【分享资料】再论生命科学仪器及其应用的最新进展（李昌厚教授）

研究表明，人体的50%-60% 是由水组成的，一般情况下一个人在没有食物但是有水的环境下可以活7
天左右，可是在没有食物也无水的干环境下只能活3 天。一个城市在没有正常能源的情况下，甚至没有交通工具的情况下，还可以维持一定时间的正常运转，但没有水很快就变成一座死城。地球表面70.8% 被水覆盖，但97.5% 的水是海水，既不能饮用，也不能灌溉；在余下的2.5%的淡水中，有87% 是两极冰盖、高山冰川和永冻地带的冰雪。人类真正能用的水，不到世界淡水总水量的1%。所以，英国慈善机构“水援助”和“泪水基金”联合发表报告说：饮用水卫生问题已成为“目前世界上最为紧迫的生存危机之一”。地球上的水污染很严重，据世界卫生组织报道：维持一个人的生命，每天至少要5 升水，加上卫生用水和其它用水，发达国家人均需水量高达300-650 升/ 天，而世界上地面和地下水的污染已到了非常严重的地步。2001年英国慈善机构“水援助”和“泪水基金”联合发表的报告说：每天世界上有6000 儿童死于饮水不净，目前全球有11 亿人缺乏安全饮水，每年有500多万人死于同水有关的疾病。目前，世界上住院治疗的病人中有一半是饮水不卫生而引发的疾病。文献报道：世界上最大的内海——地中海，正在变成肮脏的海洋，每年倒入地中海的废水达到60亿立方米、固态垃圾达到2亿吨以上。沿海岸有60多家炼油厂和上百家燃油热电厂及其它各类工厂等污染源，它们每年要向地中海倒入90 万吨工业粘着物，160 万吨可氧化的物质，使地中海每年要混入100吨水银、3800吨铅、12000
吨酚类物质和3600吨磷盐。据世界卫生组织报道：发展中国家，目前每天有数万人死于饮用水不洁引起的各类疾病。据文献报道，世界上汽油烷基防爆剂所用的铅每年达到38 万吨以上，其中70% 直接排入大气中，而人吸入的量至少有35%以上沉积在体内，也就是说地球上的人每年因汽油烷基防爆剂这一项，总共吸入的铅就有10吨左右 沉积在人体内，最终引发铅中毒性质的各类疾病，更严重的是障碍儿童的身体发育，引起智力发育不良，形成痴呆症等等。
以上事实，清楚地说明人们急需生命科学仪器。
1.3 其他
由于现代工业、农业造成的其它污染，也正在日益加重，如有机汞、有机磷 、多氯联苯、农药残留物、放射性污染的水、各种无机元素（如镉、汞、铅、砷、铬等等）造成的污染已相当严重。汞中毒的死亡率高达40%，镉对人的肾破坏率很大，被认定为1A 级致癌物质。铅是一种对神经系统有害的重金属元素，儿童体内铅含量超过每升100微克时,脑发育就会受到不良影响。儿童血铅每增加10 微克/发育就会受到不良影响。儿童血铅每增加10 微克/过每升100 微克称为铅中毒。
3年前，国际消除儿童铅中毒联盟专家说：中国如不进行儿童铅中毒的防治，20 年后，中国人平均智力将比美国人低5%。即20 年后，一亿多告别“儿童”的中国人中，约有300 万到500 万人因智力下降成为社会负担，约有1000 万到1300 万人从平常人变为“庸人”，约有200万的高智商人才变为平常人，目前国内城市儿童铅中毒的情况：北京1/3；哈尔滨市目前0-2 岁达45%，2-6 岁达46%；深圳2/3；太原平均每人头顶上有500 克铅尘，有20%的儿童需要治疗。科学家研究表明：铅中毒有5大原因。即：a、大气污染；b、室内装饰；c、吸烟（吸烟家庭孩子铅中毒比不吸烟家庭孩子大10倍）；d、玩具；e、食品（爆米花、皮蛋、罐头、饮水等）。铅中毒
的症状：面黄、个矮、便密、腹泻、恶心、呕吐、注意力不集中等等。文献报道，由于现代工业和农业造成的污染，到本世纪中叶，世界海平面将增高1m，每年消退的生物达100 万种。
转基因食品的发展对人类也是一大危害。欧盟严禁食用转基因食品，许多发达国家都对转基因食品进行限制。转基因食品的五大隐患：a、可能对其他生物产生不可估量的负面影响。具有抗虫、抗病转基因的植物也可通过花粉等途径对其他许多有益植物产生直接或间接影响，从而改变这些植物的良好基因。b、增强害虫的抗性：目前已知第三代、第四代害虫已对转基因抗虫作物产生抗性，以致要用更多的农药，这对全球的环境的危害更加大。c、转基因植物通过授粉可能将抗虫、抗病、抗除草剂等“本领”传给野生杂草，从而杂草争夺肥料，严重影响农作物的生长，甚至严重影响农作物的生存！d、由于动、植物、微生物、甚至人类的基因可以相互转移，形成人为的优势特征，这违背了“优胜劣汰”的自然规律，严重影响物种间的竞争，破坏生态平衡。e、转基因生物产品作为食品进入市场，可对人体产生某些毒理作用和过敏反应，如：转基因生长激素毒素基因，可能影响人的生长发育；转基因的综述

