再论生命科学仪器及应用的最新进展

再论生命科学仪器及应用的最新进展李昌厚(中国科学院上海生物工程研究中心上海)摘要本文对生命科学仪器的定义作简单介绍；重点介绍生命科学仪器和应用的最新进展；并针对生命科学仪器的重要性及其发展情况提出5点结论。关键词生命科学仪器应用进展目前，全世界的科学家，对生命科学仪器已经引起极大的关注。对生命科学仪器定义的界定也正在逐步明确。什么叫生命科学仪器?20世纪80代中期开始，人们只是把基因扩增仪(PCR)、核酸蛋白分析仪、酶标仪、细胞检测仪、生化分析仪等为数不多的仪器认为是生命科学仪器；应该说这只是狭隘的定义。今天，随着生命科学和生命科学仪器的发展，特别是它们二者之间的相互依存、相互促进，使得人们对生命科学仪器的认识也在不断提高、不断深化和升华。科学家对生命科学仪器，已经广义的定义为生命科学研究和生物技术领域使用的仪器就是生命科学仪器。今天，除过去狭隘定义所包含的那些仪器外，科学家已经把四大基础仪器(紫外可见分光光度计、原子吸收分光光度计、液相色谱仪、气相色谱仪)都认定为生命科学仪器的主干产品；把光谱、色谱、质谱、以及有关的联用技术，都称之为生命科学仪器。目前，人们对生命科学仪器的定义越来越明确，从很多文献上都能查到“LiveScienceInstrument”这样的名词。国际上越来越多的科学家认可LiveScienceInstrument。本文将介绍生命科学仪器及其应用的最新进展。1生命科学仪器及其应用的最新进展众所周知，当今的生命科学已从过去的描述性、实验性的科学向定量科学过渡。要定量就要有分析，要分析就要有仪器。所以，生命科学的过渡离不开生命科学仪器。美国的Hood教授指出：近20年来，生物医学迅速发展的两条主要原因之一，就是生物技术和科学仪器的相互配合，紧密结合。因此，生命科学仪器及其应用的发展非常快。1．1向“三超”的发展趋势更明显所谓“三超”，就是生命科学仪器向超高速、超微量和超小型方向发展。1．1．1超高速现代世界上最快的DNA合成仪，2min可合成一个碱基；2h的工作效率，相当于过去25个专业人员手工操作4—5年的工作量。即它1h的工作量，相当于人的手工操作9万小时的工作量。也就是说，工作效率提高9万倍。可以说，DNA合成仪是生命科学仪器向超高速发展的典范。DNA测序仪是最引人注目的生命科学仪器之一。美国专家科学委员会曾经认为：人类基因组计划限速的主要因素，在于方法学和仪器跟不上。所以，在20世纪90年代中期，他们就要求DNA测序效率在当时的基础上提高5-10倍。继阿波罗登月计划之后的美国人类基因组计划，在对人类基因全部30亿个核苷酸的序列测定中，美国政府拨款30亿美元，要求用15年时间完成测序。HP公司为此研发的基因芯片测试仪起到很大的作用(2007年10月的BCEIA上已经展出)，该仪器可测试60万个核苷酸／小时，结果人类基因组计划提前完成任务。还有，特别值得注意的是：瑞典Phamacia近几年推出的时间分辨荧光免疫测试仪(DEFIA)每秒钟可分析一个样品，每小时可分析3600个样品，而且其灵敏度可达10‘17mol(Eu)，这又是一个生命科学仪器向超高速方向发展的典型例子。2006年，日本岛津推出超快速的液相色谱(UFLC)，进样动作仅需10s，分析速度提高10倍(2007年10月的BCEIA上已经展出)。这些都是值得注意的最新进展之一。美国的Waters近几年推出的超高压液相色谱(UPLCTM)，其最大操作压力达到psi，大大提高分析速度，但不降低分离度。因为利用1．7pm的小颗粒填料，所以获得超强分离能力。这种仪器更是值得科技工作者注目。中国北京普析通用公司近年推出的MB5原子吸收分光光度计，一只五元素灯，一滴血，3s可以同时得到Cu、Zn、Ca、Mg、Fe5种元素含量测试的结果，这也是值得重视的发展之一。1．1．2超微量荧光分光光度计(FLS)本身就现代仪器(WWW．moderninstrs．org．cn)是高灵敏度的生命科学仪器，从原理上讲，FLS就比紫外可见分光光度计(UVS)的灵敏度高2-3个数量级!继美国的Bear教授用荧光检测器，检测10-14mol的Leu后不久，李昌厚研究组发明UV／FL多功能紫外荧光微量光度计，其荧光(FL)部分能检测到10-13mol的亮氨酸(Leu)，只需8 uL试样，就可得到满意的结果，已获得国家发明奖。2007年，日本的HORIBA推出FluoroMax一4超高灵敏度荧光光谱仪，测水的Raman峰信噪比达到4901(350nm激发，397nm峰信号；没有拉曼信号的450nm背景信号)；目前一般的常规FLS灵敏度(水的拉曼峰信噪比)在3000以下，而FluoroMax一4接近5000，这在FLS领域是一个了不起的、很值得重视的进展。