一、前言

　　科學是從測量開始的�？茖W儀器是信息的源頭，是信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，對促進國民經(jīng)濟、科學技術(shù)、公共安全、國防建設(shè)的發(fā)展都有巨大的推動作用，是經(jīng)濟社會發(fā)展支柱性、戰(zhàn)略性的產(chǎn)業(yè)�，F(xiàn)代科學儀器既是知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的前提，也是創(chuàng)新研究的主體內(nèi)容之一和創(chuàng)新成果的重要體現(xiàn)形式。許多學科分支都是以某種科學儀器的發(fā)明而發(fā)展起來的�？茖W儀器及其技術(shù)是現(xiàn)代科學與工業(yè)的基石�？茖W儀器的發(fā)展水平標志著國家創(chuàng)新能力和科學技術(shù)發(fā)展的水平。

　　近兩年，隨著信息科學、生命科學、材料科學、納米科學等深入發(fā)展，促使世界科學儀器學科與技術(shù)的進展突飛猛進，新技術(shù)異彩紛呈，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。另一方面，全球經(jīng)濟和社會發(fā)展不斷對技術(shù)和儀器提出許多新的需求，使科學儀器研究和應(yīng)用進入一個前所未有的高速發(fā)展期。本文僅對近兩年來科學儀器研究、發(fā)展、新產(chǎn)品等主要部分進行簡要的綜述。

　　二、國外科學儀器科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略、趨勢及我國現(xiàn)狀

　　(一)各國都把發(fā)展科學儀器作為國家發(fā)展戰(zhàn)略

　　在科學儀器發(fā)展的戰(zhàn)略目標和資金投入方面，發(fā)達國家都制定了各自的發(fā)展戰(zhàn)略并鎖定了目標，有專門的投入，已成為有意識、有政策、有目標的政府行為。如美國，其總體目標是：保持美國在科學儀器領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，其措施除了通過政策大力鼓勵各大儀器公司加大R&D的投入外，國家還通過兩個基金會(NSF和NIH)扶助各大公司研發(fā)科學儀器。美國能源部和國防部每年也都有大量的資金投入，并有明確的目標和要求，采用了類似于我國的橫向課題，通過合同委托的辦法進行研發(fā)。

　　日本于2002年制定了高精密科學儀器振興計劃;歐盟在“第六框架計劃”(2002—2006)中將“科學基礎(chǔ)設(shè)施”(主要指科學儀器)列為第五項重點內(nèi)容;英國科學技術(shù)辦公室(OST)建立了科學基礎(chǔ)設(shè)施和科學儀器投資機制并確立了投資比例;加拿大自然科學與工程研究理事會(NSFRC)制定了“研究工具、儀器和設(shè)施計劃”。

　　各發(fā)達國家都把研發(fā)先進的大型科學儀器和實驗設(shè)施，構(gòu)建世界級先進實驗基礎(chǔ)設(shè)施平臺，上升為創(chuàng)造世界一流科研成果，培育和吸引優(yōu)秀人才的一項戰(zhàn)略措施。

　　2005年世界權(quán)威性刊物《Nature》邀請國際上最受尊敬的科學家小組，研究和撰寫《走向2020年科學》研究報告的十條建議中的第七條提出“采取措施發(fā)展新的概念和技術(shù)工具”，其內(nèi)涵即指科學儀器。我國已將科學儀器研發(fā)列入《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》(2006—2020年)。國家發(fā)改委將科學儀器產(chǎn)業(yè)化列為高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項。科技部已將《科學儀器設(shè)備研制與開發(fā)》列入十一五國家科技支撐計劃重大項目。2006年國務(wù)院《關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》中，將“關(guān)鍵精密測試儀器”列為主要任務(wù)和實現(xiàn)重點突破的16項任務(wù)之一。

　　(二)科學儀器技術(shù)發(fā)展的趨勢

　　當今科學儀器發(fā)展總體上呈現(xiàn)出檢測原子、分子和組份的儀器向多功能、自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展;進行分離、分析的儀器向多維分離和分析方向發(fā)展;生命科學儀器向原位、在體、實時、在線、高靈敏度、高通量、高選擇性方向發(fā)展;檢測復雜組份樣品的儀器向聯(lián)用分析儀器方向發(fā)展;用于環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)、食品、臨床檢驗的儀器向?qū)Ｓ�、小型化方向發(fā)展;樣品預處理儀器向?qū)Ｓ�、快速、自動化方向發(fā)展;用于國防和生命科學的儀器向集成化、微型全分析系統(tǒng)方向發(fā)展;監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)過程的分析儀器向在線分析、原位分析方向發(fā)展。

　　從制造技術(shù)角度看，儀器的機械部件向高精度加工、小型化方向發(fā)展;儀器的電器部件向集成化、固態(tài)化方向發(fā)展;儀器的功能部件和結(jié)構(gòu)單元向模塊化方向發(fā)展;儀器的研制向采用新技術(shù)、新機理、新材料、新器件方向發(fā)展。

　　科學儀器是一種高科技產(chǎn)品，它受益于采用各種前沿技術(shù)的最新成果，同時也面臨各種前沿技術(shù)不斷地創(chuàng)新和發(fā)展的挑戰(zhàn)�？梢灶A計，隨著生命科學、材料科學、能源科學、環(huán)境科學和公共安全科學的發(fā)展，以及新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，科學儀器也會在多功能化、小型化、微型化、自動化、智能化等方面將不斷的創(chuàng)新。

　　(三)我國科學儀器發(fā)展的現(xiàn)狀

　　我國剛開始改革開放時，由于既受市場經(jīng)濟的沖擊，又受國有體制的束縛，我國科學儀器的發(fā)展經(jīng)歷了一個低潮期，許多大型科學儀器廠紛紛入不敷出、難以為繼，科學儀器產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)一度明顯萎縮。在上個世紀90年代初期，科學儀器國產(chǎn)化率只有13%。

　　隨著國有經(jīng)濟體制改革的深入和人們對于發(fā)展科學儀器重要性認識的提高，以及民營企業(yè)的崛起，加上整個經(jīng)濟發(fā)展加速所起的帶動作用和國家從“九五”開始把“科學儀器的研制和開發(fā)”列入了科技攻關(guān)項目，并逐漸增加投入;國家自然科學基金委員會設(shè)立了科學儀器專項，中科院也設(shè)立了科學儀器創(chuàng)新研究專項，情況終于有所好轉(zhuǎn)。瀕臨破產(chǎn)的一些國有分析儀器廠，通過重組、改制，走出了低谷，顯示出新的活力。20世紀80年代末和90年代初，成立的一批民營分析儀器企業(yè)的發(fā)展速度很快，近年來年銷售額的增長都超過了30%，他們的產(chǎn)品已得到國內(nèi)用戶的認可，并已有部分進入國際市場，他們之中有部分企業(yè)參與了國家“九五”和“十五”科學儀器攻關(guān)項目，為提高我國科學儀器水平做出了貢獻，并為科技創(chuàng)新的主體向企業(yè)轉(zhuǎn)移邁開了一大步。

　　通過這些儀器制造企業(yè)和相關(guān)科研工作者的共同努力，目前我國科學儀器的發(fā)展已初具規(guī)模，從地理分布來看，主要由四塊區(qū)域組成，即以北京為中心的渤海灣區(qū)域的科學儀器產(chǎn)業(yè)帶;以上海為龍頭的長江三角區(qū)域的科學儀器產(chǎn)業(yè)群;以長春、大連為基礎(chǔ)的東北區(qū)域的科學儀器產(chǎn)業(yè)化基地和新近崛起的以深圳為代表的珠江三角洲地區(qū)�！熬盼濉苯Y(jié)束時，以分析儀器為核心的科學儀器的國產(chǎn)化率達到了30%�？茖W儀器的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展開始逐漸走出低谷，駛?cè)肟焖侔l(fā)展階段。部分中低檔產(chǎn)品已基本達到國外同類產(chǎn)品水平：如光譜分析儀器領(lǐng)域，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原子熒光光譜儀，占領(lǐng)了整個國內(nèi)儀器市場;中檔紫外可見分光光度計和原子吸收分光光度計，除滿足國內(nèi)常規(guī)分析的需求外，還有部分出口。當然從總體而言，我國科學儀器還處于幼稚期，以科學儀器中的主體分析儀器為例，在當今運用的90余種分析儀器中，我國已有的產(chǎn)品僅為20多種，還不到1/3，再如生命科學專用儀器約有80余種，我國商品化產(chǎn)品只有16種，正在研究的10多種。但是我國科學儀器的市場前景十分廣闊，預計在2006~2015年期間，新購科學儀器的總額將遠遠超過1,000億人民幣，這還不包括每隔5~7年需要更新?lián)Q代的數(shù)量。

　　總之，通過“九五”和“十五”攻關(guān)，我國科學儀器產(chǎn)業(yè)獲得了很大發(fā)展，并取得了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成果。但是，長期以來國外著名的儀器公司憑借技術(shù)和品牌的優(yōu)勢，占據(jù)著國內(nèi)的大部分高端市場，特別是高檔的光譜儀、色譜儀、質(zhì)譜儀、電鏡、核磁、生化和生命科學儀器等，基本上依賴進口。

三、近兩年國外各類科學儀器和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢及我國的差距

　　(一)色譜儀

　　1.色譜儀整體性能不斷提高

　　Waters公司的UPLC、戴安公司的UltiMate 3000型液相色譜儀以及安捷倫公司的 1200型液相色譜儀，是液相色譜的代表性儀器。UPLC 使用了超高壓輸液泵(15,000 psi)，1.7μm 無機硅膠和有機硅化合物雜化的C18填料，高速采集信號，是高效、高通量、高靈敏度的分析工具。UltiMate 3000和安捷倫公司的1200型液相色譜儀可適應(yīng)從半制備量到納升級的HPLC/MS/MS的要求，適應(yīng)生物醫(yī)藥、食品、環(huán)境等領(lǐng)域的要求，有較高的技術(shù)含量。Selerity Technologies公司推出的“高溫液相色譜的預加熱裝置”，對流動相進行預加熱以改善分離效果。美國ESA公司推出的電霧式檢測器(CAD)，表現(xiàn)出來的多方面的優(yōu)秀性能足以使其成為高效液相色譜的通用檢測器，其靈敏度可達蒸發(fā)光散射檢測器(ELS)的10倍。它對于梯度洗脫的檢測能力也是RI檢測器所不具備的。

　　氣相色譜儀各個生產(chǎn)廠家都把電子壓力和流量控制裝置，以及整體氣路單元和精確的溫度和壓力控制技術(shù)用在整機上，使GC的自動化、可靠性和精密度大為提高。

　　全二維氣相色譜(GC×GC)是一個剛剛興起的技術(shù)，與傳統(tǒng)的毛細管二維氣相色譜相比，其分離能力較傳統(tǒng)的色譜技術(shù)有了大幅度提高。第一臺商品化的二維氣相色譜系統(tǒng)是熱電集團的TRACE 2DGC。該型儀器采用了低溫調(diào)制專利技術(shù)。全二維色譜和質(zhì)譜聯(lián)用、構(gòu)成全二維GC/MS/MS和全二維HPLC/MS/MS是近年國外色譜儀發(fā)展的亮點，全二維色譜儀綜合了機械、電子、計算機軟件等技術(shù)，為復雜混合物的分析(如中藥、煙草、生物樣品)提供了有力的工具。

