科學儀器學科與技術進展的研究報告

      一、前言

　　科學是從測量開始的。科學儀器是信息的源頭，是信息產業的重要組成部分，對促進國民經濟、科學技術、公共安全、國防建設的發展都有巨大的推動作用，是經濟社會發展支柱性、戰略性的產業。現代科學儀器既是知識創新和技術創新的前提，也是創新研究的主體內容之一和創新成果的重要體現形式。許多學科分支都是以某種科學儀器的發明而發展起來的。科學儀器及其技術是現代科學與工業的基石。科學儀器的發展水平標志著國家創新能力和科學技術發展的水平。

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

　　二、國外科學儀器科技和產業發展的戰略、趨勢及我國現狀

　　(一)各國都把發展科學儀器作為國家發展戰略

　　在科學儀器發展的戰略目標和資金投入方面，發達國家都制定了各自的發展戰略并鎖定了目標，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域的領先地位，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。

　　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“科學基礎設施”(主要指科學儀器)列為第五項重點內容;英國科學技術辦公室(OST)建立了科學基礎設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、儀器和設施計劃”。

　　各發達國家都把研發先進的大型科學儀器和實驗設施，構建世界級先進實驗基礎設施平臺，上升為創造世界一流科研成果，培育和吸引優秀人才的一項戰略措施。

　　2005年世界權威性刊物《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“采取措施發展新的概念和技術工具”，其內涵即指科學儀器。我國已將科學儀器研發列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》(2006—2020年)。國家發改委將科學儀器產業化列為高技術產業化專項。科技部已將《科學儀器設備研制與開發》列入十一五國家科技支撐計劃重大項目。2006年國務院《關于加快振興裝備制造業的若干意見》中，將“關鍵精密測試儀器”列為主要任務和實現重點突破的16項任務之一。

　　(二)科學儀器技術發展的趨勢

　　當今科學儀器發展總體上呈現出檢測原子、分子和組份的儀器向多功能、自動化、智能化、網絡化方向發展;進行分離、分析的儀器向多維分離和分析方向發展;生命科學儀器向原位、在體、實時、在線、高靈敏度、高通量、高選擇性方向發展;檢測復雜組份樣品的儀器向聯用分析儀器方向發展;用于環境、能源、農業、食品、臨床檢驗的儀器向專用、小型化方向發展;樣品預處理儀器向專用、快速、自動化方向發展;用于國防和生命科學的儀器向集成化、微型全分析系統方向發展;監控工業生產過程的分析儀器向在線分析、原位分析方向發展。

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

　　科學儀器是一種高科技產品，它受益于采用各種前沿技術的最新成果，同時也面臨各種前沿技術不斷地創新和發展的挑戰。可以預計，隨著生命科學、材料科學、能源科學、環境科學和公共安全科學的發展，以及新技術的不斷出現，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新。

　　(三)我國科學儀器發展的現狀

　　我國剛開始改革開放時，由于既受市場經濟的沖擊，又受國有體制的束縛，我國科學儀器的發展經歷了一個低潮期，許多大型科學儀器廠紛紛入不敷出、難以為繼，科學儀器產業曾經一度明顯萎縮。在上個世紀90年代初期，科學儀器國產化率只有13%。

　　隨著國有經濟體制改革的深入和人們對于發展科學儀器重要性認識的提高，以及民營企業的崛起，加上整個經濟發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”列入了科技攻關項目，并逐漸增加投入;國家自然科學基金委員會設立了科學儀器專項，中科院也設立了科學儀器創新研究專項，情況終于有所好轉。瀕臨破產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的發展速度很快，近年來年銷售額的增長都超過了30%，他們的產品已得到國內用戶的認可，并已有部分進入國際市場，他們之中有部分企業參與了國家“九五”和“十五”科學儀器攻關項目，為提高我國科學儀器水平做出了貢獻，并為科技創新的主體向企業轉移邁開了一大步。

