分析化學發(fā)展與方向

第一章分析化學學科發(fā)展戰(zhàn)略化學與化工學院

分析化學學科的戰(zhàn)略地位12分析化學學科的發(fā)展規(guī)律和研究特點3分析化學學科領(lǐng)域研究現(xiàn)狀和研究動態(tài)未來5年本學科領(lǐng)域的發(fā)展、優(yōu)先領(lǐng)域及與其他學交叉點的重點方向4未來5年本學科領(lǐng)域發(fā)展的保障措施5未來5年本學科開展國際合作的需求和優(yōu)先領(lǐng)域6第一節(jié)分析化學學科的戰(zhàn)略地位分析化學是研究物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，確定物質(zhì)在不同狀態(tài)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(fā)展各種分析策略、原理方法，研制各類器件、裝置、儀器及相關(guān)軟件，以獲取物質(zhì)組成和性質(zhì)的時空變化規(guī)律。物種檢出時空中物質(zhì)信息提取種間關(guān)系成分檢出成分鑒定結(jié)構(gòu)鑒定數(shù)量關(guān)系相互作用信息關(guān)聯(lián)提供樣品組成或基本組成的信息提供單一或若干目標組分存在的信息確定未知成分的確切歸屬確定有關(guān)成分的濃度、純度、比例等分子-分子、分子-細胞、細胞-細胞等結(jié)構(gòu)與功能間關(guān)系及規(guī)律等的認識分析化學是科學研究的眼睛至關(guān)重要提供了科學支撐人類基因、多種組學奠定了基礎(chǔ)多種技術(shù)等與分析化學密不可分多項分析檢測技術(shù)發(fā)揮了重要作用空間探測、反毒、反恐、突發(fā)事件偵破等提供有效的分析方法分析化學從傳統(tǒng)的容量分析到現(xiàn)代的儀器分析從光譜、電化學、色譜和熱分析到質(zhì)譜、核磁共振、電鏡、成像分析、納米分析乃至微-納流控分析從無機、有機分析到生命過程信息的獲取從常量、微量、痕量分析到單細胞、單分子分析從簡單物質(zhì)的鑒定、單一信號的獲取到復雜與生命體的多通道、高通量檢測和海量數(shù)據(jù)的挖掘分析化學通過與物理、生物、數(shù)學、材料和計算機等相關(guān)科學的交叉與融合，形成了自己完整的理論體系，并誕生了新的生長點與前瞻性的研究方向。提出新的和更高的要求和挑戰(zhàn)第二節(jié)分析化學學科的發(fā)展規(guī)律和研究特點1.2.1分析化學的發(fā)展規(guī)律1.分析化學的發(fā)展與國家的戰(zhàn)略目標始終是一致的（1）社會需求的刺激而產(chǎn)生的.如：曼哈頓計劃；食品安全重大事件；汶川地震后的環(huán)境監(jiān)測（2）產(chǎn)品質(zhì)量也反映國家經(jīng)濟實力產(chǎn)品質(zhì)量體現(xiàn)著分析檢測的水平，逐漸接近發(fā)達國家水平，但有差距。如：由于技術(shù)手段不足，農(nóng)藥殘留長期處于被動狀態(tài)。美國食品藥品管理局（U.S.FoodandDrugAdministration,FDA）的多殘留檢測方法可同時檢出360多種農(nóng)藥殘留物。德國的方法可檢測325種；加拿大的方法可檢測251種；我國檢測180種。遏制了出口（3）提高全民健康水平及保障國家公共安全，需要分析化學提供強有力的支撐。

