科学仪器学科与技术进展的研究报告

      一、前言

　　科学是从测量开始的。科学仪器是信息的源头，是信息产业的重要组成部分，对促进国民经济、科学技术、公共安全、国防建设的发展都有巨大的推动作用，是经济社会发展支柱性、战略性的产业。现代科学仪器既是知识创新和技术创新的前提，也是创新研究的主体内容之一和创新成果的重要体现形式。许多学科分支都是以某种科学仪器的发明而发展起来的。科学仪器及其技术是现代科学与工业的基石。科学仪器的发展水平标志着国家创新能力和科学技术发展的水平。

　　近两年，随着信息科学、生命科学、材料科学、纳米科学等深入发展，促使世界科学仪器学科与技术的进展突飞猛进，新技术异彩纷呈，新产品不断涌现。另一方面，全球经济和社会发展不断对技术和仪器提出许多新的需求，使科学仪器研究和应用进入一个前所未有的高速发展期。本文仅对近两年来科学仪器研究、发展、新产品等主要部分进行简要的综述。

　　二、国外科学仪器科技和产业发展的战略、趋势及我国现状

　　(一)各国都把发展科学仪器作为国家发展战略

　　在科学仪器发展的战略目标和资金投入方面，发达国家都制定了各自的发展战略并锁定了目标，有专门的投入，已成为有意识、有政策、有目标的政府行为。如美国，其总体目标是：保持美国在科学仪器领域的领先地位，其措施除了通过政策大力鼓励各大仪器公司加大R&D的投入外，国家还通过两个基金会(NSF和NIH)扶助各大公司研发科学仪器。美国能源部和国防部每年也都有大量的资金投入，并有明确的目标和要求，采用了类似于我国的横向课题，通过合同委托的办法进行研发。

　　日本于2002年制定了高精密科学仪器振兴计划;欧盟在“第六框架计划”(2002—2006)中将“科学基础设施”(主要指科学仪器)列为第五项重点内容;英国科学技术办公室(OST)建立了科学基础设施和科学仪器投资机制并确立了投资比例;加拿大自然科学与工程研究理事会(NSFRC)制定了“研究工具、仪器和设施计划”。

　　各发达国家都把研发先进的大型科学仪器和实验设施，构建世界级先进实验基础设施平台，上升为创造世界一流科研成果，培育和吸引优秀人才的一项战略措施。

　　2005年世界权威性刊物《Nature》邀请国际上最受尊敬的科学家小组，研究和撰写《走向2020年科学》研究报告的十条建议中的第七条提出“采取措施发展新的概念和技术工具”，其内涵即指科学仪器。我国已将科学仪器研发列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006—2020年)。国家发改委将科学仪器产业化列为高技术产业化专项。科技部已将《科学仪器设备研制与开发》列入十一五国家科技支撑计划重大项目。2006年国务院《关于加快振兴装备制造业的若干意见》中，将“关键精密测试仪器”列为主要任务和实现重点突破的16项任务之一。

　　(二)科学仪器技术发展的趋势

　　当今科学仪器发展总体上呈现出检测原子、分子和组份的仪器向多功能、自动化、智能化、网络化方向发展;进行分离、分析的仪器向多维分离和分析方向发展;生命科学仪器向原位、在体、实时、在线、高灵敏度、高通量、高选择性方向发展;检测复杂组份样品的仪器向联用分析仪器方向发展;用于环境、能源、农业、食品、临床检验的仪器向专用、小型化方向发展;样品预处理仪器向专用、快速、自动化方向发展;用于国防和生命科学的仪器向集成化、微型全分析系统方向发展;监控工业生产过程的分析仪器向在线分析、原位分析方向发展。

　　从制造技术角度看，仪器的机械部件向高精度加工、小型化方向发展;仪器的电器部件向集成化、固态化方向发展;仪器的功能部件和结构单元向模块化方向发展;仪器的研制向采用新技术、新机理、新材料、新器件方向发展。

　　科学仪器是一种高科技产品，它受益于采用各种前沿技术的最新成果，同时也面临各种前沿技术不断地创新和发展的挑战。可以预计，随着生命科学、材料科学、能源科学、环境科学和公共安全科学的发展，以及新技术的不断出现，科学仪器也会在多功能化、小型化、微型化、自动化、智能化等方面将不断的创新。

　　(三)我国科学仪器发展的现状

　　我国刚开始改革开放时，由于既受市场经济的冲击，又受国有体制的束缚，我国科学仪器的发展经历了一个低潮期，许多大型科学仪器厂纷纷入不敷出、难以为继，科学仪器产业曾经一度明显萎缩。在上个世纪90年代初期，科学仪器国产化率只有13%。

