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1、第一章分析化学学科发展战略 化学与化工学院 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 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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 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 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 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 教育部重点实验室4个 武汉大学 西
7、南大学 青岛科技大学 河北大学 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 中国科学院重点实验室1个 中科院大连化学物理研究所 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 现有杰出青年基金获得者一批 教育部 邵元华 严秀平 鞠熀先 夏兴华 林金明 李景虹 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 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
8、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 AnalyticalChemistry 2001 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 JournalofAmericanChemicalSociety 2002
9、 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 2007 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 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
10、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1
11、26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
12、 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
13、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
14、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
15、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
16、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
