生命科学仪器及其应用的发展梗概和有关问题的探讨

李昌厚

(中国科学院上海营养与健康研究所 上海 200233)

　　0、 前言

　　本文从人类生活、生存、发展和环境保护等角度、从人类生存的三要素(水、空气、食品)等多个方面，讨论了生命科学及生命科学仪器大发展的必然性；从全球科技工作者对生命科学仪器的关注度等方面，介绍了生命科学仪器及其应用的发展现状；讨论了生命科学仪器的进展和发展前景。可供有关的科技工作者参考。

　　一、生命科学仪器发展的必然性

　　目前，地球上的人类和生物面临着越来越严重的环境和生态威胁，认真研究人类生活、生存、发展和生态平衡、环境保护等问题，是当代和今后长时期全球性的、迫切需要解决的问题，这是生命科学仪器发展的背景、主要原因或者叫生命科学仪器发展的必然性。

　　地球上的人类和生物受到了哪些威胁？请看：

　　1、水

　　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严重地步：据2001年英国慈善机构“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”。报告说，不干净饮水，导致世界上每天有6000名儿童死亡。眼下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。2001年，联合国在全球用水情况报告中说，全球每天有5000多名儿童死于卫生条件恶化引发的疾病。与英国慈善机构“水援助”和“泪水基金”联合发表的报告一致。

　　联合国曾经报道：目前全球有11亿人缺乏安全用水。每年有500多万人死于同水有关的疾病。预计到2025年全球三分之二的人将生活在不同程度缺水的地区。据报道：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至少达到60亿立方米、固态垃圾达到2亿吨以上。沿海岸有数十家炼油厂和上百家燃油热电厂及其它各类工厂等污染源，估计这些工厂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3万多人死于饮用水不洁引起的各类疾病。

　　我国的水环境问题也比较严重，目前我国非常重视水环境的保护，仪器信息网在2021年1月22日通过《十大关键词窥探2020环境监测行业风云变幻》的文章^[1]，对我国2020年环境监测领域的有关问题进行了回顾，从中可以看出我国有关部门对环境保护方面的高度重视程度。

　　2、空气

　　据美国Analyst报道：世界上城市空气污染特严重，城市居民每天平均要吸入20m³以上

　　的污染空气。这些空气中至少有10¹²个有毒有害微粒：其中小于10μm的微粒大部分将沉积在人的肺泡中，它将引起人们生肺癌及引起其它有关疾病。英国剑桥马萨诸塞技术研究所的研究表明：烟灰是悬浮在空气中的有毒有害固体微粒的主要组成部分。据报道，在英国这种有害固体微粒每年至少导致1万人死亡。

　　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。

　　由于受空气、自然、历史等因素影响 ，全国受到结核菌感染的人约有4.2亿，现有肺结核病人约500万人。我国是全球22个结核病高负担国家之一，目前我国对空气污染问题已经引起高度重视。虽说北京、河北等地的空气质量(特别是PM2.5等)还有些不尽人意，但是很多大城市的空气质量已经大大改善，例如上海、浙江、广州等地域的城市和农村的空气质量已经产生了质的飞跃，空气质量优秀的天数可以达到80%以上。由于国家的重视和全民的共同努力，相信我国的空气质量会大幅度提高。

　　3.其他

　　此外，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(如汞、镉、铅、砷、铬等等)造成的污染已相当严重。汞中毒主要危害人的中枢神经系统，引起人的死亡率可高达到40%。镉对人的肾影响大，被定为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/分升,智商平均下降1至3分。国际上公认,把血铅超过每升100微克称为铅中毒。

　　多年前,国际消除儿童铅中毒联盟的专家，调查访问了中国后说: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。铅中毒的五大原因：1)大气污染;2)室内装饰;3)吸烟(烟中有铅，对儿童伤害很大，吸烟家庭孩子比不吸烟家庭孩子大10倍);4)儿童玩具;5)食品(爆米花、皮蛋、罐头、蔬菜、水果、饮水等等)。

　　我国是一个农业大国，与农业有关的问题相当严重，例如：转基因食品(小西红柿、色拉油、进口大豆、进口水果等等)，有些人还没有认识到它的危害，作者认为，转基因食品对人类的威胁很大，归纳起来看，它有五大隐患：