從2001年全球首例手足口病，到2003年的SARS病毒，再到2009年H1N1流感病毒，這些不斷爆發(fā)的全球流行性疾病的控制與預防，我國分析工作者發(fā)揮了重要的作用，進行了有益的探索。2、分析化學發(fā)展與國際科學的前沿始終是一致的目前國際科學的前沿是生命科學、材料科學、能源科學和環(huán)境科學，分析化學正是圍繞這些前沿領(lǐng)域而迅速發(fā)展。以微-納尺度分離分析為例，它得益于納米科技和微流控學的先期發(fā)展和成功實踐，是一個國際科學前沿研究領(lǐng)域。如：生命科學前沿研究（基因順序、蛋白質(zhì)組學等）；空間探測（攜帶儀器質(zhì)量和體積的苛刻限制）分析化學的發(fā)展必須面對科學的前沿，并立足于多種學科前沿發(fā)展的基礎(chǔ)之上，是前沿中的前沿，是有非常鮮明的特征和突出的時代感。3、分析化學的發(fā)展與相鄰學科的發(fā)展始終是相關(guān)的1.2.2分析化學研究的特點

分析化學的核心目標：對物質(zhì)時空組成的性質(zhì)和含量的要求而言，準確、靈敏、選擇、高通量、原位、快速、實時以至自動獲取上述信息和數(shù)據(jù)。

而對物質(zhì)在極端狀態(tài)下（超高溫、超低溫、強輻射、宇宙空間、外星和高速運轉(zhuǎn)等）的信息和數(shù)據(jù)的獲取，又使分析化學進入了新的境界。新突破推動發(fā)展。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(fā)生的共振現(xiàn)象（曾兩獲諾貝爾物理學獎），轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析的核磁共振波譜法（1991年獲諾貝爾化學獎）、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的測定方法（2002年獲諾貝爾化學獎）和磁共振成像方法（2003年獲諾貝爾生物學和醫(yī)學獎）。1、注重方法和原理的創(chuàng)新分析化學家一致共識，即只有在方法和原理上進行創(chuàng)新，才能做一流的工作，才能提升中國分析化學的地位。2、以生命分析和環(huán)境分析為研究重點生命科學是21世紀的科學前沿，環(huán)境分析關(guān)乎人類的發(fā)展。3、與尖端分析儀器裝置的研發(fā)緊密結(jié)合4、已有一支高素質(zhì)的研究隊伍5、初步形成了一個公平競爭、團結(jié)合作、和諧發(fā)展的氛圍1.3近年來本學科領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和研究動態(tài)1.3.1人才隊伍目前分析化學研究隊伍約3500人，主要在中國科學院和高等院校。開展分析化學研究的單位約500個。至2010年年底，分析化學學科有：①國家實驗室1個（中科院化學研究所和北京大學化學與分子工程學院共同籌建）②國家重點實驗室3個（中科院長春應用化學研究所、湖南大學、南京大學）③國家優(yōu)秀研究群體4個（南京大學、武漢大學、中科院武漢物理與數(shù)學研究所、中科院大連化學物理研究所）④教育部重點實驗室4個（武漢大學、西南大學、青島科技大學、河北大學）⑤省部共建重點實驗室5個（福州大學、湖南師范大學、山東師范大學、陜西師范大學、安徽師范大學）⑥中國科學院重點實驗室1個（中科院大連化學物理研究所）⑦全國重點學科8個（北京大學、南京大學、武漢大學、湖南大學、廈門大學、清華大學、復旦大學、南開大學）⑧現(xiàn)有杰出青年基金獲得者一批、教育部長江學者（邵元華、嚴秀平、鞠熀先、夏興華、林金明、李景虹）⑨全國在校分析化學專業(yè)博士研究生約1600人1.3.2資助現(xiàn)狀年份200520062007200820092010項目申請總數(shù)514份656份756份863份1031份1181份項目資助總數(shù)117項144項163項201項224項261項資助單位：國家自然科學基金委員會以及科技部國家自然科學基金委員會對分析化學學科進行重大、重點、面上、青年、地區(qū)及杰出青年基金、創(chuàng)新研究群體、重大研究計劃和國家重大國際合作等形式資助?？萍疾拷?年根據(jù)國家需求與經(jīng)濟建設的需要，資助大大提升，尤其對分析測試新方法、新技術(shù)，創(chuàng)新儀器與裝置等重點支持。