　　随着国有经济体制改革的深入和人们对于发展科学仪器重要性认识的提高，以及民营企业的崛起，加上整个经济发展加速所起的带动作用和国家从“九五”开始把“科学仪器的研制和开发”列入了科技攻关项目，并逐渐增加投入;国家自然科学基金委员会设立了科学仪器专项，中科院也设立了科学仪器创新研究专项，情况终于有所好转。濒临破产的一些国有分析仪器厂，通过重组、改制，走出了低谷，显示出新的活力。20世纪80年代末和90年代初，成立的一批民营分析仪器企业的发展速度很快，近年来年销售额的增长都超过了30%，他们的产品已得到国内用户的认可，并已有部分进入国际市场，他们之中有部分企业参与了国家“九五”和“十五”科学仪器攻关项目，为提高我国科学仪器水平做出了贡献，并为科技创新的主体向企业转移迈开了一大步。

　　通过这些仪器制造企业和相关科研工作者的共同努力，目前我国科学仪器的发展已初具规模，从地理分布来看，主要由四块区域组成，即以北京为中心的渤海湾区域的科学仪器产业带;以上海为龙头的长江三角区域的科学仪器产业群;以长春、大连为基础的东北区域的科学仪器产业化基地和新近崛起的以深圳为代表的珠江三角洲地区。“九五”结束时，以分析仪器为核心的科学仪器的国产化率达到了30%。科学仪器的研究开发和产业的发展开始逐渐走出低谷，驶入快速发展阶段。部分中低档产品已基本达到国外同类产品水平：如光谱分析仪器领域，具有自主知识产权的原子荧光光谱仪，占领了整个国内仪器市场;中档紫外可见分光光度计和原子吸收分光光度计，除满足国内常规分析的需求外，还有部分出口。当然从总体而言，我国科学仪器还处于幼稚期，以科学仪器中的主体分析仪器为例，在当今运用的90余种分析仪器中，我国已有的产品仅为20多种，还不到1/3，再如生命科学专用仪器约有80余种，我国商品化产品只有16种，正在研究的10多种。但是我国科学仪器的市场前景十分广阔，预计在2006~2015年期间，新购科学仪器的总额将远远超过1,000亿人民币，这还不包括每隔5~7年需要更新换代的数量。

　　总之，通过“九五”和“十五”攻关，我国科学仪器产业获得了很大发展，并取得了一批具有自主知识产权的成果。但是，长期以来国外著名的仪器公司凭借技术和品牌的优势，占据着国内的大部分高端市场，特别是高档的光谱仪、色谱仪、质谱仪、电镜、核磁、生化和生命科学仪器等，基本上依赖进口。

,

　　三、近两年国外各类科学仪器和产业发展趋势及我国的差距

　　(一)色谱仪

　　1.色谱仪整体性能不断提高

　　Waters公司的UPLC、戴安公司的UltiMate 3000型液相色谱仪以及安捷伦公司的 1200型液相色谱仪，是液相色谱的代表性仪器。UPLC 使用了超高压输液泵(15,000 psi)，1.7μm 无机硅胶和有机硅化合物杂化的C18填料，高速采集信号，是高效、高通量、高灵敏度的分析工具。UltiMate 3000和安捷伦公司的1200型液相色谱仪可适应从半制备量到纳升级的HPLC/MS/MS的要求，适应生物医药、食品、环境等领域的要求，有较高的技术含量。Selerity Technologies公司推出的“高温液相色谱的预加热装置”，对流动相进行预加热以改善分离效果。美国ESA公司推出的电雾式检测器(CAD)，表现出来的多方面的优秀性能足以使其成为高效液相色谱的通用检测器，其灵敏度可达蒸发光散射检测器(ELS)的10倍。它对于梯度洗脱的检测能力也是RI检测器所不具备的。

　　气相色谱仪各个生产厂家都把电子压力和流量控制装置，以及整体气路单元和精确的温度和压力控制技术用在整机上，使GC的自动化、可靠性和精密度大为提高。

　　全二维气相色谱(GC×GC)是一个刚刚兴起的技术，与传统的毛细管二维气相色谱相比，其分离能力较传统的色谱技术有了大幅度提高。第一台商品化的二维气相色谱系统是热电集团的TRACE 2DGC。该型仪器采用了低温调制专利技术。全二维色谱和质谱联用、构成全二维GC/MS/MS和全二维HPLC/MS/MS是近年国外色谱仪发展的亮点，全二维色谱仪综合了机械、电子、计算机软件等技术，为复杂混合物的分析(如中药、烟草、生物样品)提供了有力的工具。