　　美國DIONEX公司推出的免化學試劑的離子色譜儀(RFIC)技術(shù)，結(jié)合了淋洗液自動發(fā)生器，自動再生抑制器技術(shù)以及除去淋洗液中雜質(zhì)的自動連續(xù)再生的捕獲柱，是對實驗室傳統(tǒng)分析方法的重大的改進。同時將離子色譜與脈沖安培電化學檢測器結(jié)合、構(gòu)成分離、檢測高親水性和高極性化合物，如生物和食品中的糖、氨基酸、糖醇、多元醇、生物胺以及藥品中抗生素直接測定的極佳方法。另外離子色譜與原子吸收、原子熒光、和質(zhì)譜的聯(lián)用，可以實現(xiàn)對許多元素的形態(tài)進行高效高靈敏度檢測，從而對多種元素的毒性和營養(yǎng)作出準確的評價。

　　2.色譜儀器向小型化發(fā)展，適用于現(xiàn)場測試

　　氣相色譜的另一個發(fā)展趨勢是微型化。當前現(xiàn)場檢測日益受到重視，尤其是在食品安全，生產(chǎn)安全、環(huán)境監(jiān)測等公共安全領(lǐng)域。其中代表性的產(chǎn)品有Agilent 3000、MINICAMSFM-2001、2NOSEMODEL 4200型等。安捷倫的3000型便攜式GC，使用毛細管色譜柱，芯片TCD，只有5.1 Kg，可用于石油和煤礦瓦斯氣體分析。

　　復旦大學和上海精密科學儀器有限公司聯(lián)合推出的GC190小型便攜式氣相色譜儀，北京東西電子推出便攜式光離子化氣相色譜儀為我國便攜式儀器的代表。

　　3.芯片色譜儀

　　為了適應(yīng)極少量樣品的分析，出現(xiàn)了在芯片上進行分離的氣相、液相和離子色譜儀，如安捷倫公司發(fā)布了芯片分離的HPLC/MS(Agilent 1100 Series HPLC-Chip/MS system)。

　　德國微系統(tǒng)科技有限公司(SLS)推出的GCM 5000被譽為是當今世界最小的氣相色譜。該色譜系統(tǒng)擁有傳統(tǒng)氣相色譜的所有功能和構(gòu)造，而尺寸只有3×2英寸，采用了半導體加工技術(shù)，使得分離柱只有人的指甲大小。

　　從技術(shù)上講，目前的瓶頸不是如何形成如此微小的氣相色譜系統(tǒng)，而是如何發(fā)展出微型高靈敏、高選擇性的檢測器，供微型色譜儀使用。

　　微型液相色譜系統(tǒng)的主要困難在于高壓微流量輸液。曾經(jīng)指望用電色譜來替代高壓泵，但是沒有成功。用電滲泵來間接輸液在原理上可行，但實際使用上有重復性差的問題。德國IMM研究所與日本東京大學合作進行的芯片高壓液相色譜儀研究，幾乎攻克了所有難題，但最后仍然卡在高壓輸液泵上。

　　4.著力于色譜的核心部件色譜柱的研究與開發(fā)

　　色譜柱中的色譜固定相的研究一直是經(jīng)久不息的研究熱點，國外對色譜固定相的研究常常是把研究成果直接放到自己的公司去生產(chǎn)，如現(xiàn)在屬于安捷倫公司的J&W公司生產(chǎn)的毛細管氣相色譜柱，就是Jennings 把自己研究的成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。美國Astec 公司的手性毛細管氣相色譜柱也是 Armstrong (現(xiàn)為美國依阿華州立大學教授) 把自己研究的成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，并組建了Astec公司。另一個特點是各個大公司，結(jié)合社會熱點、應(yīng)用需求，研制專用的高水平色譜柱。 Waters 公司的XBridge HPLC 色譜柱，可以耐受 pH 2~12的酸堿度，顆粒度有：1.7、2.5、3.5、5.0μm。Phenomenex 公司的 Germini C18 固定相，可在pH 1~12的環(huán)境中工作，在pH 11.5的溶液中有 50 天的壽命，顆粒度從3.5~10.0μm。

　　近年出現(xiàn)了高溫HPLC，因為在高溫下(150~200℃)可以提高柱效，可以使用較長的色譜柱和較小的顆粒的填料，可以使用純水做流動相。適于高溫HPLC的固定相如熱電公司的石墨化碳黑、島津公司的聚合物包覆的硅膠、Supelco公司的五氟苯基丙基聚合物固定相以及二氧化鋯基固定相等。

　　至于整體柱技術(shù)，目前看起來它在學術(shù)領(lǐng)域較之商業(yè)領(lǐng)域更為活躍，該技術(shù)可以在非常低的背壓條件下獲得更高分辨率和更快的分離效果。戴安公司2005年從Teledyne Isco Inc(林肯，內(nèi)布拉斯卡州)收購了整體柱技術(shù)，目前正在從事這方面的商品化研究。而國外一些學術(shù)研究團隊則正迅速地把這項技術(shù)向在主鏈上進行配位體的光接枝方面發(fā)展。日本京都技術(shù)大學Tanaka教授指出，對于硅整體柱而言，單位單元的尺寸從2.9埃減小到2.0埃，其峰容量和色譜分離效率可提高一倍。

　　5.我國產(chǎn)色譜儀的差距

　　我國在科學儀器方面和國外有較大的差距，是涉及我們的基礎(chǔ)工業(yè)、材料科學、電子技術(shù)、工藝技術(shù)等方面的差距引起的。具體到色譜儀方面主要差距：

　　氣相色譜儀：

• 電子壓力和流量控制技術(shù)。
• 柱溫箱溫度控制范圍、精度和升降溫速率。
• 色譜柱的使用溫度和分離能力。
• 檢測器品種不全，微型熱導檢測器和微型電子捕獲檢測器，色譜柱和軟件功能等差距大。

高效液相色譜儀：

• ·輸液泵的輸液精度與壽命。
• 檢測器種類少。
• 色譜柱、高性能色譜填料幾乎全靠進口，色譜柱種類較少。

　　6.色譜儀器和色譜技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　色譜儀器向小型化、自動化、聯(lián)用、多維化發(fā)展。

(二)光譜儀

　　1.原子吸收

　　德國耶拿公司推出了全球第一臺商品化的contrAA型連續(xù)光源火焰原子吸收光譜儀，采用了一個連續(xù)光源(高聚焦短弧氙燈)取代了傳統(tǒng)的空心陰極燈，輻射出從紫外線到近紅外的強烈連續(xù)光譜(190～900 nm)，采用了高分辨率的中階梯光柵，經(jīng)色散后所得譜線寬度可達pm級。在檢測器方面，該型儀器采用了CCD線陣檢測器以增加量子效率。從可獲得的分析信息量的角度而言，該款儀器已和ICP光譜儀相近。

　　2.原子熒光

　　這是極具中國特色的分析儀器，隨著元素形態(tài)分析領(lǐng)域的興起，色譜與原子熒光聯(lián)用技術(shù)也隨之發(fā)展起來。清華大學與北京吉天聯(lián)合研發(fā)的SA-10砷形態(tài)分析儀是一種基于氫化物發(fā)生—原子熒光技術(shù)的元素形態(tài)分析儀器，利用液相色譜進行分離，用氫化物發(fā)生—原子熒光對液相色譜流出物定量，檢測元素的不同形態(tài)，能夠更有效地評價樣品中元素的生物危害性，能夠有效地檢測As、Hg、Se等元素的多種形態(tài)，可在食品、衛(wèi)生、藥物、飼料、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的檢測中應(yīng)用。我國還有多個企業(yè)生產(chǎn)原子熒光光譜和元素形態(tài)分析儀。

　　3. MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)光譜技術(shù)

　　采用微型制造技術(shù)，將機械部件，傳感器，執(zhí)行機構(gòu)和電子系統(tǒng)利用顯微加工技術(shù)，集成到一個普通的基材(硅、鋁或其他)上。MEMS可以改進現(xiàn)有所有產(chǎn)品領(lǐng)域，并賦予產(chǎn)品新的特質(zhì)和性能，出現(xiàn)新一代的過程光譜分析儀。

　　4.紅外光譜

　　紅外光譜是最常用的結(jié)構(gòu)分析和組成分析工具，近兩年來紅外光譜技術(shù)三個方面有明顯進展：(1)紅外化學成像(紅外和近紅外);(2)紅外光譜數(shù)據(jù)處理;(3)編碼調(diào)制紅外光譜。

　　(1)紅外化學成像

　　化學成像是一種同時提供空間的、化學的、結(jié)構(gòu)的和功能的信息，是一組三維的數(shù)據(jù)塊，化學圖像數(shù)據(jù)為海量數(shù)據(jù)，使用化學計量學方法進行處理。

　　近兩年的進展主要表現(xiàn)在共焦平面紅外陣列檢測器與FT-IR光譜儀器的耦合研究方面，目前發(fā)展方向傾向于使用線陣檢測器，可避免面陣中壞象素的影響，值得關(guān)注的是如SPECTRALDIMENSIONS公司研制開發(fā)的專用和在線化學成像分析儀，用于制藥，高分子，食品，法醫(yī)，反恐等領(lǐng)域。

　　(2)紅外光譜數(shù)據(jù)處理技術(shù)

　　多維紅外光譜數(shù)據(jù)的處理在近兩年內(nèi)得到了特別的關(guān)注。研究最多的是二維光譜。

　　(3)編碼光度紅外光譜測定法

　　這是一種新技術(shù)，一個編碼轉(zhuǎn)盤部件產(chǎn)生干涉圖，經(jīng)過傅立葉變換得到紅外光譜圖，可以用于檢測化學反應(yīng)動力學和產(chǎn)物的信息，非常適合在線檢測，適用于散射光譜，透射光譜和吸收光譜技術(shù)的應(yīng)用。它具有速度快和抗環(huán)境干擾能力強，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，更簡單，成本低等的優(yōu)點。美國ASPECTRICS 公司擁有這項新技術(shù)，目前產(chǎn)品已經(jīng)投放市場。2006年度獲得《研究與開發(fā)雜志》頒發(fā)的百名市場影響力最強新技術(shù)產(chǎn)品獎。

　　5.近紅外光譜

　　當前，近紅外分析已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、石油、化工等領(lǐng)域，近紅外儀器已經(jīng)形成獨立的產(chǎn)業(yè)，國際上近紅外技術(shù)市場主要被美國熱電尼高力公司、丹麥FOSS公司、德國布魯克公司、瑞典Perten公司等分析儀器企業(yè)占據(jù)。我國的近紅外技術(shù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過20余年的發(fā)展也具有了一定的規(guī)模，北京英賢公司和上海棱光公司是其中的代表。

　　目前國際上主要從事近紅外儀器研發(fā)、生產(chǎn)的公司也在把主要精力投向模型和方法的研究與開發(fā)上，因此共享模型和方法標準的研究將是近紅外技術(shù)今后幾年發(fā)展的主要方向�？上驳氖牵�我國的部分科研院所，如石化院、中國農(nóng)大、湖南大學，中南大學，第二軍醫(yī)大學等目前已在化學計量學方面進行了非常出色的工作。目前我國近紅外光譜技術(shù)正處頂盛時期的前夜，有許多方面走向世界前列。