抗生素基因可能使人体对很多抗生素产生抗性，一旦生病，所有抗生素都不管用，可怕，转基因生物产品只十几年历史，对人危害的潜伏期很长。所以，凡是持怀疑态度的国家，都不签入境许可证，尤其欧盟更是如此。所有这一切，都已经或正在引起全球性的警觉，全球人类目前面临的威胁越来越大。因此，从70年代末期、80 年代初期以来，世界上科技和社会发展潮流明显由“物”转向“人”。即从重视社会物质生产，开始转向切实关注人类生存发展的重大问题。因此，生命科学仪器的大发展是必然的。

2 生命科学仪器和应用发展的现状
目前，生命科学仪器在国际上正处在大发展时期。各类生命科学仪器正在不断涌现，如各类生化仪器、生物医学分析检测仪器、家庭或个人使用的专用仪器，特别是超小型、廉价的生化仪器，各类血液分析仪、验尿仪、水质分析仪、有毒有害气体检测仪等等。据文献报道，这些超小型仪器中，有的可以放进茶杯；有的可以放进口袋，如萄葡糖检测仪；有的只有手掌大，只需一滴尿液或一点血迹，就可以对人体的萄葡糖指标进行检测，对糖尿病患者有很大的用处。如2001 年美国理康公司推出的SureStepPlus稳步倍加型血糖监测仪，只有香烟盒大小，只需一滴鲜血，30 秒钟就可得到结果。德国BM公司推出的Teflolux血糖检测仪，也只需一滴鲜血，两分钟即可得到结果。这些萄葡糖检测仪都可随身携带，用来监控糖尿病非常方便。又如，家用食品检验仪，其探头（传感器）做成筷子式，只需插入食品就可检测其有毒有害成份，如检测食油中的黄曲霉素，猪肉中的3-4苯并芘等,这两种物质是强致癌物质，只需将探头插入，就得到结果，非常方便。
我国上海精科公司，在04 年研制成功便携式CS190 型微型气相色谱仪，体积只有常规气相色谱仪四分之一，但分析速度很快，一般只需6 分钟就可完成分析工作。将有非常广阔的应用前景。由于80 年代初期计算机对科技的贡献，直接促进了生命科学仪器的发展，因此，这几年生命科学仪器的发展速度令人赏心悦目。许多生命科学仪器能完全自动、准确、高速高效地完成仪器的自检、故障的报警、控制分析测试的全过程、测试数据处理、协调与联用仪器的分工合作等等。许多生命科学仪器，操作人员只需要放试样、启动仪器就行了， 其余一切都全由计算机自动完成。如Beckman



