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創(chuàng)新儀器儀表研發(fā)思路分析
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http://china-zesir.com 發(fā)稿日期:2008-2-27
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一.加速分析儀器發(fā)展刻不容緩
據(jù)美國國家工業(yè)技術(shù)研究院(NIST)統(tǒng)計(jì)，美國每天要完成2.5億個(gè)檢測(cè)，需要大量種類繁多的分析和檢測(cè)儀器。上世紀(jì)90年代初，美國商業(yè)部國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)評(píng)估儀器儀表工業(yè)對(duì)美國國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值(GNP)的影響作用的調(diào)查報(bào)告就稱：儀器儀表工業(yè)總產(chǎn)值雖只占工業(yè)總產(chǎn)值的4%，但它對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的影響高達(dá)66%。
值得欣慰的是我國分析化學(xué)界對(duì)此有著清醒的認(rèn)識(shí)。早在1995年6月，就召開了“21世紀(jì)的分析科學(xué)”香山學(xué)術(shù)討論會(huì)。這是一次具有歷史意義的會(huì)議。香山會(huì)議在討論發(fā)展分析科學(xué)與發(fā)展我國分析儀器工業(yè)的關(guān)系時(shí)，與會(huì)學(xué)者強(qiáng)烈支持盧嘉錫等20位院士提出的“振興中國儀器儀表工業(yè)”建議。認(rèn)為分析科學(xué)水平位居世界前列的先進(jìn)國家基本上均是分析儀器生產(chǎn)大國，其分析儀器的產(chǎn)值在國民生產(chǎn)總值與對(duì)外貿(mào)易總額中占有相當(dāng)?shù)念~度。我國分析儀器的發(fā)展尚處在比較落后狀態(tài)，我國科研上的投入有大量資金消耗在引進(jìn)國外分析儀器上。與會(huì)者呼吁：大力支持以我國分析工作者自己的新學(xué)術(shù)思想構(gòu)思為根基的分析測(cè)試系統(tǒng)的研制，積極發(fā)展有關(guān)分析儀器智能化等方面的化學(xué)計(jì)量學(xué)與接口技術(shù)研究，努力促進(jìn)適合我國國情與具有本國特色的新型分析儀器的研制;應(yīng)鼓勵(lì)分析儀器生產(chǎn)廠家利用和進(jìn)一步開發(fā)分析科學(xué)工作者創(chuàng)造的新分析儀器系統(tǒng)，對(duì)他們將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的努力給予支持與鼓勵(lì)，而對(duì)購置進(jìn)口分析儀器，以及盲目引進(jìn)我國分析工作者有能力研制的分析儀器生產(chǎn)線要進(jìn)行限制。建議考慮對(duì)分析科學(xué)在這方面的研究工作實(shí)施基金扶持，以及制定激勵(lì)本國分析儀器及相關(guān)工業(yè)發(fā)展的政策等。這些認(rèn)識(shí)及建議，具有前瞻性，可謂高屋建瓴;遺憾的是，我國相關(guān)決策及管理部門對(duì)此重視不足。
目前我國科學(xué)儀器總體水平與國際先進(jìn)水平已存在明顯的差距。自主研發(fā)投入少，核心技術(shù)不多;市場(chǎng)巨大但卻主要依靠進(jìn)口，科學(xué)研究“空芯化”現(xiàn)象嚴(yán)重，使得我國科技創(chuàng)新面臨十分不利的局面。
今年6月，中國儀器儀表學(xué)會(huì)等在北京人民大會(huì)堂舉辦了“儀器科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展——王大珩院士關(guān)于科學(xué)儀器重要思想報(bào)告會(huì)”。王老認(rèn)為：儀器儀表看似“配角”實(shí)為“核心”。會(huì)議提出要以儀器科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展為著眼點(diǎn)，大力開展創(chuàng)新方法研究，全面提升自主創(chuàng)新能力;應(yīng)當(dāng)把儀器和機(jī)器放到同等地位上，把儀器工業(yè)與機(jī)械工業(yè)同等看待。儀器是機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科和先進(jìn)技術(shù)綜合作用下的高技術(shù)產(chǎn)物。會(huì)上，國家科技部劉燕華副部長強(qiáng)調(diào)指出：要將科學(xué)儀器設(shè)備自主創(chuàng)新擺在科技工作的突出位置。
8月，北京召開了“國產(chǎn)科學(xué)儀器應(yīng)用、創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化學(xué)術(shù)研討會(huì)”，與會(huì)代表近200人�？萍疾織l財(cái)司吳波爾司長就“大力發(fā)展科學(xué)儀器設(shè)備切實(shí)增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力”作了大會(huì)報(bào)告。在肯定我國科學(xué)儀器成績的同時(shí)也提出了不足，并為國產(chǎn)儀器設(shè)備發(fā)展指明了的思路和方向。