　　通過這些儀器制造企業和相關科研工作者的共同努力，目前我國科學儀器的發展已初具規模，從地理分布來看，主要由四塊區域組成，即以北京為中心的渤海灣區域的科學儀器產業帶;以上海為龍頭的長江三角區域的科學儀器產業群;以長春、大連為基礎的東北區域的科學儀器產業化基地和新近崛起的以深圳為代表的珠江三角洲地區。“九五”結束時，以分析儀器為核心的科學儀器的國產化率達到了30%。科學儀器的研究開發和產業的發展開始逐漸走出低谷，駛入快速發展階段。部分中低檔產品已基本達到國外同類產品水平：如光譜分析儀器領域，具有自主知識產權的原子熒光光譜儀，占領了整個國內儀器市場;中檔紫外可見分光光度計和原子吸收分光光度計，除滿足國內常規分析的需求外，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年需要更新換代的數量。

　　總之，通過“九五”和“十五”攻關，我國科學儀器產業獲得了很大發展，并取得了一批具有自主知識產權的成果。但是，長期以來國外著名的儀器公司憑借技術和品牌的優勢，占據著國內的大部分高端市場，特別是高檔的光譜儀、色譜儀、質譜儀、電鏡、核磁、生化和生命科學儀器等，基本上依賴進口。

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　　三、近兩年國外各類科學儀器和產業發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從半制備量到納升級的HPLC/MS/MS的要求，適應生物醫藥、食品、環境等領域的要求，有較高的技術含量。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)，表現出來的多方面的優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，與傳統的毛細管二維氣相色譜相比，其分離能力較傳統的色譜技術有了大幅度提高。第一臺商品化的二維氣相色譜系統是熱電集團的TRACE 2DGC。該型儀器采用了低溫調制專利技術。全二維色譜和質譜聯用、構成全二維GC/MS/MS和全二維HPLC/MS/MS是近年國外色譜儀發展的亮點，全二維色譜儀綜合了機械、電子、計算機軟件等技術，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，結合了淋洗液自動發生器，自動再生抑制器技術以及除去淋洗液中雜質的自動連續再生的捕獲柱，是對實驗室傳統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合、構成分離、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、和質譜的聯用，可以實現對許多元素的形態進行高效高靈敏度檢測，從而對多種元素的毒性和營養作出準確的評價。

　　2.色譜儀器向小型化發展，適用于現場測試

　　氣相色譜的另一個發展趨勢是微型化。當前現場檢測日益受到重視，尤其是在食品安全，生產安全、環境監測等公共安全領域。其中代表性的產品有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

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

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

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

　　微型液相色譜系統的主要困難在于高壓微流量輸液。曾經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

　　色譜柱中的色譜固定相的研究一直是經久不息的研究熱點，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，如現在屬于安捷倫公司的J&W公司生產的毛細管氣相色譜柱，就是Jennings 把自己研究的成果轉化為產品。美國Astec 公司的手性毛細管氣相色譜柱也是 Armstrong (現為美國依阿華州立大學教授) 把自己研究的成果轉化為產品，并組建了Astec公司。另一個特點是各個大公司，結合社會熱點、應用需求，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，目前看起來它在學術領域較之商業領域更為活躍，該技術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，內布拉斯卡州)收購了整體柱技術，目前正在從事這方面的商品化研究。而國外一些學術研究團隊則正迅速地把這項技術向在主鏈上進行配位體的光接枝方面發展。日本京都技術大學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，是涉及我們的基礎工業、材料科學、電子技術、工藝技術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。
• 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的發展趨勢

　　色譜儀器向小型化、自動化、聯用、多維化發展。

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　　(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型連續光源火焰原子吸收光譜儀，采用了一個連續光源(高聚焦短弧氙燈)取代了傳統的空心陰極燈，輻射出從紫外線到近紅外的強烈連續光譜(190～900 nm)，采用了高分辨率的中階梯光柵，經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，隨著元素形態分析領域的興起，色譜與原子熒光聯用技術也隨之發展起來。清華大學與北京吉天聯合研發的SA-10砷形態分析儀是一種基于氫化物發生—原子熒光技術的元素形態分析儀器，利用液相色譜進行分離，用氫化物發生—原子熒光對液相色譜流出物定量，檢測元素的不同形態，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，可在食品、衛生、藥物、飼料、農業等領域的檢測中應用。我國還有多個企業生產原子熒光光譜和元素形態分析儀。

