原始性創新是21世紀分析化學面臨的最根本挑戰

　　原始性創新是21世紀分析化學面臨的最根本挑戰

　　陳洪淵

　　(南京大學化學化工學院，南京210093)

　　[摘要」在21世紀，原始性創新是科學技術領域包括分析化學在內的最根本的挑戰。為了實現

　　原始性創新，人們必須摒棄舊觀念，接受新理念;而且還首先要樹立起為國家目標和高科技發展服

　　務的思想和參與國際競爭的意識。

　　文中指出了我國分析化學家擔負著利用最新科技成就，發展基于新理論、新原理的分析方法和

　　技術，并創造具有自主知識產權的新儀器設備的歷史使命。文中著重闡述了分析化學的前沿領域

　　和有待解決的核心科學問題。而且，文中還提出強化國家自然科學基金的資助是動態培養高級科

　　技人才、孕育原始性創新思想和最終促進國家戰略目標實現的一條有效途徑。

　　〔關鍵詞〕原始性創新，挑戰，分析化學前沿領域，分析化學發展戰略，國家自然科學基金

　　“創新”是推動科學技術與社會進步的法寶，是

　　科教興國的靈魂，也是國家民族振興的靈魂。本文

　　從幾個方面談談關于如何推動我國分析化學發展與

　　創新的一點思考和淺見，與同仁們一起探討。

　　更新理念促進原始性創新

　　毫無疑問，創新是科學技術和社會生產發展的

　　需要，它將推動分析化學的發展和變革;而分析化學

　　的發展又將作用于科學技術和社會生產。

　　分析化學在20世紀經歷了三次重大變革，如今

　　已進人分析科學時代。有識之士早就預言:“未來的

　　21世紀是光明還是黑暗取決于人類在信息、能源、

　　資源(材料)、環境和健康領域中科學和技術上的進

　　步，而解決這些領域中的關鍵問題將是分析科學。”

　　這一認識已被越來越多的人所接受。

　　分析化學在科學技術中不可或缺的作用和地位

　　已是毋庸置疑的事實。上個世紀末“人類基因測序”

　　被認為是一項像人類登月一樣的偉大工程，在該工

　　程面臨進展緩慢的困難時，是分析化學家對毛細管

　　電泳分析方法的重大革新，使這項偉大的工程得以

　　提前完成，從而揭開了后基因時代的序幕。1999年

　　比利時布魯塞爾發生的飼料二惡英污染中毒事件引

　　起全球消費者的恐慌，導致比利時內閣被迫集體辭

　　職，當時也是分析化學家拯救了比利時。2002年獲

　　得諾貝爾化學獎的3位科學家都是因為率先建立了

　　新的測定生物大分子的方法而獲此殊榮。化學和物

　　理學等諾貝爾獎的得主，約有1 /3-1/4是提出創新

　　測試方法的科學家。由此足見分析測試在人類科學

　　技術和社會發展中的重要性。

　　21世紀的四大科學領域，即:生命科學、信息科

　　學、材料科學和環境科學，特別是生命科學與環境科

　　學的發展，向分析化學提出了更高、更嚴峻的挑戰。

　　盡管分析化學面對的門類繁多，分析方法千差

　　萬別，分析的對象五花八門，但總是要求:測定的方

　　法更靈敏、更有選擇性和專一性，獲得的數據更準

　　確、更快速，涉及的時空尺度更廣闊，得到的信息更

　　多維，測定的體系、環境更微小，所用的樣品更微量

　　等等;而且還要求遙感遙測、或在極端條件下或現

　　場、在體、在線、無損檢測等等。而其中靈敏、準確、

　　快速、自動、智能則是任何時候都追求的永恒主題。

　　當代分析化學吸收了現代各種科學技術領域的

　　成就，利用任何可以利用的物質性質，用來改進老方

　　法，創造新方法，使分析化學不斷向時空延伸，擴大

　　了人類的視野，解決了一個又一個實際問題，為科學

　　王、丹皿攀詐淞今，no‘價5彗

　　中國科學院院士.