我們應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到自主研發(fā)科學(xué)儀器意義重大。從某種意義上說，誰掌握了最先進(jìn)的科學(xué)儀器，誰就掌握了科技發(fā)展的優(yōu)先權(quán)、人民健康的保障權(quán)、商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定權(quán)以及突發(fā)事件的主動(dòng)控制權(quán)。因此，加速分析儀器發(fā)展，刻不容緩。
二.發(fā)展分析儀器需要思路創(chuàng)新
分析檢測(cè)技術(shù)和分析儀器是人類認(rèn)識(shí)自然、了解物質(zhì)構(gòu)成及其變化必不可少的技術(shù)手段，是人類感官功能的延伸和發(fā)展。100多年來它伴隨著科技和社會(huì)發(fā)展而不斷進(jìn)步，同時(shí)，其發(fā)展又推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。
《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》提出，我們必須堅(jiān)持“自主創(chuàng)新、重點(diǎn)跨越、支撐發(fā)展、引領(lǐng)未來”的方針，通過加強(qiáng)科學(xué)儀器自主研發(fā)，以及監(jiān)測(cè)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、勘探測(cè)試技術(shù)等工作的戰(zhàn)略部署，采取原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新等自主創(chuàng)新模式，結(jié)合學(xué)科發(fā)展和國家需求，進(jìn)一步加強(qiáng)分析儀器及裝備研究發(fā)展工作。同時(shí)指出，科學(xué)儀器自主創(chuàng)新在國家層面上的具體發(fā)展思路包括：1)要特別開展一些科學(xué)儀器的新原理、新設(shè)計(jì)、新工藝的研究和開發(fā);2)要充分集成光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、物理、化學(xué)、生物等方面力量，綜合運(yùn)用激光、超導(dǎo)、納米、生物芯片、MEMS技術(shù)等高新技術(shù)，加強(qiáng)重要科學(xué)儀器的自主研發(fā)。攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)和核心部件，研制與生命科學(xué)、材料科學(xué)等新興領(lǐng)域相關(guān)的重大科學(xué)儀器。研制涉及我國獨(dú)特資源和獨(dú)特環(huán)境的科學(xué)儀器，研制與大科學(xué)裝置配套的重要科學(xué)儀器;3)開展科學(xué)儀器升級(jí)改造技術(shù)研究開發(fā)，加強(qiáng)重要科學(xué)儀器消化吸收再創(chuàng)新，研究開發(fā)與現(xiàn)有科學(xué)儀器配套的關(guān)鍵部件，拓展現(xiàn)有科學(xué)儀器功能，提升其性能指標(biāo);4)高度重視科學(xué)儀器的輔助設(shè)備的研究開發(fā);5)加強(qiáng)科學(xué)儀器成果二次創(chuàng)新等。
而研發(fā)分析儀器的思路創(chuàng)新首先應(yīng)該建立在對(duì)現(xiàn)代分析化學(xué)理論及應(yīng)用的科學(xué)理解基礎(chǔ)之上。所謂現(xiàn)代分析化學(xué)，一般認(rèn)為是研究檢測(cè)物質(zhì)組成、含量、結(jié)構(gòu)及狀態(tài)和研究解決各種化學(xué)理論及實(shí)際問題的測(cè)試方法及其相關(guān)理論的一門科學(xué)(分析科學(xué))。針對(duì)復(fù)雜分析化學(xué)問題，一般思路是先將復(fù)雜問題簡單化，分而析之，然后加以綜合。
各種分析方法的基礎(chǔ)一般可分為利用物質(zhì)與場(chǎng)的相互作用、利用化學(xué)中的幾大矛盾(四大化學(xué)平衡、抗原與抗體、酶與底物、蛋白活性激發(fā)與抑制)以及先分離后檢測(cè)等多類。常用的分離方法包括：揮發(fā)與蒸餾、沉淀與過濾、萃取、經(jīng)典色譜、離子交換、浮選、電泳、膜分離等;此外，尚有離心、密度梯度、透析、電滲透等。現(xiàn)代分離方法包括：固相萃取與微萃取、超臨界萃取、微滴萃取、微波萃取、色譜分離、毛細(xì)管電泳等。已有許多分析儀器就是利用上述方法原理研制發(fā)展起來的。最常用的色譜類分析儀器就是先分離后測(cè)試相結(jié)合的實(shí)例。
現(xiàn)代分析化學(xué)，不僅需要定性分析，更需要定量分析;策略上，一般遵循相對(duì)分析原理。定性分析，需要參照物，需要考慮專一性(選擇性)、靈敏度等;定量分析，則需要標(biāo)準(zhǔn)物，需要考慮選擇性、線性范圍、檢測(cè)下限等品質(zhì)因數(shù)。綜合考慮定量分析過程中涉及的標(biāo)準(zhǔn)樣、預(yù)測(cè)樣、測(cè)量原理、測(cè)量儀器以及測(cè)量選擇性、背景干擾、基體效應(yīng)等因素，我們認(rèn)為，分析儀器發(fā)展需要方法學(xué)思路創(chuàng)新�！皵�(shù)學(xué)分離”可以成為研發(fā)分析儀器的創(chuàng)新點(diǎn)，促進(jìn)分析儀器跨越式發(fā)展。所謂“數(shù)學(xué)分離”，一般是指利用數(shù)學(xué)方法處理復(fù)雜體系的復(fù)合響應(yīng)信號(hào)，以獲得復(fù)雜體系各組分相應(yīng)特征信號(hào)，可進(jìn)一步進(jìn)行組分定性和定量分析，從而達(dá)到與先分離后分析相同的效果。這一過程，又可稱作“數(shù)學(xué)分離”過程�！皵�(shù)學(xué)分離”一般基于三維數(shù)陣分析。利用“數(shù)學(xué)分離”與現(xiàn)代多通道測(cè)試手段相結(jié)合，可以研發(fā)系列新型分析儀器。
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