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

　　采用微型制造技術，將機械部件，傳感器，執行機構和電子系統利用顯微加工技術，集成到一個普通的基材(硅、鋁或其他)上。MEMS可以改進現有所有產品領域，并賦予產品新的特質和性能，出現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構分析和組成分析工具，近兩年來紅外光譜技術三個方面有明顯進展：(1)紅外化學成像(紅外和近紅外);(2)紅外光譜數據處理;(3)編碼調制紅外光譜。

　　(1)紅外化學成像

　　化學成像是一種同時提供空間的、化學的、結構的和功能的信息，是一組三維的數據塊，化學圖像數據為海量數據，使用化學計量學方法進行處理。

　　近兩年的進展主要表現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，值得關注的是如SPECTRALDIMENSIONS公司研制開發的專用和在線化學成像分析儀，用于制藥，高分子，食品，法醫，反恐等領域。

　　(2)紅外光譜數據處理技術

　　多維紅外光譜數據的處理在近兩年內得到了特別的關注。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，一個編碼轉盤部件產生干涉圖，經過傅立葉變換得到紅外光譜圖，可以用于檢測化學反應動力學和產物的信息，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的應用。它具有速度快和抗環境干擾能力強，體積小，結構緊湊，更簡單，成本低等的優點。美國ASPECTRICS 公司擁有這項新技術，目前產品已經投放市場。2006年度獲得《研究與開發雜志》頒發的百名市場影響力最強新技術產品獎。

　　5.近紅外光譜

　　當前，近紅外分析已廣泛應用于農業、食品、醫藥、石油、化工等領域，近紅外儀器已經形成獨立的產業，國際上近紅外技術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占據。我國的近紅外技術產業經過20余年的發展也具有了一定的規模，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、生產的公司也在把主要精力投向模型和方法的研究與開發上，因此共享模型和方法標準的研究將是近紅外技術今后幾年發展的主要方向。可喜的是，我國的部分科研院所，如石化院、中國農大、湖南大學，中南大學，第二軍醫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域的突出貢獻而設立的，獲獎原因是提出和應用化學計量學算法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.在光譜技術領域值得關注的三項新技術取得重大突破

　　(1)太赫茲輻射技術及其相關儀器的新進展

　　近二年來，太赫茲輻射技術取得了不斷的進步，特別是這些技術的應用得到了迅速的發展，相關儀器開發和國防、安全檢查、材料識別與診斷、生產監測、生物醫學等領域應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。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，透視出包裝物品內部物體的T-射線圖像來，從而可以應用于機場行李箱的安全檢查和醫生對人體內有損傷或破裂器官的檢查。該技術的最大困難在于難探測到比較微弱的太赫茲輻射信號。

　　太赫茲技術的應用領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出了太赫茲光譜儀和成像系統。

　　太赫茲時域光譜技術，目前仍然是太赫茲光譜技術的核心研發領域。

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

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

　　美國、日本和歐洲相繼將太赫茲技術列為未來幾年發展的關鍵技術。

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

　　(2)光學分子成像系統

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

　　國外光學分子成像系統

　　A. 精諾真活體內可見光成像系統——Xenogen-200

　　200系列體內可見光成像系統，可以做激發熒光和自發熒光斷層成像，可實現三維熒光光源的重建。它的探測深度為：顱內可達3~4cm，分辨率為1~3mm。

　　B. KODAK高性能數碼成像系統——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——GE

　　GE Healthcare通用電氣醫療集團的eXplore Optix小動物光學分子成像系統，是激發熒光成像設備，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。雖然國外已經做出了光學分子成像系統，不同程度上還是有一定的缺陷。

