今天我想讲有关你们将在2010年ALMA会上看到的工业技术，挑战和机遇。我将讨论的所有内容将归纳到实际应用。有些工业技术现在正处于测验和现场试验阶段，也有些你们将在1999年匹茨堡会议上看到。所以我不准备讲科学的故事，我要讲那些即将进入你们的实验室和进入你们事业的东西。大部分我所讲的内容是涉及工业技术问题，但也将涉及一些商业和管理的问题。

　　要展望将来你们需要先回顾过去。所以我以20年为一增值地回顾45年以前的分析化学，我发现有些事很有趣。在分析化学杂志1952年4月份期刊中有一篇用滴定法分析牛奶中DDT的文章。这个方法的检测是在千分之几的范围内，线性范围为20～l。向前跳跃20年到1972年有一篇用电导检测(有时被称为Hall检测器)测量废水中DDT的里程碑文章，这个方法的检测极限为百万分之几，线性动态范围为200～l。在1992年4月份的分析化学杂志中有一篇用新的高性能电子捕获检测器检测土壤中DDT的文章，其检测极限为十亿分之几，线性范围为100 000～l。最后在去年4月份的期刊上有一篇有趣的用液相色谱和负化学离子化质谱和APCI接口分析12种不同农药的文章，检测到万亿分之几的水平，线性范围为100 000～l。在这45年中测量技术的进展是显著的。要重新做到这程度将不会再需要45年功夫，因为变化的速度是越来越快。

　　我观察到今日的测试事业就像是一个连续的过程(serial process)。一个连续过程是一个有一定方法的过程，它具有许多极限。连续过程的实例包括计划和发展一个提案，去取得经费或顾客的来源，收集样品并把样品带到实验室。在实验室内这个连续过程还要连续地把结果送给顾客。分析数据常常会以二元决定模式终止。换言之，数据常常会在过程的最后给出是或否的决定过程。例如，数据是否符合规定，是否顺从规定的水平等等问题。数据可能被用于作出决定的水平，管理者为了实施的目的或许会应用这数据，但早晚数据会进入空中的大的数 据库内。

　　我将向你们建议事情是会变化的。例如，Jeffrey Moore的"横过断层"书中讨论了不论是管理或产品工业技术中的新工业技术的问题。　　　Moore把一部分人定名为"发明者"和这些今天我们要讨论的人也就是那些具有很高水平创新和发明能力的人们。还有一部分人为"早期采纳者(early adopters)"。这些人是企图试验一些东西，例如，他们进行接受试验。他们将会查看新的工业技术，对新的工业技术进行测量并评定。往常"早期采纳者"是很有成就者，他们对新技术很敏感。接着这儿有一个间隙或断层。有时你会退回到原来的地方；早期采纳者决定那个工业技术没有重大意义，不实用或者认为没有效益。或者这个工业技术会横过这断层和被早期的大多数所采用。这早期大多数会把这工业技术投入大规模的生产而使它得到高频率的应用。我要你们理解今天我们将要讨论的问题很多会落人这断层或者它会早期被大多数人采用，但是这是基于工业技术解决问题的有趣的事。

　　现在让我们来看将来管理实验室的平行过程(parallel process)，这个过程正好与连续过程相反。在医学领域中这种平行过程早就有实际的例子。那里可能会有一个课题管理组，即一个综合的信息管理组，特别着重于对话交流和这个课题的经济观点(规定、顾客、决策者)。由于现代通讯手段他们完全在一个网络上，一直在对话交流着。我们将开始越来越多地看到这些情况，但这种只可能发生在平行过程中。

　　平行过程是真正的我们所指出的"实质性的办公室(virtual office)"。在那里工作得到了解决，因为每一个人都在通过电子媒体进行交流和进行多方面的工作。为了达到达个目的我可以查看顾客服务器网络(client server network)，那是在交流和实验室管理上一个十分有效益的模型，因为你可在任何水平上(从一个PC到一个工程工作站)有入口可进入很多的工作站。那里也有可以分享的资源如可以提供较快人口有磁盘，这比每个人都有自己的大磁盘驱动器更有效益。例如，我们有日益增多的顾客和用户在早上起身后可在准备去工作之前先通过网络了解到实验室的状态。事实上他们可以核实每个仪器的状态而且如有必要甚至可启动仪器。

　　现在可以让我们来看这个平行过程的测量方面。我们予见将来的测量方面会有一个可以程序化正在发展中的一个产品或正在生产中的一个产品的取样位置。通过使用一个灵巧的传感器可以从现场经过卫星通讯直接地取得联络，因为对于这些传感器不存在它们放置在那里或在何处测量的限制。所以我先不讲取样问题也不来讲在现场准备样品的问题。我要讲的是在原位的这些样品传递结果到实验室然后把这些结果输入顾客服务器网络。这是为什么你需要有一个顾客服务器网络，因为它是很快速的，它具有一批计算机的马力，既实时操作又能用于离线操作。