　　本文于2003年5月26日收到

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　　中國科學基金2003年

　　技術發展和生產建設提供了有力武器。

　　回顧分析化學的發展可以看出，每當一種新原

　　理的應用或一種新方法的引人，諸如新的化學反應、

　　化學平衡、界面現象、膠囊介質、固定化方法、吸附與

　　脫附、萃取與反萃取、免疫反應、色譜、電化學、光譜

　　學(顯象學)、傳感器與傳感技術、聯用技術、專家系

　　統、化學計量學、過程控制、圖象檢測、成像技術、軟

　　件平臺、自動化技術、納米科技、生化技術、PCR、激

　　光和等離子體等等都導致了新方法的出現，為科學

　　技術、國民經濟和社會發展作出了貢獻，同時也促進

　　了分析化學學科自身的迅速發展。

　　雖然一般方法的改進可以解決一些實際的分析

　　問題，但這種適用面有限的個案，還只能說“舊瓶裝

　　新酒”、“老樹開新花”。而基于新原理而建立和發展

　　的新方法，則將形成新的生長點，拓寬應用領域產生

　　新的理論。這種創新才是源頭的創新。如20世紀

　　后期，基于微機電加工技術在分析化學中的應用而

　　產生的微流控全分析系統，顯示出巨大的優越性，從

　　而成為一種極富生命力的生長點，這是一種源頭的

　　創新。隨后提出的“Lab-ona-chip"，即“芯片實驗室”，

　　乃是一種新的理念。一種新理念一旦形成，就會帶

　　來一片蓬勃發展的生機!當今，基于“Lab-on-a-chip"

　　這一理念，國際上已經創辦了新的雜志，并已定期舉

　　行了幾屆國際會議。這一研究領域在全世界迅速展

　　開，它將分析化學帶人一個全新的境界，將又掀起一

　　場巨大的革命。回顧分析化學引起巨大變革的歷

　　史，莫不因新方法導人引起整個理念的變化而形成

　　的。

　　要創新，首先還需要觀念上的更新。在我國科

　　學界有時也會出現一種重科學輕技術的現象。科學

　　與技術本是一對孿生兄弟，密不可分。固然這二者

　　各有側重，科學重在發現自然規律;技術重在利用自

　　然規律來發明創造新手段、新工具，以解決生產、科

　　技和社會的需要提出的問題。但兩者互相依存，互

　　為因果。分析化學既包含科學又包含技術，它擁有

　　自己的理論體系和內涵，但它又是一門實驗性、技術

　　性很強的學科。化學在20世紀作為核心科學為人

　　類作出了重大貢獻，這自然包含了分析化學的貢獻。

　　就以當今被認為是帶頭學科的物理學，也是理論物

　　理、實驗物理和計算物理，三分天下各居一。科學與

　　技術互相依存、滲透、關聯，各司其職，本來就不能分

　　所謂誰重要誰不重要，誰高誰低的!其實，這一點誰

　　都承認。可是在分配資源的時候，往往就有倚重倚

　　輕之分了。以往，分析化學就因為手中不掌握產品

　　而常受“冷遇”。事實上，世界上科技、生產越是發達

　　的國家，越看得清分析化學學科發展的重要性。被

　　認為科技超級強國的美國，當今大約20萬化學家中

　　就有 1/5為分析化學家，在各個技術部門尤其在生

　　命和環境科學領域發揮著至關重要的作用，歐洲和

　　日本也如此。我國的分析化學應當為科教興國、奔

　　赴小康，努力挑起重擔，為實現國家的四個現代化作

　　出更大的貢獻。

　　事實上，分析化學的創新任務特別艱難而繁重!