　　國內光學分子成像系統

　　國內，清華大學、天津大學等少數的科研單位正在研制激發熒光斷層成像(FMT)原型系統。截止到目前為止，國內還沒有擁有自主知識產權的光學分子成像設備。在綜合上述3種國外光學分子成像設備的優點并對缺陷進行了改進之后，我國構建了BLT/FMT原型系統。該系統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，可以完成自發熒光斷層成像(BLT)和激發熒光斷層成像(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。

　　(3)表面增強拉曼光譜技術

　　表面增強拉曼散射(SERS)技術具有靈敏度高、干擾小的特點，適合于研究界面效應，可以解決生物化學、生物物理和分子生物學中的許多難題。以往由于重現性不好等問題，SERS在分析測試中還沒有發揮應有的作用。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構的分析。針尖增強拉曼顯微技術(Tip-enhanced Raman microscopy)利用金屬涂層的懸臂在針尖區域產生增強信號，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技術的結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。

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　　(三)質譜儀及其分析技術的新進展

　　質譜分析技術是探索物質組分和結構的最有力手段，在引發的物理、化學、生物的一系列科學突破中起著關鍵作用，所以諾貝爾獎曾于1906、1911、1922、1989、1992和2002年度，授予與質譜儀和質譜分析理論有關的7位科學家。

　　離子化技術和質量分析器是質譜技術的核心，前者是把待分析樣品分子轉化為離子，后者是把離子按其質量分離并分別測量它們的數目，構成質譜圖。

　　1.離子化技術的新進展

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

　　(1)解吸電噴霧電離(DESI)是ESI技術的延伸。溶劑(含少量電介質)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，能在很短的時間內完成樣品的分析，靈敏度也很高。DESI的特點使這一技術可在檢測爆炸物、化學戰劑、毒品等方面得到重要應用。

　　實時直接分析(DART) 是與DESI類似的離子化技術，它使用激發態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，這些基質產生大量的質譜峰，構成很高的背景，使分析發生困難。DIOS 不使用基質，因而背景十分干凈，有利于分析小分子。用DIOS分析藥物WIN，得到清晰的質譜圖。DIOS 用于分析蛋白質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，硅片上刻槽或將金屬片腐蝕成多孔，只要槽或孔的尺寸在亞微米級，就具有無基質激光電離的性能。

　　(3)飛行時間二次離子質譜(TOF—SIMS)的離子源，在提高質量分辨水平方面取得突破進展，最重要的是該技術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.質量分析器的新進展

　　質量分析器的研究朝兩個方向發展，一是發展新型高分辨率的質量分析器，二是質量分析器的微型化。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，質量測量準確度可優于2 ppm。在制作成本以及運行維持費上，比離子回旋共振質譜低很多。這種質譜儀在藥物研究、蛋白質組學和代謝組學等重大研究領域迅速得到廣泛應用。

　　(2)質量分析器微型化。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。這種微型質譜儀將來可能進入醫生診所，成為臨床診斷的儀器。

　　3.質譜各種聯用技術的進展

　　Perkin Elmer 2006年推出新一代的Clarus 600 GC/MS，以柱溫箱設計為例，提高升溫和降溫速率，縮短循環時間，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先進水平。

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

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

　　4. 我國質譜儀研發的進展

　　我國近幾年起步研發和銷售通用的質譜儀。東西分析儀器公司已小批量投產GC/MS3100(四極質譜)，國家標準物研究中心正研發MSQ-1000平板直線離子質譜，上海精料與復旦大學聯合開發了MS-800ESI-TOFO。上海大學和上海科創色譜公司聯合研發成功GC-TOF-MS。這些國產儀器將在食品安全、藥檢、商檢、農林、化工、生命科學等領域得到廣泛應用。