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抗生素基因可能使人体对很多抗生素产生抗性，一旦生病，所有抗生素都不管用，可怕，转基因生物产品只十几年历史，对人危害的潜伏期很长。所以，凡是持怀疑态度的国家，都不签入境许可证，尤其欧盟更是如此。所有这一切，都已经或正在引起全球性的警觉全球人类目前面临的威胁越来越大。因此，从70年代末期、80 年代初期以来，世界上科技和社会发展潮流明显由“物”转向“人”。即从重视社会物质生产，开始转向切实关注人类生存发展的重大问题。因此，生命科学仪器的大发展是必然的。

2 生命科学仪器和应用发展的现状
目前，生命科学仪器在国际上正处在大发展时期。各类生命科学仪器正在不断涌现，如各类生化仪器、生物医学分析检测仪器、家庭或个人使用的专用仪器，特别是超小型、廉价的生化仪器，各类血液分析仪、验尿仪、水质分析仪、有毒有害气体检测仪等等。据文献报道，这些超小型仪器中，有的可以放进茶杯；有的可以放进口袋，如萄葡糖检测仪；有的只有手掌大，只需一滴尿液或一点血迹，就可以对人体的萄葡糖指标进行检测，对糖尿病患者有很大的用处。如2001 年美国理康公司推出的SureStepPlus稳步倍加型血糖监测仪，只有香烟盒大小，只需一滴鲜血，30 秒钟就可得到结果。德国BM公司推出的Teflolux血糖检测仪，也只需一滴鲜血，两分钟即可得到结果。这些萄葡糖检测仪都可随身携带，用来监控糖尿病非常方便。又如，家用食品检验仪，其探头（传感器）做成筷子式，只需插入食品就可检测其有毒有害成份，如检测食油中的黄曲霉素，猪肉中的3-4苯并芘等,这两种物质是强致癌物质，只需将探头插入，就得到结果，非常方便。
我国上海精科公司，在04 年研制成功便携式CS190 型微型气相色谱仪，体积只有常规气相色谱仪四分之一，但分析速度很快，一般只需6 分钟就可完成分析工作。将有非常广阔的应用前景。由于80 年代初期计算机对科技的贡献，直接促进了生命科学仪器的发展，因此，这几年生命科学仪器的发展速度令人赏心悦目。许多生命科学仪器能完全自动、准确、高速高效地完成仪器的自检、故障的报警、控制分析测试的全过程、测试数据处理、协调与联用仪器的分工合作等等。许多生命科学仪器，操作人员只需要放试样、启动仪器就行了， 其余一切都全由计算机自动完成。如Beckman 的700 型和BM 的4030 型全自动生化仪，从采样、样品的稀释、测量操作到数据处理和打印结果，全由计算机自动完成。又如美国Manarch2000 全自动生化仪，具有多功能，可作吸光度、FL、电解质、特殊蛋白质和酶免疫、FL 免疫等分
析，可同时作23 个项目，都由计算机自动完成。随着生命科学的发展，也进一步促进了生命科学仪器的发展。
往往由于生命科学研究中方法学上的发展，使许多成熟的仪器扩大了新的应用范围，成为生命科学领域的崭新仪器。如原子吸收分光光度计，过去主要用于无机元素的分析（钢铁、冶金、地质等），这几年却成了生命科学研究领域的“座上宾”，如国内某研究所用它来对人发中的锌、钙、镁、铂、钴等微量元素含量的测定，研究癌症，得到了令人满意的结果。反过来，生命科学仪器的发展，又推动了生命科学的发展。又如同位素质谱仪，过去主要是做地球化学中同位素分析用，近几年，在医学界也在试用同位素质谱仪测定人体呼气中的碳同位数比值（C13/C12），以此诊断患者的胃和肝脏等疾病（如检查胃中的螺旋杆菌）。所以生命科学仪器的发展又反过来促进了生命科学的发展。总之，生命科学仪器和生命科学正在同步高速发展着。

