分析化学发展与方向

第一章分析化学学科发展战略化学与化工学院

分析化学学科的战略地位12分析化学学科的发展规律和研究特点3分析化学学科领域研究现状和研究动态未来5年本学科领域的发展、优先领域及与其他学交叉点的重点方向4未来5年本学科领域发展的保障措施5未来5年本学科开展国际合作的需求和优先领域6第一节分析化学学科的战略地位分析化学是研究物质的组成和结构，确定物质在不同状态和演变过程中化学成分、含量、时空分布和相互作用的量测科学，旨在发展各种分析策略、原理方法，研制各类器件、装置、仪器及相关软件，以获取物质组成和性质的时空变化规律。物种检出时空中物质信息提取种间关系成分检出成分鉴定结构鉴定数量关系相互作用信息关联提供样品组成或基本组成的信息提供单一或若干目标组分存在的信息确定未知成分的确切归属确定有关成分的浓度、纯度、比例等分子-分子、分子-细胞、细胞-细胞等结构与功能间关系及规律等的认识分析化学是科学研究的眼睛至关重要提供了科学支撑人类基因、多种组学奠定了基础多种技术等与分析化学密不可分多项分析检测技术发挥了重要作用空间探测、反毒、反恐、突发事件侦破等提供有效的分析方法分析化学从传统的容量分析到现代的仪器分析从光谱、电化学、色谱和热分析到质谱、核磁共振、电镜、成像分析、纳米分析乃至微-纳流控分析从无机、有机分析到生命过程信息的获取从常量、微量、痕量分析到单细胞、单分子分析从简单物质的鉴定、单一信号的获取到复杂与生命体的多通道、高通量检测和海量数据的挖掘分析化学通过与物理、生物、数学、材料和计算机等相关科学的交叉与融合，形成了自己完整的理论体系，并诞生了新的生长点与前瞻性的研究方向。提出新的和更高的要求和挑战第二节分析化学学科的发展规律和研究特点1.2.1分析化学的发展规律1.分析化学的发展与国家的战略目标始终是一致的（1）社会需求的刺激而产生的.如：曼哈顿计划；食品安全重大事件；汶川地震后的环境监测（2）产品质量也反映国家经济实力产品质量体现着分析检测的水平，逐渐接近发达国家水平，但有差距。如：由于技术手段不足，农药残留长期处于被动状态。美国食品药品管理局（U.S.FoodandDrugAdministration,FDA）的多残留检测方法可同时检出360多种农药残留物。德国的方法可检测325种；加拿大的方法可检测251种；我国检测180种。遏制了出口（3）提高全民健康水平及保障国家公共安全，需要分析化学提供强有力的支撑。

从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，这些不断爆发的全球流行性疾病的控制与预防，我国分析工作者发挥了重要的作用，进行了有益的探索。2、分析化学发展与国际科学的前沿始终是一致的目前国际科学的前沿是生命科学、材料科学、能源科学和环境科学，分析化学正是围绕这些前沿领域而迅速发展。以微-纳尺度分离分析为例，它得益于纳米科技和微流控学的先期发展和成功实践，是一个国际科学前沿研究领域。如：生命科学前沿研究（基因顺序、蛋白质组学等）；空间探测（携带仪器质量和体积的苛刻限制）分析化学的发展必须面对科学的前沿，并立足于多种学科前沿发展的基础之上，是前沿中的前沿，是有非常鲜明的特征和突出的时代感。3、分析化学的发展与相邻学科的发展始终是相关的1.2.2分析化学研究的特点

