现代实验仪器对科学研究的推进作用

摘要：科学仪器是用于科学目的的装置或工具，是实现科学研究探索、认识未知和创新的任务的基本工具。科学发展进入现代，普通的实验仪器已经无法满足需求，更先进、高效的现代实验仪器逐渐被发明，使现代科学飞速发展。本篇综述基于科学史和仪器史，将介绍现代实验仪器的特点、为各个学科发展带来里程碑式突破的现代实验仪器、现代实验仪器面临的挑战及未来的展望，旨在为后续研发新的科学仪器提供线索。

关键词：现代实验仪器

1.引言

科学仪器是用于科学目的的装置或工具，包括自然现象的研究和理论研究。【1】科学研究（Scientific research），一般是指在发现问题后，经过分析找到可能解决问题的方案，并利用科研实验和分析，对相关问题的内在本质和规律而进行的调查研究、实验、分析等一系列的活动，为创造发明新产品和新技术提供理论依据，或获得新发明、新技术、新产品。【2】科学研究人类生存和发展的重要意义不言而喻，而科学仪器是实现科学研究探索、认识未知和创新的任务的基本工具。尤其是科学发展进入现代，普通的实验仪器已经无法满足需求，更先进、高效的现代实验仪器逐渐被发明，使现代科学飞速发展。本篇综述基于科学史和仪器史，将介绍现代实验仪器的特点、为各个学科发展带来里程碑式突破的现代实验仪器、现代实验仪器面临的挑战及未来的展望，旨在为后续研发新的科学 仪器提供线索。

2.现代实验仪器的技术特点

现代实验仪器具有高精度、高稳定性、多功能性、智能化、小型化、自动化、高通量、高分辨率、网络化和远程操作、环境友好等特点。科学仪器需要具备极高的测量精度和分析能力，以满足科研和生产的需求。随着技术的进步，科学仪器的精度也在不断提高，为科研和生产提供了更加可靠的数据支持。科学仪器在长时间运行过程中需要保持稳定，以确保数据的准确性和可靠性。因此，高稳定性是科学仪器的重要技术特征之一。【3】

3.现代实验仪器对不同科学领域的推进作用

3.1现代实验仪器对生物学的推进作用

3.1.1显微镜（microscope）

显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，分为光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜等。【4】光学显微镜于1590年被发明，是最早被发明的显微镜，发明者是亚斯·詹森。最初的显微镜由凹透镜和凸透镜组成，现在，光学显微镜的结构包括：目镜，镜筒，转换器，物镜，载物台，通光孔，遮光器，压片夹，反光镜，镜座，粗准焦螺旋，细准焦螺旋，镜臂，镜柱。光学显微镜可把物体放大1600倍，分辨的最小极限达0.1微米。显微镜的发明是人类进入原子时代的标志。【5】

3.1.2流式细胞仪（Flow cytometer ）

流式细胞仪由电气工程师马克·福尔维勒（Mack Fulwyler）发明，是对细胞进行自动分析和分选的装置，由流动室和液流系统；激光源和光学系统；光电管和检测系统；计算机和分析系统四部分组成。它可以快速测量、存贮、显示悬浮在液体中的分散细胞的一系列重要的生物物理、生物化学方面的特征参量，并可以根据预选的参量范围把指定的细胞亚群从中分选出来【6】。

3.2现代实验仪器对化学的推进作用

3.2.1质谱仪（mass spectrometer）

质谱仪又称质谱计，是分离和检测不同同位素的仪器。1912年，英国物理学家、剑桥大学教授Joseph John Thomson发明出世界上第一台质谱仪，命名为“拋物线摄谱仪”，它能根据不同质荷比离子在磁场中回旋半径不同，来进行离子的质量分离和排序，提供精确质量数信息。【7】质谱仪发展到今天，已经形成了许多种类。

3.2.2光谱仪（spectrometer）

光谱仪又称分光仪，是以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。1859年，本生和基尔霍夫合作设计了世界上第一台光谱仪，并利用这台仪器系统地研究各物质产生的光谱，创建了光谱分析法。光谱仪由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。目前的光谱仪可以大致分为四类：小型色散传统光谱仪、窄带滤波器光谱仪、傅里叶变换光谱仪、计算重建光谱仪。【8】这些现代光谱技术广泛应用于农业、食品、制药、石化、冶金等领域，在现场快速分析土壤性质、勘探矿产、调控石油组分等处起到重要作用。【9】

