干貨滿滿！化學測量學“十四五”發展規劃概述

　　化學測量學是化學的測量科學、方法和技術，是化學科學最早、最重要的發展分支之一。其根本任務是獲取物質組成、分布、結構與性質的信息與時空變化規律，并為其他相關學科的發展提供方法和支撐。本文介紹了國家自然科學基金委化學科學部化學測量學“十四五”及中長期發展規劃，為從事相關研究的科研人員、老師和學生提供參考。

作者：王春霞（國家自然科學基金委員會化學科學部），毛蘭群（北京師范大學化學學院），黃巖誼（北京大學化學與分子工程學院），陳擁軍（國家自然科學基金委員會交叉科學部）

　　關鍵詞：國家自然科學基金，化學測量學，發展規劃，研究方向

　　1 引言

　　科學基金作為我國資助基礎研究的主渠道，全方位審視全球科學技術發展趨勢，全面深化科學基金改革，通過確立基于科學問題屬性的資助導向，建立以“負責任、講信譽、計貢獻”為核心的公正高效分類評審機制，構建符合知識體系內在邏輯和結構、促進科學前沿和國家需求相統一的學科布局[1]。化學科學部通過廣泛深入的調研，深刻認識到隨著化學科學的發展，原有的學科設置不能更好地適應科學發展的態勢，特別是不利于交叉和前沿領域的發展，率先在2017年對原有八個學科進行了整合重組，將原來的分析化學學科重整后調整為化學測量學[2]。

　　根據2021~2035年中長期暨“十四五”我國基礎科學發展的總體目標，遵循習近平總書記向我國廣大科技工作者指出的面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康的“四個面向”科技創新方向[3]，按照科技部的總體部署，國家自然科學基金委(以下簡稱基金委)化學部組織化學測量學領域的院士、杰出青年基金項目獲得者及學術帶頭人50余人進行深入研討和戰略研究，在此基礎上，形成了化學測量學“十四五”及中長期發展規劃，明確了學科內涵、目標和特征，分析了學科現狀和新興研究方向，提出了未來學科發展布局和優先發展領域。制定該規劃的目的是瞄準重要科學前沿領域的重要基礎性問題，結合國家戰略需求，推動新興交叉學科產生及新的學科生長點形成，切實提升我國化學測量學的研究水平和解決實際問題的能力。

　　專題論述2化學測量學發展戰略

　　2.1 化學測量學的戰略地位

　　化學測量學是研究物質的組成和結構，確定物質在不同狀態和演變過程中化學成分、含量、時空分布和相互作用的量測科學，旨在發展化學測量相關的原理、策略、方法與技術，研制各類分析儀器、裝置及相關軟件，以獲取物質組成、分布、結構與性質的信息與時空變化規律。

　　化學測量學是化學的測量科學、方法和技術，是化學科學最早、最重要的發展分支之一。利用物質間和物質與各種力場間相互作用的原理、規律以及科學技術的最新成就，廣泛吸納和應用所涉及的自然科學技術和人工智能數據提取方法，最大程度地獲取所需信息和有關科學數據，實現對物質化學成分、組成和結構與其功能的認知。通過與物理、生物、數學、材料、信息等相關學科的交叉與融合，化學測量學已經形成自己的理論體系，并誕生了新的生長點和前瞻性研究方向:從傳統的容量分析發展到現代的儀器分析；從光譜、電化學、色譜、質譜、核磁共振、熱分析拓展到成像分析、納米分析、微納流控分析；從無機、有機分析擴展到生命過程化學信息的獲取；從常量、微量、痕量分析到單顆粒、單細胞、單分子、活體分析；從簡單物質的鑒定、單一信號的獲取到復雜與生命體系的高通量檢測與海量數據挖掘。其他學科領域的發展，不斷向化學測量學提出新的、更高的需求和挑戰，這對測量方法和檢測儀器的不斷進步起到了積極的推動作用。復雜生命過程、先進材料創制、新型能源、食品安全、環境問題和特種空間等物質信息和數據的獲取，使化學測量學步入新的發展時期。

　　基金委化學測量學資助的研究涵蓋從宏觀到微觀復雜體系的檢測與分析，旨在建立新策略、新原理、新方法和新技術，致力于拓寬現有技術在國家重大需求和重要科學領域的應用。研究方向包括:樣品處理和分離、譜學方法理論及應用、化學與生物傳感、分子成像及儀器研發創制等。研究范圍涵蓋色譜、光譜、電化學、質譜、核磁、順磁、量熱分析、能譜分析，以及新興領域如組學分析、單分子單細胞分析、活體分析、微-納尺度分析等。

