测量是认识物质世界、揭示自然规律的重要基础, 也是推动科学发现与技术创新的关键手段. 随着科学研究不断向微观尺度、复杂体系和动态过程深入, 对物质组成、结构、分布及其时空演变规律的精准测量提出了更高要求. 化学测量学作为化学科学的重要组成部分, 正由传统的组成与结构分析向多维信息获取、原位动态解析和复杂体系精准测量不断拓展, 逐步形成以原创测量原理为先导、以方法学创新为核心、以先进仪器创制为支撑的学科发展体系.

当前, 新一轮科技革命和产业变革深入发展, 生命健康、能源材料、资源环境等领域的重大科学问题不断对化学测量提出新的挑战. 与此同时, 人工智能、量子科技等前沿技术与化学测量深度融合, 为突破传统测量极限、创新研究范式和拓展科学认知边界带来了重要机遇. 我国化学测量学经过长期积累, 在单分子测量、原位谱学、化学传感与成像、组学分析等方向取得了显著进展, 但在原创测量原理、高端仪器自主创新及系统性研究能力等方面仍有进一步提升的空间.

“十五五”(2026~2030年)是我国化学测量学实现原理引领、体系创新和高质量发展的关键时期. 在国家自然科学基金委员会“十五五”发展规划总体部署下, 本文立足学科发展基础与前沿趋势, 分析面临的挑战与机遇, 提出总体发展思路与战略目标, 围绕方法学内核、重大需求牵引、先进测量仪器与人工智能等方面凝练重点发展方向与优先布局领域, 以期为我国化学测量学未来发展提供战略参考(图1).

Figure 1

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(Color online) Strategic development of chemical measurement science during the 15th Five-Year Plan period: an overview.

化学测量学是化学科学的核心组成部分, 是获取物质组成、分布、结构、形态与动态信息的核心手段, 是连接微观分子行为与宏观系统性能的纽带. 化学测量学旨在创新化学及相关领域的测量原理、策略、技术与方法, 研制测量装置、仪器、部件及相关软件, 以更高的灵敏度、特异性、分辨率与通量, 更精准地获取从原子分子到生命体系、从材料基元物质界面到原料器材及制备生产过程的化学信息与时空变化规律. 化学测量学面向科学前沿和国家战略需求, 突出原创方法学研究, 注重学科交叉、数智赋能, 重视基于新原理的仪器与关键部件创制及性能提升. 研究涵盖从极微观到极宏观、从静态到动态等复杂体系的化学测量与分析.

纵观科学发展史, 从颠覆“燃素说”、确立质量守恒定律, 到人类基因组计划提前完成、纳米尺度科学蓬勃兴起, 化学测量学方法与工具的每一次迭代进步, 都深刻推动了科学内涵的创新突破, 标定了科学探索的深度与广度. 化学测量学作为这一进程的核心驱动力量, 其战略地位日益凸显.

在现代科技创新体系中, 化学测量学扮演着双重关键角色. 首先, 它是基础科学发展的“引擎”. 例如, 从揭示酶催化反应的过渡态, 到绘制大脑活动的化学图谱; 从观测量子材料中的奇异电子态, 到刻画能源器件中的原子分子转运转化规律等; 几乎所有生命科学和物质科学的重大突破, 都离不开测量理论与工具的先导性飞跃. 测量精度的每一次跃升, 往往能打开一个新的认知疆域. 其次, 它是高新技术产业和战略性新兴产业的“赋能者”与“守护者”. 在生命和医药领域, 高灵敏度的生物标志物检测是实现精准诊疗的前提; 在新能源领域, 对电池材料界面过程的原位解析是提升性能和安全性的关键; 在半导体产业中, 纳米尺度的杂质与缺陷检测是芯片良率的生命线; 在环境保护中, 痕量新污染物的发现与溯源是风险评估和建设绿色家园的基础. 因此, 化学测量学的水平, 直接反映并决定了一个国家在生命健康、高端制造、能源环境等核心领域的创新能力和产业安全水平.