　　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。转基因生物产品只几十年历史，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。我国从2020年开始，也禁止有些转基因食品入境、限制种植和食用有些转基因农产品。还有绿色壁垒：日本曾经对200种农药制定了近9000个最高残留限量，其中，对蔬菜有3728个;大米制定了116种农药的最高残留限量。这些规定、标准，主要是针对我国的。因为，日本是我国的蔬菜和大米的主要出口国，占我国出口蔬菜总量的40%以上。

　　据报道，由于现代工业和农业造成的污染，科学家估计，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，每天有三个物种灭绝。100年后，生物将消失一半。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，从七十年代末期、八十年代初期以来，特别是近十几年，世界上科技和社会发展的潮流明显由“物”转向“人”。即从重视社会的物质生产，开始转向同时切实关注全球人类的生活、生存和发展的重大问题。

　　综上所述，生命科学和生命科学仪器的大发展是必然的。

　　二、生命科学仪器发展和应用的现状

　　目前，国际上各类新型生命科学仪器正不断涌现。例如，用于分子生物学领域的各类仪器、用于细胞生物学领域的各类仪器、用于微生物检测的各类仪器和用于生物工程领域的仪器，以及生物医学及临床分析检测仪器、家庭或个人使用的专用仪器，特别是超小型、价格较低的生化仪器，各类验尿仪、血液分析仪、水质分析仪、有毒有害气体检测仪等等发展飞速。据报道，这些超小型仪器中，有的可以放进茶杯，有的可以放进口袋。

　　目前，由于生活水平的提高，现代人群中，糖尿病已成为非常普遍的病。曾经初步统计，我国的北京、上海、广州三大城市中，上海的糖尿病发病率为第一，北京第二，广州第三。因此，目前萄葡糖检测仪发展很快，国外有的萄葡糖检测仪只有手掌大小，只需一滴尿液或一点血，就可以对人体的萄葡糖指标进行检测，为糖尿病患者提供了很大的方便。例如：美国理康公司曾经推出的SurestepPlus稳步倍加型血糖监测仪，只有香烟盒大小，只需一滴血，30秒钟就可得到结果。又如德国IBM公司推出的Teflolux血糖检测仪，只需一滴鲜血，两分钟即可得到血糖测试结果，可随身携带，用来监控和治疗糖尿病非常方便。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，如准确、快速的检测食油中的黄曲霉素、猪肉中的3-4苯并芘等致癌物质，只需将探头插入被检测物质，就很快能得到结果，非常方便。

　　由于计算机技术发展对科技的贡献，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和水平实在令人“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、启动仪器开关就行了，其余一切都全由计算机自动完成。例如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。又如美国推出的Manarch 2000全自动生化仪，具有多功能，可作吸光度、FL强度、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，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或突破，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。例如：原子吸收分光光度计^[4](AAS)，目前已经发展为一种常规的生命科学仪器，全球已经普遍、广泛使用它来检测有毒有害的重金属致癌物质(如：Hg、Pb、Cd、Cr等等)。目前生命科学领域非常重视AAS的应用，国外的PerkinElmer、Agilent等公司和我国的北京普析通用、北分瑞利等公司的AAS都有很高的水平。同时，由于生命科学研究的发展，还随之出现了有关的新型的生命科学仪器，例如：北京普析通用、北京博晖创新的五元素同时检测的仪器的出现等就是如此。

　　目前，AAS已经被认定为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、钴等稀有元素的测定，用它来研究癌症有关指标的检测，得到了满意的结果。某部队的一位师长曾经对作者讲：现在，部队检查身体也用AAS，战士只要拔一根头发，放在信封里，写上名字寄给医院，医生用AAS检测Fe、Ca、Zn就可知该战士的健康情况。今天，生命科学仪器的发展，又推动了生命科学的发展，如AAS对医学的贡献、特别是对癌症的研究起到了很好的推动作用。作者预计：随着生命科学的发展，AAS还将有大发展，它在生命科学领域的应用，将以几何级数递增。又如：同位素质谱仪，过去主要是作地球化学中同位素分析用，然而，近几年开始在医学界也正在使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，其准确度达到96%以上。从这个角度来说，生命科学仪器的发展还反过来促进了生命科学的发展。

　　三、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，生命科学发展离不开生命科学仪器。美国的Hood教授指出：近30年来，生物医学迅速发展的两个主要原因之一，就是生物技术和科学仪器技术的相互配合，紧密结合。据仪器信息网2021年01月26日报道：近年来，单细胞基因组学是十分热门的研究方向，“三高”单细胞基因测序上游市场达5.19亿美元^[2]。目前，生命科学仪器及其应用发展的最新进展归纳如下：

