化学计量发展及应用

化学测量与化学计量

化学计量无处不在，与经济、科技和社会发展息息相关。无论是临床医学检验，还是食品药品成分分析，再或大气、土壤、水质监测等，都离不开化学计量，都需要通过化学计量分析物质的结构、含量组成和特性。在全球测量活动中，化学计量已经占60%以上。化学计量涉及物质的微观结构、组成和性质，测量过程复杂,影响因素众多，测量方法、测量设备、校准标准、样品处理与试剂、操作者、环境等都可能对测量产生影响，不同医院检验结果不一致，导致检验报告不通用，就是最常见的表现之一。因此，保证测量结果的准确性、可比性成为化学测量的巨大挑战。
　　“测不准”问题存在于各个领域，近十年来引起了全球各国广泛重视。据统计，在临床医学领域，医生的诊断结论80%依赖于临床检验，临床检验结果偏差越大，导致的重复测量和医疗资源的浪费就越大。根据美国国家计量院(NIST)的评估报告，在20世纪80年代，美国每年花在医疗方面的费用约为1万亿美元，超过GDP的13%，其中20%以上用于测量。这些测量的三分之一以上是为防止误测和确认测量结果等进行的重复测量，由此导致的费用约为660亿美元，占美国年医疗费用的6.6%。我国2014年卫生总费用为3.5万亿元人民币，若按上述比例估算，花在重复测量的费用约为2300亿元。
　　因此，加强化学测量过程及结果的控制和评价，确保化学测量结果的准确性、溯源性和有效性就显得至关重要，这也是化学计量的根本任务。化学计量是研究化学测量及其应用的一门学科，是为了保证化学测量结果的准确可靠有效而进行的活动。
　　化学计量主要由标准装置、标准物质和标准方法三个核心要素构成。化学计量源头的基标准装置、基标准方法和基标准物质三位一体，保证化学测量的溯源性，使实际测量量值能够通过不间断的溯源链，溯源至化学计量源头，进而溯源至国际基本单位，保持全球量值一致性和准确度。其中标准物质是量值溯源和传递的主要载体，处于核心关键位置，也被称为“化学测量的砝码”，主要用于校准、质量控制、测量方法与结果评价、确定特性量值等。因此，化学计量的很多工作，是围绕着标准物质的研发和应用相关技术展开的。