分析化学的核心目标：对物质时空组成的性质和含量的要求而言，准确、灵敏、选择、高通量、原位、快速、实时以至自动获取上述信息和数据。

而对物质在极端状态下（超高温、超低温、强辐射、宇宙空间、外星和高速运转等）的信息和数据的获取，又使分析化学进入了新的境界。新突破推动发展。如：核磁共振就是把原子核自旋与磁场和射频场的相互作用而发生的共振现象（曾两获诺贝尔物理学奖），转化为结构分析的核磁共振波谱法（1991年获诺贝尔化学奖）、蛋白质结构的测定方法（2002年获诺贝尔化学奖）和磁共振成像方法（2003年获诺贝尔生物学和医学奖）。1、注重方法和原理的创新分析化学家一致共识，即只有在方法和原理上进行创新，才能做一流的工作，才能提升中国分析化学的地位。2、以生命分析和环境分析为研究重点生命科学是21世纪的科学前沿，环境分析关乎人类的发展。3、与尖端分析仪器装置的研发紧密结合4、已有一支高素质的研究队伍5、初步形成了一个公平竞争、团结合作、和谐发展的氛围1.3近年来本学科领域的研究现状和研究动态1.3.1人才队伍目前分析化学研究队伍约3500人，主要在中国科学院和高等院校。开展分析化学研究的单位约500个。至2010年年底，分析化学学科有：①国家实验室1个（中科院化学研究所和北京大学化学与分子工程学院共同筹建）②国家重点实验室3个（中科院长春应用化学研究所、湖南大学、南京大学）③国家优秀研究群体4个（南京大学、武汉大学、中科院武汉物理与数学研究所、中科院大连化学物理研究所）④教育部重点实验室4个（武汉大学、西南大学、青岛科技大学、河北大学）⑤省部共建重点实验室5个（福州大学、湖南师范大学、山东师范大学、陕西师范大学、安徽师范大学）⑥中国科学院重点实验室1个（中科院大连化学物理研究所）⑦全国重点学科8个（北京大学、南京大学、武汉大学、湖南大学、厦门大学、清华大学、复旦大学、南开大学）⑧现有杰出青年基金获得者一批、教育部长江学者（邵元华、严秀平、鞠熀先、夏兴华、林金明、李景虹）⑨全国在校分析化学专业博士研究生约1600人1.3.2资助现状年份200520062007200820092010项目申请总数514份656份756份863份1031份1181份项目资助总数117项144项163项201项224项261项资助单位：国家自然科学基金委员会以及科技部国家自然科学基金委员会对分析化学学科进行重大、重点、面上、青年、地区及杰出青年基金、创新研究群体、重大研究计划和国家重大国际合作等形式资助。科技部近5年根据国家需求与经济建设的需要，资助大大提升，尤其对分析测试新方法、新技术，创新仪器与装置等重点支持。1.3.3研究现状中国科学家在顶级刊物上发表文章说明1、AnalyticalChemistry2001-2010年在AnalyticalChemistry上发表文章按国家统计的前20名名单按专业统计（2002-2009.8，290多个国内单位）国内290多个单位中20各单位的论文数其中前11个单位的论文数占总数的73%左右，前10所高校所发表论文文占总数的43%，其中8所高校有分析化学重点学科。2.JournalofAmericanChemicalSociety①2002-2009.9此刊上共发表论文24505篇，中国大陆发表1090篇，占4.5%左右，排在第七位。②2007-2010年，中国大陆的论文数超过了德国、英国和法国，上升为第四名。③说明分析化学发展情况与化学学科整体发展水平是同步的。中国科学院仍占第一位。发表论文的前10各单位中有两所香港的大学，他们分析化学不强但整个化学学科很强。前10个单位的论文总数占中国论文的80%。有趣的是，湖南大学、清华大学、浙江大学、武汉大学的AnalyticalChemistry论文在前10位，但JournalofAmericanChemicalSociety论文未进前10位。吉林大学则相反。这一定程度反映了学科的发展，综合大学应注意各学科的平衡发展。1090篇JournalofAmericanChemicalSociety论文中涉及分析化学的占25%，其中各方法比例为接近一半为与光谱方法有关，有1/4涉及核磁共振，，色谱、质谱减少，说明：在化学研究的前沿领域，光谱和核磁共振是主要研究方法。3.AngewandteChemieInternationalEdition从2002~2009.9，AngewandteChemieInternationalEdition共发表论文11594篇，中国科学家论文数为751，排在第五位2007~2009.9，中国科学家论文数排名上升到第四位中国科学家论文数为751中涉及分析化学126篇，占17%，其中核磁共振比例小些，其他新兴方向多一些，反映该刊物注重新技术发表分析化学论文的有一部分不是分析化学家，说明科学的发展离不开学科间的交叉与合作。化学的各个分支更应该强化交叉研究，从个做出更有创新意义的成果。这几个顶级刊物的论文看，中国内地高校化学学科占优势的有：北京大学、复旦大学、南京大学、南开大学、吉林大学、厦门大学和中国科技大学。而分析化学较强的高校为：北京大学、南京大学、复旦大学、湖南大学、南开大学、清华大学、武汉大学、浙江大学、中国科技大学和厦门大学。1.3.4重要成果1.光谱领域