当前, 世界各国正经历从“信息时代”向“智能时代”和“生命时代”的深刻转型, 化学测量学的基础性、战略性地位愈发凸显. 人工智能(AI)的爆发依赖于高质量、多维度的化学数据; 合成生物学与生命制造的精准调控, 需要原位实时检测生化反应历程与分子互作网络; 实现“双碳”目标, 离不开对碳循环关键过程和新型能源材料的高精度、全方位表征. 没有强大的化学测量能力, 就难以掌握这些未来产业的核心技术, 也无法保障国家经济社会的可持续发展和战略安全. 因此, 将化学测量学定位为国家战略科技力量的重要组成部分, 予以重点布局和发展, 具有至关重要的意义.

站在新的历史起点, 化学测量学在迎来巨大机遇的同时, 也面临着来自科学、技术、产业和国家战略层面的严峻挑战, 这些挑战相互交织, 构成了学科发展的核心命题.

(1) 重大需求牵引的挑战: 从“论文导向”到“问题/需求导向”的效能转化. 科学研究“四个面向”战略对化学测量学提出了明确而紧迫的应用需求. 例如, 面向人民生命健康, 需要发展低成本、易操作、更精准的重大疾病早期诊断技术和便携式监护器械; 面向经济主战场, 需要为科教和产业提供科学仪器和测量设备的源头技术; 面向国家重大需求, 需要为深海探测、航天工程开发耐极端环境的化学传感器. 这些需求往往具有复杂度高、可靠性要求苛刻、系统集成性强的特点, 要求科研人员不仅精通方法学, 还要深刻理解应用场景, 具备解决系统性工程问题的能力. 推动学科研究方向与国家战略需求更紧密地结合, 提升成果转化的效能, 是“十五五”期间必须解决的重大问题.

(2) 技术自主的挑战: 从“跟踪应用”到“自主创制”的攻坚期. 我国高端科学仪器市场长期被国外厂商垄断, 高分辨质谱、核磁共振波谱、高端电子显微镜等核心装备严重依赖进口, 不仅耗费巨额资金, 更在科研自主性、数据安全性和产业竞争力上受制于人. 这一局面的根源在于核心部件(如高性能质量分析器、超导磁体、单光子探测器)的研制能力薄弱、仪器整机的工程化与可靠性设计经验缺乏以及从“原理样机”到“市场商品”的转化链条断裂. 实现高端化学测量仪器的自主可控, 不是简单的技术仿制, 而是需要跨学科的系统性工程创新和持之以恒的产业生态培育, 是衡量我国能否成为科技强国的关键标志之一.

(3) 范式变革的挑战: 从“工具智能”到“过程智能”的转折点. 以AI、量子技术为代表的新一轮科技革命, 正在颠覆传统的科学研究范式. 当前, AI在化学测量中的应用多集中于后端的数据分析, 而在前端的实验自主设计、过程中的智能调控与优化以及基于数据的科学假设自动生成等方面尚处于起步阶段. 如何将AI深度、有机地嵌入“实验设计-执行-分析-决策”的全闭环, 催生“AI for Measurement”新范式, 是提升科研效率和创新能力的突破口. 同时, 量子传感技术展现出突破经典测量极限的巨大潜力, 如何将这些量子资源与化学测量需求相结合, 实现生理环境中分子过程的全方位动态表征和调控等, 是国际竞争的制高点.