　　2.2 化學測量學的發展規律

　　2.2.1 化學測量學的發展面向國際科學前沿

　　化學測量學與生命科學、材料科學、納米科學、能源科學、信息科學和環境科學等前沿領域緊密結合，互相促進，做出了突出的成績。以微-納尺度分離分析為例，它得益于微流控學和納米科技的先期發展和成功實踐，實現了從過去的微米尺度向微-納米以及納米尺度的過渡，這種發展又和納米制備技術及其分析表征的需求密切關聯。微-納尺度分析的發展，還直接與生命科學前沿，如與基因測序、蛋白質組學等研究有關，同時也受益于生命科學新的研究成果。空間探測對攜帶儀器重量和體積的苛刻限制，也是促進微-納尺度分析方法和技術發展的重要催化劑。這些事實表明，化學測量學的發展必須面向科學前沿，并立足于多種學科前沿發展的基礎之上，具有非常鮮明的特征和突出的時代感。近年來，我國科學家利用微納尺度流體控制及分析中的基礎研究成果，在液滴微流控、單細胞分析、微納流控復雜生物樣品分離等幾個重要的應用方向上，取得了一批具有國際前沿水平的成果，對于生命分析技術的發展和我國生物技術產業的發展，起到了重要的推動作用。面向生物大分子分析中單分子核酸和蛋白序列分析這一國際前沿問題，我國科學家也積極布局，充分利用了在化學測量學領域的積累，提出了新概念，研發了新裝置，與國際科學界在同一水平競爭。

　　2.2.2 化學測量學的發展立足國家重大需求

　　縱觀世界科技發展史，雖有一些科學理論成果是先于社會需求產生的，但大部分科技發展成果是由于社會需求而催生的。20世紀30~40年代，原子光譜、質譜和離子交換色譜的快速發展就是為了滿足曼哈頓計劃的需求。近幾年我國的食品安全重大事件、公共安全、環境污染等，化學測量學都能及時組織科技攻關，開發了相關檢測技術，建立了相應的國家標準，為維護國家和人民的利益做出了重要的貢獻。

　　國家的經濟實力不僅反映在國民生產總值以及國防實力，也反映在產品質量上，而產品質量則取決于分析檢測的水平。化學測量學一直致力于發展高靈敏度、高通量、高效快速的分析檢測方法，為各種產品質量的檢測提供強有力的手段。我國最近幾年在基礎研究方面已經接近甚至在某些領域超越了發達國家的水平，但在應用過程中體現的差距依然存在。例如，我國在食品農藥殘留檢測方面長期處于被動狀態，導致發達國家或地區對我國出口食品所設立的貿易技術壁壘，大多集中在評價標準和檢測技術領域。近十年來，我國在農產品、食品檢測的化學測量水平正在逐漸接近發達國家水平，成為我國相關產品進出口貿易的堅強技術保障。

　　提高全民健康水平以及保障國家公共安全，迫切需要化學測量學提供強有力的支撐。我國化學測量學將涉及重大疾病與國家公共安全的分析方法作為重要研究內容，重點研究如重大疾病早期診、食品、環境有毒有害物、爆炸物、毒品、生化恐怖源等的快速、準確、靈敏的檢測方法，以滿足維護人民健康、社會穩定與國家安全的需求。從2001年全球首例手足口病，到2003年的SARS病毒、2009年H1N1流感病毒、2016年寨卡病毒以及2019年暴發的新冠肺炎病毒[4]，我國的化學測量學家在這些不斷暴發的全球流行性疾病的預防與控制中，發揮了重要的作用，開展了有益的探索。尤其是在新冠病毒檢測技術上，我國科學家從病原鑒定方法、核酸及抗體檢測技術、病原溯源方法、快速檢驗方法和試劑等方面，均做出了重要貢獻，為疫情防控的成功提供了技術支撐和方法保障[5]。這一技術積累和實戰的操練，體現了核酸分析方法領域過去一段時間的知識儲備、技術沉淀以及人才積累是有效的，也為今后類似新發突發傳染病的應對，提供了信心和能力保障。