20世纪末高科技的飞速发展极大地推动了光谱分析的发展。特别是超强光源：如激光光源的出现、超高分辨率分光器的发展、高灵敏度检测器件的应用，以及光导纤维技术、等离子体技术和纳米技术的发展，为光谱分析提供了重要的技术支撑。此外，光谱技术与各种分离、分析技术的联用，产生了很多新的研究领域和新的交叉点，在生物大分子超高灵敏度分析、实时与动态检测、表面与微区分析及高通量分析等方面发挥着越来越重要的作用。在原子光谱方面，连续光源的原子吸收仪器已经实现；等离子光谱技术在多元素的同时检测领域已经发展成为常规的手段;等离子质谱技术与现代分离技术的结合，在元素形态分析、单粒子与单细胞分析及蛋白质绝对定量方面显示出巨大的潜力。基于激光解离-等离子质谱联用的成像技术，在生物组织的超痕量元素分布研究中正在发挥重要的作用，金属组学已经成为元素分析研究最令人激动的一个原子光谱新的研究方向。在分子光谱领域，量子点的出现极大地改变了人们对发光分析研究的传统观念，基于量子点标记及编码标记的超高灵敏度免疫分析和DNA杂交技术为这一领域的发展带来了新的机遇与挑战。荧光蛋白的表达及在生命科学中的应用，使得其在获得诺贝尔奖之前已经成为细胞生化分析和荧光成像分析的常规手段。光子晶体在分子发光分析中的应用，已开始受到人们的重视，也许会成为下一个研究的热点。基于分子信标和分子印迹技术的发光传感器研究为光学传感器的高选择性提供了重要的途径。化学发光和生物发光分子作为一个传统的分子发光领域，纳米材料的化学发光研究为这种传统方法增添了新的亮点。在荧光分析方面，近场光学技术、消失波诱导的荧光技术及双光子与多光子荧光技术等为单分子与单细胞分析提供了强有力的技术手段，光谱技术与超快成像技术结合而发展的光谱瞬时成像技术，提供了一种有效地观察生物体中单分子迁移的方法。表面等离子体共振光谱及其成像技术已经发展成为研究生物分子相互作用的原位和在线分析手段。振动光谱是分子光谱分析的另一个重要分支，红外和拉曼光谱在分子的结构分析方面有十分重要的作用，近年来受到很大的重视，也取得了瞩目的发展。表面增强拉曼光谱分析技术已经超过了荧光分析技术的灵敏度，成为单分子分析的重要手段，基于针尖增强的拉曼光谱大大提高了空间分辨率，为光谱成像技术在纳米尺度的应用提供了有效的途径。特别值得关注的是最近出现的飞秒激光与傅里叶红外光谱技术结合发展出的二维（多维）红外光谱方法，有可能成为二维核磁以后的一种新的蛋白质结构解析的手段。红外和拉曼光谱在临床疾病诊断方面的应用也成为一个新的关注点。我国光谱分析有悠久的历史，最近几年，我们在荧光小分子探针的合成及其活体细胞分析等应用方面取得了较好的成果，一些论文发表在有影响的刊物上。在量子点的分析方法及生物应用方面，我国科学家也取得了很大的进展，但整体来看，原始创新尚不多，大部分工作是继承性创新或快速跟踪的结果。原子光谱分析方面，我国学者在基于稳定同位素分析的ICP-MS技术用于蛋白质绝对定量方面开展了一些超前的工作，因此，在金属组学这一国际刚兴起的研究方向有较高的地位。此外，我国学者在共振光散射研究方面独树一帜，发表了不少论文，引起了国内外同行的高度关注。2.电分析化学领域国内的电分析化学研究、研究队伍和国际交流与其他分析化学分支相比一直是与国际最接轨、最整齐、最广泛的。目前国内外的状况是电分析化学研究更侧重于生命和环境科学，而物理电化学更侧重于能源科学与表面科学。我国学者近几年在电分析化学领域的主要成就：第一，新型材料在电分析化学中的应用（近几年来国内外研究热点）。材料如：各种碳材料（C60系列、碳纳米管、石墨烯等）、纳米粒子、生物材料（核酸适体和分子信标等）和离子液体等。第二，生命过程中的电分析化学探讨（纳米电极、电化学成像、软界面和单分子单细胞）近年来，电分析化学重点研究的另一个重点是发展各种新方法和改进电化学技术，以及与其他测试技术联用，构建生命电分析化学的研究平台，探讨生命过程中各种信号的定性、定量提取，并试图达到实时、动态、高灵敏度、高通量。3.色谱和微-纳流控领域1）色谱和毛细管电泳方法2）微-纳结构的加工技术4.质谱领域目前国际质谱分析的飞速发展涉及仪器和应用（蛋白组学、代谢组学、金属组学）两方面。5.核磁共振领域核磁共振是一种波谱学研究手段，能够在无损和无侵入的条件下提供物质（器官和组织等）的宏观形态、高精度的分子微观结构、分子间的相互作用及其动态的过程等不同空间尺度和不同时间尺度的丰富信息。世界各国对NMR研究的支持强度不断升级。如美国1978年开始建立了多个NMR科学研究中心。日本早在1997年投了大约5亿美元在横滨建立了NMR园区，开发新的NMR谱测定蛋白质结构。欧盟联合著名的德国NMR谱仪公司Bruker投入了2亿欧元，建立了25台700~900MHz的仪器。我国相对滞后。6.化学计量学领域化学计量学是数学、统计学、计算机科学与化学相结合而形成的化学分支学科。它应用数学、统计学和其他方法和手段选择最优试验设计和测量方法，并通过对测量数据的处理和解析，最大限度地获取有关物质系统的成分、结构及其他相关信息。7.生命科学领域1）分子识别与组装的基础科学问题及其传感应用2）化学生物学研究新方法3）生命过程达的化学本质研究4）生物标志物的甄定与重大疾病的早期诊断与预警5）代谢组学与食品安全风险评价的基础研究6）能量转换与利用7）纳米材料的生物功能化与生物电子器件研究8.环境分析领域环境分析化学的任务是运用现代科学理论和实验技术分离、识别与定量测定环境中相关污染物质的种类、组成、成分、含量、价态与形态。特点是涉及范围广、研究对象复杂、使用手段多。总体讲，环境分析化学在采样、样品前处理、分析测定和数据处理应用诸方面取得了较快的发展，为环境科学的前沿问题的研究和解决提供了有力的支撑。