原子吸收分光光度计(AAS)是近几年发展特别快的分析仪器之一，检测限可达到10—3 g。随着科技的发展、随着人类生存的环境变化，AAS的应用将越来越广泛。近几年，国际上的科学家发现，很多稀有元素是强致癌物质；美国癌症研究中心报道：人类癌症90％来自有机物(包括微量重金属元素)；而重金属元素的检测，主要用AAS，所以它发展很快；例如：2006年德国Jena公司正式推出商品的ContruAA连续光源AAS，一只灯可分析60多个元素。目前已小批生产。因为一般常规的AAS，一只元素灯只能分析一个样品。所以应该说德国Jena公司的ContruAA连续光源AAS，是AAS的一个革命性的突破。2007年的BCEIA已有展品。还有，原子荧光光度计是我国发明的一种分析仪器；我国已有好几家公司在生产该类仪器。2005年，北京瑞利公司推出的的AF．630／640环保型多道原子荧光光度计，获2005年BCEIA金奖，它具有8项自主知识产权的，能分析11种痕量元素。是一种很好的生命科学分析仪器，很值得大家重视。1．1．3超小型既要超高速、超微量，又要超小型，在同一台仪器上是很困难的。而当代生命科学研究工作和许多家用分析仪器，却往往希望“三超”在同一台仪器上实现，既要仪器稳定可靠，又要求超小型、占地方小、便于携带。所以，近几年国外陆续出现茶杯里能放进的水质分析仪、口袋里可放进的葡萄糖检测仪等超小型生命科学仪器。大家知道，紫外可见分光光度计是生命科学研究中必不可少的分析工具，它被认定为生命科学仪器的主要产品之一。李昌厚研究组研制一种超小型、多功能微量UVS，它可作为高压液相色谱(HPLCD)、微量14紫外可见分光光度计(MUVS)、流动注射分析检测器(FIAD)、核酸蛋白分析仪等4种仪器使用，所需试样只有8 uL就可得到满意的结果；其体积只有目前国内外常用UVS的1／5～1／6，在中国科学院组织召开的专家鉴定会上，得到很多专家的好评。2007年的BCEIA会上，我国上海精科公司的便携式气相色谱GCl90和GCl28、北京东西分析的光离子化便携式气相色谱仪、北京普析通用公司的小型紫外可见分光光度计T6、上海光谱公司的超小型紫外分光光度计uV、美国哈希的超小型荧光、超小型拉曼等等，都是国际上超小型生命科学仪器飞速发展的典型例子。特别值得注意的是我国天瑞仪器有限公司，他们最近推出的EDXPocket．II型x荧光分析仪，是全球同类仪器中体积最小、重量最轻的x荧光分析仪，但是检测灵敏度可到达ppm级别，值得大家重视，值得中国人骄傲。1．2联用技术的发展令人眼花缭乱、耳目一新现代科学仪器的发展，与方法学的突破有密切关系；往往一个新的方法的突破，会带动一大片学科的发展，生命科学仪器的发展，可以说是一个典型例子。可以说：新的联用技术的发展，是当前生命科学仪器发展的一大特征；往往一个方法、一台仪器不能解决的生命科学领域中的分析测试问题，几种方法或几台仪器联用，问题就迎刃而解。下面举几个例子，说明生命科学领域中联用技术(包括仪器和应用)最新的突破性进展。1．2．1岛津新一代MALDICIDMS／MS联用仪最近，岛津推出最新型的AXIMA—TOF2一新一代MALDICIDMS／MS联用仪，它具有：高精度、良好的重复性、操作简单、适用面广等特点。它的主要应用领域为：蛋白质组学解决方案、LC．MALDI综合工具包、识别生为标志物、功能基因组学等领域。完全能满足生命科学领域、生物技术领域的最简单到全自动化分析的要求(2007年的BCEIA会上有展品)。这种联用仪器，在蛋白质组学、功能基因组学、很多生物技术领域的研究工作中，将有非常广阔应用前景。1．2．2上海精科公司联合攻关的LC／MS项目2006年，我国上海复旦大学与上海精科公司联合攻关的LC／MS项目，取得很好的成果；LC和MS两项技术都有重要突破，有自主知识产权。LC部分没有机械部件，减少机械摩擦、振动，大大提高仪器的可靠性，是属于世界首创的科研成果。该仪礤代嵌器NMW．moderninstrs．org．cn^毫囊誊i警≥摹薹i萋馨§囊孽甏；囊；篆§-一j漤||。参考文献1刘建昌．室内甲醛的释放规律及快速检测方法，环境，2006，S1：87-892程望斌，黄鹰．光谱法测定室内空气中f0醛浓度，应用光学，2007，28(1)：105-1083吕蓓红，曹三忠，宋献光等．用化学法和现场检测仪法测定室内空气中甲醛的对照实验，临沂师范学院学报，2006．28(6)：71-744薛刚．