　　2.2.3 化學測量學與相關學科交叉融合，互相促進

　　化學測量學實現對物質化學成分的認知，需要利用物質間和物質與各種力場間相互作用的原理、規律以及科學技術的最新成就，最大限度地獲取所需信息和有關科學數據。化學測量學的發展需要借鑒相關學科的成果。儀器分析作為化學測量學的一個分支，首先得益于物理科學(電磁學、光學、力學、熱學等)、材料科學(金屬材料、無機非金屬材料、有機材料、高分子材料、生物材料以及各種材料加工技術等)和信息科學的發展；同時，生命科學、空間科學和環境科學的發展大大促進了化學測量學的發展。再以微-納尺度分析為例，它直接面對介觀及以下尺度空間的科學問題，旨在構建和發展更高水平、更快速度、更有效率的物質組成、分布及其濃度信息的化學測量學策略、方法和技術，以盡可能快速、全面和準確地獲取介觀、微觀世界中豐富的信息。這也正是整個化學測量學目前所追求的目標，更是生命科學、環境科學、材料科學、醫藥衛生和工業技術中必須解決的問題。因此，微-納尺度分析的發展與整個化學測量學的發展一樣，離不開相關學科的發展和支持，只有通過與其他相關學科，如數學、物理學和微加工技術等，進行深入的交叉合作研究甚至融合，化學測量學才能得到更好、更快的發展。

　　化學測量學自身的學科特點，就帶有強烈的學科交叉特征。除了借鑒各個學科的成果之外，化學測量學本身的進步，還可以有效帶動多個學科的進步或者催生新的學科增長點。以核酸分析這一化學測量學的重要分支為例，20世紀初對核酸成分的精確定量分析，以及20世紀中葉對核酸結構的分析和深刻認識，從根本上改變了生物學、遺傳學和醫學等學科的思維范式，也奠定了分子生物學的基石；而后隨著核酸序列測定技術的發展，人類對生命的認識進入到全新的階段，同時也促使基因組學產生與飛速發展，并開始發揮重要的醫學價值。由此可見，化學測量學的一個重要本質，就是立足于多個學科的邊界和交叉點上，在新的維度上拓展知識體系。

　　2.3 化學測量學的發展態勢

　　化學測量學善于把科學上的新發展轉化為全新的分析方法和儀器，每一次重大突破都會推動科學的發展。例如，核磁共振就是把原子核自旋與磁場和射頻場的相互作用而發生的共振現象(曾兩獲諾貝爾物理學獎)，轉化為用于結構分析的核磁共振波譜方法(獲1991年諾貝爾化學獎)、蛋白質結構的測定方法(獲2002年諾貝爾化學獎)和磁共振成像(獲2003年諾貝爾生理醫學獎)。分析原理和方法上的多樣性，決定了化學測量學在自然科學中應用的廣泛性。

　　當前，我國化學測量學研究體現出如下特點。

　　(1)注重方法創新和新原理發現。20世紀80年代以來，我國化學測量學的發展逐步由跟蹤模仿和應用研究為主轉變為注重創新方法和新原理發現的研究。近年來，這一轉變的趨勢更加明顯。中國化學測量學在微-納流控分析、新型熒光探針、納米分析、電分析化學、核酸分析等方面取得了一批國際領先的研究成果，并形成了一致的共識，即只有發現新原理，在方法和技術上進行創新，才能做出一流的工作，才能提升中國化學測量學的國際地位。

　　(2)以生命分析和環境分析為研究重點。生命科學是21世紀的科學前沿，環境分析關乎人類的長久健康發展。中國化學測量學家近年來圍繞這兩個重點領域開展化學測量學的創新研究，在單細胞分析、單分子分析、活體分析、蛋白質分析、DNA測定、疾病診斷以及環境污染物監測等方面取得了顯著的進展，產生了一系列標志性成果。

　　(3)與尖端分析儀器裝置的研制緊密結合。“工欲善其事，必先利其器”。科學儀器是科學數據產生的基礎，科學研究新領域的開辟，往往要以實驗裝置、儀器技術以及方法學上的突破為先導。回顧科學發展的歷程，很多學科的發展首先有賴于技術方法及科學儀器的創新，近現代科學的發展更是以技術的迅速發展為重要基礎。在諾貝爾物理和化學獎中，大約有四分之一屬于測試方法和儀器創新，如質譜儀、X-射線物質結構分析儀和掃描隧道顯微鏡等。以微流控的研究為例，我國和國際研究的早期情況基本一致，首先是相關實驗裝置的加工和制備。經過“973”項目和國家自然科學基金委重大項目的成功實施，我國在微-納尺度分析方面的加工技術已經處于世界前列，并形成了一定的加工創新能力，這為我國在此領域進行前沿探索提供了重要技術保證。此外，我國在“十三五”期間建成了一批大科學裝置，包括同步輻射光源、自由電子激　　光、散裂中子源、強磁場，以及在建設中的多模態跨尺度生物醫學成像設施等，這些國際先進水平尖端科學裝置發展的分析方法及相關應用為我國化學測量學發展提供了強有力的物質保障。