1.4未来5年本学科领域的发展布局、优先领域及与其他学科交叉的重点方向

1.4.1发展布局分析化学未来几年的发展策略应该是：注重长期积累，厚积薄发；结合国家需求，自主创新；提倡前瞻研究，减少跟踪研究；营造宽松环境，鼓励交叉。分析化学发展的方向：高灵敏度、高选择性、高信息量、快速、简便、原位和经济，以及仪器的微型化、自动化、数字化，并向智能化、信息化纵深发展。诸多领域的快速发展为分析化学提供了广阔的发展空间和机遇，同时也不断向不同分析技术提出挑战。分析化学的发展应以解决重大科学问题为核心任务，并在解决问题的同时发展分析化学。因此，我们要以生命科学、环境科学、食品科学、材料科学和国家安全等诸多领域中的科学问题为对象，开展分析化学的原理、方法、技术和仪器装置的创新研究与应用研究。1.4.2优先领域根据目前分析化学的国内发展现状及国际上发展趋势，拟提出如下分析化学各分支学科的优先研究领域。1.光谱领域(1)高灵敏度和高选择性的光学探针及其在单细胞中生物分子分析中的应用；(2)超快光谱分析；(3)高分辨乃至单分子的光谱成像技术；(4)基于光学原理的传感器与传感阵列；(5)化学发光和生物发光；(6)原子光谱在金属组学研究中的利用。2.电分析化学领域（1）功能化仿生界面的构筑、表征与应用；（2）纳米电分析化学；（3）新型电分析化学仪器与装置的研制；（4）生命电分析化学的基础与应用研究；（5）各种新技术与电分析化学技术的联用。3.色谱和微-纳流控领域（1）样品前处理技术；（2）联用方法和多维技术；（3）新型分离介质的研究；（4）微-纳尺度分离设计理论及其在临床医学、药物筛选和重大疾病诊断方面的研究；（5）高集成度微-纳流控芯片研究。（6）微纳系统的创新性进样理论、方法合技术。4.质谱领域（1）面向蛋白质科学研究的新方法和新技术；（2）代谢组学研究；（3）质谱成像；（4）高分辨率、快速和高灵敏质谱分析仪器研究；5.核磁共振领域（1）核磁成像新技术；（2）临床神经学和脑神经科学研究；（3）活体成像分析；（4）分析间相互作用研究；（5）蛋白质结构分析6.化学计量学领域（1）采样理论、实验设计与优化；（2）分析信号检测和处理及分析校正；（3）化学模式识别和图像分析；（4）统计学、统计方法、分析信息理论和定量构效关系；（5）人工智能、专家系统和人工神经元网络与自适应化学模式识别。7.生命分析领域（1）生命分析化学新原理与新方法的研究；（2）靶标发现新技术；（3）人类健康与疾病相关的分析化学基础研究；（4）食品安全、公共安全检验检疫；（5）极端条件下的监测技术；（6）生命分析仪器的研制。8.环境分析化学领域（1）新方法、新技术研究；（2）样品采集及前处理技术；（3）原位及形态分析；（4）分析方法的标准化及质量控制；（5）环境分析仪器。1.4.3分析化学的重点方向近期分析化学学科的重点研究方向有：(1)复杂样品处理(2)生物活体分析(3)生物分子识别与生物能量转化的基础研究(4)生物单分子行为与单细胞分析及在体、实时成像；(5)仿生分析方法研究；(6)成像分析新方法；(7)极端条件下