　　質譜技術發展趨勢：

(1)向高精密方面發展。

(2)向小型質譜儀發展。在各類質譜中，生物質譜成為有機質譜中最活躍、最具有生命力的前沿研究領域之一。小型質譜主要以四級桿、離子阱和飛行時間質譜為主。廣泛地應用于環境、農業、食品、藥檢、公共安全。各類質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市場分析與展望》。

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　　(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、醫學等學科的發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，授獎領域涉及物理(1944、1945、1952年度)、化學(1991、2002年度)、生理或醫學(2003年度)。NMR的廣泛應用，特別是來自生物、醫學領域的需求，推動了NMR譜儀技術的迅速發展。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，幾個主要公司已經了推出950MHz的譜儀。1GHz及以上的高分辨液體NMR譜儀已經在研制之中。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、超穩定技術和超屏蔽技術等的不斷進步，已經制造出了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，該產品融合了Bruker BioSpin獨有的UltraShield(TM)主動屏蔽技術和UltraStabilized(TM)附加制冷技術，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、脈沖磁場系統和信號處理系統，每3～5年就有一次重大升級

　　全數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。探頭的自動調諧技術逐步成為標準配置，普遍采用的多道同時檢測技術，可以實現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鍵是降低了熱噪音。現已出現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用。核磁共振譜儀與液相色譜(LC)和質譜儀(MS)的集成(LC-MS-NMR)在復雜混合物定性和定量分析以及結構鑒定方面具有廣大的市場。LC中的固相萃取、飛行時間質譜(TOF)和多級質譜(如MS/MS/MS等)已經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計技術，從而使得Bio-MAS(TM)的發熱量較之常規探頭降低了3倍。發熱會對寶貴的固體生物樣品造成破壞，而新產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項目”已經列入十一五“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，取得了很好的經濟效益，要求儀器具有快響應和能夠適應地下高溫、泥沙等惡劣環境。核磁共振測井儀的生產廠商集中在美國。我國磁共振測井儀已經研制成功。磁共振探水儀主要用于探測地下水源，俄羅斯生產儀器的探測深度可以達到160m以上，我國研發的核磁共振探水儀深度在150m左右，其產業化示范已列入十一五“國家科技發展支撐計劃重大專項”。

　　(五)微區分析儀(電子、粒子束微區分析儀)

　　利用電子、粒子束探索和分析樣品表面形貌、原子和分子結構、元素組成、化學狀態的儀器稱為微區分析儀。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、環保、能源、生命科學等領域應用很廣、發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。電子顯微鏡的發展推動了人類對物質世界認識極限的挑戰。近年來，由于像差校正等技術突破以及納米科技、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展階段，其主要標志是近年來電鏡的分辨本領有異乎尋常的提高，點分辨本領突破1埃的限制，能量分辨本領達到0.1 eV水平。

　　1.掃描電子顯微鏡(SEM)

　　掃描電鏡技術發展的主要目標是提高分辨率。場發射槍在掃描電鏡上早已廣泛應用，近年發展低壓電鏡(LVSEM)、環境掃描電鏡(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，為發展固態表面研究，促進SEM朝低能級方向發展。

　　FEI公司最新的場發射掃描電子顯微鏡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射掃描電鏡。與NanoSEM同時發布的FEI Helix探測技術將浸入式透鏡和低真空掃描電鏡兩種技術成功地組合在一起，這是首創，給用戶帶來超高分辨率的同時，還能在低真空環境下有效地抑制非導電材料的電荷積累效應，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據。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所需的設置(加速電壓、光圈調整等作業)，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下一代像差校正透射電鏡，建造可分辨0.5埃、單價數百萬至千萬美元的新型電鏡，計劃2008年完成。我國臺灣地區近期也已投巨資開展“理想的電子顯微鏡”關鍵部件的研制工作。

　　亞埃、亞eV透射電鏡的出現為物質結構研究開拓了眾多的研究領域，包括物質結構的亞埃尺度研究、物質電子結構的亞電子伏特分辨水平的研究，原位有環境反應的實時觀