　　(4)初步建成一支高素質的研究隊伍。世界各國之間綜合國力的競爭，實質上是科技實力的競爭，國家科技實力的決定因素是科技人才的數量和質量。近年來，通過大力引進青年人才和領軍人才，發現和培養優秀人才，我們已經建成了一支高素質的化學測量學研究隊伍，并構建了一個學術自由、公平競爭、尊重科學家研究興趣、有利于人才成長的體制和研究氛圍，確立了一套科學、公正、合理、透明的評審和評價機制。

　　納米酶概念就是由中國科學家率先提出的，十幾年來這一研究方向取得了快速的發展。納米酶是一類自身蘊含酶學特性的納米材料，自2007年首次報道以來[6]，已有超過20個國家的300多個實驗室從事納米酶及其在生物、醫學、環境等領域的分析檢測、診斷治療和催化應用研究。納米酶能夠在溫和條件下高效催化酶的底物，也能在極端環境中保持高的類酶活性。

　　同時，納米酶兼具納米材料特有的物理化學特性以及經濟、穩定、易于大批量生產的優勢，有望取得關于特異性、催化活性和機理等方面的重大突破，使其替代天然酶成為分析檢測的重要突破口，推動類酶催化從基礎研究到實際應用。

　　2.4 化學測量學的新興研究方向

　　化學測量學在傳統分析化學研究的基礎上[7]，近年來呈現出以下新興研究方向。

　　2.4.1 能源分析化學

　　能源是人類賴以生存和發展的重要基礎，在國防和國民經濟建設中具有重要的戰略地位。化石能源大量消耗及其帶來的環境問題，使得探索和開發高效能源轉化技術以及尋找新型可再生能源成為當前能源科學的重要研究方向。能源分析是對能源儲存與轉換過程中存在的物種、能量轉化等的定性與定量分析測量，包括對能源材料、分子、離子、電子、質子等的實時動態監測、成像分析及其轉變過程的原位研究，從而幫助理解能源轉化機制，促進能源高效轉化，推動能源科學的發展。首先，能源過程涉及物質與能量的轉化，而轉化效率的評價離不開化學測量學對轉化前后物質與能量的精確測量。其次，能源過程涉及多種物理、化學過程的耦合，其轉化機制尚不清晰，極大地限制了高效能源材料與器件的開發。化學測量學可對能源體系中瞬息萬變的組成、分布、能量狀態進行實時測量，捕獲活性位點、反應中間物甚至是電子結構信息，獲取其演化規律，為系統深入認識能源過程的化學本質提供重要的支撐。

　　能源轉化過程往往發生在很短的時間范圍內，導致待測量的物質具有壽命極短、濃度極低等特點，且尺度變化大(從亞納米到米級)、相數多(氣、液、固等)、組成復雜多變、受光/電等多種外場影響顯著。

　　同時，新型能源材料與器件不斷涌現。因此，能源體系的精準測量，給化學測量學帶來巨大挑戰，亟需發展適用于能源體系的高靈敏、高時空分辨測量方法，研制面向能源體系的新型分析儀器與裝置，實時原位監測不同尺度、不同相界面、不同材料表面能源過程的動態變化，從而揭示能源過程的分子作用機制，為高效能源材料與器件的設計和開發提供測量方法與技術。

　　主要研究內容包括但不限于如下五方面。

　　(1)提升能源分析方法的靈敏度、特異性和時空分辨能力。傳分析技術受靈敏度與時空分辨率的限制，往往只能獲得較大空間范圍和較長時間尺度的宏觀統計平均信息，難以直接獲取能源過程中物質在限域空間內的瞬態變化信息，限制了對能源過程微觀化學本質的深入認識與理解。因此，發展適用于能源體系且具有更高靈敏度、特異性以及時空分辨能力的分析方法與技術，在復雜多變環境中原位獲取能源轉化過程的動態信息，是能源分析領域亟需解決的問題。

　　一方面，可通過提升原有分析方法與儀器(如電化學、光譜、質譜、核磁等)的靈敏度與時空分辨率。另一方面，可從分析的原理創新，借助多學科交叉融合，發展新的測量學原理、理論、方法與儀器，建立全新的能源分析方法。