　　華東理工大學的杜一平教授獲2006年BUCHI近紅外光譜學國際獎，該獎項是瑞士BUCHI公司為表彰本年度近紅外光譜學領(lǐng)域的突出貢獻而設(shè)立的，獲獎原因是提出和應(yīng)用化學計量學算法region orthogonal signal correction(ROSC)，解決了近紅外光譜中共存組分的光譜干擾問題。

　　6.在光譜技術(shù)領(lǐng)域值得關(guān)注的三項新技術(shù)取得重大突破

　　(1)太赫茲輻射技術(shù)及其相關(guān)儀器的新進展

　　近二年來，太赫茲輻射技術(shù)取得了不斷的進步，特別是這些技術(shù)的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，相關(guān)儀器開發(fā)和國防、安全檢查、材料識別與診斷、生產(chǎn)監(jiān)測、生物醫(yī)學等領(lǐng)域應(yīng)用都取得了許多進步。

　　太赫茲輻射(T-射線波長為3,000~30微米范圍內(nèi)的電磁波)可以像X-射線那樣穿過某些材料，“看”到其背后的物質(zhì)。T-射線光子能量極低，不會對人體和其他材料造成電離，大多數(shù)包裝材料如紙張、碳素板、塑料等對T-射線都是透明的，而金屬和含有水分的材料不能透過T-射線，可以利用T-射線進行成像，透視出包裝物品內(nèi)部物體的T-射線圖像來，從而可以應(yīng)用于機場行李箱的安全檢查和醫(yī)生對人體內(nèi)有損傷或破裂器官的檢查。該技術(shù)的最大困難在于難探測到比較微弱的太赫茲輻射信號。

　　太赫茲技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括太赫茲光譜、太赫茲成像和太赫茲通訊幾個方面。美國PicoMatrix公司和Zomega Technology公司、英國TeraVIEW公司、日本Nikon公司、布魯克光譜公司都相繼開發(fā)出了太赫茲光譜儀和成像系統(tǒng)。

　　太赫茲時域光譜技術(shù)，目前仍然是太赫茲光譜技術(shù)的核心研發(fā)領(lǐng)域。

　　太赫茲成像技術(shù)，目前主要向著實時成像、全息成像和三維立體成像技術(shù)方向發(fā)展。利用太赫茲電場相位信息的相位成像技術(shù)，是當前國際上積極發(fā)展的太赫茲成像技術(shù)之一。

　　為了發(fā)展小型化太赫茲系統(tǒng)，基于飛秒光纖激光器的太赫茲產(chǎn)生與探測系統(tǒng)，已經(jīng)有實驗室原型樣機出現(xiàn)。太赫茲光子器件的研發(fā)，如太赫茲透鏡、太赫茲濾波片、太赫茲波帶片等光子學器件，已經(jīng)吸引了國際科技界的廣泛關(guān)注。

　　美國、日本和歐洲相繼將太赫茲技術(shù)列為未來幾年發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

　　我國于2003年啟動了“太赫茲物理器件及應(yīng)用研究重大項目”。“我國首臺基于電子激光的太赫輻射源”被評為我國2005年基礎(chǔ)研究十大新聞的第三項。

　　(2)光學分子成像系統(tǒng)

　　分子影像學是一門新興的、交叉的科學，具有傳統(tǒng)成像所不具有的特點：無創(chuàng)傷、實時、活體、特異、精細(分子水平)的顯像等獨特性質(zhì)。

　　國外光學分子成像系統(tǒng)

　　A. 精諾真活體內(nèi)可見光成像系統(tǒng)——Xenogen-200

　　200系列體內(nèi)可見光成像系統(tǒng)，可以做激發(fā)熒光和自發(fā)熒光斷層成像，可實現(xiàn)三維熒光光源的重建。它的探測深度為：顱內(nèi)可達3~4cm，分辨率為1~3mm。

　　B. KODAK高性能數(shù)碼成像系統(tǒng)——KODAK

　　它能進行二維成像，分辨率為厘米級。不能進行三維成像。

　　C. 小動物光學分子成像系統(tǒng)——GE

　　GE Healthcare通用電氣醫(yī)療集團的eXplore Optix小動物光學分子成像系統(tǒng)，是激發(fā)熒光成像設(shè)備，探測深度：靈敏度高的時候，為1.5~2cm;靈敏度低的時候，為3~4cm。分辨率為0.5~3mm。雖然國外已經(jīng)做出了光學分子成像系統(tǒng)，不同程度上還是有一定的缺陷。

　　國內(nèi)光學分子成像系統(tǒng)

　　國內(nèi)，清華大學、天津大學等少數(shù)的科研單位正在研制激發(fā)熒光斷層成像(FMT)原型系統(tǒng)。截止到目前為止，國內(nèi)還沒有擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的光學分子成像設(shè)備。在綜合上述3種國外光學分子成像設(shè)備的優(yōu)點并對缺陷進行了改進之后，我國構(gòu)建了BLT/FMT原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括熒光信號采集裝置、圖像信號預處理模塊以及計算機系統(tǒng)，可以完成自發(fā)熒光斷層成像(BLT)和激發(fā)熒光斷層成像(FMT)。BLT軟件已獲得我國科技進步二等獎，BLT/FMT的研究已列入國家973計劃。

     中科愷盛利用中科院的分子影像技術(shù)，成功開發(fā)出“二維實時在體生物自發(fā)光分子影像系統(tǒng)”、“三維多模態(tài)多光譜生物自發(fā)光分子影像系統(tǒng)”系列產(chǎn)品，并于今年2月生產(chǎn)出我國第一臺擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高端醫(yī)療器械——生物自發(fā)熒光分子影像系統(tǒng)，從而結(jié)束了我國在分子影像這一新興領(lǐng)域沒有完全自主知識產(chǎn)權(quán)高端醫(yī)療器械的歷史。和目前國際上少數(shù)發(fā)達國家生產(chǎn)的類似產(chǎn)品比較，中科愷盛的分子影像系統(tǒng)不僅能對對象的在體進行實時、連續(xù)無創(chuàng)觀察；而且因其攻克了目前光學分子影像設(shè)備無法解決生物組織“非勻質(zhì)下重建”的難題，還能在體區(qū)分出心、肝、脾、肺等各個組織器官。此外，該系統(tǒng)采用了世界領(lǐng)先的計算機圖像重建算法，國外產(chǎn)品的空間誤差一般在2-3毫米，而該設(shè)備已能把誤差控制在0.5到1毫米。大大地提高了實驗結(jié)果的準確性。

　　(3)表面增強拉曼光譜技術(shù)

　　表面增強拉曼散射(SERS)技術(shù)具有靈敏度高、干擾小的特點，適合于研究界面效應(yīng)，可以解決生物化學、生物物理和分子生物學中的許多難題。以往由于重現(xiàn)性不好等問題，SERS在分析測試中還沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。近年來， SERS的最新成果有望解決超高靈敏度分析問題，甚至進行生物單細胞和單分子以及納米結(jié)構(gòu)的分析。針尖增強拉曼顯微技術(shù)(Tip-enhanced Raman microscopy)利用金屬涂層的懸臂在針尖區(qū)域產(chǎn)生增強信號，使得在與針尖相接觸的被研究物表面有可能測定SERS信號。生物芯片與SERS技術(shù)的結(jié)合也是一個令人感興趣的方法。在芯片表面通過固定生物病原體以及對SERS有活性的金屬，來測定出SERS信號。這些方法還有一些技術(shù)難題需要解決，但超高的SERS信號為建立高靈敏度的分析方法提供了可能，其前景是很誘人的。

(三)質(zhì)譜儀及其分析技術(shù)的新進展

　　質(zhì)譜分析技術(shù)是探索物質(zhì)組分和結(jié)構(gòu)的最有力手段，在引發(fā)的物理、化學、生物的一系列科學突破中起著關(guān)鍵作用，所以諾貝爾獎曾于1906、1911、1922、1989、1992和2002年度，授予與質(zhì)譜儀和質(zhì)譜分析理論有關(guān)的7位科學家。

　　離子化技術(shù)和質(zhì)量分析器是質(zhì)譜技術(shù)的核心，前者是把待分析樣品分子轉(zhuǎn)化為離子，后者是把離子按其質(zhì)量分離并分別測量它們的數(shù)目，構(gòu)成質(zhì)譜圖。

　　1.離子化技術(shù)的新進展

　　離子化新技術(shù)主要包括電噴霧(Electrospray Ionization, ESI)和基質(zhì)輔助激光解吸電離(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI)兩項離子化技術(shù)。這兩項離子化技術(shù)、近年來又取得以下重要的進展。

　　(1)解吸電噴霧電離(DESI)是ESI技術(shù)的延伸。溶劑(含少量電介質(zhì))流入霧化器的毛細管，噴出的帶電霧滴及離子在霧化氣的帶動下，轟擊處于對面的樣品靶，將靶上的樣品解吸并電離成離子。DESI的最大特點是無需提取、分離等繁雜的樣品前處理，而且離子化是在大氣壓下進行，能在很短的時間內(nèi)完成樣品的分析，靈敏度也很高。DESI的特點使這一技術(shù)可在檢測爆炸物、化學戰(zhàn)劑、毒品等方面得到重要應(yīng)用。

　　實時直接分析(DART) 是與DESI類似的離子化技術(shù)，它使用激發(fā)態(tài)氦原子作為離子化試劑，也有很高的靈敏度。

　　(2)硅表面上解吸電離(DIOS) 是用電化學方法腐蝕硅片，形成多孔(微孔)表面，將樣品涂于硅片表面，再置于激光的照射下，可使樣品解吸并電離。

　　MALDI需要使用基質(zhì)，這些基質(zhì)產(chǎn)生大量的質(zhì)譜峰，構(gòu)成很高的背景，使分析發(fā)生困難。DIOS 不使用基質(zhì)，因而背景十分干凈，有利于分析小分子。用DIOS分析藥物WIN，得到清晰的質(zhì)譜圖。DIOS 用于分析蛋白質(zhì)也可提高氨基酸序列的覆蓋率。DIOS 還有較高的耐鹽性。

　　最近研究揭示，硅片上刻槽或?qū)⒔饘倨�腐蝕成多孔，只要槽或孔的尺寸在亞微米級，就具有無基質(zhì)激光電離的性能。

　　(3)飛行時間二次離子質(zhì)譜(TOF—SIMS)的離子源，在提高質(zhì)量分辨水平方面取得突破進展，最重要的是該技術(shù)特別適用于有機物表面分析，大面積成像和有機物深度分析，適合生命科學需求。

　　2.質(zhì)量分析器的新進展

　　質(zhì)量分析器的研究朝兩個方向發(fā)展，一是發(fā)展新型高分辨率的質(zhì)量分析器，二是質(zhì)量分析器的微型化。近年來有以下新進展：

　　(1)軌道離子阱(Orbitrap) 。其最大特點是無磁場、無高頻電場，只用靜電場，屬靜電場離子阱。軌道離子阱的分辨率高達15萬，質(zhì)量測量準確度可優(yōu)于2 ppm。在制作成本以及運行維持費上，比離子回旋共振質(zhì)譜低很多。這種質(zhì)譜儀在藥物研究、蛋白質(zhì)組學和代謝組學等重大研究領(lǐng)域迅速得到廣泛應(yīng)用。

