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新一代中国色谱学科的领路人
——中国科学院大连化学物理研究所张玉奎院士介绍
2011年4月22日 来源:中国色谱网 责编:肖昌佐

  张玉奎院士作为《色谱》杂志的现任主编,在色谱学术领域取得的突出成就,被公认为是继卢佩章院士后,中国色谱学科的新一代领路人。

  张院士自1965年南开大学毕业后,一直从事色谱基础理论及新技术开发应用研究工作,包括气相色谱、液相色谱、毛细管电泳及电色谱、径向膜色谱、生物色谱等方面,其中“高效液相色谱柱”、“柱色谱多元分离理论”、“智能色谱仪”、“径向色谱柱”等七项成果分别获中科院、辽宁省科技进步奖和自然科学奖。近年来,张院士将研究重点转向对国家科学研究发展具有战略意义的蛋白质组学研究方向。作为“973”项目“蛋白质组新技术和新方法研究”首席科学家,发展了多维色谱、微酶在线反应器等多种创新性技术,为蛋白质组研究的高效分离与高灵敏表征提供了系列新的研究手段。

  张玉奎先生于2003年当选为中国科学院院士,现任中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师,兼任中国化学会色谱专业委员会主任、中国分析测试协会副理事长、中国色谱学会理事长、色谱杂志主编、分析化学、J. Chromatography A等杂志编委。曾任大连化学物理研究所副所长、国家色谱研究分析中心主任。

  近五十年的色谱研究生涯

  张玉奎院士生于1942年,河北省保定市人。高中放暑假到河北农业大学勤工俭学时,该校一位前辈在谈到理想时讲到:“如果想搞研究,往大了讲就去研究天文,研究宇宙;往小了讲就去研究分子,研究物理和化学。”受这句话的熏染,张院士于1960年考入南开大学化学系。

  1965年,张玉奎从南开大学毕业后,被分配到大连化学物理研究所(以下简称为“大化所”)工作,在这里遇到了在他色谱研究生涯中最重要的一个人:卢佩章院士,由于大学里所学的是化学物理专业,张玉奎被卢佩章院士安排从事色谱研究工作,因为工作认真负责、能力突出、团结同事,张玉奎被卢院士作为重点对象进行培养,先后担任卢院士的助手和学术秘书,后来又和卢院士一起共同培养研究生。

  张玉奎最初接触的是以应用为主“平板连续制备色谱”。1968年,大化所接受国防科工委下达的“09—II核潜艇中大气组份分析仪”的研制任务,由于“文革”的原因,作为主要负责人的卢院士被关进了“牛棚”,当年只有25岁的张玉奎被时代推到课题负责人的岗位上。研究涉及核潜艇执行长期潜任务时艇内气体转化等一系列技术难题,质量要求非常苛刻,其中对仪器的考验包括在冲击、震荡、摆动、锤击等非常条件下仍能保证正常工作。为了能够继续完成任务,张玉奎勤奋的投入到了工作中,提出了四柱四检测器反吹流程的设计思路,用于同时测定大气中痕量和常量组分,并研制出四种放射性离子化检测器,样机通过船用条件试验及常规潜艇的现场考查后,被作为09—II核潜艇的随艇分析仪。这个攻关项目直到1974年才全部完成,并在1978年获得中国科学院科技成果奖。经过这段时间的历练,也为张玉奎日后作为学科带头人打下了良好的基础。

  上世纪70年代,中国的色谱研究开始转向液相色谱。大连化学物理研究所与青岛海洋化工厂合作研制液相色谱微粒硅胶固定相。那里的生活条件非常艰苦,苍蝇很多,甚至有时也会出现在饭菜里。就是在这样的环境中,一边接受工人阶级再教育,一边进行研究,在卢院士的领导下,张玉奎等出色地完成了科研任务,从而打破了国外公司对中国色谱柱市场的垄断。进一步开展微粒型硅胶及其各种化学键合相的研究,并成功研制出高效液相色谱柱,供应国内需求;在柱系统研究方面,通过改进进样和检测系统,将色谱柱效能提高10倍以上。在此基础上,成功研制出达到国际先进水平的“K—1型高效吸附型液相色谱柱”,并实现产业化,该研究成果荣获1979年获辽宁省科技成果一等奖。