3 生命科学仪器及其应用的最新进展
今天的生命科学正在或已经从描述性、实验性的科学向定量科学过渡。要定量就要有数据，要有数据就要有分析测试，要分析测试就要有仪器。所以，生命科学向定量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二条主要原因之一，就是生物技术和科学仪器的相互配合或紧密结合。因此，生命科学仪器及其应用的发展非常快。

3.1 向“三超”的发展速度令人赏心悦目
所谓“三超”，就是生命科学仪器向超小型、超微量、超高速方向发展。

3.1.1 超小型
既要超高速、超微量、又要超小型，这在同一台仪器上是很困难的。而当代科研和家用分析仪器，

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却往往希望“三超”在同一台仪器上实现，既要仪器超高速、超微量、又要超小型，要求占地方小、便于携带。所以，近几年国外陆续出现了许多超小型生命科学仪器。如茶杯里能放进的水质分析仪、前面讲的口袋里可放进的葡萄糖检测仪等等。国内也出现了香烟盒大小的流动注射分析仪，由沈阳生态所研制成功，在沈阳医学院得到应用，引起了国外许多学者重视。李昌厚课题组研制了一种多功能微量UVS，它可作为HPLCD、MUVS、FIAD，核酸蛋白分析仪等4种仪器使用，所需试样只有8微升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，鉴定会时，受到了专家们的一致好评。我国北京普析通用公司04年推出了一种便携式的Pors－15超小型紫外可见分光谱仪，只有笔记本的一半大小，带有10 种附件，便于携带，在环保领域有广阔的应用前景。特别是目前刚出现的微流控芯片实验室，一块芯片，就集成了一个实验室的全部仪器，一块芯片就相当一个实验室，更是超小型的典范。上述这些仪器，都是生命科学仪器向超小型发展的典型例子。

3.1.2 超微量
我国北京普析通用公司04年推出了一种叫MB5的超小型的原子吸收分光光度计，它只有普通原子吸收分光光度计的四分之一大小，采用5 元素灯，5 只光电倍增管同时接收。只需40μ l 血(一滴血)，3 秒钟可得结果。这可说是生命科学仪器向超微量发展的一个典型例子。
HPCE 它是20 世纪80 年代末期、90 年代初期发展起来的，目前被国际上的分析化学家所注目的生命科学仪器之一。HPCE 在复杂的、大分子的分离、分析工作中特别有用。在药品质控、临床试验、中药研究中，HPCE 威力无比。在临床试验中除蛋白和药物鉴别外，还可作基因诊断、免疫分析、各种体液分析、单细胞分析和常规的临床检验等等。HPCE特别适合用于生命科学的研究。有的生物学者对它的评价很高，它具有高灵敏度（可ng进样）、高分辨率（塔板数可达到 8000 万/m），HPLC 解决不了的问题，HPCE 可以解决。高速度（最快只需几十秒钟就可分离完一个样品的分析）等特点。HPCE一般可在几分钟或十几分钟完成一个样品分析，并且所需缓冲液少，一般几个ml 即可，有时几十ml 可作一个方法。HPCE 是生命科学仪器向超微量发展的一个典型例子。又如FLS，它本身就是高灵敏度的生命科学仪器，从原理上讲，FLS 比UVS 的灵敏度高2-3 个数量级。20 世纪80 年代中期，美国的Byear 教授用荧光检测器作HPLC，能检测10-15mol 的Leu，不久，李昌厚课题组发明了UV/FL 多功能微量光度计，其FL 部分能检测到10-14mol 的Leu，只需8 微升试样，在几分钟内就可得到满意的结果，并获得了国家发明奖。然而，今天国际上已出现了Laser FluorenscesDetector，其灵敏度可达到10-21mol（Eu），这是一个重大突破，是生命科学仪器向超高灵敏度、超微量发展的又一个典型例子。