　　目前一个环境工程师的典型现场分析是在所要研究的现场取样并在现场测量，这样做比在实验室做效益更高。流动实验室现在是现场测量的一个很受欢迎的方式。惠普公司现在在全世界有500多个流动实验室。这些流动实验室能做各种工作如从武器测试和条约的监测一直到对所有运行车辆的环境测试。经过10年来的经验，惠普公司已能把这些流动仪器和车辆的工业技术提高和保证其性能达到与固定不动的实验室内分析仪器性能完全相等的水平。

　　另外一个实例是在LANL正在发展的一个流动实验室准备从车辆拖车后面进入样品。只要进入样品，每样组件都已安放在机器人的轨道上，所以所有的组件都与机器人匹配好可以进行工作。在后面有一个工作站而在前面有个计算机并有卫星传递。现在唯一的问题是这样一个流动实验室当没有任何仪器时需要120万美元，因此目前它仍然受到费用的限制。但是它是一个有意义的概念而且它是未来的一个方针。

　　还有一个实例是我们现在称之为真正的实验室或一个实质性的实验室，它具有生物传感器，光极管(optrdes)和化学传感器及任何在现场所用的取样测量方法，这个实验室是由计算机软件重新组成的。你把软件(如在每张随机存取器抽卡上有一单独的分析方法)放在一手掌大的计算机上，然后与PC相联，这样就能在现场控制你的仪器。改换抽片就可改换工业技术或方法。这是我们所谓的真正的仪器化。我们现在正在一个主要的实验室内作试验。正在试验约100平方英里(1km＝0.62l英里)范围内设立的12个取样站。工作得相当顺利，你能进行二个或三个实时测量。假如你发现有些新的问题你不需要去再进行测量，你只需要重新组合一下测试系统。这就是为什么我们称它为真正仪器化的原因。

　　现在我想看一下我认为将来的分析仪器化，即基于二氧化硅的工业技术。基于二氧化硅的工业我知道对仪器并不是新的东西，因为我们今天在测试实验室所做的工作好些都是基于二氧化硅工业技术的。例如，毛细管电泳柱(高纯度的二氧化硅)，HOLC比柱(3μm颗粒)和GC柱都是用二氧化硅做成的柱子。目前所用的毛细管柱都是用320μm内径的。这种柱一般都有10万块理论塔板数，这是针对一根30m柱的分离效率并能在20～30min内进行一次分析，现在新的毛细管你将在一年内看到，工业技术完全一样只是内径由320μm改为50μm。我本来准备带一根来但没有什么可给你们看的。人们头发的内径与这些新的毛细管柱几乎相同。这新的同样长度柱能具有50万以上的理论塔板数，分析一个样品的时间可由原来的0.5h减少到约10min。另一个工业技术例子是现在热导检测器的电子显微摄影图。这是完全蚀刻在有分析池和参考池的硅片上，每个池都有小的二氧化硅丝。这些丝的曲率半径圈是0.1?(10 ?＝l nm)。测量池的总体积为5nL，这些全是固态的，没有活动的部件，完全是由二氧化硅制造出来的，并且已有商品出售。这就提供了很高的灵敏度，因为热导检测器是与浓度有关的检测器。为了要得到高浓度就要减少池体积，在一小的体积内有效的浓度就很高。因此这种检测器的灵敏度比任何已有的T、CD都要高。另一个重要方面是这种检测器不用金属丝所以就不存在烧坏和氧化等等问题。

　　这里还有一个质谱工业技术的例子。在20年前质诺的计算机系统包括一个电传打字电报机和有8K记忆，你们要人工地在仪器上设定质量范围。最近一台台式质谱仪的价格只是过去三分之一的价钱。以明天的质谱举例来看，一个飞行时间质谱的工作样机只有可口可乐罐头那么大小。整个离子光学部件都在里面并且所有的数字电子设备也在里面。这种飞行时间质谱可以在每秒钟扫描10万个原子质量单位(100 000 AMUs)，而它的质量范围为500 000 AMU。所以我们所说的很小的仪器所具有的功能是以前我们从未见过的。最后结果是你必须有一个离子源而这离子源是关键因素，因为在飞行时间内的决窍是如何把离子源驱出并测量离子的飞行时间。这仪器之所以这么小是模制离子光学把这些离子反射到检测器，因此你使飞行路程加了倍。现在的决窍是如何产生射频量程，由方波脉冲信号把离子从离子源赶出去，这些问题在现在已能从其它工业技术领域得到解决。这是主要的突破；飞行时间的其它方面并没有什么新的地方。但是当你在GHz(gigahertz，109)量程内进行这些工作时你需要把所有的电子元件与光学本身很紧密地偶合好。这是为什么每样东西都是在内部而不能用外面的GHz打开脉冲的离子源和脉冲发生器。由于这是色散方法而得到高灵敏度，在l pg(picogram，10-12g)和任何质量范围时信噪比为l 000:1我们是指每秒钟扫描100 000 AMU。这意味着你能在每50us内收集到一个完整的谱图。这是为什么色散元件是十分重要的原因，由于它才能得到高通量来达到高的灵敏度。我们认为这种组件式的质谱在实验室内外和其它我们从未想到过的地方都有许多的用处。