  20世纪80年代,中国色谱转入更前沿的人工智能色谱方向,卢院士领导张玉奎等人开展了具有国际水平的色谱专家系统理论、技术及软件开发等方面的研究工作。采用统计热力学的方法研究溶质在多种色谱分离模式下的保留行为,推导出物理意义明确的描述流动相组成对色谱保留值影响的理论表达式,阐明了色谱过程中影响分离行为的分子结构因素,从而建立了系统的色谱热力学研究方法,为液相色谱专家系统的建立奠定了理论基础;采用物料平衡原理建立了包括柱外效应影响的溶质在整个色谱分离系统中输运的质量平衡模型,对色谱流出曲线高阶统计矩的研究,从理论上阐明了影响色谱峰展宽和峰形对称性的动力学因素,证实了保留时间与半峰宽之间存在的定量关系;采用高斯卷积模型对色谱流出曲线进行拟合,发现了模型参数与色谱操作条件之间的定量关系,从而解决了色谱图的存储和重叠峰定量解析等难题。

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  在色谱峰型规律基础上提出了选择色谱最佳操作条件的方法,并应用于发展细管径高效液相色谱系统构建与应用。在深入、系统地研究气相色谱和高效液相色谱理论的基础上,开发出气相和液相色谱定性、拟合定量和智能优化等专家系统及其软件。在建立液相色谱专家系统总体布局过程中,针对国外只考虑经验规律的片面性,首次提出了“知识库必须基于色谱理论和经验规律相结合”的思想,据此思想建立的知识库已用于液相色谱柱系统推荐,并以大量的事实验证了知识库的正确性和可靠性。将串联优化指标与智能搜索方法相结合建立了智能优化方法,并用于复杂样品的分离条件优化。

  1983年,承担国家科委“六五”攻关项目,研制出2030型智能高效液相色谱仪样机,并成功开发出包括高压输液泵、紫外可变波长检测器等整套液相色谱仪器产品。在对智能色谱研究的过程中,原本对计算机“一窍不通”的张院士通过利用业余时间,使用大化所内珍贵的计算机成功地解出指数修正高斯方程,建立起3到4个内存的谱图库,并自己编写了一套色谱分析曲线应用的程序,这也被卢佩章院士称为“中国色谱研究第一个会使用计算机的科学家”。

  张玉奎院士是一位极具前瞻性眼光的色谱分析化学家,他从1985年就敏锐意识到,以分离纯化见长的色谱在生命科学领域中必有用武之地,从那时开始以色谱为工具涉足生物医学领域,并注重基础研究与应用结合,开辟出一条新的科研之路。采用微渗析-高效液相色谱、亲和色谱及毛细管电泳方法研究了多种药物与人血浆蛋白的相互作用;首次建立了研究药物与蛋白竞争作用的系统方法,探讨了药物与蛋白作用位点和平衡常数与药效之间的相互关系。在毛细管电泳的理论研究中,发现了毛细管区带电泳中操作参数及溶质的分子结构对迁移行为的影响规律。

  1986年,张玉奎负责承担863生物工程下游目标产品分离纯化用径向色谱柱的研究工作,研制出四种离子交换膜介质径向流动色谱柱,其中弱阳离子交换CM柱尚属首创。此后,亲合膜等多种类型径向柱、聚合型毛细管电色谱整体柱、毛细管无胶筛分电泳用超大分子线性聚丙烯酰胺色谱柱等项目相继研制成功,并申报发明专利多项。张院士还承担了中美合作项目烟道气排放有毒污染物监控的研究,提出了气相色谱辅助富里叶变换红外光谱对固定污染源复杂样品进行解析的方法,建立了相应的光谱差减定量数据库,并通过国家环保总局组织的验收鉴定,这种方法也得到了美方专家的好评。