(4) 认知极限的挑战: 从“观测现象”到“揭示规律”的深水区. 随着科学研究进入“深海”和“无人区”, 对测量技术提出了逼近物理极限的要求. 生命科学已从离体、细胞水平进入单分子的异质性、活体真实分子功能网络研究, 要求测量技术具备单分子灵敏度、纳米级空间分辨、微纳秒级动态追踪、超复杂体系个体分子甄别和多元分子过程同步示踪能力. 脑科学、意识科学等前沿探索, 需要对极微量的神经化学物质进行在体、原位、多通道并行监测. 能源材料研究迫切需要能在真实工况(高温、高压、强辐照)下, 对表界面原子排列、电子结构、中间产物进行原位、动态解析的技术. 这些挑战意味着, 必须发展出超越现有范式的新一代测量学原理与方法, 才能支撑对自然规律更本质的探索.

当前, 我国化学测量学正处于实现跨越发展的黄金窗口期.

新一轮科技革命带来范式融合机遇. 学科交叉点是最可能产生突破性创新之处. AI、大数据技术与化学测量的结合, 正在催生“智能实验室”和“科学大模型”; 合成生物学与生物传感的融合, 使得活细胞可以被编程为智能感知和响应单元; 量子精密测量技术为化学测量带来了前所未有的精度潜力. 这些融合为破解上述挑战提供了全新的工具箱和方法论.

国家战略需求提供强大发展牵引. 建设科技强国、实现高水平科技自立自强的国家意志空前坚定, 对突破科学仪器“卡脖子”技术、发展服务于新质生产力的核心工具形成了强大的政策推动力和资源保障力. 健康中国、美丽中国、数字中国等重大战略的实施, 创造了海量的、多层次的测量需求, 为学科发展提供了丰富的应用场景和验证舞台, 使得“需求牵引-技术突破-产业应用”的良性循环成为可能.

“十四五”成就奠定跨越发展基础[1]. 经过持续努力, 我国在单分子测量、原位谱学、高端质谱方法、化学传感与成像、组学分析、磁共振仪器与大装置化学测量应用等前沿方向已形成一批具有国际影响力的研究团队和标志性成果, 部分领域实现从“跟跑”到“并跑”乃至“领跑”. 例如, 在单分子电化学发光成像[2]、手性对映体质谱[3]、流体忆阻器离电传感[4]、高分辨三维X射线成像[5]、生命手性测量与调控等方面的原创工作, 展现了我国学者提出新原理、开拓新方向的强大潜力. 一支结构合理、富有创新活力的人才队伍已经形成, 为“十五五”的攻坚克难储备了核心力量. 更为重要的是, 通过国家重大科研仪器研制项目等实践, 我们在组织跨学科、跨单位的协同攻关方面积累了宝贵经验.

全球范围内, 化学测量学正围绕“智能化、精准化、实用化”的主轴加速演进, 竞争日趋激烈.

极限测量技术持续突破: 国际竞争日趋白热化, 核心聚焦于三大维度: 一是测量极限的持续突破, 追求单分子[6]、阿秒[7]、原子尺度的极致分辨; 二是测量范式的智能革命, AI深度融合正重塑科研流程[8]; 三是重大需求的极致牵引, 生命科学与碳中和等领域对测量技术提出前所未有的挑战.

技术集成与仪器智能化成为主流: 将不同原理的测量技术(如多种光谱、质谱、显微镜)在线耦合, 形成多维关联分析方法, 以全面解析复杂样品[9]. 同时, 将自动化机器人、物联网和AI集成, 构建“自主实验平台”, 实现7×24小时不间断的智能实验操作、条件优化与数据分析, 正在重塑科研范式[8].

生命科学与临床医学成为主要牵引力: 国际顶尖团队竞相发展空间多组学技术[10]、单细胞多模态分析[11]、在体实时动态成像等技术, 旨在以前所未有的细节绘制生命图谱, 并推动癌症早诊、神经系统疾病治疗等临床转化. 这一领域呈现出基础研究与临床需求紧密结合的鲜明特征.

量子技术融合开辟新赛道: 基于金刚石氮-空位色心、冷原子、量子关联、超导电路等平台的量子传感与量子精密测量技术[12], 因其在测量微弱光场、电场、磁场、热场等方面的极高灵敏度, 正被积极探索用于生物单分子检测、材料微观磁结构成像等化学测量前沿, 有望带来颠覆性的新工具.

