江桂斌院士：科學驅動和國家重大需求推動光譜事業長青
1979年11月，我國在桂林舉辦第一屆全國分子光譜學術會議，受到吳學周、王大珩、吳征凱等院士及老一輩科學家的熱情關懷，在全國分子光譜科研工作者的積極支持和共同參與下，迄今已成功舉辦十九屆。近年來，會議中增加了原子光譜、ICP-MS等學術交流內容，成為今日之“全國光譜會議”，今年適逢其創辦40年，并將于今年10月在青島召開第二十屆大會(會議主頁：http://www.sinospectroscopy.org.cn/meeting/index.php?mid=23?)。日前，應組委會的邀約，分析測試百科網采訪到中國科學院生態環境中心的江桂斌院士，他將回顧自己30多年原子光譜研究經歷，分享他對光譜發展、科技創新的思考，并預祝全國光譜大會圓滿成功。
中國科學院生態環境中心江桂斌院士
中國光譜發展的兩大推動力
江桂斌院士表示，中國光譜能夠取得今日之成就，主要來源于兩大驅動力，首先是國家重大需求的牽引，其次是科學創新的驅動。
國家重大需求推動中國光譜的發展
光譜分析技術已有上百年發展史，中國上世紀50、60年代開始有光譜分析技術；光譜分析技術在中國的發展首先來自國家重大需求的牽引。1949年剛解放時我國沒有光譜分析技術，國防、探礦、工業、民生等方面的需求催生和推動了光譜技術的發展。隨經濟的發展和社會進步國家需求也在發生著變化，在70、80和90年代，出現了環境分析、食品安全、國家安全等國家重大需求，這些重大需求推動了光譜技術在中國的發展。比如，基于最簡單的紫外分光光度計首先在各個實驗室普及，后來又出現熒光分光光度計。然后是分子光譜、分子探針、拉曼光譜等的發展。對于重金屬的檢測，原子光譜的發展也滿足了國家需求，由于原子光譜有很高的光譜選擇性和靈敏度，特別適用于環境安全、食品安全、國家安全中的分析需求。
科學創新驅動推動中國光譜的發展
第二點來自于科學創新的驅動。從事科學研究強調創新，過去幾十年中，中國的光譜工作者做出很多創新工作，如拉曼光譜、新型紫外、遠近紅外、原子吸收、原子熒光、光譜成像等。例如，原子熒光光譜儀是中國具有獨立自主知識產權的工作。后來發展到與色譜分離技術的聯用，為解決復雜機體中的金屬形態問題提供了重要技術手段，這些領域中國學者都有很好的科學創造。
過去幾十年，在中國也舉辦過多次世界光譜方面的會議，無論是紫外、紅外、激光拉曼、原子光譜在分析方面的應用，還是應用光譜技術來研究反應動力學及若干化學機理。光譜技術賦予了科學研究豐富的手段，是創新的源頭。所以沒有光譜技術的發展，若干方面的科學創新是很困難的；而有了光譜技術的支撐，我們在闡明科學現象、尋找科學規律方面取得了重要進展。
光譜技術未來的發展
談到光譜技術未來的發展，江桂斌院士分別從儀器技術、國家需求和科學研究三大方面闡述。
光譜儀器技術的發展
他說，首先是實驗室常規應用的，比如紫外、熒光等，經典光譜技術將繼續發揮作用。其次在重金屬測量方面，ICP-MS將占據比較主導的地位，高分辨ICP-MS將會成為重要的金屬元素測定手段。比如測定重金屬的形態，需要色譜分離和原子光譜測定技術的聯用，將色譜和原子光譜聯用，或將色譜和ICP-MS聯用，這些技術可以在復雜的基體中識別、分辨并提供重要的形態信息。第三，這些技術也將對生命科學領域產生很大的推動作用，如在流式細胞、場流分析、光譜成像方面的工作。
光譜應用方面的發展
未來，這些光譜技術將成為科學競爭力的重要保障。首先在科學儀器相關領域，光譜技術是重要的推動力。其次在生命科學領域也離不開光譜技術，比如分子探針應用很廣，光譜技術還可為單細胞的測定提供更好的微區成像。第三在民生領域，我們國家正面臨嚴重的大氣污染、水污染和土壤污染，光譜技術在控制污染中也發揮重要作用。
