光谱分析化学研究进展及若干前沿问题

       -国家自然科学基金委化学部光谱分析化学发展战略研讨会记要

 

由国家自然科学基金委员会化学部主办,厦门大学承办,清华大学协办的“光谱分析化学发展战略研讨会”于2004年12月58日在风光秀丽温暖如春的厦门召开了。会议汇聚了全国近50位光谱/质谱分析化学界德高望重的老先生、年富历丰的中年学者、风华正茂的青年才俊,从光谱/质谱分析发展的战略高度共同探讨了三个主要议题:(1)当前光谱/质谱分析化学研究中的重大科学问题;(2)十一五期间光谱/质谱分析化学的发展战略、前沿领域和新的生长点;(3)光谱/质谱分析化学人才的发现与培养。中科院院士黄本立先生以诙谐幽默的开场白“朋友是老的好,手机还是新的好”拉开了会议的帷幕。国家自然科学基金委化学部庄乾坤教授作了题为“国家自然科学基金委员会化学部分析化学学科发展战略及优先资助领域”的大会报告。随后,与会的专家学者建言献策,畅所欲言,通过“主题报告”、“主题发言”和“集体讨论”三种形式,充分表达了自己的观点和建议,并形成了以下五方面的光谱/质谱分析化学重大科学问题和新的生长点:

一、金属组学研究━原子光谱/质谱分析化学的发展机遇和挑战

元素的存在形态与其生物功能和环境行为密切相关。以探知元素存在形态为目的的分析方法学研究已历时近30年,这期间经历了化学的元素“组态分析(Fractionation)”,以及以联用技术为主要手段,在分子水平上获取元素存在状态信息的“形态分析(Speciation)”的发展历程。由于分析化学研究往往重视元素/化合物含量和存在状态的检测和鉴定,较少涉猎其生物功能和环境行为;而生命科学和环境科学则偏重生物效应和环境行为研究,对产生原因的认知及其机理的研究相对匮乏。因此,分析化学家目前的挑战是如何填补两者之间这一“真空”地带,特别是对以微量元素和其形态分析为特征的原子光谱/质谱分析化学研究者来讲,这是一次严峻的挑战,也是一个难得的发展机遇。最近,日本名古屋大学分析化学家Haraguchi教授提出了一个融合原子光谱/质谱分析和分子生物功能研究的崭新研究领域-金属组学(Metallomics),引起了世界范围内该研究领域科学家们的广泛关注。金属组学研究方向在本次会议上同样受到了与会学者的极大关注。大家一致认为,金属组学是继蛋白组学和代谢组学之后生命科学发展的一个新的热点和研究前沿,需要引起我国学者的广泛关注和积极参与。我国在元素形态分析领域的研究虽然投入较少,但应该说在知识和研究水平上是与欧洲、美国和日本同步发展的。随着国家在重点高校和科学院实施的“211”、“985”及“知识创新工程”的大力投入,研究所需的硬件条件有了很大的改善,我们现在已经有条件开展这一领域的研究并可能为其发展做出贡献。

二、新型荧光探针━荧光量子点

生命科学研究的快速发展推动了具有高灵敏检测特点的荧光和化学发光分析的进一步发展。具有可识别功能的新型荧光探针的合成,特别是纳米荧光量子点分析技术的提出,在基因和蛋白质分析过程中发挥了重要作用并显示出进一步的应用潜力。尤其在细胞成像方面,通过观察量子点标记分子与其靶分子相互作用的部位,及其在活细胞内的运行轨迹,可能为信号传递的分子机制提供线索,为阐明细胞生长发育的调控及癌变规律提供直观依据,这是目前常用的有机荧光染料无法实现的。量子点技术与芯片技术结合还可能创造超高通量分析各种靶分子和药物高速筛选的技术平台,并对细胞生物学和生物医学产生深远影响。荧光探针研究在我国已有很好的基础,近几年国内学者在探针分子的合成、分子识别以及相关机理研究方面取得了多项成果,并发表在了一些重要刊物上。特别是随着荧光量子点研究在国际上的兴起,这一方向也引起了我国光谱工作者的重视,在这次会议上,参会专家从量子点的合成、表面修饰、与生物分子的偶联、在免疫分析和DNA分析中的应用以及生物成像分析等方面介绍了自己的研究成果。讨论中,大家对这一研究所存在的问题也进行了深入探讨,特别是张展霞教授提出的“不能只是跟踪,要有自己的创新思想”的评论很有见地,值得我们从事这一研究方向的学者深入思考。