　　美国DIONEX公司推出的免化学试剂的离子色谱仪(RFIC)技术，结合了淋洗液自动发生器，自动再生抑制器技术以及除去淋洗液中杂质的自动连续再生的捕获柱，是对实验室传统分析方法的重大的改进。同时将离子色谱与脉冲安培电化学检测器结合、构成分离、检测高亲水性和高极性化合物，如生物和食品中的糖、氨基酸、糖醇、多元醇、生物胺以及药品中抗生素直接测定的极佳方法。另外离子色谱与原子吸收、原子荧光、和质谱的联用，可以实现对许多元素的形态进行高效高灵敏度检测，从而对多种元素的毒性和营养作出准确的评价。

　　2.色谱仪器向小型化发展，适用于现场测试

　　气相色谱的另一个发展趋势是微型化。当前现场检测日益受到重视，尤其是在食品安全，生产安全、环境监测等公共安全领域。其中代表性的产品有Agilent 3000、MINICAMSFM-2001、2NOSEMODEL 4200型等。安捷伦的3000型便携式GC，使用毛细管色谱柱，芯片TCD，只有5.1 Kg，可用于石油和煤矿瓦斯气体分析。

　　复旦大学和上海精密科学仪器有限公司联合推出的GC190小型便携式气相色谱仪，北京东西电子推出便携式光离子化气相色谱仪为我国便携式仪器的代表。

　　3.芯片色谱仪

　　为了适应极少量样品的分析，出现了在芯片上进行分离的气相、液相和离子色谱仪，如安捷伦公司发布了芯片分离的HPLC/MS(Agilent 1100 Series HPLC-Chip/MS system)。

　　德国微系统科技有限公司(SLS)推出的GCM 5000被誉为是当今世界最小的气相色谱。该色谱系统拥有传统气相色谱的所有功能和构造，而尺寸只有3×2英寸，采用了半导体加工技术，使得分离柱只有人的指甲大小。

　　从技术上讲，目前的瓶颈不是如何形成如此微小的气相色谱系统，而是如何发展出微型高灵敏、高选择性的检测器，供微型色谱仪使用。

　　微型液相色谱系统的主要困难在于高压微流量输液。曾经指望用电色谱来替代高压泵，但是没有成功。用电渗泵来间接输液在原理上可行，但实际使用上有重复性差的问题。德国IMM研究所与日本东京大学合作进行的芯片高压液相色谱仪研究，几乎攻克了所有难题，但最后仍然卡在高压输液泵上。

　　4.着力于色谱的核心部件色谱柱的研究与开发

　　色谱柱中的色谱固定相的研究一直是经久不息的研究热点，国外对色谱固定相的研究常常是把研究成果直接放到自己的公司去生产，如现在属于安捷伦公司的J&W公司生产的毛细管气相色谱柱，就是Jennings 把自己研究的成果转化为产品。美国Astec 公司的手性毛细管气相色谱柱也是 Armstrong (现为美国依阿华州立大学教授) 把自己研究的成果转化为产品，并组建了Astec公司。另一个特点是各个大公司，结合社会热点、应用需求，研制专用的高水平色谱柱。 Waters 公司的XBridge HPLC 色谱柱，可以耐受 pH 2~12的酸碱度，颗粒度有：1.7、2.5、3.5、5.0μm。Phenomenex 公司的 Germini C18 固定相，可在pH 1~12的环境中工作，在pH 11.5的溶液中有 50 天的寿命，颗粒度从3.5~10.0μm。

　　近年出现了高温HPLC，因为在高温下(150~200℃)可以提高柱效，可以使用较长的色谱柱和较小的颗粒的填料，可以使用纯水做流动相。适于高温HPLC的固定相如热电公司的石墨化碳黑、岛津公司的聚合物包覆的硅胶、Supelco公司的五氟苯基丙基聚合物固定相以及二氧化锆基固定相等。

　　至于整体柱技术，目前看起来它在学术领域较之商业领域更为活跃，该技术可以在非常低的背压条件下获得更高分辨率和更快的分离效果。戴安公司2005年从Teledyne Isco Inc(林肯，内布拉斯卡州)收购了整体柱技术，目前正在从事这方面的商品化研究。而国外一些学术研究团队则正迅速地把这项技术向在主链上进行配位体的光接枝方面发展。日本京都技术大学Tanaka教授指出，对于硅整体柱而言，单位单元的尺寸从2.9埃减小到2.0埃，其峰容量和色谱分离效率可提高一倍。

　　5.我国产色谱仪的差距

　　我国在科学仪器方面和国外有较大的差距，是涉及我们的基础工业、材料科学、电子技术、工艺技术等方面的差距引起的。具体到色谱仪方面主要差距：

　　气相色谱仪：

• 电子压力和流量控制技术。
• 柱温箱温度控制范围、精度和升降温速率。
• 色谱柱的使用温度和分离能力。
• 检测器品种不全，微型热导检测器和微型电子捕获检测器，色谱柱和软件功能等差距大。

