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分析化学已“无孔不入” -访中国科学院院士张玉奎

发布时间: 2017-03-17 14:56:11   试剂信息网

“上个世纪是化学的世纪,而这个世纪是生命科学的世纪,大家的重点是研究人、研究生命科学,化学也随着这个潮流,自然转向了以生命科学为重点。”中科院院士、中科院大连化学物理研究所研究员张玉奎说。

  张玉奎院士在色谱领域做了多年研究,近年来,随着分析化学和国际前沿研究领域的发展趋势,结合国家重大应用领域的需求,他开始放眼于分析学科与生命学科的交叉发展。近日,分析测试百科网采访了他。

中科院院士 张玉奎

  我国分析化学引文量已居世界第一

  “分析化学在生命科学中发挥了非常重要的作用,并且越来越重要。”张玉奎说,随着科学技术的不断发展、分析化学学科的发展日新月异,在各个学科中,分析化学的作用也越来越大。“分析化学已经无孔不入,任何一个新兴的科学都少不了它,特别是生命科学。像最近几年兴起的精准医学,它需要精准测量、精准定性、精准定量,这都少不了分析化学,并且分析化学是主要的研究手段。”

  生命科学的研究向分子水平的发展,产生了对分析化学工具和手段的依赖和需求。“科学的发展对分析化学提出了新的、更高的要求,分析化学在这几年里的发展非常快。在生命科学领域,分析化学向生命科学提供了非常得力的研究工具,比如电镜、分离检测等。”张玉奎说,“包括单分子、单细胞、蛋白质组学、深度覆盖、代谢组学、转化医学等领域,因为分析化学的介入,发展都非常快。”

  张玉奎同时为中国学者在分析化学领域取得的成就骄傲,“在分析化学领域,我国在国际上发表的文章、引用量都是最高的,特别是生命科学领域,国内学者的研究热情很高。虽然单篇文章的引用量还差一些,但也能排到全球前十名。”

  分析化学的趋势:高灵敏、高效分离

  色谱、质谱、光谱等分析化学工具集中于上个世纪出现,并取得了飞速发展,也因此,人们对分析化学研究的认知水平也不断提升。各学科对分析化学的依赖也越来越重,同时,也对分析化学的发展提了进一步的要求。

  “对于分析化学,尤其是分析化学应用于生命科学而言,现在的要求是高灵敏、高效分离,对低丰度的生物样品进行检测,这是当前的主要难题。”张玉奎说,“现在,分析方法的发展还是一个主要的发展方向,各个学科,包括生命科学在内,对分析化学的要求越来越高,所需要分析的样品也越来越复杂。对于这些非常复杂的样品,需要高效分离、高灵敏检测,这是根本的要求。所以,在方法学发展上,要特别注意这方面的创新。”

  色质联用是重要方向

  “质谱现在发展非常快,它主要是灵敏度的提升。虽然质谱也能有一定的分离作用,但现在来看,因为样品太复杂,单靠质谱直接检测,经常检出假阳性。所以分离非常重要,色谱和质谱的联用是非常重要的方向。”张玉奎说。

  年轻学者要有扎实的基础

  多年来,除了在科研方面取得了诸多成果,张玉奎还非常注重人才培养,培养了20余名博士。

  对于年轻学者,张玉奎提出了几点期望。

  “第一,希望年轻学者重视分析化学的基本原理,有扎实的基础。现在一些年轻学者比较注重实用,认为会使用仪器、能解决实际问题就可以,但基础知识还是非常重要的。比如色谱,色谱的表达,要用正规的色谱术语,要评价色谱柱,就要说柱效是多少,或者塔板高度;要说流量,最好是线速度; 要说体积流速,一定要加上它的直径。不说行话,同行都不知道你在说什么。第二,在方法学上要有自己的创新,不要跟风。现在有些学者做的研究,有了点苗头,大家就都跟风,朝着同一个方向做,其他方向被忽视,结果资源很浪费。”张玉奎说,“比如,在色谱研究领域,因为材料杂志的影响因子比较高,大家就都去做材料(色谱的填料、富集材料等 )了,实际上,色谱除了分离以外,还有很多可研究的点,比如高灵敏技术。如果大家都去做材料,影响因子上去了,但很多基础的研究缺了人。”