　　再次看看将来，我想还会面临一些激动人心的机遇。例如，在样品制备工业技术方面也有基于二氧化硅的工艺。在新加坡有一个工作组从二氧化硅制得球状的微泡，在外加高能场下进行液滴状的液液抽提，这能激发水相和有机相之间的交换。我称它为微型液液抽提，你能只用l滴或106滴进行抽提。

　　另一个机遇是墨汁喷射(inkjet)工业技术；这个工业技术只要用l滴墨汁(一个很小控制体积的墨汁)外加一个静电负荷在一对平行板之间偏转那滴墨汁的一小部分到任何你想达到的地方。这个总的特性发生器可以让你能印或画出东西。这个技术已用于ICPMS，即你能把液微滴直接放进ICP源而不必经过雾化器，因为你已进行了所有脱溶剂的过程，而且在静电场内已进行了大小尺寸的控制。这与很小体积液体的移动方面有许多事可做并能用于其它很多方面(例如在电泳方面)。

　　沟漕板(channel plate)工业技术。早晚每个人都会看到一个有96个井沟槽的板，但这些是慢的和高体积而不能使它们适宜于高速组合化学(combinatorial chemistry)或筛选。新的沟槽板刚从研究阶段出现具有每一井的3fL(femtoliter，10-15 L)的体积。你能在每平方厘米硅片上放l万个井，我们现在能够以每秒钟填充l万个井的速度。你们已经听到过很多微型制造工业技术。我愿强调一些刚出现的用微型制造技术制造的分析仪器。这些例子是从大量实验室里选出来的。

　　1．Indiana大学一工作组做的飞行时间质谱的一个光学变体。他们是用很快的激光脉冲(在ns，10 -9s)脉冲通过内壁涂有样品的石英毛细管柱。光波长一直反射通过池，池长度是公里(km)级。可以测量当激光脉冲从另一端出去时信号的延迟或测量信号的衰减。把样品弄成很薄的一层并使样品发荧光。由于这么长的飞行时间(一般是l～10km长)延迟了荧光。优点是信噪比很高，唯一困难是如何均匀地把样品涂敷在很薄的管壁上。

　　2．约二个邮票大小片上的毛细管电泳仪(CE)。用于CE分离的柱直径约为200 μm。柱上施加电压5.3×104kV，由于柱子是二氧化硅，所以
通过高压没什么问题。分析时间可以小于l s。这是很快的速度，所以可以适用于高分离度的毛细管电泳。

　　3．毛细管电泳用于低含量组份的测量(这工作是在Stanford大学的一个实验室内进行)。当研究神经传递质时它的含量是很低的，所以低含量组份的测定很重要。所用的CE柱较长且直径较大，因为要用较多的样品来达到低浓度的测定，但仍然是用620 nm(nanometer，×10 -9m)的内径柱。用二个光子激发荧光分析器测定。假如有一个很大功率的激光源，最大脉冲功率是10～12W／(s·cm2)。必须用很高功率的激光器来得到足够的灵敏度。在毛细管电泳的末端是20 zmol(zeptomol，10-2l mol)所以要求有高速和高灵敏度。

    4．微量操作方法(该实验也是在Stanford大学进行)。他们已成功地把单一的泡内的胺分离和分析出来。泡是任何器官中多孔组织的微附聚物。这些泡的直径约为lμm，其体积是在aL～fL(attoliter-femtoliter)之间。因此即使是微量操作器也没法转动这些东西。这工作也是利用墨汁喷射技术把它们从组织中取出样品，并把这些小的微量体积样品放在毛细管电泳系统并用激光诱导荧光作为检测器进行检测。这是在生物材料中很小生物样品的超微量操作技术。
    5．颗粒分析。我对这方面的工作很有兴趣，相信到ALMA 2010年的年会上会看到更多这方面的工作。直到目前为止颗粒分析一直是属于亚微细粒或在5～10 μm颗粒范围。假如能进人低于这范围就进入所谓超微米(super micron)颗粒的范围。这样小的颗粒就很难处理、操作和测量。这些颗粒的特点与直径为微米级颗粒很不相同。举例这些超微米颗粒的化学反应无论是它在表面的吸附或活性常常是非线性的化学反应，其结果是会形成很高效力的毒素和很高的荷载量。最佳的技术是微量毛细管电泳。
    6．实验自动化。这时代的实验室自动化的进展远比化学分析方法发展得快。我们大都会记得在80年代的趋势是工作的发展过程，90年代是数据的发展过程，而目前则是信息的发展过程或者我们称它为IIP。这并不是数字数据和简化的结果文件，这实际上是宏观水平的结论。过去一个分析实验室改进他们的仪器如用PC，使样品处理自动化，也许再自动控制自动进样器和仪器。过去是由PC来收集和处理数据，也许需要或不需要再用其它的辅助数据系统。这是一种进行的方式，但是假如有一个顾客服务器网络你就会有机会作出比过去所做的更为出色的工作。