高效液相色谱仪：

• ·输液泵的输液精度与寿命。
• 检测器种类少。
• 色谱柱、高性能色谱填料几乎全靠进口，色谱柱种类较少。

　　6.色谱仪器和色谱技术的发展趋势

　　色谱仪器向小型化、自动化、联用、多维化发展。

,

　　(二)光谱仪

　　1.原子吸收

　　德国耶拿公司推出了全球第一台商品化的contrAA型连续光源火焰原子吸收光谱仪，采用了一个连续光源(高聚焦短弧氙灯)取代了传统的空心阴极灯，辐射出从紫外线到近红外的强烈连续光谱(190～900 nm)，采用了高分辨率的中阶梯光栅，经色散后所得谱线宽度可达pm级。在检测器方面，该型仪器采用了CCD线阵检测器以增加量子效率。从可获得的分析信息量的角度而言，该款仪器已和ICP光谱仪相近。

　　2.原子荧光

　　这是极具中国特色的分析仪器，随着元素形态分析领域的兴起，色谱与原子荧光联用技术也随之发展起来。清华大学与北京吉天联合研发的SA-10砷形态分析仪是一种基于氢化物发生—原子荧光技术的元素形态分析仪器，利用液相色谱进行分离，用氢化物发生—原子荧光对液相色谱流出物定量，检测元素的不同形态，能够更有效地评价样品中元素的生物危害性，能够有效地检测As、Hg、Se等元素的多种形态，可在食品、卫生、药物、饲料、农业等领域的检测中应用。我国还有多个企业生产原子荧光光谱和元素形态分析仪。

　　3. MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)光谱技术

　　采用微型制造技术，将机械部件，传感器，执行机构和电子系统利用显微加工技术，集成到一个普通的基材(硅、铝或其他)上。MEMS可以改进现有所有产品领域，并赋予产品新的特质和性能，出现新一代的过程光谱分析仪。

　　4.红外光谱

　　红外光谱是最常用的结构分析和组成分析工具，近两年来红外光谱技术三个方面有明显进展：(1)红外化学成像(红外和近红外);(2)红外光谱数据处理;(3)编码调制红外光谱。

　　(1)红外化学成像

　　化学成像是一种同时提供空间的、化学的、结构的和功能的信息，是一组三维的数据块，化学图像数据为海量数据，使用化学计量学方法进行处理。

　　近两年的进展主要表现在共焦平面红外阵列检测器与FT-IR光谱仪器的耦合研究方面，目前发展方向倾向于使用线阵检测器，可避免面阵中坏象素的影响，值得关注的是如SPECTRALDIMENSIONS公司研制开发的专用和在线化学成像分析仪，用于制药，高分子，食品，法医，反恐等领域。

　　(2)红外光谱数据处理技术

　　多维红外光谱数据的处理在近两年内得到了特别的关注。研究最多的是二维光谱。

　　(3)编码光度红外光谱测定法

　　这是一种新技术，一个编码转盘部件产生干涉图，经过傅立叶变换得到红外光谱图，可以用于检测化学反应动力学和产物的信息，非常适合在线检测，适用于散射光谱，透射光谱和吸收光谱技术的应用。它具有速度快和抗环境干扰能力强，体积小，结构紧凑，更简单，成本低等的优点。美国ASPECTRICS 公司拥有这项新技术，目前产品已经投放市场。2006年度获得《研究与开发杂志》颁发的百名市场影响力最强新技术产品奖。

　　5.近红外光谱

　　当前，近红外分析已广泛应用于农业、食品、医药、石油、化工等领域，近红外仪器已经形成独立的产业，国际上近红外技术市场主要被美国热电尼高力公司、丹麦FOSS公司、德国布鲁克公司、瑞典Perten公司等分析仪器企业占据。我国的近红外技术产业经过20余年的发展也具有了一定的规模，北京英贤公司和上海棱光公司是其中的代表。

　　目前国际上主要从事近红外仪器研发、生产的公司也在把主要精力投向模型和方法的研究与开发上，因此共享模型和方法标准的研究将是近红外技术今后几年发展的主要方向。可喜的是，我国的部分科研院所，如石化院、中国农大、湖南大学，中南大学，第二军医大学等目前已在化学计量学方面进行了非常出色的工作。目前我国近红外光谱技术正处顶盛时期的前夜，有许多方面走向世界前列。