　　(2)質(zhì)量分析器微型化。在 Oak Ridge National Laboratory 工作的 Mike Ramsey 和 Bill Whitten 以及在 Nanofabrication Laboratory at Bell Laboratories 工作的 Stanley Pau 3人合作，在25 mm2 的芯片上制作了 256 個微型離子阱陣列。這種微型離子阱可在 10-4 Torr 低真空下工作，可免去使用昂貴的渦輪泵。這種微型質(zhì)譜儀將來可能進入醫(yī)生診所，成為臨床診斷的儀器。

　　3.質(zhì)譜各種聯(lián)用技術(shù)的進展

　　Perkin Elmer 2006年推出新一代的Clarus 600 GC/MS，以柱溫箱設(shè)計為例，提高升溫和降溫速率，縮短循環(huán)時間，提高樣品分析效率和儀器投資回報率。其中EI和PCI/NCI的靈敏度指標也處于行業(yè)先進水平。

　　熱電公司推出最新四級桿氣質(zhì)聯(lián)用儀DSQ Ⅱ，配置了最新的離子源和檢測系統(tǒng)，定量分析的線性范圍超過6個數(shù)量級，掃描速度達到11,000amu/sec;組合式傅立葉變換—離子回旋共振質(zhì)譜儀FTICR—LTQFT Ultra，該儀器質(zhì)量精確度達到亞ppm級，分辨率超過750,000。

　　島津公司推出新一代的GC/MS—QP2010 plus，采用獨立加溫的高效離子源，大容量排氣泵，ODLenS的檢測器等技術(shù)。

　　安捷倫科技公司新一代氣質(zhì)聯(lián)用儀 —— 5975 inert MSD，此系統(tǒng)具有全新的用戶界面，可以通過電子方式共享各種應(yīng)用方法。該系統(tǒng)的推出，使用戶可從網(wǎng)上下載分析方法而不用自行創(chuàng)建，從而加快了實驗室之間各種方法的轉(zhuǎn)移和標準化。分析工作者還可以利用最新版的軟件，將原來的5973系列MSD方法轉(zhuǎn)移到新的5975 inert MSD中。

　　4. 我國質(zhì)譜儀研發(fā)的進展

　　我國近幾年起步研發(fā)和銷售通用的質(zhì)譜儀。東西分析儀器公司已小批量投產(chǎn)GC/MS3100(四極質(zhì)譜)，國家標準物研究中心正研發(fā)MSQ-1000平板直線離子質(zhì)譜，上海精料與復旦大學聯(lián)合開發(fā)了MS-800ESI-TOFO。上海大學和上�？苿�(chuàng)色譜公司聯(lián)合研發(fā)成功GC-TOF-MS。這些國產(chǎn)儀器將在食品安全、藥檢、商檢、農(nóng)林、化工、生命科學等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展趨勢：

(1)向高精密方面發(fā)展。

(2)向小型質(zhì)譜儀發(fā)展。在各類質(zhì)譜中，生物質(zhì)譜成為有機質(zhì)譜中最活躍、最具有生命力的前沿研究領(lǐng)域之一。小型質(zhì)譜主要以四級桿、離子阱和飛行時間質(zhì)譜為主。廣泛地應(yīng)用于環(huán)境、農(nóng)業(yè)、食品、藥檢、公共安全。各類質(zhì)譜儀全球市場狀況可參考美國SDI公司2006年出版的《實驗室生命科學和分析儀器工業(yè)市場分析與展望》。

(四)核磁共振儀

　　核磁共振(NMR)在科學上具有重要的地位并對推動物理、化學、生物、醫(yī)學等學科的發(fā)展起到了非常重要的作用。因此諾貝爾獎曾6次授予NMR工作者，授獎領(lǐng)域涉及物理(1944、1945、1952年度)、化學(1991、2002年度)、生理或醫(yī)學(2003年度)。NMR的廣泛應(yīng)用，特別是來自生物、醫(yī)學領(lǐng)域的需求，推動了NMR譜儀技術(shù)的迅速發(fā)展。近年來有以下進展和突破：

　　1.核磁共振波譜儀(NMR)

　　(1)核磁共振對高磁場強度的追求是無止境的。

　　高強度帶來的是NMR靈敏度和頻譜分辨率的提高、四極展寬的減小、弛豫特性的改變等。繼800MHz NMR譜儀逐步普遍化之后，900MHz譜儀的市場和用戶迅速增加，幾個主要公司已經(jīng)了推出950MHz的譜儀。1GHz及以上的高分辨液體NMR譜儀已經(jīng)在研制之中。美國強磁場國家實驗室(NHMFL)采用超導和水冷混合磁體，研制出了磁場強度高達40T(1.7GHz)的固體核磁共振譜儀。隨著新型超導技術(shù)、超穩(wěn)定技術(shù)和超屏蔽技術(shù)等的不斷進步，已經(jīng)制造出了4.2K的800MHz磁體。雜散磁場大大縮小，磁體重量、液氦和液氮消耗、制造和維持成本顯著降低。

　　例如：Bruker BioSpin集團推出了世界首款950 MHz主動屏蔽超導磁體——950 US2，該產(chǎn)品融合了Bruker BioSpin獨有的UltraShield(TM)主動屏蔽技術(shù)和UltraStabilized(TM)附加制冷技術(shù)，從而具有更為出色的靈敏度和譜色散，但其低溫保持器的尺寸和低溫性能較之900 US2沒有改變。

　　(2)譜儀包含的射頻系統(tǒng)、脈沖磁場系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，每3～5年就有一次重大升級

　　全數(shù)字化的核磁共振譜儀無疑將成為未來NMR儀器市場的主流產(chǎn)品。新型譜儀相繼采用了高頻和寬帶接收器，從根本上解決了正交檢測的相位和幅度匹配問題。中高端譜儀多具有自動勻場功能。探頭的自動調(diào)諧技術(shù)逐步成為標準配置，普遍采用的多道同時檢測技術(shù)，可以實現(xiàn)同核異核的雙道同時檢測。

　　(3)低溫探頭(20K)是重大突破之一

　　800MHz低溫探頭的信噪比(0.1%乙基苯)可以達到7600:1。低溫探頭靈敏度提高的關(guān)鍵是降低了熱噪音。現(xiàn)已出現(xiàn)接收線圈和前級放大器同時置于低溫的探頭。

　　(4)多功能化和集成化趨勢極為明顯

　　配置固體探頭(CP/MAS)和適用于生物組織的高分辨魔角旋轉(zhuǎn)探頭(HR/MAS)的用戶越來越多。后者在代謝組學分析中有著廣泛應(yīng)用。核磁共振譜儀與液相色譜(LC)和質(zhì)譜儀(MS)的集成(LC-MS-NMR)在復雜混合物定性和定量分析以及結(jié)構(gòu)鑒定方面具有廣大的市場。LC中的固相萃取、飛行時間質(zhì)譜(TOF)和多級質(zhì)譜(如MS/MS/MS等)已經(jīng)用在集成的儀器之中。

　　例如：美國瓦里安公司與諾伊大學-香檳分校(UIUC)合作推出一款生物固體核磁共振探頭——Bio-MAS(TM)。Bio-MAS(TM)采用了目前正在申請專利的卷形線圈設(shè)計技術(shù)，從而使得Bio-MAS(TM)的發(fā)熱量較之常規(guī)探頭降低了3倍。發(fā)熱會對寶貴的固體生物樣品造成破壞，而新產(chǎn)品使樣品的試驗壽命提高了至少1倍以上。

　　我國NMR儀器至今全部依靠進口。最近將“300MHz～500MHz核磁共振波譜儀的研發(fā)項目”已經(jīng)列入十一五“國家科技支撐計劃重大專項”。

　　2.核磁共振成像儀(MRI)

　　核磁共振波譜和成像儀器具有“量大面廣”的特性。基于核磁共振原理的儀器還有石油測井儀和探水儀。核磁共振測井儀器能夠提供油井內(nèi)原油和水的定量分布或原油的儲備信息。每年核磁共振測井量超過3000多口，取得了很好的經(jīng)濟效益，要求儀器具有快響應(yīng)和能夠適應(yīng)地下高溫、泥沙等惡劣環(huán)境。核磁共振測井儀的生產(chǎn)廠商集中在美國。我國磁共振測井儀已經(jīng)研制成功。磁共振探水儀主要用于探測地下水源，俄羅斯生產(chǎn)儀器的探測深度可以達到160m以上，我國研發(fā)的核磁共振探水儀深度在150m左右，其產(chǎn)業(yè)化示范已列入十一五“國家科技發(fā)展支撐計劃重大專項”。

　　(五)微區(qū)分析儀(電子、粒子束微區(qū)分析儀)

　　利用電子、粒子束探索和分析樣品表面形貌、原子和分子結(jié)構(gòu)、元素組成、化學狀態(tài)的儀器稱為微區(qū)分析儀。這部分儀器種類很多，其中在材料科學、微電子學、化學與催化、環(huán)保、能源、生命科學等領(lǐng)域應(yīng)用很廣、發(fā)展很快的是電子顯微鏡和電子能譜儀。電子顯微鏡是人類認識自然，特別是微觀世界的有力武器。電子顯微鏡的發(fā)展推動了人類對物質(zhì)世界認識極限的挑戰(zhàn)。近年來，由于像差校正等技術(shù)突破以及納米科技、信息科學、生命科學等學科需求牽引，電子顯微鏡正處于革命性發(fā)展階段，其主要標志是近年來電鏡的分辨本領(lǐng)有異乎尋常的提高，點分辨本領(lǐng)突破1埃的限制，能量分辨本領(lǐng)達到0.1 eV水平。

　　1.掃描電子顯微鏡(SEM)

　　掃描電鏡技術(shù)發(fā)展的主要目標是提高分辨率。場發(fā)射槍在掃描電鏡上早已廣泛應(yīng)用，近年發(fā)展低壓電鏡(LVSEM)、環(huán)境掃描電鏡(ESEM)和低能級電鏡(SLEEM)，以適用于生物樣品和不需噴涂導電膜，低壓時就可觀察絕緣樣品或半導體樣品，為發(fā)展固態(tài)表面研究，促進SEM朝低能級方向發(fā)展。

　　FEI公司最新的場發(fā)射掃描電子顯微鏡Nova NanoSEM是世界上第一款能對非導電樣品和有污染樣品進行超高分辨表征的低真空場發(fā)射掃描電鏡。與NanoSEM同時發(fā)布的FEI Helix探測技術(shù)將浸入式透鏡和低真空掃描電鏡兩種技術(shù)成功地組合在一起，這是首創(chuàng)，給用戶帶來超高分辨率的同時，還能在低真空環(huán)境下有效地抑制非導電材料的電荷積累效應(yīng)，抑制樣品前處理過程中引起的電子束誘導污染。

　　日本電子推出的移動式掃描電子顯微鏡(SEM)“Carry Scope JCM-5100”大大簡化了觀測條件的設(shè)置，在和光學顯微鏡同等便利的條件下，可得到SEM特有的高觀測景深和高分辨率數(shù)據(jù)。同時通過減小尺寸、減輕重量，用戶可輕松移動掃描電子顯微鏡。啟動掃描電子顯微鏡時只需一個100V電源插頭。該儀器簡化了老式SEM所需的設(shè)置(加速電壓、光圈調(diào)整等作業(yè))，放入樣本，大約1分鐘進行真空排氣后，即可得到具有立體效果的高分辨率觀測畫面，分辨率也達到了4埃(0.4nm)。