　　分析化學家更需要敬業、執著，沖破禁錮，解放思想，

　　自強不息，大膽創新。“創新”從某種意義上說是長

　　期潛心、執著研究的積累在特定情況下的閃光，掀翻

　　束縛而在目標方向上的突破，使科學和技術有了跳

　　躍式的前進。創新既不憑空想象也不靠運氣，而必

　　然孕育于積累，而后才能產生靈感和躍進。當代科

　　學技術的創新，還必須付出極為辛勤的勞動，是“十

　　年磨一劍”的結果，甚至要花畢生的精力。

　　總而言之，分析化學尤其在生命科學和環境科

　　學中的重要性已毋庸置疑，分析化學是大有“創新”

　　可為的;加大對分析化學的支持力度是推動分析化

　　學發展以滿足客觀需要的必要條件。然而分析化學

　　家更新觀念亦非常重要，從理念上創新走向源頭創

　　新，這是分析化學發展的關鍵。

　　2 樹立“以人為本、兼收并蓄、服務為先”的

　　理念，加強為國家目標服務的意識，以任務推

　　動學科發展，以創新支撐學科建設

　　分析化學要創‘品牌’，要做出重要貢獻，不斷滿

　　足需要者的期待，才能得到更多的支持。分析化學

　　的研究對象是如此之廣泛，當今需要分析化學介人

　　的機會又是如此之多，只要我們介人的意識加強，路

　　子就會越走越寬。我們一定要有新思路，樹立“以人

　　為本、兼收并蓄、服務為先”的理念。“以人為本”就

　　是:尊重人才、愛惜人才;支持科學家進行好奇心驅

　　動下和情有獨錘的研究，以尋求新發現;鼓勵探索，

　　寬容失敗;弘揚科學精神，提倡學術爭鳴，廣開言路，

　　保護不同意見;構建創新環境和營造創新文化。“服

　　務為先”就是把解決問題放在第一位，即使是搞基

　　礎研究，同樣也要增強為社會服務的意識;對于原始

　　性創新，也不能游離于國民經濟發展的進程之外，應

　　緊緊圍繞現代化建設的需要開展科技攻關，到科技

　　的第一線去尋找核心的科學問題，積極將自己的科

　　技成果移植到新的領域，或轉化為現實生產力，為經

　　濟建設服務。分析化學同樣有為科學與技術發展和

　　第5期

　　陳洪淵:原始性創新是21世紀分析化學面臨的最根本挑戰

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　　國民經濟服務的職能，責無旁貸。“在服務中求支

　　持，以貢獻求發展”這是當今商品經濟社會的基本原

　　則，也是分析化學求發展的一種策略。因為廣泛的

　　社會需求，分析化學工作者在國內外都是最容易就

　　業的。今天，分析化學總是面臨挑戰，所要解決的問

　　題總是永遠沒有完結的時候，這就要求分析化學家

　　不斷提出解決問題的新方法和新策略，同時，也賦于

　　分析化學以無限的機遇。任何學科領域如果失去了

　　服務對象，不被需求，將是沒有前景的。21世紀的

　　生命科學、環境科學、材料科學和能源科學等領域迫

　　切地要求分析化學發展各種新的測量和表征手段以

　　解決其疑難問題。尤其是作為本世紀科學發展的中

　　心和主導科學的生命科學，基于其研究體系的復雜

　　J性，使分析化學面臨巨大的挑戰。這種挑戰性構成

　　了分析科學將成為未來生物學和生命科學發展的中