　　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高速、超微量和超小型方向发展。

　　(1)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序序分析仪比手工操作快2000倍)，所以利用毛细管电泳FL衍生技术组成的DNA测序仪比手工快5万倍。

　　二十年多前，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，相当于过去25个专业人员手工操作4-5年的工作量。即该仪器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。可以说，DNA合成仪是生命科学仪器向超高速发展的前奏。美国专家科学委员会曾经认为：人类基因组计划的限速因素，在于方法学和仪器跟不上。所以，在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。并且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年时间完成全部DNA测序工作。此前，一位熟练的专业技术人员，手工操作测序，每年仅可测5-10万个核苷酸，所以，40年前，还只测定了30亿个核苷酸中的600万个。后来，国际上的DNA测序仪出现，每天可测1.5万个核苷酸，当时的DNA测序仪比手工测试效率高2000倍。但全部30亿个核苷酸的序列测定，也远不是15年时间能完成的(需300年或400年才可把30亿个核苷酸的顺序测定出来)。在美国政府30亿美元的拨款后，HP公司随后推出的DNA测序仪，其速度可达60万个核苷酸/小时，使美国人类基因组计划对全部30亿个核苷酸的序列测定大大提前完成了。纵上所述,可以说DNA测序仪也是生命科学仪器向超高速发展的典型之一。

　　还有,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Phamacia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。

　　(2)超微量：

　　荧光分光光度计(FLS)本身就是高灵敏度的生命科学仪器，从原理上讲，FLS就比UVS的灵敏度高2-3个数量级。美国的Bear曾经用荧光检测器，在HPLC上能检测10^-15mol的亮氨酸(Leu)，当时人们感到了不起。不久，李昌厚研究组发明了UV/FL多功能微量光度计，其荧光(FL)检测部分能检测到10^-14mol的Leu,该仪器只需8微升试样，在几分钟内就可得到满意的分析检测结果。然而，今天国际上已出现了激光荧光检测器(Laser Fluorensces Detector简称LFD)，其灵敏度可达到10^-21mol(Eu)，这是一个了不起的重大突破,是生命科学仪器向超高灵敏度、超微量发展的一个重大突破的典型例子。又如，高压毛细管电泳仪(HPCE)它是八十年代末期、九十年代初期发展起来的、目前被国际上的分析化学家所关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,尤其是在药品质控、临床试验、中药研究中，HPCE作用很大。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特别适合于试样很少的生命科学研究工作，它具有高灵敏度(可ng级进样)、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。它具有高速度(最快只需几十秒钟就可分离完一个样品的分析)等特点，一般情况下HPCE也可在几分钟或十几分钟内完成一个样品分析，并且所需缓冲液少，一般几个ml即可，有时几十ml，即可作一个方法研究。目前分子生物学研究的一大难点，就是微量成份的分离和提纯，而HPCE是目前世界上分离效力最高的仪器之一，因而，它很受生命科学界重视，被认为是生命科学仪器的主干产品之一。

　　(3)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，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了许多如前所述的能放进茶杯里的水质分析仪、可放进的口袋里葡萄糖检测仪等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干产品之一。李昌厚研究组研制了一种超小型、多功能微量UVS，它可作为HPLCD、MUVS、FIAD，核酸蛋白分析仪等四种仪器使用，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，鉴定会上受到了许多专家的好评。

　　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：

　　(1)蛋白质领域的新型蛋白质C端分析仪的问世。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，当蛋白质的C端突变时，需要用蛋白质C端分析仪来鉴定，所以，蛋白质C端分析仪具有重要意义。

　　(2)新型的基因扩增仪(PCR)问世。PCR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，如美国ABI曾经推出的7900 、7000 PCR，其中7900有384孔和96孔两种，用氩离子激光器作光源，光栅分光、CCD检测。ABI还曾经推出了最新的2700PCR，它具有96孔、可编程、可储存100个完整的PCR方法，为PCR核酸扩增技术设计的价格低廉的自动化仪器之一。

　　PCR仪器在2020年全球爆发的新冠病毒检测中发挥了非常重要作用，全球各国对新冠病毒的核酸检测，主要就是应用PCR仪器进行样本的基因扩增，而后找出现有病毒中的有关对象进行比较，从而确定被检测者是否感染了新冠病毒(已经感染者为阳性，未感染者为阴性)。因此PCR仪器目前已经引起了全世界科技工作者的重视。