　　(2)能源體系的多尺度、多相界面、多組分及多模式分析。能源過程涉及不同尺度(原子級活性位點、微納米能源材料、宏觀器件)、不同界面(固液、固固、氣固等)、不同組分(反應物、電子、光/電場等)之間的相互轉化，且各因素之間相互關聯、相互影響。

　　亟需利用化學測量學手段，觀測能源體系中不同尺度下電子/電荷傳輸、分子轉化過程，直接檢測能源過程中各種界面可能存在的關鍵中間體，分析其對能源轉化的影響。同時，結合多種分析技術，從多個角度對能源體系進行多模式測量，獲得分子結構、電子結構、時空間分布等多模態信息，全面解析能源過程的化學本質。

　　（3）外場調控下能源反應與新能源材料的原位動態分析。能源過程的研究往往是在外場調控下進行的，能源分析必須考慮外場對能源過程的原位調控作用。提高新型能源分析方法的時空分辨，以獲得外場調控下的各相時空成像數據，深入剖析外場種類、強弱、分布、動態變化等對能源轉化過程的影響，從而揭示外場調控下能源轉化過程的機制。在此基礎上，發展新的通用型原位動態分析技術，對新能源材料進行系統分析，揭示其組成、結構及演化過程，闡明其結構與作用機制，指導設計更加高效的能源材料。

　　(4)開發面向能源體系的新型分析儀器和聯用設備。能源體系復雜，須從多個角度獲取精確信息，進行全面分析。例如，利用電化學與譜學分析(紅外、拉曼等)在動態限域尺度上的聯用，可獲得瞬態電化學界面過程的微觀反應信息；同時利用譜學對產物乃至中間物的定性和定量分析，可從分子層面揭示反應機理。

　　現有的聯用分析方法與儀器，其靈敏度與時空分辨率往往較難同時達到能源分析的檢測需求。因此，需發展適用于能源體系樣品、無損、普適、可原位觀測的新型分析儀器與聯用設備，從而建立多參數、多模態能源轉化評價體系。

　　(5)建立能源分析相關數據庫與標準化測試方法。能源分析目前缺乏統一的度量標準，降低了研究成果對后續研究的指導意義。建立能源體系的標準化測試方法，對能源科學的長期發展具有重要意義。這需結合能源科學的研究現狀和重點領域，對包括樣品前處理、測試及數據分析等全流程進行測量規范，有效量化能源體系的評價指標，建立能源分析領域標準化測試方法。在此基礎上，將標準化測試結果共享上傳，結合大數據人工智能技術，建立能源分析綜合數據庫。

　　2.4.2 材料分析化學

　　材料分析化學是材料化學、合成化學和化學測量學的有機融合，是化學測量學的一個重要分支，具有長久的發展歷史。近年來受多個學科飛速進步的推動，材料分析化學的測量手段和工作范疇都產生了巨大的變化，成為化學測量學的新興研究方向之一。材料分析化學包括兩層內涵，一是將新原理、新技術與新方法應用于材料的結構、組成、表界面及理化性能分析表征；二是將新材料用于化學測量學，借助新材料的光電磁等優異性能，提高分析方法的靈敏度、選擇性、重現性和穩定性等。

　　材料分析化學在化學測量學的發展中將扮演重要角色。例如，半導體發光量子點光譜特性及其能帶結構與性能關系的研究離不開光譜分析儀器和方法，而發光量子點的出現，尤其是低毒、可見及近紅外光發射量子點的發展，為生物成像及癌細胞原位、實時標記提供了有力工具；超順磁性納米材料的發現為復雜物質分離分析、免疫分析以及磁共振成像提供了新的機遇；具有光熱效應的納米材料使光控釋放以及光熱分析檢測成為可能。同時，新材料的新結構、新性能也亟需新的分析表征設備與研究手段和技術，如單原子、單分子水平上的結構與性能表征，超薄、超小結構表征，表界面性能表征等，特別是實時原位表征。

　　目前材料分析化學處于高速發展階段，近年來我國化學測量學家在該領域取得了一系列矚目的成果，尤其是基于新材料性能開發的新型傳感平臺，其主要研究內容體現在以下三個方面。

　　(1)納米材料具有與宏觀物質迥異的表面效應、體積效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應，以及由此引起的優良光、電、磁及生物化學特性。利用其磁性能，通過在其表面修飾核酸適配體、抗體及親和配體，可實現復雜樣品中靶分子的高效富集與分離；利用光、電及生物學性能，通過在傳感界面上構建納米顆粒，可實現目標待測物信號的高效放大，高靈敏檢測實際樣品中的靶標物質；利用納米材料新性能，如發展新型的氟磁共振成像探針和近紅外光熱探針，探索可穿透人體組織深層次的疾病檢測新方法；整合磁共振、光熱、熒光、拉曼、電化學、化學發光、顏色變化等多種測量手段，實現生命過程相關的重要生物物質的多模式高靈敏檢測。