　　心。不僅是生命科學的研究，當代四大科學領域(生

　　命、信息、環境、資源)、五大危機(人口、糧食、能源、

　　健康與環境)以及與國家安全相關高技術中一些問

　　題的解決都十分仰賴于分析化學的發展。

　　因此，當前分析化學與生命科學等領域的專家

　　密切合作，進行學科的交叉，增強‘介人’的觀念，沖

　　破禁錮和“傳統”的束縛，解放思想，更有利于我們躋

　　身去爭取承擔國家的任務和交叉到其他學科領域去

　　充當參與者的角色，進一步拓寬創新的道路，擴大創

　　新的視野。當今社會，學科的發展是由需要和任務

　　來帶動的，但卻決不能代替學科建設。學科建設是

　　分析化學發展的核心，應以創新作為學科建設的內

　　涵和支撐。

　　儀器的研制和開發，將新原理用于創造新儀器。目

　　前大部分分析測試儀器都是由其他科學領域的科學

　　家和工程師完成的。

　　科學儀器、儀表是產生科學數據的源泉。分析

　　儀器是科學儀器中重要的分支。我國的分析儀器制

　　造業與先進國家的水平差距甚大，大部分高級、大型

　　的分析測試儀仰賴進口。在當前知識經濟主導的時

　　代，如果我們沒有自主知識產權的技術與裝備，我們

　　的產業將淪為殖民地式的經濟; 如果我們的科學儀

　　器(包括分析儀器)產業不及時趕上，不僅影響科學

　　技術的發展，亦必將危及經濟甚至國家安全。但是，

　　分析儀器水平的提高受制因素很多，可謂積重難返，

　　根本問題的解決帶有綜合性和全局性。但無論如

　　何，從戰略高度鼓勵更多的分析化學家與相關領域

　　專家攜手積極從事、參與分析儀器的研制和開發，已

　　勢在必行，主管部門當需大力提倡，分析化學家尤須

　　加以高度關注。

　　3要重視分析儀器裝置的研制

　　分析化學家需要時刻記住二個“轉化”:第一是

　　把科學技術的新成就包括一切創新的理念轉化為定

　　型的分析測試方法;第二是把分析方法轉化為儀器

　　裝置(或儀器)。自從20世紀中葉以來，物理學、電

　　子學和計算機科學以及生物學的交叉滲透，各種各

　　樣的分離、分析測試方法應運而生，分析化學家運用

　　這些現代化的手段以各種創新的理念建立起各種巧

　　妙的方法為科學技術和生產建設解決了一個又一個

　　分析難題，擦亮了人類的“眼睛”，把視野延伸到更廣

　　大的時空范圍和極為微小的世界。然而，多數分析

　　化學家還仍然只習慣潛心于用現有的儀器設備去尋

　　求新的分離、試測方法以解決面臨的問題，還不善于

　　把許多創新成果用來創造出新型的測試工具，以發

　　揮更大的作用。只有很少數的分析化學家從事分析

　　4自然科學基金堅持正確的定位是原始性

　　創新的有力保證

　　我國自然科學基金制度自建立以來對我國自然

　　科學基礎研究的發展和壯大起到巨大的歷史作用，

　　取得了輝煌的成就;培養造就了一大批學科帶頭人，

　　建立了壯觀的學科隊伍，奠定了21世紀科技發展的

　　堅實基礎，成為創新理念的搖籃。我國的自然科學

　　基金資助的范圍、強度都有了很大的發展。制度更

　　加健全、完善，作用進一步發揮。

　　在國際科技競爭日益加劇的今天，如何加速‘源