　　目前，特别值得注重的是：全基因组和全转录组扩增是单细胞测序的难点，近几年也取得了较大突破。全基因组扩增技术主要有：简并寡核苷酸引物PCR扩增(DOP-PCR)，多重置换扩增(MDA)，和基于多次退火成环的扩增循环(MALBAC)几种技术。

　　(3)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DNA侧序仪，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检测方面得到了广泛的应用。

　　(4)新型的微波等离子体光源紫外检测仪的问世。中科院上海生化所研制的核酸蛋白分析仪是目前最理想的核酸蛋白分析仪之一，主要是采用了自己发明的、特有的微波等离子体光源，它大大优于Hg灯、Xe灯、DL灯等元素灯作光源的同类仪器，具有生命科学研究中必用的280nm(蛋白)、260nm(DNA)、230nm(氨基酸)、218nm(糖)、206nm(多糖)等五条特征线，并且背景干扰非常小，灵敏度极高。过去，核酸用254nm检测，蛋白质用280nm检测，而Hg没有260nm、280nm特征线，所以采用氙灯、氘灯分光来检测，但是，分光后能量又太低，噪声也很大，灵敏度都很低，而微波等离子体光源的核酸蛋白分析仪优于国际上最先进同类产品。

　　(5)基因矩阵扫描仪的问世;基因矩阵扫描仪( Gene-Arry Chip Scan Instrument或者叫DNA Arry Chip Scan Instrument 又叫 Bio Chip Scan Instrument)。它是目前世界上最高级的DNA测序仪，是HP公司专为美国Affymetrix公司的高密度基因芯片研制、产生配套的专用基因分析系统。

　　基因芯片目前仍是世界上最新、最前沿的学科之一。中科院原子核研究所的李民乾教授认为;二十世纪两大技术，一是微电子芯片，一是基因芯片,他认为基因芯片具有划时代性。作者曾经参加过三次香山科学会议，其中第80次香山科学会议的主题是：“DNA芯片的现状与未来”。当时出席会议的专家40位(列席人员除外)，与会者中有学物理的、学化学的、学生物的、学医的、学无线电的、学计算机的，但以学生物者为主。会上邀请了3位留美学者参会：一位是AFFYMETRIX的范建兵博士，一位是MIT的王国玮博士，一位是NANOGEN的程京博士。他们三人在DNA芯片研究、应用方面都走在世界的前列，分别在美国各自所在的公司担任一定的技术领导工作，三人都在会上报告了DNA芯片的最新信息。当时，美国的DNA芯片发展很快，故有人向国家建议开展此项研究，并物色了上面提到的三位留美学者回国参加香山科学会议作报告。

　　通过第80次香山科学会议的讨论，大家认为DNA芯片很重要，建议我国开展研究。至今我国还在积极开展此项研究工作，并已取得一定成果。美国AFFYMETRIX早已能在1.2×1.2 cm的石英片上集成64万个DNA探针，它属于高密度DNA芯片。NANOGEN主要作低密度DNA芯片，每片有几十到几百个探针。目前，高密度DNA芯片主要用来作DNA测序，大多在科研上用，而低密度DNA芯片主要作诊断用。中国医学科学院的杨霍民教授认为基因诊断是21世纪最重要的诊断之一，DNA芯片的应用前途非常远大。

　　所谓芯片，是借用大规模集成电路芯片的名称，它实际上不是芯片，不能用来作计算机。但它的工艺与大规模集成电路芯片有点相似，也有光刻技术等等,所以叫芯片。DNA芯片实际上就是一个生物传感器，它配上测试仪器或做在仪器上，其功能就可充分发挥。DNA芯片的研究，主要是芯片合成和仪器化(即测试系统研制)。DNA芯片合成后，将它与有关仪器组成基因分析系统，就可以用来测序。如果做成仪器，就可用于诊断、药物篩选或基因篩选。其工作基本原理是：将合成的已知的DNA芯片，与已知的核苷酸放在已知位置进行FL标记，再用它探测一个未知的DNA的FL信号。如NANOGEN的血液6参数测试仪，只有移动电话大小，只需在芯片上滴一滴血，放进仪器，就很快可得到结果。