  国产仪器发展要政府引导,不能急功近利

  多年来的色谱技术研究,大连化物所在色谱产业化方面,拥有国内一流的液相色谱生产企业大连依利特。国产仪器的发展,尤其是近几年来突飞猛进,但仍然问题重重,尤其是高端仪器基本被国外垄断。“我们这个楼(指大连化物所生物楼)里,采购了60多台质谱,没有一台是国产的。”

  “国产科学仪器在几个五年规划的支持下,有了很大的发展,特别是色谱、光谱、电化学等量大面广、技术相对简单一些的仪器发展非常快。‘十二五’开始,对质谱的支持力度加大,质谱的发展也很快。但总的来说,高端仪器和国外的差距还是比较大,还是需要一段稳定的发展。”张玉奎说。

  “十二五”期间开始的“国家重大科学仪器设备开发专项”,加大了对科学仪器面向产业化的支持,科学仪器的研制经费逐渐在增加,项目本身也开始重视引导用户,在重大科学仪器专项中增加用户委员会,给用户单位一定的经费,让用户使用,以研究国产仪器的性能,提出改进意见,然后促进用户带头使用国产仪器。”张玉奎说,“像家电,现在大家已经不分进口和国产了。我们希望科学仪器能快一点到这样的状态,因为我们国家在科学仪器这块花的钱(指进口 )太多了。”

  “当前,国产仪器的发展,包括企业、研究人员,有一些急功近利的想法,这不好。”张玉奎说,“国产仪器发展,第一要达到国际最好的水平,这属于技术跟踪; 第二要创新,创新是从基础研究开始,不能说有个新原理就立刻产业化,要给他时间,所以,评价体系也需要深入地研究、改革,怎么才能更公正; 第三,就是鼓励年轻人除了理论研究之外,要重视技术,高级实验师、高级技工,过去大家不太重视,其实他们不可缺少,德国制造之所以过硬,就是因为高级技师、高级工人在做工作。”

  科研与产业化之间的断层,也是值得深究的问题。“中国人掌握技术蛮快,现在的质谱、电镜等研究,国内做得不错,但要真正产业化,达到和国外竞争的水平,还有个过程。要重视在产业化过程中的质量控制,这点非常重要。”张玉奎说。

  国产仪器的发展,离不开用户层面的认可,当前,政府采购中,一些用户在实事上设置了针对国产仪器的各种采购壁垒,也使得国产仪器很难进入政府采购,更难进入到高端实验室。 “政府应该有个规定,只要条件满足要求,就应该向国产仪器倾斜。”

  “用户对国产仪器的认可是有个过程,但是这也和政府政策引导有关。”张玉奎说。

  “从基础研究到产业方向、资金、技术实力、用户认可……等诸多方面,国产仪器都需要改善。比如,现在很多国产仪器企业受困于流动资金,发展困难。”张玉奎说,对于这种纷繁芜杂的局面,张玉奎认为核心是人才。

  “要吸引一批能安心科学仪器发展的人才,这非常重要的。我们应该重视技术人才储备,而不是人人都去读博士。高级工人、高级技师、高级技术人员的需求量更大。”张玉奎说,“还有,可以类似于硅谷这样,集中一个区域形成产业园发展。大家扎堆了,交流方便,互相支持和启发很重要。”张玉奎说,“我们和国外的差距大,从根本上改变,要做的事还很多,但人才是首要的。”


  张玉奎院士简介

  张玉奎,中国科学院院士,中国科学院大连化学物理研究所研究员,博士生导师,所学术委员会副主任,中国化学会色谱专业委员会主任,色谱杂志主编。

  1965年毕业于南开大学化学系。1965年至今在中科院大连化学物理研究所工作。曾任该所副所长、国家色谱研究分析中心主任、中国分析测试协会副理事长、国家自然科学基金委化学部咨询专家。先后在德国图宾根大学和美国国家环保署研究中心进行高级访问。