“十四五”期间, 我国化学测量学在国家自然科学基金等项目持续稳定支持下, 实现了长足进步, 整体水平大幅提升, 在国际学术版图上的显示度和影响力显著增强. 基础研究实现多点突破, 部分方向引领国际前沿. 在单分子与纳米尺度测量方面, 形成了以纳米孔技术、单分子电化学/光学成像为代表的优势方向. 在RNA/DNA修饰检测、多肽识别、稀土离子区分等方面取得系列创新成果, “边合成边测量”等新策略展现了从测量到操控的进阶[13]. 原位谱学与表界面分析方面: 壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)等技术成功应用于电催化、电池等能源化学核心领域[14], 在分子水平揭示了界面反应机理, 产生了重要国际影响. 高端质谱与成像方法方面, “离子定向旋转”技术实现手性对映体的质谱直接区分[3], 是原理层面的重大原创突破. 在活体分析与成像方面, 发展了多种电化学分析原理[2]和高性能光学探针(如长余辉、近红外二区、酶促放大探针)[15,16]以及新型成像方法(如免标记干涉散射显微术)[17]. 同时, 在空间转录组学[18]、临床蛋白质组学[19]、液体活检传感、手性测量与调控等方面进展迅速, 为疾病研究提供了新工具.

服务国家需求的应用研究能力稳步提升: 面向重大需求, 开展了针对性方法学研究. 例如, 针对新污染物筛查、电池安全监测、芯片制造缺陷检测等实际问题, 发展了系列新方法和原型装置, 体现了学科价值的延伸.

人才队伍与创新基地建设成效显著: 涌现出一批具有国际视野和创新活力的领军人才与青年才俊, 形成了若干特色鲜明、协作紧密的优势创新群体. 科研条件持续改善, 部分实验室的装备水平已与国际接轨.

然而, 与国际顶尖水平及国家战略需求相比, 我国化学测量学仍存在不容忽视的结构性短板.

学科交叉“融”而不“深”: 与AI、量子技术、先进制造等领域的交叉大多停留在表层合作, 缺乏从底层原理和人才培养层面进行深度融合的机制和平台, 制约了颠覆性创新的产生. “点”上突破显著, “面”上差距犹存: 我国在若干前沿“点”上已有突出成果, 但整体上, 引领性、颠覆性的测量原理和基础理论产出仍较少, 多数研究仍属于在已有框架内的精进与创新[20]. 高端仪器“空心化”问题依然严峻: 尽管在原理样机和核心方法上有创新(如小型化质谱、专用成像仪), 但高端通用分析仪器(如高分辨质谱、核磁共振波谱仪)的整机设计、工程化、产业化能力严重不足, 部分关键核心部件(如高性能质量分析器、超导磁体)存在较高的进口依赖度. 系统集成与工程化能力薄弱: 研究力量分散, 擅长发展单项技术, 但缺乏将硬件、软件、算法、标准集成起来, 形成面向特定复杂场景(如智慧实验室、工业在线监测站)的“交钥匙”系统解决方案的能力和经验[21].

综合国内外情况判断, 我国化学测量学正处于从“量的积累”转向“质的突破”、从“点的领先”迈向“系统能力提升”的关键跃迁期. 国际竞争前移, 已从单一技术竞争扩展到测量标准、数据平台乃至科研范式的竞争. 我们必须抓住新一轮科技革命和产业变革的机遇, 充分利用我国在应用场景、数据规模、人才储备等方面的优势, 以解决国家重大需求中的测量难题为突破口, 系统性补齐短板, 力争在“十五五”期间实现历史性跨越.