  九十年代以来,张院士主要开展生物分子的高效分离与高灵敏检测的研究,将研究的重点集中在发展多维分离体系,包括多维液相色谱、多维毛细管电泳、液相色谱/毛细管电泳、多维微流控芯片以及它们与质谱的联用等领域。作为973首席科学家及课题负责人参与了多项蛋白质组学新技术与新方法的研究工作,也开展了人组织激肽释放酶原的基因表达与分离纯化、人肝癌细胞cDNA噬菌体表面展示文库的构建、脑中风临床早期诊断试剂盒等基因工程项目的研究工作。首次开展了物理吸附开管毛细管电色谱的研究工作,发展了混合填料、整体聚合床层等多种电色谱柱系统,并研究了溶质在不同柱系统上的分离机制和柱上富集规律,对碱性样品在电色谱中达到了17000倍的富集效果。

  近年来,根据分析化学和国际前沿研究领域的发展趋势,结合国家重大应用领域的需求,放眼于分析学科与生命学科的交叉发展,张院士主要开展了蛋白质的高效分离与高灵敏检测的研究,重点集中在多维液相色谱、多维毛细管电泳与质谱联用技术在蛋白质组学研究中的应用中,为蛋白质组学研究提供利器,加速蛋白质组学研究进展。张院士提出了构建蛋白质分离-在线酶解-多肽分离-质谱鉴定的蛋白质分离鉴定平台的思路,发展了多种蛋白质原位微酶反应器。为实现痕量组分的高效富集,发展了基于整体材料的固载金属亲和色谱介质和基于毛细管电泳、电色谱技术的蛋白质选择性和通用性富集技术。

  张玉奎院士在色谱基本理论和新技术、新方法的研究方面,为我国色谱学科的发展做出了巨大的贡献。截止到目前,张玉奎院士已在国内外知名专业刊物上发表论文500余篇,撰写专著7部,代表著作有《分析化学手册第六分册》、《现代生物样品分离分析方法》等,并申请30余项发明专利。

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  中国色谱产业化的“铺路人”

  在深入色谱理论研究的基础上,张玉奎院士也非常注重实现研究成果的产业化,并在百忙之中抽出时间以实际行动推动我国色谱成果的产业化。张院士曾说过,搞科研与搞经营是两种不同的路子,而且如果没有产业的支持,科研成果可能无法真正发挥作用。

  上世纪70年代,中国还没有国产的色谱柱,而当时从国外进口一支色谱柱需要花费10万美元!本着为国家减少研发资金的目的和动力,张院士与同事合作成功研制出中国第一支色谱柱,并且达到国际先进水平。国产色谱柱一经推出,立即促使国际市场色谱柱的价格大大下降,中国也因此开始了色谱柱产业化的道路。

  在科研人员的眼中,能当选为院士、博士生导师是他们追求的最大的荣誉,而从事相关产业似乎不在他们的发展方向中。卢佩章院士培养的“八大金刚”都是学术型人才,但张玉奎院士却很希望自己的学生中能有将科研成果迅速实现转化的经营管理型人才。

  1988年,张玉奎将题目组四万元资金全部投入组建色谱柱产业化企业。刚开始进行色谱柱开发时,操作间仅有1平方米,转身都困难,但凭借坚实的科研基础,开发工作进展十分顺利。当科学院要求科研院所和产业化经营分开时,张院士毫不犹豫地把产业化任务移交给他培养的第一位博士李彤,并在1993年成立了中外合资企业。如今,大连依利特分析仪器有限公司已发展成为国内最大的液相色谱仪生产企业。

  大连依利特公司是张玉奎院士用自己的科研成果一手创办起来的,同时为了它的发展,张玉奎费尽苦心。曾有人问及张院士与大连依利特公司的关系,张院士曾幽默地自称为依利特公司的“爸爸”,这个国内最大的液相色谱仪生产企业代表着他的和成功和自豪。

  张院士对大连依利特公司的另一大成功之处在于他慧眼独具地发掘和培养了大连依利特总经理李彤博士这个人才。张院士曾说过:“在管理公司上,我不如李彤,他懂许多工商、税务方面的知识,而且他比我更投入。我只是尽力让他得到他应得的东西,比如推荐他出国学习镀金,培养他成为研究员,使他真正愿意从事公司的经营管理。”