“中央在十九大報告中提出：要堅決打好防范化解重大風險、精準脫貧、污染防治的攻堅戰；污染防治在今天尤其重要。”江院士進一步說，“我們的空氣質量這么差，水質這么差，這和我們這個大國不相稱，更重要的是污染影響人體的健康。中國業已建立了覆蓋全國的監測網，需要在線、實時、快速靈敏的高通量低成本檢測技術，其中光譜儀器將會繼續發揮主體作用。在食品安全領域，當前我們對食品監管的力度仍然不夠，原因之一是技術能力有限，光譜技術的發展也將促進食品安全的保障。在國家安全領域，光譜技術在排查危險化學物質的過程中發揮了重要作用，未來需要各種小型便攜式產品，采集現場數據傳輸到大數據網絡，增強預警和防范決策的科學性，這都是未來光譜技術發展的重要趨勢。”
科學研究的要求
在科學研究領域，需要更靈敏的技術，能看到單個原子、分子的精細結構、遷移規律；從現有觀測的微觀世界走向更加微觀；還需要更多高通量篩選技術。光譜技術在上述方面都將發揮作用，未來的舞臺很大。
光譜技術在科學研究中發揮的作用
用色譜-光譜聯用測定金屬形態
“我大學時學的分析化學，一直和分析儀器的使用與改造相結合”。 江桂斌院士回憶說，“過去測定的往往是金屬總量，比如環境和食品中經常測到的鉛超標、鎘超標、汞超標，都是測一個總量。但事實上，不同的金屬形態有不同的化學特性，它的遷移、累積和生物可利用性等都會發生變化，更重要的是其毒性有很大變化，比如汞和甲基汞的毒性差別非常大。我去過多次日本水俁這個地方。1956年，日本發生水俁病，該地有條河的上游是尿素（氮素）生產廠家，當時生產尿素用二氯化汞做催化劑，導致二價汞排放到水俁灣，沉積入底泥，在底泥中的微生物作用下，將二價汞變成甲基汞。而甲基汞與汞最大的區別是，甲基汞是有機形態的，由親水變為親脂，很容易同生命體中的蛋白質結合，能夠在生物體的食物鏈中傳遞、累積和放大，最終穿過血腦屏障。甲基汞比汞的毒性高數百倍。魚吃了游離的甲基汞后在魚體內富集，人吃了魚后甲基汞就會在人體內大量累積。甲基汞的神經毒性最終導致水俁病的爆發。當時的情況是，水俁地區人們突然觀察到貓開始變瘋，接著一些人也瘋了，這就是水俁病。我們開展汞的形態分析的工作是80年代末90年代初，希望能夠測定甲基汞有機形態，由于當時只有原子吸收、ICP-OES測總量。為了能夠測定形態，就開始用色譜與原子吸收，色譜與ICP-MS聯用測形態，到2000年后我們和海光公司合作的色譜-原子熒光聯用法測形態獲得BCEIA金獎，目前也受到市場的廣泛歡迎。用色譜-光譜聯用測定金屬形態，我們在國際上是很早的。”
水俁病的由來
研究金屬和蛋白的結合體和金屬元素的甲基化
90年代中期，課題組的研究從化學形態分析，深入到研究金屬和生命體蛋白的結合作用。該工作分成兩大方面，其一是研究金屬與蛋白質的作用，希望找到類似金屬硫蛋白的一些金屬結合蛋白并研究其功能，但該領域目前尚無重大發現，課題組還在繼續研究。
另一項研究是，90年代初江桂斌課題組提出：金屬元素的甲基化。研究的第一個方向是：除已知的鉛、汞、錫可形成甲基化化合物外，其它元素是否也產生甲基化；另一個方向是找到更多金屬元素甲基化的供體（donor）。現在已知有環境微生物如底泥中的微生物；可提供活潑甲基的化學供體如碘甲烷，以及光化學成因，高空大氣中漂浮的汞亦可以在光致作用下形成甲基汞，汞和甲基汞也會互相變化。“我們希望在該領域有所發現，發現具有甲基化特性的金屬，或發現新的甲基化供體。”江院士說，“90年末我們有這個想法后，國際上出現了金屬組學方向，研究金屬元素的甲基化也被納入金屬組學研究領域。我們一項較重要的工作是發現碘甲烷是汞甲基化的供體，發表在《自然.通訊》（Fumigant methyl iodide can methylate inorganic mercury species in natural waters，天然水體中碘甲烷熏蒸劑可以導致無機汞的甲基化，Nature Communications volume 5, Article number: 4633 (2014)）上。該工作特別的意義在于：碘甲烷作為一種新型熏蒸劑農藥已在美國、日本、新西蘭等國家批準使用，其用量可高達11千克/畝。這一重要發現預示著未來會有更多的甲基汞通過碘甲烷這一化學甲基化途徑產生并釋放到環境中，從而對生物體健康產生影響。”