化学计量发展及应用
　　世界第一个标准物质因20世纪初工业文明对质量的需求而诞生于美国，推动了美国钢铁产业标准化。随着化学测量结果的溯源性与有效性被逐渐引起关注，1971年“摩尔”正式成为第七个国际基本(SI)单位，标志着化学计量正式启航。1993年国际物质量咨询委员会的成立，化学计量国际化大家庭正式组建，第一个国际化学计量比对随即展开。时至今日，科技、经济、社会都对化学计量提出了更为广泛而迫切的需求，化学计量成为国际上最活跃的计量研究领域。我国随着化学计量与标准物质被列入《国家中长期发展规划(2006至2020年)》和《计量发展规划(2013-2020年)》，化学计量进入了飞速发展时期，国家标准物质作为国家科技资源的重要组成部分之一，从2003年起，纳入了国家科技基础条件平台建设中。
　　经过努力，目前中国计量院化学计量综合实力已迈入国际第一梯队。在基本单位复现和原子量测量等基础研究中，10个元素原子量测量结果被国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)采纳并列入国际元素周期表，达到国际领先水平。中国计量院在国际计量委员会(CIPM)/物质量咨询委员会(CCQM)框架下的国家校准与测量标准(以标准物质为主体)能力互认(CMC)数量名列全球第一。其中，在高纯物质、食品安全计量等领域实现了领跑，在大众健康、环境等领域，正努力实现并跑。中国计量院化学计量实验室在食品药品、临床检验、法庭科学、环境保护等领域的化学计量及其应用技术研究方面取得了可喜成绩，共研制6项计量基准、58项计量标准和1600余种标准物质。
　　在食品安全方面，化学计量有效保障了民生安全和社会发展需要。基于系列纯度国家基准物质技术开发，研制了农药、兽药及违禁药物纯度基标准物质200余项，应用于全球近4500家用户。
　　高准确度测量方法开发、国际互认与面向食品安全检测实验室开展的标准物质、测量质量控制和评价服务等同步进行，实现了对原国家食药总局、质检总局、卫计委、农业部等部门工作的有效支撑和保障。中国计量院化学计量试验室先后为“三聚氰胺”事件处置，2008年奥运会、田联世锦赛运动员食品安全保障等提供技术支撑和保障服务。以“三聚氰胺”事件为例，在较短时间内研发了“快速、准确、经济、便捷”的检测方法和标准物质，满足了国家急需，并被亚太区域计量组织评为支撑国民经济发展的十大典型事例之一。在2015年北京田径世锦赛中，中国计量院化学计量试验室与北京市食品安全监控和风险评估中心联合开展质控技术研究以及检验实验室能力评价，提升了专供运动员食品的兴奋剂检测质量，为避免因食用肉类食品造成的尿检阳性问题，提供有力技术支撑(要求瘦肉精含量比国家标准限量值低两个数量级)。
　　在环境监测领域，化学计量为确保环境监测数据的准确可靠提供了必要的技术保障。中国计量院化学计量实验室与生态环境部中国环境监测总站、环保标样所、原国土资源部国家地质实验测试中心、工信部等部门有关单位，联合开展标准物质和化学计量技术研究，为排放水、电子电气产品中重金属检测等国家标准的实施提供了全面支撑。有效保障了我国水质监测和国土资源调查数据的可靠性，支持全国范围水质监测及260万平方公里国土酸雨测报，并使得投入20亿元的《多目标地球化学调查评价计划》中相关检测数据的优良率由46%提高85%。
　　在临床诊断领域，化学计量呵护着人类的健康和生活质量。以胆固醇和肿瘤标志物两个临床检验项目测量为例，若分别减少偏差3%和10%，相应的漏诊率将减小9%~20%和10%~50%。再如，血清中C肽测量准确性问题一直困扰着糖尿病的准确诊断和治疗。为了满足世界卫生组织等国际相关机构对C肽诊断标志物准确测量的要求，中国计量院化学计量实验室与国际计量局化学部联合主导并参与了C肽纯度国际计量比对，比对结果取得了等效一致。随著糖尿病等重大疾病诊断标志物的计量技术和标准物质的深入研究，将不断促进国际间测量标准的统一，对大大提高临床诊断的准确性、有效性，实现对同一病人在不同地点和不同时间的检验结果互认具有十分重要的作用。
　　在法庭科学领域，化学计量的引入为准确量刑、司法公正提供了更加科学的依据和手段。例如，国际互认的高准确度毒品标准物质应用于涉毒案件中毒品净含量的检测和计算，降低了检测不确定度，减少了量刑不准的概率，彰显了司法公正。

化学计量未来机遇与挑战
　　“十三五”期间，化学计量将继续迎接新的更大机遇与挑战。
　　在基础计量研究方面，基本单位制变革，摩尔的重新定义，引领了化学计量研究的学科方向。以溯源至SI的化学计量技术和标准物质为主线，开展物质含量组成、活性、空间结构等技术研究、标准数据库以及计量学模型的构建，将在生命科学、交叉科学领域科学研究发展中，发挥重要支撑作用。
　　在食品安全计量方面，为进一步支撑政府决策和监管，保障食品安全质量，提升食品安全检测体系有效性，中国计量院化学计量实验室将重点围绕溯源至SI单位的标准物质、标准方法评价、数据库建立和检测能力评价四个方面开展食品安全计量研究。积极响应国家“一带一路”倡议，与国际计量局(BIPM)、“一带一路”沿线国家或机构开展持续深入合作，建立完善真菌毒素国际计量溯源体系；建立完善农、兽药残留检测计量溯源体系；环境污染物及非法添加物检测计量溯源体系、重金属及形态检测计量溯源体系；着力提升国家食品安全计量能力，保障食品安全。
　　在临床检验与药物计量方面，不断加大体外诊断试剂和生物药物的计量研究，努力为重大疾病诊断标志物建立国家计量溯源源头基准物质，实现国际等效互认，并加强临床诊断标志物标准物质技术推广；在生物药物的结构表征、标准数据库建立等方面积极探索，为落实中国计量院与美国NIST之间的计量标准合作内容，为生物医药产业质量提升，作出积极贡献。
　　在环境监测计量方面，面对环境保护新挑战，温室气体、POPs、重金属水体和土壤等高准确度标准物质将是该领域的研究重点。而对扁平化量传服务模式的探索，将促使化学计量成果更好地服务一线检测实验室，为我国《环保法》和大气、水、土壤污染防治行动计划的实施提供技术支撑。