　　(2)探索納米結構和性能的定量關系，構建有別于單個納米粒子性能的納米組裝結構。通過化學多級組裝模擬生物體系的結構和功能，揭示結構與功能的關系，探索重大疾病的精準診斷與高效治療新模式，并結合生物標記發展重大疾病的精確診斷新技術；模擬腫瘤空間構型，探索循環腫瘤細胞等疾病的檢測新方法；構建氣體傳導優化組裝體系，實現對不同疾病呼出氣中標志物的高靈敏診斷技術；在生命體中構建生物拓撲結構，探索對活體器官、組織和細胞功能的重要影響機制，研究疾病診斷新機制。

　　(3)納米復合材料作為各種納米材料的結合體，不僅具有單個納米材料的特點，更展示了復合材料的特有性能。以聚合物為載體的無機納米復合材料綜合了無機、有機和納米材料的優良特性，具有良好的機械、光、電和磁等功能特性，為開發新型的成像檢測技術、電化學傳感器件、氣體傳感器和分離檢測技術提供了強大的材料基礎和技術空間。仿生材料是當前材料科學中的前沿領域，根據自然界生物的某些組織或器官制備的納米復合材料，在大健康檢測和環境分析中將發揮重要作用。對仿生材料的迫切需求，使其研究越來越受到重視。MOF、COF和多孔硅等多孔材料由于具有比表面積高、熱穩定性和化學穩定性好等特性，在樣品的采集、分離、富集等方面均表現出優異的性能。

　　2.4.3 生物成像

　　成像技術和設備是生命科學研究和臨床醫學重要的工具，而對生命活動的精確測量與可視化將成為后基因組時代前沿科學的主戰場。熒光蛋白、超分辨成像技術和冷凍電鏡技術等三個生物成像技術分別獲得2008、2014和2017年的諾貝爾化學獎，凸顯了這個領域的重要性。生物成像目前已成為一個高度交叉的研究和應用領域，融合了生物、化學、物理學、神經科學、醫學、工程、材料等多個學科。

　　生物成像依據尺度大體可以劃分為宏觀、介觀和微觀三個層面，分別對應于組織、細胞和生物分子成像。生物成像領域存在很多挑戰。現有的成像方法通常可分為結構/形貌成像技術和功能/分子成像技術，它們在尺度、時間、空間分辨率和無創傷性等方面各有特點。

　　生物活性分子的時空分布、結構、功能及其相互作用方式，決定了細胞增殖、分化、凋亡以及重大疾病發生、發展、遷移等過程。生物活性分子，不但包括蛋白質、核酸等生物大分子，同樣也包括如自由基、質子、離子、神經遞質、氨基酸等生物活性小分子。生物活性分子共同形成精密復雜的相互作用和調控網絡，實現生命活動的基本功能。對活性分子的濃度和時空分布加以精確監測，是深入揭示致病機理以及對疾病進行預警與診治的前提，對疾病標志物的研究具有重要意義。

　　細胞中存在多種類型的生物活性小分子，在細胞的病變過程中起著重要作用，每種類型又可能有數種分子及其代謝物在時間和空間維度上發揮作用，發展生物活性小分子成像方法，研究這些小分子及其與生物大分子的相互作用與轉化十分重要。發展細胞、亞細胞水平上，具有高選擇、高靈敏、多水平、多參數分析新方法和新技術，以及原位、實時、動態的可視化示蹤技術，對實現活性小分子的準確定量及時空分布檢測具有重要意義。細胞顯微熒光成像技術為實現這一目標提供了契機，但該技術存在如分辨率有待提高、缺乏定量分析手段、缺乏對小分子活性物質的識別受體和高特異性反應等問題，難以實現這些活性分子細胞和亞細胞層面的高空間分辨和高時間分辨。無標記生物成像技術能夠直接對細胞中的化學組分在分子水平上高靈敏度地準確識別和鑒定，并避免熒光成像中有些代謝產物小分子無法實現熒光標記的局限。