　　华东理工大学的杜一平教授获2006年BUCHI近红外光谱学国际奖，该奖项是瑞士BUCHI公司为表彰本年度近红外光谱学领域的突出贡献而设立的，获奖原因是提出和应用化学计量学算法region orthogonal signal correction(ROSC)，解决了近红外光谱中共存组分的光谱干扰问题。

　　6.在光谱技术领域值得关注的三项新技术取得重大突破

　　(1)太赫兹辐射技术及其相关仪器的新进展

　　近二年来，太赫兹辐射技术取得了不断的进步，特别是这些技术的应用得到了迅速的发展，相关仪器开发和国防、安全检查、材料识别与诊断、生产监测、生物医学等领域应用都取得了许多进步。

　　太赫兹辐射(T-射线波长为3,000~30微米范围内的电磁波)可以像X-射线那样穿过某些材料，“看”到其背后的物质。T-射线光子能量极低，不会对人体和其他材料造成电离，大多数包装材料如纸张、碳素板、塑料等对T-射线都是透明的，而金属和含有水分的材料不能透过T-射线，可以利用T-射线进行成像，透视出包装物品内部物体的T-射线图像来，从而可以应用于机场行李箱的安全检查和医生对人体内有损伤或破裂器官的检查。该技术的最大困难在于难探测到比较微弱的太赫兹辐射信号。

　　太赫兹技术的应用领域主要包括太赫兹光谱、太赫兹成像和太赫兹通讯几个方面。美国PicoMatrix公司和Zomega Technology公司、英国TeraVIEW公司、日本Nikon公司、布鲁克光谱公司都相继开发出了太赫兹光谱仪和成像系统。

　　太赫兹时域光谱技术，目前仍然是太赫兹光谱技术的核心研发领域。

　　太赫兹成像技术，目前主要向着实时成像、全息成像和三维立体成像技术方向发展。利用太赫兹电场相位信息的相位成像技术，是当前国际上积极发展的太赫兹成像技术之一。

　　为了发展小型化太赫兹系统，基于飞秒光纤激光器的太赫兹产生与探测系统，已经有实验室原型样机出现。太赫兹光子器件的研发，如太赫兹透镜、太赫兹滤波片、太赫兹波带片等光子学器件，已经吸引了国际科技界的广泛关注。

　　美国、日本和欧洲相继将太赫兹技术列为未来几年发展的关键技术。

　　我国于2003年启动了“太赫兹物理器件及应用研究重大项目”。“我国首台基于电子激光的太赫辐射源”被评为我国2005年基础研究十大新闻的第三项。

　　(2)光学分子成像系统

　　分子影像学是一门新兴的、交叉的科学，具有传统成像所不具有的特点：无创伤、实时、活体、特异、精细(分子水平)的显像等独特性质。

　　国外光学分子成像系统

　　A. 精诺真活体内可见光成像系统——Xenogen-200

　　200系列体内可见光成像系统，可以做激发荧光和自发荧光断层成像，可实现三维荧光光源的重建。它的探测深度为：颅内可达3~4cm，分辨率为1~3mm。

　　B. KODAK高性能数码成像系统——KODAK

　　它能进行二维成像，分辨率为厘米级。不能进行三维成像。

　　C. 小动物光学分子成像系统——GE

　　GE Healthcare通用电气医疗集团的eXplore Optix小动物光学分子成像系统，是激发荧光成像设备，探测深度：灵敏度高的时候，为1.5~2cm;灵敏度低的时候，为3~4cm。分辨率为0.5~3mm。虽然国外已经做出了光学分子成像系统，不同程度上还是有一定的缺陷。

　　国内光学分子成像系统

　　国内，清华大学、天津大学等少数的科研单位正在研制激发荧光断层成像(FMT)原型系统。截止到目前为止，国内还没有拥有自主知识产权的光学分子成像设备。在综合上述3种国外光学分子成像设备的优点并对缺陷进行了改进之后，我国构建了BLT/FMT原型系统。该系统包括荧光信号采集装置、图像信号预处理模块以及计算机系统，可以完成自发荧光断层成像(BLT)和激发荧光断层成像(FMT)。BLT软件已获得我国科技进步二等奖，BLT/FMT的研究已列入国家973计划。

　　(3)表面增强拉曼光谱技术

　　表面增强拉曼散射(SERS)技术具有灵敏度高、干扰小的特点，适合于研究界面效应，可以解决生物化学、生物物理和分子生物学中的许多难题。以往由于重现性不好等问题，SERS在分析测试中还没有发挥应有的作用。近年来， SERS的最新成果有望解决超高灵敏度分析问题，甚至进行生物单细胞和单分子以及纳米结构的分析。针尖增强拉曼显微技术(Tip-enhanced Raman microscopy)利用金属涂层的悬臂在针尖区域产生增强信号，使得在与针尖相接触的被研究物表面有可能测定SERS信号。生物芯片与SERS技术的结合也是一个令人感兴趣的方法。在芯片表面通过固定生物病原体以及对SERS有活性的金属，来测定出SERS信号。这些方法还有一些技术难题需要解决，但超高的SERS信号为建立高灵敏度的分析方法提供了可能，其前景是很诱人的。