　　2.透射電子顯微鏡

　　2005年8月FEI公司發(fā)布了新一代Titan80-300亞埃分辨率像差校正透射電鏡，分辨率高達0.07nm。FEI公司近年來投資1億歐元研制新一代透射電鏡。據(jù)悉已接受25臺Titan電鏡的訂單。2006年9月日本日立公司展示了HD-2700像差校正掃描透射電鏡;日本電子公司與英國牛津和劍橋大學合作開發(fā)的像差校正透射電鏡的分辨率也已突破1埃(0.1nm)。

　　美國為了保持其科學研究能搶占先機，由能源部支持的五大電鏡實驗室共同研發(fā)下一代像差校正透射電鏡，建造可分辨0.5埃、單價數(shù)百萬至千萬美元的新型電鏡，計劃2008年完成。我國臺灣地區(qū)近期也已投巨資開展“理想的電子顯微鏡”關(guān)鍵部件的研制工作。

　　亞埃、亞eV透射電鏡的出現(xiàn)為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究開拓了眾多的研究領(lǐng)域，包括物質(zhì)結(jié)構(gòu)的亞埃尺度研究、物質(zhì)電子結(jié)構(gòu)的亞電子伏特分辨水平的研究，原位有環(huán)境反應(yīng)的實時觀測、埃級尺度的電子束加工及原位表征等。

　　電子顯微鏡的另一個重要突破是低溫電鏡的出現(xiàn)及其在生命科學中的應(yīng)用。生命科學對獲取更高分辨率的分子圖像的要求十分迫切。對于膜蛋白、蛋白質(zhì)復合體等大分子結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的X光衍射方法和核磁共振法非常困難，將生物樣品降至-150°C以下，可有效減少輻照損傷，使電子顯微鏡逐漸成為研究生物大分子結(jié)構(gòu)的最佳工具之一。

　　透射電鏡技術(shù)發(fā)展主要方向是提高分辨率。特別是在中等電壓電鏡中獲得“亞埃的空間分辨率”和“亞電子伏特的能量分辨率”。

　　國內(nèi)20世紀80年代初生產(chǎn)過100KV透射電鏡，后停產(chǎn)。目前國內(nèi)只有中科集團是唯一生產(chǎn)掃描電鏡的廠家。透射電鏡國內(nèi)尚屬空白�？萍疾恳褜ⅰ皥霭l(fā)射槍透射電子顯微鏡的研制”列入“十一五”國家科技支撐計劃重大項目《科學儀器設(shè)備與開發(fā)》中。

　　3.電子能譜儀

　　作為樣品表面元素分析的方法和儀器很多，其中應(yīng)用最廣、最成熟和有效的是X射線能譜儀(XPS)和俄歇電子能譜儀(AES)，近兩年電子能譜儀的新進展和趨勢如下：

　　(1)平行X光電子成像(XPS imaging)技術(shù)，可快速(從幾秒到幾分鐘)進行微區(qū)元素和化學價態(tài)空間分布分析。分辨率優(yōu)于3μm，最好的能達到1μm;

　　(2)單色化的X射線源(小面積XPS分析)成為主流配置，雙陽極X射線源(大面積XPS分析)成為選項配置;

　　(3)最佳能量分辨率優(yōu)于 0.45eV，進行精細化學結(jié)構(gòu)和化學價態(tài)分析;

　　(4)在高能量分辨率條件下可獲得高靈敏度分析，故可快速采集元素和其化學態(tài)信息;

　　(5)中和系統(tǒng)使得絕緣樣品分析簡單、方便和有效;

　　(6)高性能深度剖析，可進行表面與界面、三維成分深度分布分析;

　　(7)樣品可分析面積范圍寬：20μm – 10cm ，適應(yīng)各種樣品類型的分析;

　　(8)多通道檢測器和DLD(Delay Line Detector)檢測器，全自動樣品臺，用計算機控制，可進行多樣品、多點、全自動樣品分析。

　　2005年中日兩國科學家成功研制出分辨率達0.36毫電子伏的超高分辨率光電子能譜儀，該儀器可精確觀察到化合物、超導體的體內(nèi)電子態(tài)密度分布，是當今世界同類儀器中最先進的。

　(六)X射線儀器

　　1. X射線衍射儀

　　國外在X射線衍射儀方面的的技術(shù)發(fā)展很快。主要表現(xiàn)在新型探測器、模塊化、分析軟件的功能強化、先進的X射線光學器件等方面。

　　目前國外各衍射儀生產(chǎn)廠家紛紛研發(fā)配備新型高性能探測器，以確保高檔儀器市場中的競爭地位。有的公司每不到兩年就推出一種新儀器。新型高性能探測器的優(yōu)點是，使測試效率提高數(shù)倍到上百倍，或提高信噪比和靈敏度，或能得到過去難以獲得的特殊衍射信息。

　　模塊化、多功能化使得簡單的切換操作就可以變化功能，從而使一機多功能成為現(xiàn)實。機械精度和控制指標也大幅度提高。

　　無論是單晶或多晶衍射儀，其分析軟件的功能和性能不斷提高，如單晶結(jié)構(gòu)分析算法，多晶全譜擬合結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，物相檢索算法，反射率算法等方面，均有大幅度的提高。

　　布魯克·AXS公司用于X射線衍射儀的VANTEC(TM)-2000探測器、采用了MikroGap(TM)專利技術(shù)，從而使得有效區(qū)域大幅度上升到14 ×14cm空間分辨率的同時，動態(tài)范圍達108。VANTEC-2000整合了氣態(tài)探測器和固態(tài)探測器二者的各自優(yōu)勢，在耐用性、分辨率、靈敏度和動態(tài)范圍等方面均有突破性的進展，是一款真正的準無噪音檢測器。

　　日本理學推出的SmartLab™ X射線衍射系統(tǒng)，是全球第一款可在一臺全自動化系統(tǒng)上完成所有X射線衍射測試的XRD系統(tǒng)，儀器具有獨特的Guidance™智能化軟件以及獲得專利的Cross Beam Optical™技術(shù)，可以完成一系列對于尖端材料研究至關(guān)重要的尖端測試，包括X射線衍射(XRD)、X射線反射(XRR)、小角X射線散射(SAXS)等。

　　我國生產(chǎn)XD—2/XD—3多晶X射線衍射儀，重復性已優(yōu)于0.0006º。

　　2. X射線熒光分析儀

　　X射線熒光分析儀方面，波長色散分析的進展主要是分析軟件性能的提高，即發(fā)展高級次譜線的算法和采用基本參數(shù)法等，有利于輕元素的定性和定量分析，其它似乎沒有特大的進展。能譜分析儀則在探測器和核電子學方面有重要進展，如Si-PIN探測器和SDD探測器已投入市場，它突破了過去鋰漂移硅探測器的某些性能的限制，使探測動態(tài)范圍大幅度提高，從而使探測靈敏度提高，也使制造成本大幅度降低且使用體積大為縮小。全反射X射線熒光分析法是值得注意的方向，它的特點是其靈敏度可達ppb量級。同時，TXRF技術(shù)又繼承了EXRF方法的優(yōu)越性，它的定量分析性能方面也有優(yōu)勢。

　　布魯克·AXS公司的XFlash(R) QUAD檢測器是QUANTAX(TM) QUAD型超高速-高靈敏能譜儀(EDS)的核心組件，是目前世界首款用于EDS的四通道40mm硅漂移檢測器。

　　3. X射線晶體定向儀

　　X射線晶體定向儀是用于生產(chǎn)晶體振蕩器的儀器。其定向精度決定了所生產(chǎn)及篩選的每年近百億片晶片的質(zhì)量和價格。低檔和高檔的價格相差10倍以上。國外的進展也集中在其精度方面，采用了激光快速測振校正的技術(shù)等。

　　4. 我國X射線儀的開發(fā)與生產(chǎn)

　　TXRF已在國際上得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)最新推出的TXRF9雙光路全反射X熒光分析儀，可以對從11Na到92U的所有元素進行分析，一次可對近30種元素進行同時分析。

　　我國沒有單晶衍射儀的產(chǎn)品，但有4個廠家生產(chǎn)多晶(粉末)衍射儀，年銷售量已超過30臺。但質(zhì)量和性能方面距國外廠家相差較大，如沒有新型探測器、某些技術(shù)指標較差、功能附件過少、軟件不夠先進等。主要靠低價格進入低端市場。雖然也開始了有關(guān)某些新技術(shù)的工作，但進展緩慢。主要問題有三方面：投入少;沒能快速整合國內(nèi)的先進成果;生產(chǎn)單位缺乏真正懂得X射線衍射的高檔人員。

　　在X射線熒光分析儀方面，我國目前還沒有可以推向市場的波譜分析儀。但已能生產(chǎn)能譜分析儀，年產(chǎn)量達數(shù)百臺，也有少量出口。主要問題是其中的關(guān)鍵技術(shù)部件探測器是依靠進口。

　　我國已有X射線晶體定向儀產(chǎn)品。在國內(nèi)市場中數(shù)量上占主要部分。問題是精度不夠高。我國的石英晶振片的產(chǎn)量達幾十億片，占世界產(chǎn)量的大部分，但由于所用X射線晶體定向儀質(zhì)量不高，價格很低�，F(xiàn)已有民營企業(yè)在研制高檔定向儀，但資金不足，進展不夠快。

　　(七)芯片型微型分析系統(tǒng)

　　國際上通常把芯片型微型分析系統(tǒng)分兩大類：即微陣列芯片(Microarry chips 或稱生物芯片 Biochips)與微流控芯片(Microfluidic chips)。

　　1.生物芯片技術(shù)與儀器

　　生物芯片是通過微加工和微制備技術(shù)在固體表面構(gòu)建微型生物單元，實現(xiàn)對生命體系中組織、細胞、蛋白質(zhì)、核酸、糖類、代謝產(chǎn)物、以及相關(guān)生物大分子化學修飾信息進行準確、快速、大信息量的檢測。生物芯片被認為是當今十分重要且具有戰(zhàn)略意義的前沿高新技術(shù)。這不僅在功能基因組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學和毒理組學等領(lǐng)域研究中發(fā)揮了重要的作用，而且在疾病診斷和治療、新藥研究和開發(fā)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、食品安全、國防等領(lǐng)域中已經(jīng)顯示出了非常廣闊的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)市場。

　　基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細胞芯片、組織芯片等發(fā)展較早。技術(shù)較為成熟的微陣列芯片已經(jīng)大量進入實用。與生物芯片相關(guān)聯(lián)的微流控芯片等技術(shù)正在逐漸成熟并開始被各領(lǐng)域應(yīng)用。

　　(1)生物芯片技術(shù)發(fā)展趨勢

　　A. 高通量、多參數(shù)、多功能、集成化。

　　高通量分析平臺是各種生命組學和系統(tǒng)生物學的必備手段和關(guān)鍵技術(shù)。

　　B. 微型化、批量化、標準化、大眾化。

　　這些趨勢將使這類產(chǎn)品成為便攜式儀器及價廉物美的芯片耗材，適用于家庭、現(xiàn)場等快速檢測和就地診斷。在未來生物安全形勢比較嚴重的情況下，更為必要和迫切�？s微芯片實驗室代表了未來生物芯片的發(fā)展方向，是當今分析儀器發(fā)展的新的生長點。