　　頭創新’就成了基金資助中需要解決好的關鍵問題。

　　我認為，只要堅持定位在支持“基礎和應用基礎”研

　　究;繼續營造寬松的創新環境，并有充分的自由空

　　間;倡導優良的(嚴謹、求實)學術風氣，提倡自由競

　　爭，百家爭鳴，又鼓勵合作、發揚團隊精神;規范評審

　　標準，完善評估體系，這樣，原始性的源頭創新就有

　　了肥沃的土壤。

　　基于分析科學的特點，國際上公認的熱點研究

　　領域必須趕超，有些未取得共識的‘冷門’課題如言

　　之成理、而又沒有充分的理由加以否定的課題也可

　　以考慮支持。當前盡管基金評審已有一套完整規范

　　的方針、原則與方法，但在實際執行中尚需評委的公

　　正和識別能力，建立一支優良的評審隊伍就特別重

　　要。基于基金額度的增加，科研單位和高校設備的

　　日益改善，在對待重點項目或重大項目參加單位數

　　方面不必限制過嚴，可視實際情況應有適當的靈活

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　　中國科學基金

　　2(X)3年

　　性，并以多設重點項目為好。又如由幾個單位用不

　　同方法、途徑或甚至用同一方法、途徑同時去迅速攻

　　克同一個核心的科學問題，也應該是被允許的。關

　　鍵是要看解決的科學問題是否經過凝練，研究的目

　　標是否集中、明確。

　　國家自然科學基金通過項目資助培養和造就了

　　大批高級的基礎性研究人才。如果說高校和研究單

　　位是定點的培養方式，那么，基金項目資助則是定位

　　在以學科前沿交叉領域為靶標的動點和滾動的人才

　　培養方式，這種方式更具社會實踐性和針對性。今

　　后，如何更有計劃、有步驟地進行仍是一個值得研究

　　的問題。

　　5分析化學的前沿領域和其中的關鍵問題

　　5.1生命科學中的分析化學

　　分析科學要與解決生命科學的核心科學問題相

　　結合，建立各種分析化學平臺、信息的加工與整合系

　　統。生命體系自身的各種復雜過程—化學過程、

　　物理過程，迫切需要超高靈敏度、選擇性、在線動態

　　跟蹤、單細胞實時分析、單分子檢測技術等有效的分

　　析方法，提供高通量的生物信息和數據。更確切地

　　說，生命科學要求分析化學:

　　(1)靈敏、選擇、無損探測;

　　(2)活體一實時一動態跟蹤，單細胞、單分子分析;

　　(3)新的生物活性分子的發現、分離、提純和表

　　征技術;

　　(4)微量和超微量生物活性物質的原位、實時、

　　在體和在線分析。

　　以下幾點是當前生命科學研究的熱點，其中有

　　大量的分析化學問題需要解決，分析化學問題已成

　　了研究工作進展的瓶頸。這些熱點是:

　　后基因組學—基因診斷、基因療法、基因藥物

　　開發—疾病預警;反基因武器、生物分子電子技

　　術、仿生技術—未來戰爭與防衛的戰略。

　　蛋白組學—如小分子與蛋白質、核酸等大分

　　子作用引起其構象的變化并影響其功能;糖一蛋白化

　　合物結構多樣性如何決定其功能的多樣性;真核細

　　胞周期調控中的蛋白質磷酸化作用等。

　　微流控芯片全分析系統(Lab on a chip)