1.3.3研究現(xiàn)狀中國科學家在頂級刊物上發(fā)表文章說明1、AnalyticalChemistry2001-2010年在AnalyticalChemistry上發(fā)表文章按國家統(tǒng)計的前20名名單按專業(yè)統(tǒng)計（2002-2009.8，290多個國內(nèi)單位）國內(nèi)290多個單位中20各單位的論文數(shù)其中前11個單位的論文數(shù)占總數(shù)的73%左右，前10所高校所發(fā)表論文文占總數(shù)的43%，其中8所高校有分析化學重點學科。2.JournalofAmericanChemicalSociety①2002-2009.9此刊上共發(fā)表論文24505篇，中國大陸發(fā)表1090篇，占4.5%左右，排在第七位。②2007-2010年，中國大陸的論文數(shù)超過了德國、英國和法國，上升為第四名。③說明分析化學發(fā)展情況與化學學科整體發(fā)展水平是同步的。中國科學院仍占第一位。發(fā)表論文的前10各單位中有兩所香港的大學，他們分析化學不強但整個化學學科很強。前10個單位的論文總數(shù)占中國論文的80%。有趣的是，湖南大學、清華大學、浙江大學、武漢大學的AnalyticalChemistry論文在前10位，但JournalofAmericanChemicalSociety論文未進前10位。吉林大學則相反。這一定程度反映了學科的發(fā)展，綜合大學應注意各學科的平衡發(fā)展。1090篇JournalofAmericanChemicalSociety論文中涉及分析化學的占25%，其中各方法比例為接近一半為與光譜方法有關(guān)，有1/4涉及核磁共振，，色譜、質(zhì)譜減少，說明：在化學研究的前沿領(lǐng)域，光譜和核磁共振是主要研究方法。3.AngewandteChemieInternationalEdition從2002~2009.9，AngewandteChemieInternationalEdition共發(fā)表論文11594篇，中國科學家論文數(shù)為751，排在第五位2007~2009.9，中國科學家論文數(shù)排名上升到第四位中國科學家論文數(shù)為751中涉及分析化學126篇，占17%，其中核磁共振比例小些，其他新興方向多一些，反映該刊物注重新技術(shù)發(fā)表分析化學論文的有一部分不是分析化學家，說明科學的發(fā)展離不開學科間的交叉與合作。化學的各個分支更應該強化交叉研究，從個做出更有創(chuàng)新意義的成果。這幾個頂級刊物的論文看，中國內(nèi)地高校化學學科占優(yōu)勢的有：北京大學、復旦大學、南京大學、南開大學、吉林大學、廈門大學和中國科技大學。而分析化學較強的高校為：北京大學、南京大學、復旦大學、湖南大學、南開大學、清華大學、武漢大學、浙江大學、中國科技大學和廈門大學。1.3.4重要成果1.光譜領(lǐng)域

20世紀末高科技的飛速發(fā)展極大地推動了光譜分析的發(fā)展。特別是超強光源：如激光光源的出現(xiàn)、超高分辨率分光器的發(fā)展、高靈敏度檢測器件的應用，以及光導纖維技術(shù)、等離子體技術(shù)和納米技術(shù)的發(fā)展，為光譜分析提供了重要的技術(shù)支撐。此外，光譜技術(shù)與各種分離、分析技術(shù)的聯(lián)用，產(chǎn)生了很多新的研究領(lǐng)域和新的交叉點，在生物大分子超高靈敏度分析、實時與動態(tài)檢測、表面與微區(qū)分析及高通量分析等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。