碘甲烷進入水環境后參與無機汞甲基化過程的機理
光譜儀器研制
江院士還介紹了環境化學與生態毒理學國家重點實驗室的一些工作，比如，我國地下水砷污染嚴重，實驗室景傳勇課題組研制了可進行現場測定的便攜儀器，用便攜的增強拉曼測定水中的三價砷、五價砷，滿足國家的重大需求。
課題組在有機污染物方面的研究工作
江院士還介紹了課題組的其它部分工作。課題組主要研究有機污染物，使用各種類型的質譜，包括15.3 特斯拉的FTICR-MS，2000年后購置了多臺二惡英實驗室所用的高分辨質譜。重點實驗室張慶華研究員等在二惡英檢測標準實驗室能力建設方面支持了全國的發展，為全國70%二惡英實驗室提供了實驗室設計技術咨詢與人員培訓。
大力支持國產儀器 研制原創儀器
課題組開展了眾多儀器研制工作，如同海光儀器合作原子熒光聯用技術，同普立泰科合作前處理設備。對于當今的國產科學儀器發展，江院士談了兩點看法。首先，我國科學儀器的進步明顯，如在PM 2.5監測儀方面，幾年以前是國外產品的一統天下；但2012年迄今已發生很大變化，國產的PM2.5測定儀器已占超過60%的市場份額，說明國產儀器已取得很大的進步，承擔了主體作用。
其次，江院士希望中國的科學儀器發展企業要有國際化的視野，追求高質量、創新性，而不要打價格戰。中國的分析儀器應該穩步走向國際。當前，中國儀器的同質化競爭非常嚴重，競爭時若干廠家靠降價；但其實很好的產品需要與價格相符，價格往往是質量的反映。進口儀器為何賣得貴，服務也不盡如人意，目前主要因為中國儀器和其質量相距甚遠。“中國分析儀器市場所有外商的服務，我們也不滿意。有時候實驗室儀器壞了，他們的響應也很慢”。
江桂斌院士一直非常支持分析儀器國產化工作，比如無償幫助海光公司開發色譜-原子熒光聯用儀，只為了能讓市場把專項技術真正用起來。關于和普立泰科公司的合作，江院士表示：“一個國產分析儀器公司能夠盈利很不容易，總經理田莉娟不僅能闖，還非常虛心，能夠把握大局和市場前景，這點非常重要。”相信不久的將來，江院士的更多成果能夠支持中國儀器公司做出更多符合市場需求、特色突出、高質量的儀器。
據悉，江桂斌院士還承擔了國家重大儀器研制項目“高通量多功能成組毒理學分析系統”，江院士介紹了儀器的整體理念以及設計背景：我們面臨的環境污染90%來源于化學污染物，它們又來自于全球化學品、化工產品的迅速增長，全球在美國化學會登記的化學品已有1.4億種，相較于5年前翻了一番。快速增長的化學品必然有很多用于生活和工業生產，最后進入環境和人體。該儀器的主要設計目標就是針對未知化學品，無論來自于食品還是環境，能夠快速鑒定其結構，同時測定其含量和毒性。目前的分析儀器有專門定性定量的卻不知其毒性，有專門測毒性卻無法定性的。在應用上，該儀器對化學品的風險評估、化學污染物的管理將非常重要；在其它應用領域也有很大的推廣價值。比如在中藥有效成分的研究中，生物可利用性是非常重要的，而該儀器將可以真正解釋其原因。此外在國防、反恐、生命科學、毒理學和大數據積累中，該儀器都將做出貢獻。江桂斌院士接著說：“未來我們或以該技術為核心，建立毒理健康分析測試中心，因為該儀器是一個復合系統，具有高通量、多功能性，可針對不同來源的各種樣品，自動產生很多數據。該系統中融合了多項創新，在國際上也是原創的。”
歸納科技四種創新 寄語全國光譜會議
今年以來，江桂斌院士多次就“我國分析儀器的創新與機遇”作大會報告，在報告中提出科學儀器創新的各種思路。對于全球科技來說，我國的光譜領域還缺乏原始創新的技術，未來任重道遠，還需長期努力。
對于10月將在青島召開的全國光譜大會，江桂斌院士有三點寄語：“首先是團結和交流，希望大會能夠團結全國光譜同行，通過交流探索學術前沿，找到大家的興趣研究領域和方向，大家互相學習和提高；第二點是要為最終目標服務，要緊密結合科學前沿，并通過光譜技術解決我國在國民經濟發展和民生領域的重大難題。第三點是，可以進一步把國內會議與國際交流結合起來，進一步提升中國光譜在國際上的影響力。”