,

　　(三)质谱仪及其分析技术的新进展

　　质谱分析技术是探索物质组分和结构的最有力手段，在引发的物理、化学、生物的一系列科学突破中起着关键作用，所以诺贝尔奖曾于1906、1911、1922、1989、1992和2002年度，授予与质谱仪和质谱分析理论有关的7位科学家。

　　离子化技术和质量分析器是质谱技术的核心，前者是把待分析样品分子转化为离子，后者是把离子按其质量分离并分别测量它们的数目，构成质谱图。

　　1.离子化技术的新进展

　　离子化新技术主要包括电喷雾(Electrospray Ionization, ESI)和基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI)两项离子化技术。这两项离子化技术、近年来又取得以下重要的进展。

　　(1)解吸电喷雾电离(DESI)是ESI技术的延伸。溶剂(含少量电介质)流入雾化器的毛细管，喷出的带电雾滴及离子在雾化气的带动下，轰击处于对面的样品靶，将靶上的样品解吸并电离成离子。DESI的最大特点是无需提取、分离等繁杂的样品前处理，而且离子化是在大气压下进行，能在很短的时间内完成样品的分析，灵敏度也很高。DESI的特点使这一技术可在检测爆炸物、化学战剂、毒品等方面得到重要应用。

　　实时直接分析(DART) 是与DESI类似的离子化技术，它使用激发态氦原子作为离子化试剂，也有很高的灵敏度。

　　(2)硅表面上解吸电离(DIOS) 是用电化学方法腐蚀硅片，形成多孔(微孔)表面，将样品涂于硅片表面，再置于激光的照射下，可使样品解吸并电离。

　　MALDI需要使用基质，这些基质产生大量的质谱峰，构成很高的背景，使分析发生困难。DIOS 不使用基质，因而背景十分干净，有利于分析小分子。用DIOS分析药物WIN，得到清晰的质谱图。DIOS 用于分析蛋白质也可提高氨基酸序列的覆盖率。DIOS 还有较高的耐盐性。

　　最近研究揭示，硅片上刻槽或将金属片腐蚀成多孔，只要槽或孔的尺寸在亚微米级，就具有无基质激光电离的性能。

　　(3)飞行时间二次离子质谱(TOF—SIMS)的离子源，在提高质量分辨水平方面取得突破进展，最重要的是该技术特别适用于有机物表面分析，大面积成像和有机物深度分析，适合生命科学需求。

　　2.质量分析器的新进展

　　质量分析器的研究朝两个方向发展，一是发展新型高分辨率的质量分析器，二是质量分析器的微型化。近年来有以下新进展：

　　(1)轨道离子阱(Orbitrap) 。其最大特点是无磁场、无高频电场，只用静电场，属静电场离子阱。轨道离子阱的分辨率高达15万，质量测量准确度可优于2 ppm。在制作成本以及运行维持费上，比离子回旋共振质谱低很多。这种质谱仪在药物研究、蛋白质组学和代谢组学等重大研究领域迅速得到广泛应用。

　　(2)质量分析器微型化。在 Oak Ridge National Laboratory 工作的 Mike Ramsey 和 Bill Whitten 以及在 Nanofabrication Laboratory at Bell Laboratories 工作的 Stanley Pau 3人合作，在25 mm2 的芯片上制作了 256 个微型离子阱阵列。这种微型离子阱可在 10-4 Torr 低真空下工作，可免去使用昂贵的涡轮泵。这种微型质譜仪将来可能进入医生诊所，成为临床诊断的仪器。

　　3.质谱各种联用技术的进展

　　Perkin Elmer 2006年推出新一代的Clarus 600 GC/MS，以柱温箱设计为例，提高升温和降温速率，缩短循环时间，提高样品分析效率和仪器投资回报率。其中EI和PCI/NCI的灵敏度指标也处于行业先进水平。

　　热电公司推出最新四级杆气质联用仪DSQ Ⅱ，配置了最新的离子源和检测系统，定量分析的线性范围超过6个数量级，扫描速度达到11,000amu/sec;组合式傅立叶变换—离子回旋共振质谱仪FTICR—LTQFT Ultra，该仪器质量精确度达到亚ppm级，分辨率超过750,000。