三、分析仪器/部件的研制━基础研究的基础

“工欲善其事,必先利其器”。没有人会否认分析仪器在科学发展过程中所发挥的巨大作用,新型仪器的出现无不加速科学的发展或因此诞生新的学科门类。日本岛津仪器公司的工程师田中耕一因在蛋白质的软离子化方面的开拓性工作获得2002年的诺贝尔化学奖就是一个突出的例证,实际上他只是创制了一个质谱仪的“离子化部件”。理论用于解释已有的现象,而工具用于发现新的理论。分析仪器/部件的研制是分析化学/分析科学学科的重要内容之一。我国近年来在“微型、便携、超高速、超灵敏及高度自动化的光谱分析仪器”方面的研究十分活跃,作为实现单原子、单分子分析,固体的微区采样,炉前“不取样”分析,实时动态分析等的有效途径之一的激光技术,在光谱分析化学中的应用也得到了长足的发展。随着基础化学、材料、生命和环境科学研究的进一步开展,新的问题和“现象”不断出现,对具有独特功能的新仪器/部件的创制的要求将更为迫切。分析仪器研究是本次会议讨论最为热烈的焦点之一,多位学者强调分析仪器研究的定位应该是分析化学的“基础研究的基础”,而不是过去被许多人认为的“应用基础研究”。因此,分析仪器研究应该成为国家自然科学基金重点资助的基础研究方向。一些学者还认为,我国目前分析仪器研究的落后状态在很大程度上是由于过去定位不准确造成的。正是由于我们以前没有强调分析仪器研究的基础研究性质,缺少在分析仪器的原理方面的基础创新性成果,导致仿制成为我国分析仪器制造的主要途径。与会代表建议,今后基金委应加大对分析仪器基础研究的支持力度,使我国分析仪器的创新研究取得实质性进展。

四、基础理论研究━破译分析信号的钥匙

分析信号的获取是定性和定量分析的基础,对产生分析信号本质和机理的认识是实现分析结果准确度的保证,特别是对复杂体系中单一目标分析物的检测尤为重要。环境和生命体系中物质间的相互作用非常复杂,而且往往是小分子和大分子、大分子和大分子之间的相互作用,利用传统的小分子化学理论对复杂体系中分子间的相互作用机制和影响分析信号产生的因素进行解释和辨析显然是不充分的。光谱/质谱分析化学必须对原有的理论进行补充、修正乃至发展新的理论和分析方法学,以适应不断变化的分析对象和日益复杂的分析体系的要求,保证分析结果的科学性。

五、光谱/质谱分析化学-通过学科交叉推动相关学科的发展

生命科学、材料科学及环境科学中的科学家们都已经认识到分析化学的重要性。对原子/分子的识别是解释生物分子的功能、材料性能和标靶分子的环境行为的基础,适于特定体系和特殊样品的光谱/质谱分析方法学的研究将推动生命、材料和环境等相关学科的发展,同时带动光谱/质谱分析化学自身的不断完善。

创新是光谱/质谱分析化学发展的灵魂。盲目跟踪、追星不登大雅之堂。然而,创新是建立在不断地积累基础之上的,需要温故而知新。

            

                                     撰稿人:王秋泉、张新荣、庄乾坤)