　　國內化學測量學在生物成像方法學方面有顯著進展，但與國際先進水平仍存在很大差距。其中有兩個重要原因:一是缺乏相關人才隊伍和團隊，二是國產高端生物成像設備和核心部件自主能力不足。例如，在樣品分析測試技術與設備方面，我國目前的整體局勢是對技術的應用能力強，但相關高端儀器設備及配套試劑主要掌握在國外公司手中。

　　主要研究內容包括如下三方面。

　　(1)發展新原理和新型成像方法

　　利用不同的光和物質相互作用，發展新型成像手段，包括X射線生物成像、超分辨成像、無標記成像、熒光壽命成像、光譜成像、自適應光學成像和細胞分辨質譜成像技術等。以基于同步輻射裝置的X射線細胞顯微成像為例，該技術用波長為0。1~10nm的電磁波成像，分辨率極易達到數十納米，與熒光顯微裝置相比具有獨特優勢。如何將這些X射線細胞顯微成像技術與分子成像技術結合，反映細胞結構和功能變化的分子基礎，是細胞顯微成像技術領域的一個重要發展方向，具有巨大的應用前景。發展高靈敏的單分子成像方法，拓展基于光、電、磁等更多信號響應的單分子檢測機制，提高從復雜生物體系高背景噪聲中測量和分析單個分子信號變化的水平，在細胞、組織器官甚至活體中對單個生物分子進行實時快速“拍攝”，實現生理和病理狀態下生物單分子隨時空變化的實時動態成像。

　　發展高通量、高內涵、自動化、微型化成像方法。基于細胞成像的多重原位分析方法(multiplexin situanalysis)成為近年的研究熱點。這些技術能實現對上千種mRNA在組織和細胞原位的單分子成像分析，以解析其數量和分布情況，為組織原位細胞類型鑒定提供了重要工具。

　　發展組織深處成像方法，如多光子成像、光聲成像、超聲成像和紅外成像技術，并在此基礎上發展多模態跨尺度生物成像方法，如光學成像與電鏡成像融合的光電聯用技術、PET-CT、PET-MR和fMRI-OPT。將測序與成像結合，將微流控技術與單細胞成像技術結合提高通量和分析效率等多模態技術等，實現單細胞的精確識別、追蹤和俘獲、精細的動態多模態觀察。

　　(2)發展高性能成像探針和樣本制備方法

　　基于在化學、材料科學方面的優勢，我國科學家在成像探針研發方面處于國際前列。現有的熒光探針分析方法已經達到了很高的靈敏度，能夠檢測到單分子的水平，并研發出大量可供選擇的熒光探針，包括熒光染料、量子點以及各類聚集和組裝材料等。但現有的熒光探針在靈敏度、選擇性、跨越細胞膜的能力、毒性與生物相容性、時空分辨能力以及對小分子活性物質的識別能力等方面還不能滿足需要。發展遺傳編碼熒光探針。制備特異性遺傳編碼熒光探針，發展實時、高空間分辨率的成像新技術，用于測量生物分子在細胞內時空動態分布、行為與代謝。創新發展遺傳編碼熒光探針特異性識別與高靈敏熒光傳感原理，構筑高通量遺傳編碼熒光探針設計、測試與篩選平臺。針對代謝、信號轉導等重要生物過程，研發高亮度高響應度遺傳編碼熒光探針，發展生物正交、多參數活細胞生物表型監測技術，建立基于遺傳編碼熒光探針的細胞與活體動物模型。

　　發展新型探針、標記技術和樣本制備方法。研制新型納米探針、識別生物活性分子的熒光探針、多組分同時分析探針、分子結構熒光分析探針、超高靈敏度和單分子分析方法與探針以及超分辨時空成像方法與探針，研發新型核素探針及靶向造影劑等可早期、特異性顯示惡性腫瘤的探針體系。樣品制備技術包括如組織透明化和樣本膨脹技術等。

　　(3)持續拓展成像技術的應用，發展人工智能在生物成像領域的應用，包括多模態跨尺度圖像融合技術、圖像智能識別、成像分析及建模算法等；以及大力推進研制國產生物醫學成像分析儀器、部件和配套試劑，包括顯微鏡、物鏡、相機和電動載物臺等，開發高通量及高內涵單細胞成像與定量分析技術及原理樣機，研發分子影像技術工具。

　　2.4.4 儀器研制

　　科學儀器是認識世界的重要工具。人類科學發展史上任何一次大的飛躍都離不開科研工具的巨大創新和根本變革，科學儀器的發展和創新往往是催生科技創新的重要要素。長期以來，科學儀器研制是我國科技的短板和弱項。面對美國和其他國家對中國高端科學儀器(特別是高端測量儀器)、部分關鍵器件禁售的現實，我國科學研究必須解決基礎關鍵器件、部件、材料研制和系統設計，不斷激活從源頭上增強國家自主創新的能力。

