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我国科学仪器技术与国外存在哪些差距

行业聚焦点中国仪表网2010年06月28日 09:57人气:5174

  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(190~900nm),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(MicroElectroMechanicalSystems)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regionorthogonalsignalcorrection(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ZomegaTechnology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

  GEHealthcare通用电气医疗集团的eXploreOptix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-enhancedRamanmicroscopy)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。
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