　　C. 信息化、網(wǎng)絡(luò)化、遠程控制和交互。

　　軟件已成為生物芯片應(yīng)用的重要部分，網(wǎng)絡(luò)將海量的、復雜的生物信息進行集成、分析和鑒別。軟件信息技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。

　　D. 高靈敏度、非標記檢測技術(shù)。

　　在生物芯片上進行單分子檢測、一直是普遍關(guān)心的研究熱點。納米生物檢測技術(shù)在生物芯片技術(shù)中的應(yīng)用得到了充分的重視，用該技術(shù)進行單根DNA序列檢測，其檢測速度的發(fā)展?jié)摿�可以提高�?shù)百倍。

　　(2)生物芯片及相關(guān)儀器的進展以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

　　歐美大型藥物公司或生物技術(shù)公司都利用生物芯片開展藥物相關(guān)基因篩選、藥物靶點識別、生物標志物識別和篩選、臨床前期藥物毒理研究、藥物基因組學以及個體化診療等各方面的研究工作。2004年，Affymetrix公司研制出SNP分析基因芯片，Agilent公司推出aCGH芯片，為研究腫瘤的發(fā)病機理提供了有利工具。羅氏公司開發(fā)了CYP450系統(tǒng)體外診斷基因芯片，用于篩查病人基因組的多態(tài)性，實現(xiàn)在治療過程中指導醫(yī)生選擇藥物種類和用藥劑量，對病人進行個體化用藥治療。2005年元月，美國FDA批準羅氏公司的CYP450基因診斷芯片上市，將對心臟病、疼痛和癌癥的治療提供有價值的參考。

　　(3)生物芯片和芯片實驗室發(fā)展前景可觀

　　未來生物芯片產(chǎn)業(yè)在中國或者國際市場面臨幾個重要機遇。首先，生物芯片在臨床檢測、生物安全檢測、進出口檢疫檢測、司法鑒定、健康篩查等“領(lǐng)域”應(yīng)用的前景會越來越好。第二，生物芯片技術(shù)的體系將會逐漸完善，將逐漸整合并實現(xiàn)集成化和微型化。第三，體系逐漸趨于兩極化，即快速高通量大型系統(tǒng)和小型快速低通量系統(tǒng)，其中芯片實驗室類產(chǎn)品將位居前列。第四，生物芯片體系的國內(nèi)和國際標準將逐漸建立和趨于完善。

　　(4)我國的發(fā)展狀況

　　國內(nèi)目前有近50家生物芯片研發(fā)機構(gòu)在微陣列芯片方面和微流控芯片研究方面取得可觀的進展，尤其在毛細管電泳芯片和微流控生化分析系統(tǒng)。迅速開展微流控的應(yīng)用基礎(chǔ)性研究已刻不容緩。未來微流控分析儀器與設(shè)備的市場將占越來越大比重。在生物芯片和相關(guān)產(chǎn)業(yè)方面，博奧生物公司已具有與國際競爭的水平。其核酸分析芯片、免疫分析芯片、毛細管電泳芯片和生物芯片點樣儀、雜交儀、掃描儀等產(chǎn)品已占國內(nèi)市場份額的30%，并經(jīng)國際認證、打入國際市場。

　　2.微流控技術(shù)與儀器

　　(1)近兩年該領(lǐng)域國際上取得了重大突破與進展

　　微流控(microfluidics)技術(shù)是當前正在急速發(fā)展的高新技術(shù)和科技前沿領(lǐng)域之一，是未來生命科學、化學科學與信息科學發(fā)展的重要技術(shù)平臺，受到高度重視。微流控技術(shù)是在微米尺度結(jié)構(gòu)中操控納升至皮升體積流體的技術(shù)與科學，在該尺度下大幅度增強的層流效應(yīng)、表面張力效應(yīng)、毛細效應(yīng)、熱傳導效應(yīng)及擴散效應(yīng)等，使許多物理與化學過程顯著加速。最能發(fā)揮這種優(yōu)勢的領(lǐng)域之一就是提供生命信息的微全分析系統(tǒng)。通過分析裝備微型化、芯片化、集成化，使分析效率成百倍，千倍地提高，試樣和試劑消耗下降為百分之一、千分之一，其最終目標是在芯片大小的空間實現(xiàn)化學實驗室的全部功能-即所謂“芯片實驗室”(Lab-on-a-chip)。

　　最近，美國加州大學伯克利分校Mathies研究組在DNA測序的全部操作集成化方面取得了很大進展。所研制的由玻璃和硅橡膠加工的集成化微生化處理器實現(xiàn)了在納升水平上的Sanger測序全部三個步驟，包括熱循環(huán)、樣品純化和毛細管電泳分離。該系統(tǒng)僅用1 fmol DNA 模板(試劑和樣品消耗較常規(guī)方法減少數(shù)百倍)以99%的準確度完成了556個連續(xù)堿基的測序。在此基礎(chǔ)上，有可能發(fā)展出低價便攜式的家用基因測序儀。

　　另一個值得高度重視的發(fā)展是美國斯坦福大學Quake研究組所報道的基于硅橡膠(聚二甲基硅氧烷，polydimethylsiloxane, PDMS)微加工的高密度微流控芯片系統(tǒng)。該技術(shù)在2002年在Science上以封面論文發(fā)表之后，迅速得到多方廣泛應(yīng)用，已成為化學系統(tǒng)實現(xiàn)微型化的重要依托技術(shù)。目前，該技術(shù)已被應(yīng)用于反轉(zhuǎn)錄酶聚合酶鏈反應(yīng)、陣列反應(yīng)，放射性標記物的多步化學合成以及高效率的蛋白質(zhì)結(jié)晶及結(jié)晶條件的優(yōu)化等重要領(lǐng)域。

　　(2)我國在該領(lǐng)域的國際學術(shù)地位

　　2001年國家基金委啟動了題目為《微流控生化分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究》的重大研究項目。目前我國在微流控分析領(lǐng)域，研究成果總體上已達到國際先進水平，其中部分成果、包括：微流控芯片的研制與加工技術(shù)、微流控高通量連續(xù)進樣方法、微流控電致化學發(fā)光系統(tǒng)、微流控固定化酶反應(yīng)器在蛋白質(zhì)分析中的應(yīng)用、微流控單細胞分析、微流控熒光和吸光檢測系統(tǒng)的微型化，以及納米技術(shù)在微流控系統(tǒng)中的應(yīng)用等在國際相關(guān)學術(shù)領(lǐng)域已具備一定領(lǐng)先優(yōu)勢。申請了百余項專利，并研制了多種具備不同程度自主知識產(chǎn)權(quán)的微流控分析儀器、裝置或樣機，為相關(guān)儀器的產(chǎn)業(yè)化提供了有利基礎(chǔ)。

　　至2005年底，我國大陸學者發(fā)表的SCI收錄微流控論文數(shù)已達190篇，超過了微流控分析研究領(lǐng)域強國—日本的當年被收錄數(shù)，而僅次于美國,位居世界第二。

　　微流控芯片具有良好的應(yīng)用前景。

　(八)電化學分析儀器

　　國際上以美國CH Instrument公司生產(chǎn)的CHI系列、美國Bio Analytical System公司生產(chǎn)的BAS系列、美國Princeton Applied Research生產(chǎn)的EG&G系列、荷蘭Ecochemie的AutoLab系列，是電化學分析儀器的代表。在國內(nèi)，電化學分析儀器生產(chǎn)廠家有七八個主要生產(chǎn)廠家。

　　1.電化學分析儀器的聯(lián)用技術(shù)

　　分離分析聯(lián)用的新技術(shù)是當前分析儀器發(fā)展的一個趨勢。將電化學分析技術(shù)和其他分離分析手段聯(lián)用，可以提供高靈敏度、響應(yīng)快、壽命長、是動態(tài)在線檢測手段。

　　聯(lián)用技術(shù)包括高效液相色譜-電化學、光譜-電化學聯(lián)(如表面等離子體共振、園二色譜、紅外、紫外、拉曼等光譜技術(shù))，可以實現(xiàn)方便、快速、現(xiàn)場、高靈敏度的分析。

　　2.電化學分析儀器微型化

　　微型化是現(xiàn)代分析儀器的重要發(fā)展趨勢之一，微型化電化學儀器常是現(xiàn)場、原位、活體檢測技術(shù)的基礎(chǔ)。

　　國際上如加州理工學院的Barton研究小組，實現(xiàn)了基于DNA修飾電極的芯片檢測儀器。該儀器可以實現(xiàn)DNA的靈敏、快速檢測。利用該方法可以實現(xiàn)各類堿基錯配的檢測。

　　西安瑞邁分析儀器有限責任公司最近推出了MPI-M型微流控芯片電化學檢測儀—電化學分析儀。該儀器依托于系統(tǒng)所擁有的多通道電化學分析數(shù)據(jù)采集與分析測試平臺、微流控芯片多路高壓電源控制部件，該儀器可應(yīng)用于基于微流控芯片分析的電化學檢測及聯(lián)用的微流控芯片電化學分析等。

　　3.電化學分析儀器的發(fā)展趨勢

　　研發(fā)高靈敏度、響應(yīng)快、壽命長、微型化、可動態(tài)在線檢測并經(jīng)濟適用、有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型電化學分析儀器是發(fā)展的趨勢，以滿足環(huán)境、生命科學、能源、出入境檢疫檢驗與食品安全等公共安全領(lǐng)域監(jiān)測檢測對常規(guī)儀器的需求。

　　(九)生命科學技術(shù)與儀器的新進展

　　隨著生命科學的迅猛發(fā)展，國外許多生產(chǎn)分析儀器和生化儀器的廠家以及

　　一大批新生的生物技術(shù)企業(yè)都迅速擴展、開拓甚至轉(zhuǎn)向從事生命科學儀器的開發(fā)和生產(chǎn)。實際上生命科學技術(shù)中所用的儀器既包涵上述八類科學儀器的一系列特定的應(yīng)用，同時又依據(jù)生命科學技術(shù)的特需，出現(xiàn)一大批生命科學的專用儀器，包括生物樣品的保存、培養(yǎng)、分離、雜交，基因的提取、純化、擴增、合成、導入、重組，以及復雜的檢測、觀察和分析等等儀器設(shè)備，本文中不逐一概述了，僅以當今生命科學最熱門的三大主題，概述生命科學技術(shù)與相關(guān)儀器的新進展。

　　1.基因測序和基因轉(zhuǎn)錄技術(shù)與儀器

　　50年前提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以后，癌基因以及內(nèi)切酶，逆轉(zhuǎn)錄酶等的相繼發(fā)現(xiàn)使生命科學經(jīng)歷了一場空前的大革命。隨著對基因的進一步認識，科學家不僅把這些知識應(yīng)用到人類的健康，而且還延伸到與人類生存息息相關(guān)的農(nóng)業(yè)，畜牧業(yè)等各個領(lǐng)域中去。目前的主要目標：一是基因治療的研究;二是用于藥物研究的動物模型開發(fā)和建立有用的細胞株;三是對農(nóng)產(chǎn)品和畜牧業(yè)進行基因改造，創(chuàng)造高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗的新品種、對人體有益的健康食品。

