小中大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 200233)
摘要：本文对生命科学仪器的定义作了简单介绍,重点介绍了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了5点结论。
一、前言
目前，全世界的科学家，对生命科学仪器已经引起了极大的关注。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?八十代中期开始，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“Live Science Instrument”这样的名词，国际上越来越多的科学家对其认可。本文将介绍生命科学仪器及其应用的最新进展。
二、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二条主要原因之一，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。
其最新进展归纳如下：
1.向“三超”的发展趋势更明显、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
现代世界上最快的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，工作效率提高了九万倍。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。
安捷伦公司为此研发的基因芯片测试仪起到了很大的作用(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了任务。
还有，特别值得注意的是：瑞典Phamacia(GE医疗集团生命科学部门的前身)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，日本岛津推出了超快速的液相色谱(UFLC)，进样动作仅需10秒钟，分析速度提高10倍(2007年10月的BCEIA上已经展出)，这也是值得注意的最新进展之一。
赛默飞世尔科技Thermo Fisher Scientific(原热电集团)推出的LTQ-Orbitrap质谱仪可以产生多极串联质谱数据，具备超fmol(10-15mol)级灵敏度，分辨率能达到40000-60000，而且检测到的离子质量与离子的理论质量相差非常小。LTQ-Orbitrap质谱仪是蛋白质鉴定和生物标记发现的优秀平台，并一举夺得2006年Pitticon金奖。
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15000psi，大大提高了分析速度，但不降低分离度。因为利用1.7mm的小颗粒填料，所以获得了超强分离能力。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，3秒钟可以同时得到Cu、Zn、Ca、Mg、Fe五种元素含量测试的结果，这也是值得重视的发展之一。
以上讲的是生命科学仪器向超高速发展的例子。
(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，李昌厚研究组发明了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微升试样，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-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的峰信号601988;没有拉曼信号的450nm背景信号14376);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-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10-13 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公司正式推出了商品的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。而赛默飞世尔科技Thermo Fisher Scientific(原热电集团)的M系列原子吸收光谱仪采用全新的中阶梯光栅光学系统，提供了相当高的检出限。
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;该仪器是一种很好的生命科学分析仪器，很值得大家重视。
上面是生命科学仪器向超微量发展的例子。
(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了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，它可作为高压液相色谱(HPLCD)、微量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，在中国科学院组织召开的专家鉴定会上，得到了很多专家的好评。
2007年的BCEIA会上，上海精科公司的便携式气相色谱GC190和GC128、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以及美国哈希的超小型荧光和超小型拉曼等，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EDX Pocket-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。
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;往往一个新方法的突破，会带动一大片学科领域的发展;生命科学仪器的发展，可以说是一个典型例子。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;往往一个方法一台仪器不能解决的生命科学领域中的某些分析测试问题，几种方法或几台仪器联用，问题就迎刃而解了。