　　前面讲到的HP的基因矩阵扫描仪，与AFFYMETRIX的基因芯片结合，可组成最佳的、最新的基因分析系统，这个系统曾经在美国亚特兰大匹兹堡会上获奖。据报道：HP的基因矩阵扫描仪，是AFFYMETRIX的基因分析系统最佳、最新的配置。这项技术，取代了费时、费力、费钱的经典凝胶基因分析方法，具有同时测定多种基因和突变的独特功能。

　　基因探针点阵包含成千上万个特异的DNA结合位点，它又被称为探针细胞，这个探针细胞中，又含有不同序列的寡核苷酸探针，这些序列的寡核苷酸探针，确定着样品DNA的特征序列。分析更多基因的需求已变得越来越重要，在HP的基因矩阵扫描仪开发出来前，最多只能读出6万5千个基因芯片探针点阵，此后，在可读出的基因芯片探针点阵多达64万个，并在6分钟扫描出来，基因信息量增加了近10倍。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，也起到非常关键的重大作用。

　　(6)HTS7000型多孔板FL/UV高效生化分析仪的问世：美国PerkinElmer公司推出的HTS7000型多孔板FL/UV高效生化分析仪，是一种新型多孔板阅读系统，既可测定FL强度，又可测定UV吸光度,通过测定多孔板中样品顶层和底层的FL强度或UV吸光度来进行定性和定量分析。它特别适合于对大批微量样品进行快速、非放射性的比色分析。对未知浓度的样品，可在很宽的动态范围内进行快速、高灵敏度测定; FL的动态范围为6.5×10⁴相对荧光(FL)强度单位，吸光度线性范围上限可达2A(2个吸光度)，灵敏度(SEN)达1.5×10^-14g/µL)

　　(7)新型的生物质谱工作站的问世：

　　ABI公司推出的MALDI-TOF VOYAGER生物质谱工作站,可研究肽、蛋白质、DNA、RNA,寡糖、糖蛋白、合成高聚物、小分子等,其分辨率达2万,质量范围达43万，灵敏度达fmol。

　　3、联用技术进展令人眼花缭乱、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。我们可以说：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，往往一个方法或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。例如：

　　(1)GC/HPLC/MS三联仪：

　　美国FINIGAN公司曾经推出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(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GC/HPLC/MS三联机的佼佼者和典型代表之一，它在生命科学领域发挥了巨大作用。

　　(2)新型的1100台式LC/MS联用仪：

　　它曾经是HP推出的新型仪器，它配有ESI/APCI电噴雾接口，结合3000质量数四极质谱杆质谱技术，能够分析分子量达到十几万的大分子，这是一个很大的突破。

　　(3)FIA—F4010FLS[5]联用仪开发研制成功：

　　李昌厚研究组将只能分析三种有天然FL的氨基酸的进口 F-4010FLS与国产的流动注射分析(FIA)仪器联用，组成一台新的分析系统，将HPLC技术中的柱后衍生法引过来，利用OPA或茚三酮，把不发FL的氨基酸转换成发FL的氨基酸,，可以分析地球上全部21种氨基酸。该系统是作者向中科院申请的一项大型进口仪器功能开发基金项目，被称之为FIA-F-4010FLS，最小检测灵敏度可达到10^-12mol，与当时国际上报道的单FLS检测结果一致。该系统可以用来分析各种氨基酸，作者用它作了许多工作，解决了许多科研工作中的问题。

　　(4)FIA与AAS联用，使AAS的应用发生了革命性的变化：FIA在国际上发展很快，有的分析化学家认为它给分析化学带来了革命性的变化，给生命科学带来了突破性进展。方肈伦和WELZ认为：FIA与AAS联机，使AAS产生了一场革命：过去AAS不能作的工作(海水中有些元素的分析)，现在可作了；过去AAS无法解释的理论问题(峰拖尾)，现在已能解释了。有人认为：FIA技术对分析化学的影响，相当计算机对科技的影响。FIA与AAS联用后，每小时可作200个样品检测。可以说，AAS与FIA联机技术，给AAS仪器也带来了革命性的变化。

　　(5)薄层扫描-激光拉曼联用仪问世：薄层扫描-激光拉曼联用仪是“十二五”期间，国家科技部的重大仪器专项项目，该仪器为国际首创，它以薄层扫描仪为分离手段，用激光拉曼光谱仪作为检测系统。解决了专用薄层扫描仪器和专用激光拉曼光谱仪器不能单独解决的药品分析检测问题(例如：利用专用软件工作站实现了化药的假药与中药掺杂违禁化学药品的快速检测与远程智能判别，实现了一键式对化学药和中药掺杂的快速检测等等)，得到了验收会上专家们的好评。