在原子光譜方面，連續(xù)光源的原子吸收儀器已經(jīng)實現(xiàn)；等離子光譜技術(shù)在多元素的同時檢測領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展成為常規(guī)的手段;等離子質(zhì)譜技術(shù)與現(xiàn)代分離技術(shù)的結(jié)合，在元素形態(tài)分析、單粒子與單細胞分析及蛋白質(zhì)絕對定量方面顯示出巨大的潛力?；诩す饨怆x-等離子質(zhì)譜聯(lián)用的成像技術(shù)，在生物組織的超痕量元素分布研究中正在發(fā)揮重要的作用，金屬組學已經(jīng)成為元素分析研究最令人激動的一個原子光譜新的研究方向。在分子光譜領(lǐng)域，量子點的出現(xiàn)極大地改變了人們對發(fā)光分析研究的傳統(tǒng)觀念，基于量子點標記及編碼標記的超高靈敏度免疫分析和DNA雜交技術(shù)為這一領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。熒光蛋白的表達及在生命科學中的應用，使得其在獲得諾貝爾獎之前已經(jīng)成為細胞生化分析和熒光成像分析的常規(guī)手段。光子晶體在分子發(fā)光分析中的應用，已開始受到人們的重視，也許會成為下一個研究的熱點?；诜肿有艠撕头肿佑≯E技術(shù)的發(fā)光傳感器研究為光學傳感器的高選擇性提供了重要的途徑?；瘜W發(fā)光和生物發(fā)光分子作為一個傳統(tǒng)的分子發(fā)光領(lǐng)域，納米材料的化學發(fā)光研究為這種傳統(tǒng)方法增添了新的亮點。在熒光分析方面，近場光學技術(shù)、消失波誘導的熒光技術(shù)及雙光子與多光子熒光技術(shù)等為單分子與單細胞分析提供了強有力的技術(shù)手段，光譜技術(shù)與超快成像技術(shù)結(jié)合而發(fā)展的光譜瞬時成像技術(shù)，提供了一種有效地觀察生物體中單分子遷移的方法。表面等離子體共振光譜及其成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為研究生物分子相互作用的原位和在線分析手段。振動光譜是分子光譜分析的另一個重要分支，紅外和拉曼光譜在分子的結(jié)構(gòu)分析方面有十分重要的作用，近年來受到很大的重視，也取得了矚目的發(fā)展。表面增強拉曼光譜分析技術(shù)已經(jīng)超過了熒光分析技術(shù)的靈敏度，成為單分子分析的重要手段，基于針尖增強的拉曼光譜大大提高了空間分辨率，為光譜成像技術(shù)在納米尺度的應用提供了有效的途徑。特別值得關(guān)注的是最近出現(xiàn)的飛秒激光與傅里葉紅外光譜技術(shù)結(jié)合發(fā)展出的二維（多維）紅外光譜方法，有可能成為二維核磁以后的一種新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的手段。紅外和拉曼光譜在臨床疾病診斷方面的應用也成為一個新的關(guān)注點。我國光譜分析有悠久的歷史，最近幾年，我們在熒光小分子探針的合成及其活體細胞分析等應用方面取得了較好的成果，一些論文發(fā)表在有影響的刊物上。在量子點的分析方法及生物應用方面，我國科學家也取得了很大的進展，但整體來看，原始創(chuàng)新尚不多，大部分工作是繼承性創(chuàng)新或快速跟蹤的結(jié)果。原子光譜分析方面，我國學者在基于穩(wěn)定同位素分析的ICP-MS技術(shù)用于蛋白質(zhì)絕對定量方面開展了一些超前的工作，因此，在金屬組學這一國際剛興起的研究方向有較高的地位。此外，我國學者在共振光散射研究方面獨樹一幟，發(fā)表了不少論文，引起了國內(nèi)外同行的高度關(guān)注。2.電分析化學領(lǐng)域國內(nèi)的電分析化學研究、研究隊伍和國際交流與其他分析化學分支相比一直是與國際最接軌、最整齊、最廣泛的。