  主要从事色谱基本理论和新技术、新方法的研究,为我国色谱学科的发展作出了巨大的贡献。在基础研究方面,采用统计热力学的方法研究溶质在多种色谱分离模式下的保留行为,推导出物理意义明确的描述流动相组成对色谱保留值影响的理论表达式,阐明了色谱过程中影响分离行为的分子结构因素,从而建立了系统的色谱热力学研究方法,也为液相色谱专家系统的建立奠定了理论基础;采用物料平衡原理建立了包括柱外效应影响的溶质在整个色谱分离系统中输运的质量平衡模型,对色谱流出曲线高阶统计矩的研究,从理论上阐明了影响色谱峰展宽和峰形对称性的动力学因素,证实了保留时间与半峰宽之间存在的定量关系。采用高斯卷积模型对色谱流出曲线进行拟合,发现了模型参数与色谱操作条件之间的定量关系,从而解决了色谱图的存储和重叠峰定量解析等难题;在建立液相色谱专家系统总体布局过程中,针对国外只考虑经验规律的片面性,首次提出了“知识库必须基于色谱理论和经验规律相结合”的思想,据此思想建立的知识库已用于液相色谱柱系统推荐,并以大量的事实验证了知识库的正确性和可靠性。将串联优化指标与智能搜索方法相结合建立了智能优化方法,并用于复杂样品的分离条件优化;在毛细管电泳的理论研究中,发现了毛细管区带电泳中操作参数及溶质的分子结构对迁移行为的影响规律。首次开展了物理吸附开管毛细管电色谱的研究工作。发展了混合填料、整体聚合床层等多种电色谱柱系统,并研究了溶质在不同柱系统上的分离机制和柱上富集规律,对碱性样品在电色谱中达到了17000倍的富集效果。

  在深入理论研究的基础上,注重完成国家任务与仪器的应用开发。1978年开始负责中科院下达的k-1吸附型高效液相色谱柱的研制工作,研制成功1-5mm内径的吸附型高效液相色谱柱,并已实现产业化,1979年获辽宁省科技成果一等奖。1983年承担了国家科委“六五”攻关项目,与人合作共同研制成功2030型智能高效液相色谱仪样机。在此基础上开发成功包括高压输液泵、紫外可变波长检测器等整套液相色谱仪器产品;1986年负责承担863生物工程下游目标产品分离纯化用径向色谱柱的研究工作,研制出四种离子交换膜介质径向流动色谱柱,其中弱阳离子交换CM柱属首创。此后,亲合膜等多种类型径向柱、聚合型毛细管电色谱整体柱、毛细管无胶筛分电泳用超大分子线性聚丙烯酰胺色谱柱等相继研制成功,申报发明专利多项;承担了中美合作项目烟道气排放有毒污染物监控的研究,提出了气相色谱辅助富里叶变换红外光谱对固定污染源复杂样品进行解析的方法,建立了相应的光谱差减定量数据库,已通过国家环保总局组织的验收鉴定,这种方法得到了美方专家的好评;采用微渗析-高效液相色谱、亲和色谱及毛细管电泳方法研究了多种药物与人血浆蛋白的相互作用;建立了研究药物与蛋白竞争作用的系统方法; 探讨了药物与蛋白作用位点和平衡常数与药效之间的相互关系。

  近年来,根据分析化学和国际前沿研究领域的发展趋势,结合国家重大应用领域的需求,放眼于分析学科与生命学科的交叉发展,主要开展蛋白质的高效分离与高灵敏检测的研究。重点集中在发展多维液相分离体系,包括多维液相色谱、多维毛细管电泳以及与质谱的联用。提出了构建蛋白质分离-在线酶解-多肽分离-质谱鉴定的蛋白质分离鉴定平台的思路。发展了多种蛋白质原位微酶反应器。此外,为实现痕量组分的高效富集,还发展了基于整体材料的固载金属亲和色谱介质和基于毛细管电泳、电色谱技术的蛋白质选择性和通用性富集技术。目前国内外发表论文500余篇,撰写专著7部,代表著作有《分析化学手册第六分册》、《现代生物样品分离分析方法》等,并申请30余项发明专利。

  在科学研究同时,坚持以人为本的原则,高度重视人才培养,培养博士20余名,有的已经成为博士生导师、有的获得中国科学院百人计划资助、还有的在仪器公司作为科研骨干力量,在我国分析科学领域基础研究、应用开发以及仪器产业化等方面发挥着重要的作用。 转自:分析测试百科网

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