3.1.3 超高速
据Qusesada和Mahies报道：脱氧核糖核酸(DNA)序列分析最引人注目。利用毛细管电泳FL衍生技术进行DNA 测序，比商品DNA 测序分析仪快25 倍（商品DNA 测序仪，比手工操作快2000 倍）。因此，利用毛细管电泳FL 衍生技术组成的DNA 测序仪比手工快5 万倍。世界上最快的DNA 合成仪，2 分钟可合成一个碱基。2 小时的工作效率，相当于25 个专业人员手工操作4-5 年的工作量。即它1 小时的工作量，相当于人的手工操作9 万小时的工作量。也就是说提高效率九万倍。所以，DNA 合成仪是生命科学仪器向超高速发展的典范之一。DNA 测序仪是最引人注目的生命科学仪器，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进行测定时，美国政府拨款30 亿美元，要求用15 年时间完成。真是不惜重金。90 年代中期，国际上的DNA 测序仪，每天可测1.5万个核苷酸顺序，而一位熟练的专业技术人员，手工操作每年仅可测5-10 万个核苷酸顺序。当时的DNA 测序仪比手工测试效率高2000 倍以上。但在此前的20 年中，人体基因只测定了600万个核苷酸。而今天的DNA 测序仪可达60 万个核苷酸/小时的超高速，它对美国人类基因组计划的完成，起到了决定性的作用。综上所述，DNA 测序仪也是生命科学仪器向超高速发展的典型。美国Beckman 的CX7 型全自动生化仪，每小时可分析960个样品,这也是生命科学仪器向超高速方向发展的一个例子。这里特别值得介绍的是瑞典

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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。以上是生命科学仪器及其应用向“三超”发展的简况。

3.2 新型的生命科学仪器不断涌现
目前，国际上新型的生命科学仪器不断涌现，例
如：
3.2.1 基因矩阵扫描仪的问世
基因矩阵扫描仪（Gene-Arry Chip ScanInstrument），是目前世界上最高级的DNA测序仪，可用于研究、诊断、药物筛选或基因筛选。美国HP 的基因矩阵扫描仪与AFFYMETRIX 的基因芯片结合，是最佳、最新的配置，这项技术取代了目前国际上许多研究人员仍在使用的费时、费力、费钱的经典凝胶基因分析方法。它具有同时测定多种基因和突变的独特功能。可读出的基因芯片探针点阵多达60 万个，并在6 分钟内扫描出来。这项扫描技术，为AFFYMETRIX 开发新的基因芯片探针点阵、为基因研究提供了更广泛的应用空间。在基因表达、DNA测序和基因突变监测、基因筛选、药物筛选、基因诊断等方面具有非常广阔的应用前景。它对美国的人类基因组计划的提前实现，起到非常关键的重大作用。

3.2.2 蛋白质领域的新型蛋白质C端分析仪的问世
近几年出现的蛋白质C 端分析仪是目前世界上最新的仪器之一，目前正在发展中。它主要用于重组蛋白质的分析。随着生物工程的发展，对重组蛋白质的分析日益重要；一个蛋白，有N 端和C 端，蛋白质N 端分析，目前似乎已成了常规分析，但C 端分析，刚显出具大的生命力。蛋白质C 端分析仪，在基因工程目标产品的质量控制方面很有用处，因为蛋白质的C 端是否突变，用蛋白质C 端分析仪来鉴定是最佳的办法，蛋白质C 端分析仪是生命科学仪器领域的重要、新型仪器。

3.2.3 定量基因扩增仪（PCR）问世：
基因扩增仪是目前发展很快的一种生命科学仪器，目前已从定性向定量发展。近几年，美国ABI 公司推出的9700、7000PCR 就是，7900 有384孔和96 孔两种，用氩离子激光器作光源，光栅分光，C C D 检测。2 0 0 1 年A B I 还推出了最新的2700PCR，它有96 孔，可编程、可储存100 个完整的PCR 方法。它在生命科学仪器领域具有极其重要的意义。

3.2.4 毛细管阵列电泳激光诱导FL检测仪的问世
它也是一种新型的D N A 测序仪，已能达到10-15mol/ml的检测灵敏度,已在生物体中的超痕量生物活性物质和环境中有机污染物方面得到了广泛的应用，将具有广阔的应用前景。以上实例，说明新的生命科学仪器不断涌现！