目前國內(nèi)外的狀況是電分析化學研究更側(cè)重于生命和環(huán)境科學，而物理電化學更側(cè)重于能源科學與表面科學。我國學者近幾年在電分析化學領(lǐng)域的主要成就：第一，新型材料在電分析化學中的應用（近幾年來國內(nèi)外研究熱點）。材料如：各種碳材料（C60系列、碳納米管、石墨烯等）、納米粒子、生物材料（核酸適體和分子信標等）和離子液體等。第二，生命過程中的電分析化學探討（納米電極、電化學成像、軟界面和單分子單細胞）近年來，電分析化學重點研究的另一個重點是發(fā)展各種新方法和改進電化學技術(shù)，以及與其他測試技術(shù)聯(lián)用，構(gòu)建生命電分析化學的研究平臺，探討生命過程中各種信號的定性、定量提取，并試圖達到實時、動態(tài)、高靈敏度、高通量。3.色譜和微-納流控領(lǐng)域1）色譜和毛細管電泳方法2）微-納結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)4.質(zhì)譜領(lǐng)域目前國際質(zhì)譜分析的飛速發(fā)展涉及儀器和應用（蛋白組學、代謝組學、金屬組學）兩方面。5.核磁共振領(lǐng)域核磁共振是一種波譜學研究手段，能夠在無損和無侵入的條件下提供物質(zhì)（器官和組織等）的宏觀形態(tài)、高精度的分子微觀結(jié)構(gòu)、分子間的相互作用及其動態(tài)的過程等不同空間尺度和不同時間尺度的豐富信息。世界各國對NMR研究的支持強度不斷升級。如美國1978年開始建立了多個NMR科學研究中心。日本早在1997年投了大約5億美元在橫濱建立了NMR園區(qū)，開發(fā)新的NMR譜測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。歐盟聯(lián)合著名的德國NMR譜儀公司Bruker投入了2億歐元，建立了25臺700~900MHz的儀器。我國相對滯后。6.化學計量學領(lǐng)域化學計量學是數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機科學與化學相結(jié)合而形成的化學分支學科。它應用數(shù)學、統(tǒng)計學和其他方法和手段選擇最優(yōu)試驗設計和測量方法，并通過對測量數(shù)據(jù)的處理和解析，最大限度地獲取有關(guān)物質(zhì)系統(tǒng)的成分、結(jié)構(gòu)及其他相關(guān)信息。7.生命科學領(lǐng)域1）分子識別與組裝的基礎(chǔ)科學問題及其傳感應用2）化學生物學研究新方法3）生命過程達的化學本質(zhì)研究4）生物標志物的甄定與重大疾病的早期診斷與預警5）代謝組學與食品安全風險評價的基礎(chǔ)研究6）能量轉(zhuǎn)換與利用7）納米材料的生物功能化與生物電子器件研究8.環(huán)境分析領(lǐng)域環(huán)境分析化學的任務是運用現(xiàn)代科學理論和實驗技術(shù)分離、識別與定量測定環(huán)境中相關(guān)污染物質(zhì)的種類、組成、成分、含量、價態(tài)與形態(tài)。特點是涉及范圍廣、研究對象復雜、使用手段多。總體講，環(huán)境分析化學在采樣、樣品前處理、分析測定和數(shù)據(jù)處理應用諸方面取得了較快的發(fā)展，為環(huán)境科學的前沿問題的研究和解決提供了有力的支撐。

1.4未來5年本學科領(lǐng)域的發(fā)展布局、優(yōu)先領(lǐng)域及與其他學科交叉的重點方向