　　岛津公司推出新一代的GC/MS—QP2010 plus，采用独立加温的高效离子源，大容量排气泵，ODLenS的检测器等技术。

　　安捷伦科技公司新一代气质联用仪 —— 5975 inert MSD，此系统具有全新的用户界面，可以通过电子方式共享各种应用方法。该系统的推出，使用户可从网上下载分析方法而不用自行创建，从而加快了实验室之间各种方法的转移和标准化。分析工作者还可以利用最新版的软件，将原来的5973系列MSD方法转移到新的5975 inert MSD中。

　　4. 我国质谱仪研发的进展

　　我国近几年起步研发和销售通用的质谱仪。东西分析仪器公司已小批量投产GC/MS3100(四极质谱)，国家标准物研究中心正研发MSQ-1000平板直线离子质谱，上海精料与复旦大学联合开发了MS-800ESI-TOFO。上海大学和上海科创色谱公司联合研发成功GC-TOF-MS。这些国产仪器将在食品安全、药检、商检、农林、化工、生命科学等领域得到广泛应用。

　　质谱技术发展趋势：

(1)向高精密方面发展。

(2)向小型质谱仪发展。在各类质谱中，生物质谱成为有机质谱中最活跃、最具有生命力的前沿研究领域之一。小型质谱主要以四级杆、离子阱和飞行时间质谱为主。广泛地应用于环境、农业、食品、药检、公共安全。各类质谱仪全球市场状况可参考美国SDI公司2006年出版的《实验室生命科学和分析仪器工业市场分析与展望》。

,

　　(四)核磁共振仪

　　核磁共振(NMR)在科学上具有重要的地位并对推动物理、化学、生物、医学等学科的发展起到了非常重要的作用。因此诺贝尔奖曾6次授予NMR工作者，授奖领域涉及物理(1944、1945、1952年度)、化学(1991、2002年度)、生理或医学(2003年度)。NMR的广泛应用，特别是来自生物、医学领域的需求，推动了NMR谱仪技术的迅速发展。近年来有以下进展和突破：

　　1.核磁共振波谱仪(NMR)

　　(1)核磁共振对高磁场强度的追求是无止境的。

　　高强度带来的是NMR灵敏度和频谱分辨率的提高、四极展宽的减小、弛豫特性的改变等。继800MHz NMR谱仪逐步普遍化之后，900MHz谱仪的市场和用户迅速增加，几个主要公司已经了推出950MHz的谱仪。1GHz及以上的高分辨液体NMR谱仪已经在研制之中。美国强磁场国家实验室(NHMFL)采用超导和水冷混合磁体，研制出了磁场强度高达40T(1.7GHz)的固体核磁共振谱仪。随着新型超导技术、超稳定技术和超屏蔽技术等的不断进步，已经制造出了4.2K的800MHz磁体。杂散磁场大大缩小，磁体重量、液氦和液氮消耗、制造和维持成本显著降低。

　　例如：Bruker BioSpin集团推出了世界首款950 MHz主动屏蔽超导磁体——950 US2，该产品融合了Bruker BioSpin独有的UltraShield(TM)主动屏蔽技术和UltraStabilized(TM)附加制冷技术，从而具有更为出色的灵敏度和谱色散，但其低温保持器的尺寸和低温性能较之900 US2没有改变。

　　(2)谱仪包含的射频系统、脉冲磁场系统和信号处理系统，每3～5年就有一次重大升级

　　全数字化的核磁共振谱仪无疑将成为未来NMR仪器市场的主流产品。新型谱仪相继采用了高频和宽带接收器，从根本上解决了正交检测的相位和幅度匹配问题。中高端谱仪多具有自动匀场功能。探头的自动调谐技术逐步成为标准配置，普遍采用的多道同时检测技术，可以实现同核异核的双道同时检测。

　　(3)低温探头(20K)是重大突破之一

　　800MHz低温探头的信噪比(0.1%乙基苯)可以达到7600:1。低温探头灵敏度提高的关键是降低了热噪音。现已出现接收线圈和前级放大器同时置于低温的探头。

　　(4)多功能化和集成化趋势极为明显

　　配置固体探头(CP/MAS)和适用于生物组织的高分辨魔角旋转探头(HR/MAS)的用户越来越多。后者在代谢组学分析中有着广泛应用。核磁共振谱仪与液相色谱(LC)和质谱仪(MS)的集成(LC-MS-NMR)在复杂混合物定性和定量分析以及结构鉴定方面具有广大的市场。LC中的固相萃取、飞行时间质谱(TOF)和多级质谱(如MS/MS/MS等)已经用在集成的仪器之中。