3.3现代实验仪器对物理学的推进作用

3.3.1粒子加速器（particle accelerator）

粒子加速器又称粒子束聚变加速器，是利用电场来推动带电粒子使之获得高能量的仪器。1932年美国科学家柯克罗夫特（J.D.Cockcroft）和爱尔兰科学家沃尔顿（E.T.S.Walton）建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，也是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应。【10】粒子加速器主要分为环形加速器和直线加速器，有医用同位素生产【11】、颅脑放射外科手术【12】、使用硼中子俘获疗法治疗脑肿瘤【13】等应用。

3.3.2纳米技术设备（nanotechnology device）

纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用【14】，原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等显微镜技术设备为纳米研究提供了基础。纳米技术设备应用广泛，如电子领域的纳米晶体管【15】、新能源领域的纳米能源催化材料【16】、信息领域的高性能超柔性半导体单晶纳米薄膜【16】等。

4.现代实验仪器面临的挑战与问题

现代实验仪器在科学技术的发展中扮演着至关重要的角色，但同时也面临着一系列挑战和问题。首先，现代实验仪器的更新换代速度很快，需要持续的技术创新和研发投入，需要大量的资金和人力这对于一些机构来说可能是一个挑战。其次，随着技术的进步，实验仪器的操作越来越复杂，需要专业人员进行操作和维护。因此，用户培训成为推广使用现代实验仪器的一个重要环节。第三，高端实验仪器通常价格昂贵，不是所有研究机构和高校都能负担得起。这限制了这些设备的普及和使用。最后，尽管国内市场对实验分析仪器需求不断增加，但国产实验分析仪器在技术指标、性能参数等方面与国外同类产品相比仍存在差距，导致市场竞争压力大。

5.未来发展趋势与展望

首先，随着信息技术的发展，实验室的自动化程度不断提升。自动化和智能化的科学实验仪器设备能够缩短实验流程、提高检测的准确性和效率，是未来发展的重要方向。【17】其次，由于对高端仪器设备的进口依赖度高，国家加强了对国产仪器的扶持力度，推动国产科学实验仪器设备的发展。国产化将成为科学实验仪器设备行业的一个重要发展趋势。第三，环保意识的提升也影响了实验仪器的设计和制造，未来的设备将更加注重节能和减少废物的产生，以实现绿色实验室的目标。最后，实验仪器设备的应用领域将不断拓宽，它们将更多地被用于跨学科的研究，如生物技术、纳米技术、材料科学等领域。

参考文献

【1】维基百科-科学仪器

【2】百度百科-科学研究

【3】科学仪器行业市场现状、技术特征和下游应用领域分析.未来智库，智造未来.

【4】百度百科-显微镜

【5】光学显微镜原理.仪器网.

【6】在科研上，流式究竟有哪些15大应用？.流式中文网.

【7】尹烨.质谱技术产业发展史及人类如何称量万物.网易.

【8】当代四大类型光谱仪介绍.知乎.

【9】[1]李敬岩，褚小立，陈瀑，等.化学计量学赋能现代光谱分析技术——理论、仪器和应用进展[J/OL].冶金分析，1-9[2024-10-06].https：//doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1000-7571.012513.

【10】加速器发展简史.中国科学院重大科技基础设施共享服务平台.

【11】Wang Y， Chen D， Augusto RDS， Liang J， Qin Z， Liu J， Liu Z. Production Review of Accelerator-Based Medical Isotopes. Molecules. 2022 Aug 19;27（16）：5294. doi： 10.3390/molecules27165294. PMID： 36014532; PMCID： PMC9415084.

【12】Sturm V， Schlegel W， Pastyr O， Treuer H， Voges J， Müller RP， Lorenz WJ. Linac-accelerator-radiosurgery. Acta Neurochir Suppl （Wien）. 1993;58：89-91. doi： 10.1007/978-3-7091-9297-9_20. PMID： 8109312.

【13】Blue TE， Yanch JC. Accelerator-based epithermal neutron sources for boron neutron capture therapy of brain tumors. J Neurooncol. 2003 Mar-Apr;62（1-2）：19-31. doi： 10.1007/BF02699931. PMID： 12749700.