1.4.1發(fā)展布局分析化學未來幾年的發(fā)展策略應該是：注重長期積累，厚積薄發(fā)；結(jié)合國家需求，自主創(chuàng)新；提倡前瞻研究，減少跟蹤研究；營造寬松環(huán)境，鼓勵交叉。分析化學發(fā)展的方向：高靈敏度、高選擇性、高信息量、快速、簡便、原位和經(jīng)濟，以及儀器的微型化、自動化、數(shù)字化，并向智能化、信息化縱深發(fā)展。諸多領(lǐng)域的快速發(fā)展為分析化學提供了廣闊的發(fā)展空間和機遇，同時也不斷向不同分析技術(shù)提出挑戰(zhàn)。分析化學的發(fā)展應以解決重大科學問題為核心任務，并在解決問題的同時發(fā)展分析化學。因此，我們要以生命科學、環(huán)境科學、食品科學、材料科學和國家安全等諸多領(lǐng)域中的科學問題為對象，開展分析化學的原理、方法、技術(shù)和儀器裝置的創(chuàng)新研究與應用研究。1.4.2優(yōu)先領(lǐng)域根據(jù)目前分析化學的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及國際上發(fā)展趨勢，擬提出如下分析化學各分支學科的優(yōu)先研究領(lǐng)域。1.光譜領(lǐng)域(1)高靈敏度和高選擇性的光學探針及其在單細胞中生物分子分析中的應用；(2)超快光譜分析；(3)高分辨乃至單分子的光譜成像技術(shù)；(4)基于光學原理的傳感器與傳感陣列；(5)化學發(fā)光和生物發(fā)光；(6)原子光譜在金屬組學研究中的利用。2.電分析化學領(lǐng)域（1）功能化仿生界面的構(gòu)筑、表征與應用；（2）納米電分析化學；（3）新型電分析化學儀器與裝置的研制；（4）生命電分析化學的基礎(chǔ)與應用研究；（5）各種新技術(shù)與電分析化學技術(shù)的聯(lián)用。3.色譜和微-納流控領(lǐng)域（1）樣品前處理技術(shù)；（2）聯(lián)用方法和多維技術(shù)；（3）新型分離介質(zhì)的研究；（4）微-納尺度分離設計理論及其在臨床醫(yī)學、藥物篩選和重大疾病診斷方面的研究；（5）高集成度微-納流控芯片研究。（6）微納系統(tǒng)的創(chuàng)新性進樣理論、方法合技術(shù)。4.質(zhì)譜領(lǐng)域（1）面向蛋白質(zhì)科學研究的新方法和新技術(shù)；（2）代謝組學研究；（3）質(zhì)譜成像；（4）高分辨率、快速和高靈敏質(zhì)譜分析儀器研究；5.核磁共振領(lǐng)域（1）核磁成像新技術(shù)；（2）臨床神經(jīng)學和腦神經(jīng)科學研究；（3）活體成像分析；（4）分析間相互作用研究；（5）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析6.化學計量學領(lǐng)域（1）采樣理論、實驗設計與優(yōu)化；（2）分析信號檢測和處理及分析校正；（3）化學模式識別和圖像分析；（4）統(tǒng)計學、統(tǒng)計方法、分析信息理論和定量構(gòu)效關(guān)系；（5）人工智能、專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡與自適應化學模式識別。7.生命分析領(lǐng)域（1）生命分析化學新原理與新方法的研究；（2）靶標發(fā)現(xiàn)新技術(shù)；（3）人類健康與疾病相關(guān)的分析化學基礎(chǔ)研究；（4）食品安全、公共安全檢驗檢疫；（5）極端條件下的監(jiān)測技術(shù)；（6）生命分析儀器的研制。8.環(huán)境分析化學領(lǐng)域（1）新方法、新技術(shù)研究；（2）樣品采集及前處理技術(shù)；（3）原位及形態(tài)分析；（4）分析方法的標準化及質(zhì)量控制；（5）環(huán)境分析儀器。1.4.3分析化學的重點方向近期分析化學學科的重點研究方向有：(1)復雜樣品處理(2)生物活體分析(3)生物分子識別與生物能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)研究(4)生物單分子行為與單細胞分析及在體、實時成像；(5)仿生分析方法研究；(6)成像分析新方法；(7)極端條件下