　　(1)基因測序技術(shù)與儀器

　　科學家希望將來能夠為病人提供根據(jù)他們自己的遺傳特征“定制”的藥物，這需要對病人的基因組進行測序。人類基因組的第一次測序用了10多年。一些新興的生物技術(shù)公司，試圖將時間縮短到24小時以內(nèi)。基因組測序領(lǐng)域的先驅(qū)Craig Venter說：“我們的目標是只花費1,000美元，在幾分鐘或者幾秒鐘內(nèi)完成一個基因組的測序”。美國政府給予了大力的資助(NIH給了8,000萬美元的專項)，2006年10月初美國的民間基金會(X-prize)提出了1,000萬美元的獎勵�？焖俚统杀救祟惾�基因組測序技術(shù)正在全世界范圍內(nèi)高速發(fā)展，已經(jīng)成為國際上一個競爭十分激烈的研究領(lǐng)域。例如美國454 生命科學公司已經(jīng)研制出商品化的測序設(shè)備和試劑，能夠?qū)?00kb的微生物基因組進行測序，準確率可達到99.99%。

　　雙脫氧核苷酸鏈終止法(Sanger法)是目前使用最普遍的DNA序列分析技術(shù)。Sanger法最多可以測試約1,000個堿基的序列，這個限制主要是由于序列長度的增加會造成鏈終止的幾何可能性減少。要想在幾秒鐘內(nèi)對數(shù)以10億的堿基對進行測序，需要完全不同的方法。為此，出現(xiàn)了很多的新技術(shù)和新儀器。

　　A)脈沖多線激發(fā)方法(PME， pulsed multilane excitation)

　　美國貝勒醫(yī)學院(BCM)和萊斯大學研制出了一種“色盲”熒光檢測方法，是基于Sanger法和毛細管電泳技術(shù)，叫做脈沖多線激發(fā)(PME)，利用4種激光，每種與一種特定的染料相配，利用整個可見光光譜，消除了染料間的交互問題，無需進行進一步的信號處理，能收集更多的信號，提高了DNA測序的靈敏度和精確度。

　　B)Solexa方法

　　Solexa公司利用單分子陣列測試genotyping，目的是重測序人類基因組。該公司相繼推出了DNA測序表達譜產(chǎn)品(DNA sequencing ,expression profiling)以及microRNA分析平臺-Solexa Genome Analysis System。

　　Solexa方法中，檢測可以重復25次，可以同時檢測上億個核苷酸片斷。

　　C)Nanopore sequencing (納米孔測序方法)

　　采用完全不同的方法來鑒別DNA分子上的單個堿基，被稱為納米測序。以4種堿基間的物理性質(zhì)差別為基礎(chǔ)，將這種差別轉(zhuǎn)變成為可以檢測的信號，從而進行測序。此方法測序的是單個DNA分子，并不需要DNA的擴增。此方法目前還處于理論階段，僅有實驗室的結(jié)果。主要面臨的挑戰(zhàn)是要精煉方法來提高此法檢測單個堿基的分辨率。

　　D)焦磷酸測序法(Pytosequencing)

　　這是個已經(jīng)被Biotage AB公司商業(yè)化和推向市場的很有前景的新技術(shù)，是新一代DNA序列分析技術(shù)。這個技術(shù)是把一個核苷加入4種酶的混合物(DNA 聚合酶，ATP硫酸化酶，熒光素酶和三磷酸腺苷雙磷酸酶)中，利用生物體發(fā)光來檢測結(jié)合到DNA上的核苷。該方法可用于DNA序列分析，配合相應(yīng)軟件可進行SNP分析和SNP頻率確定。

　　E)芯片上的焦磷酸測序技術(shù)

　　該方法可以在包含很多小井(well)的芯片上發(fā)生。每個小井中包含著一個核苷鏈的多個拷貝。這項技術(shù)就是454測序儀的技術(shù)基礎(chǔ)。454 life Sciences公司在2005年8月的Nature雜志上公布了他們開發(fā)的比傳統(tǒng)的Sanger測序方法快100倍的一種技術(shù)。美國能源聯(lián)合基因研究所(JGL)認為，該方法讀出的片斷較短，且不能提供配對端點測序信息，故將該方法與sanger結(jié)合，可獲得更有效，更快捷的測序結(jié)果。

　　F)聚合酶克隆測序(Polony Sequencing)

　　這個測序系統(tǒng)的變化之一，就是第一次將聚合酶克隆交聯(lián)于浸沒在乳狀液中的珠狀微粒上。當擴增反應(yīng)結(jié)束后，每一個微粒上都會攜帶目的DNA分子的許多拷貝。帶有聚合酶克隆的微粒可以分別放在單獨的小孔內(nèi)，或固定在凝膠上，以進行同時測序。

　　G)雜交測序

　　利用熒光產(chǎn)生的可視信號來進行檢測，類似于堿基連接法。這一測序系統(tǒng)由美國生物科技公司——艾菲矩陣公司(Affymetrix)、佩爾金科學公司(Perlegen Sciences)和Illumina公司開發(fā)，已經(jīng)在商業(yè)上廣為使用。

　　除上述各種方法之外，還有其它方法，而且各種方法和系統(tǒng)除了快速讀取“字母”(堿基)之外，還需要運算能力足夠強大的計算機，迅速處理海量的基因組信息，這仍然是制約快速測序法的一個瓶頸。

　　(2)基因轉(zhuǎn)錄技術(shù)與儀器

　　與基因測序技術(shù)發(fā)展的同時、基因轉(zhuǎn)錄有關(guān)設(shè)備也相繼出臺。例如：①聚合酶連反應(yīng)儀PCR：用于基因或重組基因的克隆;②點轉(zhuǎn)儀：它可以比化學方法更有效的把重組的基因轉(zhuǎn)到活體細胞中去表達;③熒光顯微鏡：主要用來檢測轉(zhuǎn)基因細胞的轉(zhuǎn)基因的成功與否;④細胞流式儀：在檢測轉(zhuǎn)基因細胞的轉(zhuǎn)基因成功率。此外，還可以把成功的轉(zhuǎn)基因細胞和失敗的轉(zhuǎn)基因細胞分開。

　2.蛋白質(zhì)組學技術(shù)與儀器

　　(1)以高準確度質(zhì)譜技術(shù)為核心的規(guī)�；�蛋白質(zhì)鑒定技術(shù)與儀器

　　為了適應(yīng)蛋白質(zhì)組研究的需要，從高分辨率、高靈敏度的蛋白質(zhì)分離與鑒定的線性離子阱-質(zhì)譜儀(LTQ)到2005年剛推出的LTQ-Orbitrap質(zhì)譜儀，以及具有小于2ppm的準確度的傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀近幾年層出不窮。結(jié)合LTQ三級質(zhì)譜來確證鑒定肽段的可靠性，目前LTQ-FT所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)假陽性率接近于零。LTQ-Orbitrap質(zhì)譜儀則利用一種全新的理念，用電場模擬達到接近于FT質(zhì)譜儀的分辨率和小于5ppm的準確度。近期推出的準確質(zhì)量標簽技術(shù)(AMT)，則利用高分辨率、高重現(xiàn)性的多維液相色譜(UPLC)和高精度的LTQ-FT質(zhì)譜儀結(jié)合，實現(xiàn)蛋白質(zhì)的準確鑒定。高通量、規(guī)模化、高速度和高準確度的蛋白質(zhì)分離與鑒定技術(shù)已經(jīng)為蛋白質(zhì)組表達譜的研究提供了嶄新的發(fā)展平臺。

　　(2)蛋白組學研究中的機器人工作站

　　借用汽車工業(yè)自動裝配線技術(shù)，蛋白質(zhì)組研究中的機器人工作站的發(fā)明和使用，使得高通量、準確、自動化地批量處理樣品成為可能。自動化操作系統(tǒng)主要是指實驗室自動化工作站，俗稱機器人，是由計算機控制的全自動實驗室操作設(shè)備。試驗室自動化工作站的基本功能是可以自動連續(xù)地完成試驗的基本操作，如加樣：即向每個反應(yīng)單位(微板中的每一個孔)中加入各種不同成分、不同濃度、不同容積的溶液;稀釋：實際上就是加入一定容積的樣品或試劑溶液后，再加入一定的溶媒;轉(zhuǎn)移：主要是完成某一試劑或樣品的位置變化;混合：將加入的不同溶液進行混合，混合的方式有震蕩，也可以用加樣器反復吹吸混合;洗板：用適當?shù)娜芤呵逑丛囼炗玫奈�板，或洗除不需要的反�?yīng)液;溫孵：讓反應(yīng)體系在一定的溫度條件下保持一定的時間，使之完成反應(yīng)過程，自動化工作站可以嚴格控制溫孵的溫度和時間;檢測：試驗室自動化工作站一般都可以與某一種或多種檢測儀器連接，在試驗操作完成后，可以自動進行必要的檢測并自動采集、儲存數(shù)據(jù)，完成整個試驗過程。

　　(3)大規(guī)模蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用研究技術(shù)與儀器

　　大規(guī)模蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的研究是蛋白質(zhì)組研究的重要內(nèi)容。其中酵母雙雜交技術(shù)平臺和親和純化技術(shù)平臺易于大規(guī)模、高通量和自動化，已經(jīng)被廣泛用于基因功能、蛋白質(zhì)連鎖圖和尋找藥物靶點的研究。大規(guī)模、高通量的酵母雙雜交技術(shù)平臺的核心儀器設(shè)備包括自動化的移液操作和酵母菌液涂板技術(shù)平臺、高通量的菌落計數(shù)和挑取機器工作站、自動化的PCR反應(yīng)和測序工作站。一套技術(shù)平臺平均每天可以完成10~20個蛋白質(zhì)相互作用的篩選和鑒定工作。自動化移液操作和酵母菌液涂板技術(shù)平臺平均每天可以處理150mm的平板500- 1,000個。高通量的菌落計數(shù)和挑取機器工作站每天可以挑取菌落5,000個。自動化的PCR反應(yīng)和測序工作站可以每天測序反應(yīng)5,000個。大規(guī)模、高通量的親和純化技術(shù)平臺的核心儀器設(shè)備包括大規(guī)模的生物反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)箱、高通量的蛋白質(zhì)純化技術(shù)平臺、多維色譜分離與MALDI-MS /ESI-MS技術(shù)平臺。整套技術(shù)平臺每天可以鑒定10~20個蛋白質(zhì)復合體。

　　(4)蛋白質(zhì)組生物信息學支撐技術(shù)

　　蛋白質(zhì)組研究的另一大特征是研究對象的眾多與產(chǎn)生數(shù)據(jù)的“海量”。在已經(jīng)成功的人類基因組計劃中，也產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)。蛋白質(zhì)作為基因的最基礎(chǔ)單位，采用“大科學”模式來詮釋和轉(zhuǎn)化這些數(shù)據(jù)具有很重要的意義。生物體內(nèi)涉及的蛋白質(zhì)種類數(shù)以百萬計，且含量大小橫跨10多個數(shù)量級。因此，為了保證其研究結(jié)論的準確性、重復性，必須建立符合科學條件的生物信息支撐體系。