　　生物芯片、生物傳感器和生物信息學

　　生物分子電子器件

　　細胞分析化學

　　單分子、單細胞分析以及實時活體分析

　　重大疾病的預警與臨床快速檢測

　　膜分離技術

　　中草藥有效成分分析—指紋圖譜

　　化學計量學在生命科學中的應用

　　高分辨率成像和結構、形貌分析—AFM,

　　SECM,STM,X一衍射技術、NMR以及計算機信息分析

　　技術，很大程度上促進了生物大分子三維結構研究

　　的發展。

　　SARS等傳染性疾病的快速鑒定

　　濫用藥物的監控及分析

　　生命體系復雜過程中的分析化學研究

　　化學生物學及其相關問題:藥物作用靶點的識

　　別研究;組合化學藥物合成的篩選;高通量的藥物分

　　析化學。

　　各類大小生化分析儀器、臨床分析儀器

　　生命科學的發展，提出的問題和挑戰，為分析化

　　學的發展提供了前所未有的機遇。我們要充分認識

　　自然、學習自然，利用自然變化和變遷規律—生物

　　科學的成果，克服傳統分析化學中的不足與弱點，發

　　展分析化學的新概念和新思想。如基因檢測研究帶

　　動了20世紀整個生命科學的迅速發展，可以預計，

　　在21世紀相當長的時期內，基因研究仍將繼續推動

　　生命科學研究向縱深發展，基因檢測不僅對生物學

　　研究至關重要，而且對臨床醫學、環境監控、法學鑒

　　定等領域具有極其重要的意義。這里要特別強調一

　　下納米技術在生命科學中的作用與價值。最近由美

　　國的Deamer(加州大學)和Branton(哈佛大學)等研

　　究小組首先提出的納米通道(Nanopore)技術引起了

　　世界各國科學家的關注。這種納米通道技術可以對

　　基因快速測序，并且能多組分(高通量)快速檢測。

　　將它用于單分子、單細胞的研究，可以克服 AFM的

　　缺陷—分子需要固定化，可以直接在溶液中測試。

　　這種技術剛剛起步，有待進一步研發。納米技術還

　　用于人工器官、介人性治療、藥物載體、血液凈化、生

　　物大分子分離等方面，其中有大量化學和分析化學

　　的問題有待解決。

　　5.2環境科學中的分析化學

　　世界各國都極為關注可持續發展的問題，而首

　　當其沖的就是環境保護，綠色化學亦應運而生。分

　　析化學介人環境化學與綠色化學的核心問題，特別

　　要關注以下各項:

　　環境分析化學，環境過程化學與分析化學，環境

　　生化分析，綠色化學中分析測試問題，環境分析測試

　　儀器。

　　第5期

　　陳洪淵:原始性創新是21世紀分析化學面臨的最根本挑戰

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　　5.3 材料與信息科學中的分析化學

　　納米材料的結構分析，納米材料的可控組裝及

　　表征，納米材料的譜學分析、界面表征，納米材料及

　　其成像技術在分析檢測中的應用，納米材料在生命

　　科學研究中的應用，以上這些研究方向今后應得到

　　加強。

　　信息科學與分析科學交叉而產生的“多傳感器

　　信息融合技術”需要引起特別的重視，它源自軍事科

　　學中的電子對抗，可以從復雜的體系中識別和檢測

　　特定的微弱信號，目前在許多領域已得到應用。如

　　它能在生命科學中生物信息流的研究，對細胞內信

　　號的傳導、電信息流的整合、檢測的研究中成功的應

　　用，必將能獲得高通量的生物信息。

　　5.4過程化學中的分析化學

　　化學學科應是由化學和化學工程兩大部分構

　　成。可是長期以來，這兩大領域有許多脫節。化學

　　過程中分析化學問題的研究是今后必須得到加強的

　　領域，尤其是石油化工工程的質控及在線分析以及

　　酶生產工程中的分析問題。

　　5.5發展分析化學的新原理、新技術和新方法

　　分析化學的源頭創新和擁有自主知識產權必然

　　基于新原理、新方法和新技術的應用，尤其是新理念

　　的產生和實行。因此，下面的研究內容應是中、長期

　　規劃中的重要方面:

　　發展基于新原理的分析方法和相應的儀器，分

　　子自組裝及其分子器件，仿生催化與納米分子電子

　　器件，極端條件下的分析測試，分析儀器的小型化、

　　微型化和智能化，聯機技術智能化，各種傳感器和超

　　微電極的研究，新分離和富集方法的研究，“數據融

　　合”在分析化學中的應用，微流控芯片、生物芯片，防

　　生化武器的高效、小型測試儀器，化工生產和過程化

　　學中的在線分析等等。

　　目前，我國分析化學從整體水平上看還正是處

　　在蓬勃發展時期，離國際上最先進國家還有相當大

　　的差距，我們只有急起直追，從源頭上加大創新力

　　度，才能使我國分析化學趕超國際前列，更好地為我

　　國四個現代化建設目標和不斷提升中國可持續發展

　　的綜合國力的總體戰略目標服務。

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　　ORIGINAL CREATION:THE MOST ESSENTIAL AND ULTIMATE CHALLENGES OF

　　ANALYTICAL CHEMISTRY IN 21 ST CENTURY

　　Chen Hongyuan

　　College of Chemistry and Chemical Engineering, No護ng University, Narging 210093)

　　Abstract In 2I-century, original creation is the most essential and ultimate challenge in all the scientific and technolog-

　　ical fields including Analytical Chemistry.To achieve the original creations，one has to discard the old conception, and

　　accept new ideas

　　Key words original creation，challenge, frontier fields of analytical chemistry，developing strategy of analytical chem-

　　istry, National Natural Science Foundation of China