XP一308型甲醛分析仪与酚试剂法测定空气中甲醛浓度的对比研究，建筑科学，2007，23(5)：59～605陈晓龙，黄元庆．室内空气甲醛气体实时检测设计，中国仪器仪表，2007，4：64～666崔玉玲，贺廉云．基于AT89S51的室内空气质量测试仪，农业装备与车辆工程，2007，9：60～61，737杨秀莲．室内空气中甲醛的检定，企业标准化，2005，6：60-61RapidDetermination ofFormaldehyde inIndoorAirWangLijieCaiLijuanBaiYameiLinLin(CoIIege ofMeasure—ControlTechnology andCommunicationEngineeringHarbinUniversity ofScience andTechnology，Harbin)AbstractThe hazard and conventional determination methods of formaldehyde in indoor air are summa。1zed， and necessitv for rapid determination of formaldehyde is expounded．The rapid determination methods of fIomaldehyde in indoor air such as spectra method，sensor method，detecting tube and paper method are analyzed·Perfomance indexes of typical formaldehyde detector both home and abroad are contrasted，and the。esea‘ch direction and developing trend are also indicated．Kev wordsFormaldehydeRapid determinationFormaldehyde detector(上接第5页)Analytical methods and migration and transformation laws ofPCBs in natural watersShangXiaoyanGaoJianpeiPanXuej un fFacultv ofEnvironmentalScience andEngineering，KunmingUniversity ofScience andTechnology,Kunming，China)AbstractThis article was an overview of thePCBs of chemical properties and toxicity，which summarized theSamplePreparation and analysis methods ofPCBs in water environment，including surface water，sediment and biological agents．It also discussed the migration and distribution ofPCBs in aquatic environment(surface water, sediment and biological agents)．Kev wordsAquatic environmentSample preparationGC—ECDGC—MSMigration and distributlon(下接第15页)The resent development of live scinse instrument and its applicationLiChanghou fReserchCentre ofBiotechnology,ChineseAcademy ofSciences，Shanghai)AbstractThisDaper gives a brief introduce to the recent development ofLiveScinseInstrument and its application．Meanwhile，put forwardIts importance．Key wordsLi,ve scinse instrumentApplicationDevelopment12

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