光譜儀；電化學(xué)類儀器：如PH計、電導(dǎo)儀、庫侖計、電位滴定儀、離子活度計和各種極譜儀；色譜類儀器，如離子色譜儀、氣相色譜／質(zhì)譜聯(lián)機(jī)和液相色譜／質(zhì)譜聯(lián)機(jī)等。主要于分析環(huán)境中色質(zhì)、SO42-、電導(dǎo)率、濃度、總有機(jī)碳、無機(jī)物、金屬、有機(jī)物、農(nóng)藥等分析。
由于微電子、微型傳感器、計算機(jī)、新材料以及各種高技術(shù)的應(yīng)用，環(huán)境分析儀器正在向小型化、微型化和多參數(shù)化方向發(fā)展。目前已推出便攜式的氣相色譜儀，近紅外光譜儀，X射線分析儀和多參數(shù)水質(zhì)分析儀（用于測定水質(zhì)酸堿度、溶氧、濁度、溫度以及其它參數(shù)）。便攜式分光光度計用于現(xiàn)場監(jiān)測、測試氰化物、氨氮、酚類、胺類、砷、汞及鋇等項(xiàng)目。小型有毒有害氣體監(jiān)測儀，用于現(xiàn)場有毒有害的CO、Cl2、H2S、SO2及可燃?xì)怏w。
三、 如何發(fā)揮分析儀器的作用
在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，沒有多領(lǐng)域、跨學(xué)科知識和理論的支持與協(xié)作，沒有高精尖的儀器設(shè)備的輔助，是難以得到有突破性、有領(lǐng)先水平的科研成績。大型分析儀器設(shè)備還起著一定的引導(dǎo)作用，帶動科研發(fā)展的步伐。在我國目前的基礎(chǔ)研究或應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，科研人員所選擇的研究方向往往取決于現(xiàn)有或?qū)⒁渲玫膬x器設(shè)備。也就是說，配備哪個方面的設(shè)備，則造就出相應(yīng)的科研環(huán)境，從而衍生出相應(yīng)的科學(xué)研究方向。
我省在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)方向分析儀器主要集中在高等院校和科研院所站。還處在一個低水平，高精尖分析儀器少，一般分析儀器設(shè)備重復(fù)投入，能熟練掌握和運(yùn)用分析儀器的專業(yè)人才稀缺。與國內(nèi)外分析儀器行業(yè)及學(xué)術(shù)團(tuán)體的合作交流不夠。為此應(yīng)采取多種措施，進(jìn)行體制改革、優(yōu)化組合、資源共享調(diào)動一切有利因素，希望在較短的時間內(nèi)趕上或超過國內(nèi)先進(jìn)水平。
1、 加強(qiáng)管理、充分利用。在國家還不是很富裕的今天，高精尖儀器設(shè)備引進(jìn)后如何得到有效的使用以及使用的結(jié)果如何是一個十分重要的問題?？茖W(xué)工作者、設(shè)備管理人員對儀器的掌握熟悉程度，是否能達(dá)到預(yù)期目的，是否能使本單位科研水平上一個臺階，與該單位有多少科學(xué)工作者使用它以及對設(shè)備的管理措施。共用性等密切相關(guān)。應(yīng)對大型分析儀器設(shè)備采取共用原理進(jìn)行管理。打破部門所有的限制，以充分發(fā)揮分析儀器的使用率。
2、各高等院校、科研機(jī)構(gòu)的數(shù)量以及整體的科研水平 也存在發(fā)展不平衡情況，相互間有較大差距。在飛行儀器設(shè)備的配備上，應(yīng)本著基礎(chǔ)設(shè)備與高精設(shè)備并存原則。在滿足高層次研究需要的同時，需兼顧到科研水平的整體提高，適當(dāng)傾斜對薄弱環(huán)節(jié)的投資，以達(dá)到提高整體研究水平的目的?！?br />
3、合理配置，在有限的經(jīng)濟(jì)財力的支持下，高等院校及科研單位的分析儀器設(shè)備應(yīng)爭取小型分散，大型集中的配備原則，即普及型、基礎(chǔ)的分析儀器設(shè)備可多數(shù)單位擁有。
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