　　生物信息學通過超級計算機、蛋白質(zhì)信息學軟件、工具、數(shù)據(jù)庫及平臺對蛋白質(zhì)科學與技術(shù)研究實現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)管理、分析、發(fā)布、交換、支持，實現(xiàn)不同層面、目的、來源的實驗或分析數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)型知識庫;實現(xiàn)為以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的理論蛋白質(zhì)科學研究信息平臺和國家級蛋白質(zhì)科學研究網(wǎng)絡(luò)(虛擬國家實驗室)，已經(jīng)使生物信息學成為實現(xiàn)成員實驗室數(shù)據(jù)資源、分析資源與計算資源的系統(tǒng)整合和無縫共享的重要技術(shù)支撐。

　　(5)發(fā)展趨勢

　　未來蛋白質(zhì)組研究的技術(shù)與儀器將向著高分辨率、高準確度、高通量、自動化的方向發(fā)展。將高分辨率的分離技術(shù)與高靈敏度、高準確度的鑒定技術(shù)及更加友好、方便的計算機及軟件整合的一體化技術(shù)平臺，將對蛋白質(zhì)組研究的發(fā)展起到推動作用。另外，蛋白質(zhì)組研究科學家們也期待著新技術(shù)、新方法的突破，以及新儀器的問世。

　　3.代謝組學技術(shù)與儀器

　　代謝組學是通過考察生物體受到刺激或擾動后其代謝產(chǎn)物的變化來研究生物體系代謝途徑的一種技術(shù)。這項技術(shù)要求能對限定條件下特定生物樣本中的所有代謝組分進行定性和定量分析。在代謝組學的分析方法的選擇上，需要在分析速度、無偏性和靈敏度上綜合進行考慮。在各種技術(shù)中，核磁共振技術(shù)具備快速和無偏向性的特點，但與其它技術(shù)相比靈敏度則太低;其它方法(如CE/LIF)有著很高的檢測靈敏度，但為選擇性檢測。而色譜質(zhì)譜聯(lián)用方法(GC/MS和LC/MS)能夠很好地兼顧靈敏度和無偏性。

　　在近兩年的代謝組學分析方法的研究集中于無偏性、靈敏度和通量三個方面性能的提高。如使用全二維氣相色譜技術(shù)和二維液相色譜技術(shù)與質(zhì)譜聯(lián)用以提高分析方法的分辨率;使用傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜提高檢測的靈敏度和提供精確的分子量信息，使得代謝物的定性更準確，同時提高分析的通量;使用整體柱提高分析的通量;使用超高效液相色譜提高分析的靈敏度和通量;使用親水反應(yīng)色譜柱來擴展檢測范圍，即應(yīng)對無偏性的需求。

　　可用于代謝組學研究的新產(chǎn)品有：Waters UPLC-Q-TOF、Shimadzu IT-TOF、 Agilent 1200、Leco GC×GC-TOF、LC–SPE–NMR。

　　代謝組學技術(shù)分析方法將繼續(xù)關(guān)注分析方法的無偏性、靈敏度和通量三個方面，以滿足代謝組學對分析方法的要求。多維色譜及聯(lián)用技術(shù)仍將是這一領(lǐng)域的主要趨勢。

　(十)環(huán)境監(jiān)測儀器

　　1、國外的技術(shù)發(fā)展和趨勢

　　(1)環(huán)境監(jiān)測分析儀器

　　日美等發(fā)達國家在環(huán)境監(jiān)測分析儀器的開發(fā)、研制以及技術(shù)研究和發(fā)展方面處于世界領(lǐng)先地位。通用的大中型分析儀器對安裝應(yīng)用的環(huán)境要求較高，因此，多用于實驗室的環(huán)境監(jiān)測科研，以及難度較大而且技術(shù)性較強的監(jiān)測分析。環(huán)境試樣基質(zhì)復雜，故多采用一系列樣品前處理新技術(shù)。

　　開放式UV、IR和TOFMS是空氣有機污染物實時監(jiān)測的新領(lǐng)域。此外，F(xiàn)TIR探測器對于突發(fā)性有機毒品泄漏、化學品恐怖的預警都已成為發(fā)達國家的首選。

　　如奧博生物公司的生物芯片技術(shù)，在歐洲和北美已用于排水的監(jiān)控，以PCR、ELISA和SPR為機理的生物芯片檢測技術(shù)發(fā)展十分迅速，且在美國已把ELISA技術(shù)作為EPA標準。

　　(2)大氣污染探測技術(shù)與裝備

　　近年來，國外致力于發(fā)展基于激光光源的、監(jiān)測靈敏度更高的、長光程吸收光譜儀，但目前尚處于試驗階段。在大氣污染探測激光雷達方面，近年來傾向于發(fā)展探測靈敏度很高的差分吸收激光雷達，用于城市大氣環(huán)境和城市污染源的高時空分辨率探測。德國、美國、意大利和瑞典等國已分別研制成功車載式差分吸收激光雷達樣機，并正在進行實用性試驗�？紤]到差分吸收激光雷達的技術(shù)復雜、造價昂貴、可靠性尚待提高、對操作和維護人員的技術(shù)素質(zhì)要求太高，估計近期內(nèi)推廣使用有困難。因此世界各國也在發(fā)展拉曼激光雷達技術(shù)。拉曼激光雷達雖然探測靈敏度較差，但其結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、性能可靠，使用維護方便，使之很適合用于對城市大氣污染源的流動監(jiān)測，正好彌補了常規(guī)光學監(jiān)測手段對污染源監(jiān)測能力的不足。

　　(3)我國環(huán)境監(jiān)測與探測儀器的狀況

　　我國環(huán)境監(jiān)測儀器多是出自于中小企業(yè)的中低檔產(chǎn)品，技術(shù)水平低，產(chǎn)品種類單一，故障率高，使用壽命短。從而致使監(jiān)測頻次低、采樣誤差大、監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確，不能及時反映排污狀況，既影響環(huán)境管理的科學決策和執(zhí)法的嚴肅性，又易挫傷企業(yè)治理污染、保護環(huán)境的積極性。國內(nèi)最新研發(fā)的原位熱濕采樣法實現(xiàn)了煙塵在線自動監(jiān)測和煙塵總量控制的要求。但還有多種污染排放在線監(jiān)測系統(tǒng)對高溫、高濕、高顆粒物含量等帶來的測量問題還沒有很好的解決。排水、排氣污染項目自動監(jiān)測的手工比對、數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高以及PM10、PM2.5的監(jiān)測儀器開發(fā)和不同原理儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性把握，在我國都存在較大差距。

　　四、我國科學儀器發(fā)展的有關(guān)問題和政策方面的建議

　　1、我國科學儀器發(fā)展中存在的問題

　　(1)仍處于與我國科技，經(jīng)濟和社會發(fā)展不相稱的幼稚期

　　科學儀器技術(shù)和產(chǎn)業(yè)屬于高科技領(lǐng)域和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，具有投資風險較高，尤其是進入產(chǎn)業(yè)化“門坎”之前，風險高而且投資回報較慢，市場總?cè)萘肯鄬τ邢�。但是對整個科技發(fā)展、社會進步、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防力量增長的拖動力又很大。我國科學儀器企業(yè)規(guī)模小，技術(shù)創(chuàng)新能力弱，同類產(chǎn)品多家生產(chǎn)，產(chǎn)品大同小異，技術(shù)趨同，低價競爭，品種有限，高端甚少，總體上我國科學儀器技術(shù)與產(chǎn)業(yè)處于與我國科技、經(jīng)濟、社會發(fā)展不相稱的幼稚期。

　　(2)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化結(jié)合鏈上仍存在一定問題

　　承擔國家任務(wù)的科研機構(gòu)、高校和一些重要領(lǐng)域與部門所應(yīng)用的科研設(shè)備和測試儀器長期過度依靠進口，自行研制儀器意識薄弱，過去為企業(yè)提供原創(chuàng)性成果甚少，雖提供了一些技術(shù)集成性的原理型樣機，因與企業(yè)結(jié)合的鏈條上存在一定的問題，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的成功率低、周期長。

　　(3)存在著跨國科學儀器公司對我國科學儀器的擠壓

　　跨國科學儀器公司對我國科學儀器優(yōu)秀人才實施有力的吸納舉措，同時又以先進的產(chǎn)品對我國科學儀器市場的搶占，對中國科學儀器企業(yè)的擠壓是很明顯的。

　　2、扭轉(zhuǎn)頹勢振興科學儀器產(chǎn)業(yè)的幾點建議

　　中國科學儀器市場處于高增長、動態(tài)多變、劇烈競爭的時期。今后15年到20年是我國在科學儀器研發(fā)上盡快扭轉(zhuǎn)頹勢的重大機遇期，也是歷史給中國科學儀器研發(fā)和產(chǎn)業(yè)振興的黃金時期。要使處于弱勢的中國企業(yè)贏得勝利，迫切需要政府加強領(lǐng)導，加強宏觀調(diào)控和政策引導，特此建議：

　　1.研究建立完善我國科學儀器工業(yè)創(chuàng)新體系，組織制訂振興科學儀器工業(yè)發(fā)展的中長期規(guī)劃，組織幾個重大工程性項目，確保實現(xiàn)《規(guī)劃綱要》提出的任務(wù)和目標。

　　2.要努力改變世界科學儀器的市場格局，切實解決對外依存度過高的問題。

　　要使自主創(chuàng)新成為科學儀器產(chǎn)業(yè)技術(shù)的主導，降低對外技術(shù)依存度，需要解決兩個問題：原始技術(shù)創(chuàng)新的科技力量布局問題和國家給企業(yè)創(chuàng)造市場的問題

　　對國家重點投資建設(shè)項目的儀器設(shè)備采購，一方面，在引進進口儀器時，用戶方與國內(nèi)科學儀器制造方應(yīng)緊密配合，全面消化吸收國外先進技術(shù)，從而達到最大限度發(fā)揮進口儀器作用的目的;另一方面，實施“準政府采購”(項目訂購或首購)，在被擠壓的市場中給我國企業(yè)一個穩(wěn)定的市場份額，給企業(yè)提供自主創(chuàng)新儀器和工業(yè)化試驗的機會和舞臺，以增強企業(yè)自主創(chuàng)新的激情和動力。

　　3.切實貫徹國務(wù)院《關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》指示精神，認真落實國家對企業(yè)自主創(chuàng)新、研發(fā)投入的優(yōu)惠政策和進口儀器關(guān)鍵部件的稅收優(yōu)惠政策。

　　4.加速科學儀器科學與技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)，實現(xiàn)企業(yè)為主導。全面研究和支持企業(yè)實現(xiàn)自主創(chuàng)新主體地位的金融、科技計劃等方面政策，特別是對解決產(chǎn)、學、研、用技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)和科學儀器人才缺乏、失衡的問題的研究。并制訂和實施具體的應(yīng)對措施。

　　我國目前正處在“自主創(chuàng)新”時代，科學儀器技術(shù)和產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，一些具有現(xiàn)代企業(yè)特征的新興企業(yè)成長迅速，科學儀器開始從“制造”走向“創(chuàng)造”之路。但總體而言，我國科學儀器產(chǎn)業(yè)還處于初始階段，我們應(yīng)該冷靜、清醒地看到并承認差距和困難，也深知今后10~15年是我國儀器工業(yè)追趕世界先進水平的關(guān)鍵時期。

　　但只要我們堅持以科學發(fā)展觀統(tǒng)領(lǐng)全局，轉(zhuǎn)變發(fā)展觀念、創(chuàng)新發(fā)展模式、提高發(fā)展質(zhì)量，我們的目標一定可以實現(xiàn)。