　　例如：美国瓦里安公司与诺伊大学-香槟分校(UIUC)合作推出一款生物固体核磁共振探头——Bio-MAS(TM)。Bio-MAS(TM)采用了目前正在申请专利的卷形线圈设计技术，从而使得Bio-MAS(TM)的发热量较之常规探头降低了3倍。发热会对宝贵的固体生物样品造成破坏，而新产品使样品的试验寿命提高了至少1倍以上。

　　我国NMR仪器至今全部依靠进口。最近将“300MHz～500MHz核磁共振波谱仪的研发项目”已经列入十一五“国家科技支撑计划重大专项”。

　　2.核磁共振成像仪(MRI)

　　核磁共振波谱和成像仪器具有“量大面广”的特性。基于核磁共振原理的仪器还有石油测井仪和探水仪。核磁共振测井仪器能够提供油井内原油和水的定量分布或原油的储备信息。每年核磁共振测井量超过3000多口，取得了很好的经济效益，要求仪器具有快响应和能够适应地下高温、泥沙等恶劣环境。核磁共振测井仪的生产厂商集中在美国。我国磁共振测井仪已经研制成功。磁共振探水仪主要用于探测地下水源，俄罗斯生产仪器的探测深度可以达到160m以上，我国研发的核磁共振探水仪深度在150m左右，其产业化示范已列入十一五“国家科技发展支撑计划重大专项”。

　　(五)微区分析仪(电子、粒子束微区分析仪)

　　利用电子、粒子束探索和分析样品表面形貌、原子和分子结构、元素组成、化学状态的仪器称为微区分析仪。这部分仪器种类很多，其中在材料科学、微电子学、化学与催化、环保、能源、生命科学等领域应用很广、发展很快的是电子显微镜和电子能谱仪。电子显微镜是人类认识自然，特别是微观世界的有力武器。电子显微镜的发展推动了人类对物质世界认识极限的挑战。近年来，由于像差校正等技术突破以及纳米科技、信息科学、生命科学等学科需求牵引，电子显微镜正处于革命性发展阶段，其主要标志是近年来电镜的分辨本领有异乎寻常的提高，点分辨本领突破1埃的限制，能量分辨本领达到0.1 eV水平。

　　1.扫描电子显微镜(SEM)

　　扫描电镜技术发展的主要目标是提高分辨率。场发射枪在扫描电镜上早已广泛应用，近年发展低压电镜(LVSEM)、环境扫描电镜(ESEM)和低能级电镜(SLEEM)，以适用于生物样品和不需喷涂导电膜，低压时就可观察绝缘样品或半导体样品，为发展固态表面研究，促进SEM朝低能级方向发展。

　　FEI公司最新的场发射扫描电子显微镜Nova NanoSEM是世界上第一款能对非导电样品和有污染样品进行超高分辨表征的低真空场发射扫描电镜。与NanoSEM同时发布的FEI Helix探测技术将浸入式透镜和低真空扫描电镜两种技术成功地组合在一起，这是首创，给用户带来超高分辨率的同时，还能在低真空环境下有效地抑制非导电材料的电荷积累效应，抑制样品前处理过程中引起的电子束诱导污染。

　　日本电子推出的移动式扫描电子显微镜(SEM)“Carry Scope JCM-5100”大大简化了观测条件的设置，在和光学显微镜同等便利的条件下，可得到SEM特有的高观测景深和高分辨率数据。同时通过减小尺寸、减轻重量，用户可轻松移动扫描电子显微镜。启动扫描电子显微镜时只需一个100V电源插头。该仪器简化了老式SEM所需的设置(加速电压、光圈调整等作业)，放入样本，大约1分钟进行真空排气后，即可得到具有立体效果的高分辨率观测画面，分辨率也达到了4埃(0.4nm)。

　　2.透射电子显微镜

　　2005年8月FEI公司发布了新一代Titan80-300亚埃分辨率像差校正透射电镜，分辨率高达0.07nm。FEI公司近年来投资1亿欧元研制新一代透射电镜。据悉已接受25台Titan电镜的订单。2006年9月日本日立公司展示了HD-2700像差校正扫描透射电镜;日本电子公司与英国牛津和剑桥大学合作开发的像差校正透射电镜的分辨率也已突破1埃(0.1nm)。

　　美国为了保持其科学研究能抢占先机，由能源部支持的五大电镜实验室共同研发下一代像差校正透射电镜，建造可分辨0.5埃、单价数百万至千万美元的新型电镜，计划2008年完成。我国台湾地区近期也已投巨资开展“理想的电子显微镜”关键部件的研制工作。

　　亚埃、亚eV透射电镜的出现为物质结构研究开拓了众多的研究领域，包括物质结构的亚埃尺度研究、物质电子结构的亚电子伏特分辨水平的研究，原位有环境反应的实时观