　　目前，科學儀器的研制正面臨著難得的歷史性機遇。我國在“九五”和“十五”期間已將“科學儀器研制與開發”列為國家科技攻關計劃的重要組成部分。1998年，國家自然科學基金委啟動了科學儀器研制專項，開始推動我國相關儀器設備的研究。2016~2020年化學科學部共計73項國家重大科研儀器研制專項得到資助，其中化學測量學43項，在整個化學學科占據重要位置。儀器研究覆蓋從傳統光、電、色、質領域到生命體系及高通量、成像等諸多新興前沿領域，成功研制了單細胞時空分辨分子動態分析系統、超高分辨離子遷移譜、超高靈敏光譜流式檢測系統、小型質譜儀器、微流控芯片-質譜系統、高通量測序儀、微流控芯片與檢測儀器、雙向凝膠電泳成套設備和電化學成像等一系列原創儀器，培養了一批從事分析儀器研制的研究人員。雖然成效顯著，但研制儀器中的關鍵器件和部件仍然依賴國外，科研儀器相關研究還遠未形成規模，至今沒有相關的創新研究群體。

　　當前，圍繞化學測量學核心科學問題，發展原位、在體、實時、在線、高靈敏度、高通量、高選擇性的儀器系統，依然存在挑戰。研究對象也從宏觀體相系統到微觀世界的單分子單個體分析。面向宏觀領域體系的分析儀器集合體，如環境中的水體、空氣污染等大尺度群體行為測量，結合人工智能及大數據分析，可能會提供更多更有效的數據信息。

　　從科學儀器制造技術角度看，整機的微型化、固態化，不僅分析標準樣品，并且能夠同時滿足真實應

　　用場景的分析需求，是分析儀器和化學測量的發展方向。應重視關鍵器件、關鍵工藝設計、關鍵測量用材料和關鍵部件的研制。用國產高端器件替代進口高端器件，研制出性能優良、且應用目標符合并滿足國家戰略布局的化學測量儀器設備。比如能替代APD、MPPC甚至PMT，有寬動態范圍，成本低于進口相應器件，能長期穩定運行的光電探測器件和組件；能替代高端高價值、高運行費用的相對廉價的方法和技術，且具有可標準化的性質。其主要研究方向包括但不限于如下三方面。

　　(1)發展基于新理論、新概念、新方法和新技術的分析測試方法與儀器。包括高端分析方法的建立，如實現單細胞、單分子的測量等；在航空、航天、太空、深海、潛艇和其他極端條件下的分析測試；研究先進成像技術、活體分析、納米技術的生物應用、醫學應用及安全性問題等。

　　(2)在基礎前沿研究領域，存在較大的技術不確定性和不穩定性，與工程化技術的多學科集成交叉結合，不僅可為研究體系提供更確切的測量數據保障，也能為前沿創新性科技成果推廣應用提供充足的技術基礎。以深空探測分析儀器為例，科學儀器載荷是解決深空探測科學問題的核心工具，用于化學物質檢測的質譜儀器在探測外星環境和尋求生命起源等任務中發揮重要作用。近年來，國外已陸續將色譜-質譜儀等多種科學儀器送至太空，覆蓋從高空軌道器到地表著陸器和巡游車的全方位測量，取得了一系列突破性進展。其中SAM質譜儀載荷首次檢測到有機物存在于火星的證據。未來的空間站實驗及星體環境探測任務中，使用小型串聯質譜儀實施化學及生物分子的實時檢測是空間科學探索的重要核心技術支撐。

　　(3)圍繞化學及生物醫學、環境科學、食品安全、公共安全等相關領域，解決測量方法技術及儀器系統的關鍵問題，促進化學測量學的發展。如生化科學儀器及其關鍵部件，測序、組學、生物相互作用分析等測量儀器；食品安全、環境保護領域的光譜和色譜儀器及其關鍵部件；社會設施及公共安全與計量領域的特定監測設備與計量儀器等。

　　2.5 化學測量學的發展目標

　　2.5.1 發展布局

　　化學測量學的發展策略是:突出原創，厚積薄發；重視前瞻，淡化跟蹤；需求導向，自主創新；寬松環境，鼓勵交叉。

　　化學測量學的發展方向是:高靈敏度、高選擇性、高信息量、快速、簡便、原位、經濟，以及分析

　　儀器的微型化、自動