　　四、几个有关问题的探讨

　　1、随着科学技术的发展、人类对自己生存和健康的关注、以及人类面临生存环境的威胁，生命科学和生命科学仪器的迅速发展是必然的。所以，我们必须重视生命科学和生命科学仪器的研发、生产。

　　2、近几十年来生物医学的迅速发展，主要是有生物技术和科学仪器的相互配合或紧密结合，这充分说明了生命科学和生命科学仪器相互促进、共同发展的重要性。同时，必须认识到生命科学仪器是生命科学的眼睛；当代生命科学仪器的“三超”化令人赏心悦目、新的生命科学仪器大量涌现、联用技术的重大突破和进展，令人耳目一新，这些事实，充分说明重视生命科学仪器发展的重要性。因此，我们必须高度重视对生命科学仪器的研究。

　　3、生物芯片(BIOCHIP)仍是具有重要意义的前沿学科，它将在人类基因研究、DNA测序、基因诊断、药物筛选、基因筛选等方面产生巨大影响，值得重视。

　　4、生命科学仪器的发展，其前景不可估量。它将有巨大的市场潜力和社会意义，将为人类的生活、生存、发展和生态平衡等提供强有力得保障。

　　5、生命科学仪器是属于光、机、电、计算机和应用紧密结合的、五为一体的高科技产品，在研发、生产、使用生命科学仪器时，一定要重视仪器学理论^[3]。因为仪器理论就像一把金钥匙，可以保证生命科学仪器的研发者、生产者、使用者一通百通，知其然也知其所以然;可以保证研发、生产者研发生产出可靠性好的优质生命科学仪器;可以帮助使用者能选择好最佳仪器条件，把仪器用到最佳状态，得到准确可靠的分析检测数据。

　　6、可靠性^[4]-[7]是一切分析仪器的生命线，也是生命科学仪器的生命线。所以从事生命科学研究和生命科学仪器研发、生产、应用的科技作者，必须高度重视仪器的可靠性问题。

　　五、主要参考文献

　　[1]《十大关键词窥探2020环境监测行业风云变幻》，仪器信息网，2021.01.22

　　[2]《“三高”单细胞基因测序上游市场达5.19亿美元，各路玩家争相入场》，仪器信息网，2021.01.26

　　[3]李昌厚，仪器学理论与实践，北京：科学出版社，2008。

　　[4]Wensted，lnstrument check systems,Published in Great Britain by Hencry Kimpton Publishers London,1971.

　　[5]Li chang hou,’99 Industrial instrumentation and automation conference,Internationalinstrumentation and automation(specialsupplement) ,p257,1999.

　　[6]李昌厚，原子吸收分光光度计仪器及其应用，北京：科学出版社，2006。

　　[7]李昌厚，提高可靠性，迈上新台阶，科学时报(科学装备B1版2000年11月)

　　作者简介

　　李昌厚，男，中国科学院上海营养与健康研究所原仪器分析室主任、兼生命科学仪器及其应用研究室主任、教授、博士生导师、华东理工大学兼职教授，终身享受国务院政府特殊津贴。主要研究方向：长期从事分析仪器研究开发和分析仪器应用研究。主要从事光谱仪器(紫外吸收光谱、原子吸收光谱、旋光光谱、分子荧光光谱、原子荧光、拉曼光谱等)、色谱仪器(液相色谱、气相色谱等)及其应用研究;特别对《仪器学理论》和分析仪器指标检测等方面有精深研究;以第一完成者身份，完成科研成果15项。由中科院组织专家鉴定，其中13项达到鉴定时国际上同类仪器的先进水平，2项填补国内空白;以第一完成者身份获得国家级和省部级科技成果奖5项(含国家发明奖1项);发表论文183篇，出版专著5本;曾任中国仪器仪表学会理事、中国仪器仪表学会分析仪器分会第五届副理事长、第六届副理事长、国家认监委计量认证/审查认可国家级常任评审员、国家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”重大仪器及其应用专项的技术专家组组长或成员、上海市科学仪器专家组成员、《光学仪器》副主编、《生命科学仪器》副主编、《光谱仪器与分析》副主编、上海化工研究院院士专家工作站成员等数十个学术团体和专家委员会成员等职.。