3.3 联用技术突破性的进展令人耳目一新
实践证明：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，就是一个典型例子。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，问题就迎刃而解了。下面的例子，说明生命科学领域中联用技术的突破性进展：

3.3.1 FIA与AAS联用，使AAS发生了革命性的变化
FIA是丹麦科学家Rujika发明的一种快速分析方法，目前FIA 在国际上发展很快革命，过去不能做的工作（如：海水中有些元素的，有的分析化学家认为它给分析工作带来了革命性的变化。生物学家认为它给生命科学WELZ 认为：FIA 与AAS 联机，使AAS 产生了一场带来了新的突破。方肈伦和分析），现在可做了。过去无法解释的理论问题（如：峰拖尾），现在已能解释了。FIA+AAS后，每小时可作200 个样品。可以说，FIA 与AAS 的联机，给AAS仪器带来了革命性的变化。

3.3.2 GC/HPLC/MS三联仪
美国FINIGAN 公司推GC/HPLC/MS 三联仪，配有一个最新的HPLC/MS 接口，称之为大气压电离源（API），该仪器可为近代生物工程及生命科学、药品检验等分析测试工作提供大量的有用数据，能在有机结构分析、生物大分子量的测定等方面发挥独特的作用。该仪器备有7.2 万张NST 质谱数据库，3 万张WILEY 谱库，其中还内含有毒品、兴奋剂等物质的标准谱图。在作HPLC/MS分析时，可以通过BIOMASS软件，计算生物大分子的准确分子量。特别值得一提的是，FINIGAN 推出的TSQ-7000，是当代GC/HPLC/MS 三联机的佼佼者和典型代表。它将在生命科学领域发挥巨大作用。（




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的“瓶颈”。我国至今乃大量沿用费工、费时、冗长、繁杂、传统的人工样品前处理技术设备，据统计，传统的样品前处理所需时间一般占样品分析测试全过程的60% 以上，而落后的前处理给测试带来的误差约占总误差的30%-40% 以上，特别是当今世人极为关注的、大量的有关食品安全、医疗卫生、环保、生命科学研究中、科学仪器测试分析的样品都是复杂的基质，多样化、多组份、多形态、多杂质，传统的前处理仪器设备和手段已难胜任，甚至无能为力了。所以研发高效的分离和富集，高通量、高速、自动化的样品前处理仪器设备已成为当今研发和生产科学仪器时不可分割的重要内容，国外许多科学仪器厂家非常重视样品前处理这一基础性和关键性环节，推出一系列样品自动化前处理仪器设备，而我国在这方面十分薄弱，甚至空白很多，至今主要依赖于进口，所以结合我国经济和科技高速发展的需求，“十五”国家重大科技攻关项目中立项产完成了4 项样品前处理仪器设备，但尚未形成产业化。特此建议将以下急需的、量大面广的样品前处理仪器设备分批列入产业化项目。
（1）有机、生物样品全自动多路固相萃取装置，及制备柱和吸收剂
（2）有机、生物样品全自动固相微萃取装置及制备柱和吸收剂
（3）全自动加温、加压快速溶剂萃取仪
（4）无机和有机样品微波消解和萃取仪
（5）超临界流体萃取仪
（6 ）环境样品自动化微孔膜液——液萃取装置（或膜分离装置及新材料研制）
（7）顶空、吹扫捕集、无溶制萃取装置
（8）生物样品全自动磁性微球处理装置
（9）纳米富集材料研制
（10）全自动样品前处理工作站 ：自动称重、分液、混合、稀释、过滤、添加试剂、加内标、萃取、进样。

致谢
此材料撰写时参考了国内外有关厂家提供的样本和傅若农教授、王光辉研究员、闫承德研究员、李昌厚研究员、吴剑峰研究员、林金明研究员、汪正范研究员、朱雷高工等众多学专家提供的文字材料，特此致谢

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