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  色谱人才培养

  由于“十年动乱”带来的严重后遗症,中国色谱学科曾面临“后继乏人”问题。年龄有断层,但知识没有断层,张玉奎院士在科学研究中,坚持以人为本的原则,高度重视对色谱人才培养。目前,张玉奎院士总共为国家培养了博士20余名,有的已经成为博士生导师,有的成为研究员和博士,有的获得中国科学院百人计划资助,还有的在仪器公司作为科研骨干力量,这些弟子在我国分析科学领域基础研究、应用开发以及仪器产业化等方面发挥着重要的作用。

  改革开放后,作为卢院士的助手,张玉奎的科学研究工作,深刻感到最缺的东西就是时间,他盼望自己也能有得心应手的助手,盼望弟子们成才。在国家解决急需的色谱高级人才断层问题上,张院士起到了很好的“人梯”作用,他曾说过:“让学生们踩着我的肩膀上升到应有的高度,我的任务就完成了。”

  在人才培养的过程中,张院士善于以长远眼光提拔和扶持年轻人,给他们课题甚至课题组负责人的位置,将年轻人推到科研的最前沿。关怀和管理,让弟子们对张院士都有敬畏之心,当然,最深切的关怀是事业上的知人善用,让他们体验和享受事业上的成就感。与个人科研成就相比,张玉奎更得意他的“弟子”,这些弟子们现如今都具备独当一面的能力,并成为国内色谱界的中流砥柱。他们当中有不少人是张玉奎亲自送出国,深造后又被从国外召唤回来的。

  前些年,我国人才外流非常严重,很多出国留学的人才都不愿意回国,但大连化学物理研究所的人才回收率却非常高 ,这其中的秘诀,张院士认为首先要付出感情和真诚,和一点点的技术含量。为邀请更多的人才回国效力,张院士积极地利用各方面的资源为回国人才创造发展条件和生活条件,这其中既包括他的弟子,也包括后来当选为院士的留学人才,他的一位学生曾讲到:“先生一个电话,我就回国效力了。”

  努力创造学术交流平台

  张玉奎院士在团结国内同行的同时,非常注重国际交流,尤其是与色谱研究处于领先水平的国家、学者及机构间的交流。目前,张院士已与日本、加拿大、德国等知名专家、学者和机构建立了广泛而密切的合作联系。

  在与国外专家、学者交流的过程中,破除语言障碍必不可少。张院士在中学、大学时,学的是俄语,而国际上通用的语言是英语,为了便于沟通,卢院士劝他把英语口语学好,刚开始张院士想到自己又不会转行做翻译,就不想学,这气得卢院士向他发了唯一的一次脾气,结果却让他过了英语口语关。后来,张院士赴德国和美国留学,不但能与外国人流利地用英语交流,还能为老师和同事们做到同声翻译。

  张院士非常注重学术交流。上世纪八九十年代,由于国家对科研经费的投入有限,张院士的课题组又在不断发展壮大,因此,科研经费往往到年底就没了。即便在如此艰苦的条件下,张院士宁可卖掉实验气体,也要支持学生参加学术交流。与别人省着花钱的思路不同,张院士认为,舍不得投入就没有产出,学术交流同样是很好的技术平台。

  后记:张玉奎院士凭借着他四十余年以来对色谱学科的执着追求,认真负责的科研态度、不断寻求创新的钻研精神和富有前瞻性的眼光,很好地从“中国色谱之父”卢佩章院士的手中接过了中国色谱学科的“长跑接力棒”。张院士在色谱研究中不断开拓新的研究领域,努力为国家培养色谱人才;促进中外色谱人才交流,带领中国色谱研究不断赶超世界先进水平,无愧于新一代中国色谱学科的领路人。

  参考资料

    1.卢佩章 著,《难忘的岁月》.

  2.中国科学院大连化学物理研究所,《张玉奎院士简介》.

  3. 王玉学,《东北之窗》2009年第7期,《张玉奎40年“色谱”人生》.

  4.大连市振兴老工业基地宣传网:《张玉奎:我是依利特的“爸爸”》;

  5.湖南农业大学第29期,《科学论坛》。


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