“十五五”期间, 化学测量学将紧密围绕“支持基础研究、坚持自由探索、发挥导向作用”的战略定位, 以“四个面向”为根本指引, 以提升原始创新能力为核心, 以深化对测量科学基本规律的认识为目标. 核心思路是: “以‘四个面向’为牵引, 以原始创新为核心, 以原理突破为先导, 以自主仪器为基石, 构建从源头创新到应用基础研究的全链条知识供给体系. ”

为此, 必须坚定不移地推动学科研究范式实现“三大战略性转变”.

(1) 从“跟踪改进”向“原理引领”转变: 加强对化学测量学根本性、原理性问题的研究. 鼓励科学家挑战测量精度、灵敏度与分辨率的理论极限, 探索基于量子效应、AI、合成生物学等新范式的新测量原理. 争取在单分子科学、时空分辨谱学、智能传感等前沿方向, 产生一批由中国学者定义的、具有国际影响力的概念、理论与方法学体系.

(2) 从“分散研究”向“体系化基础创新”转变: 针对高端科学仪器“空心化”的深层次问题, 将研究重点从单一性能指标的改进, 转向对仪器核心物理效应、化学机制、信息转换原理的深入挖掘与创新. 重点支持面向未来变革性仪器的核心传感器件、新型激发与探测机制、关键信号转换模型等基础研究, 为突破仪器技术瓶颈提供源头知识储备.

(3) 从“工具提供”向“问题驱动的基础研究”转变: 引导科研人员深度融入生命、材料、环境、能源等交叉领域的前沿科学探索, 从中凝练出“测不了、测不准、测不透”的根本性测量学问题. 发展为解决这些重大科学问题所特需的、具有通用潜力的原创性测量方法与技术, 使化学测量学成为催生重大科学发现的直接驱动力, 而非事后验证工具.

到2030年(“十五五”末期), 我国化学测量学的基础研究水平和原始创新能力得到大幅提升, 在若干重要方向实现从国际并跑到引领的跨越, 产出一批对世界科学发展有重要贡献的里程碑式成果, 培养一支具备国际视野和前沿攻坚能力的人才队伍, 为建成科技强国奠定坚实的测量科学基础.

具体设定以下四维目标.

(1) 原理突破目标: 旨在从根本上应对“认知极限的挑战”, 在测量科学的理论基础和前沿探索中取得显著进展. 力争在新型量子传感机制、极限时空分辨原理、单分子信息精准解码、AI驱动的测量新范式等方向取得3~5项具有国际广泛影响力的原创性突破, 牵头发展若干新的学科生长点.

(2) 方法源头创新目标: 为破解“技术自主的挑战”提供源头知识储备, 围绕高端仪器自主创新的核心基础需求, 在新型离子化与探测原理、超高灵敏与特异性识别机制、跨尺度关联测量方法学、仪器专用核心算法与软件等方面实现系统性突破. 支持研制一批体现新原理、新方法的高水平原理验证样机和核心功能模块, 其核心性能指标达到国际前沿水平, 为解决国家重大需求中的关键测量难题提供原创性手段.

(3) 重大科学问题支撑目标: 精准对接“四个面向”, 在生命过程动态分子图谱解析、能源材料表界面反应实时观测、脑化学连接网络测绘、环境中新污染物迁移转化示踪等5个以上交叉前沿领域, 形成一系列“从0到1”的标志性测量解决方案, 攻克至少10项长期制约相关领域发展的基础性测量瓶颈, 显著提升我国在相关科学领域的国际竞争力.

(4) 创新体系与人才目标: 培养和稳定支持一批具有战略眼光、能够提出并解决重大测量学基础问题的战略科学家和领军人才. 形成多个在国际上具有显著影响力的优势基础研究团队和交叉创新群体. 推动建设国际一流的化学测量基础研究中心, 深度参与全球测量科学治理与合作, 使我国成为全球化学测量基础研究的重要策源地.

基于前述背景、现状和趋势, “十五五”期间化学测量学学科领域整体发展将重点围绕如下细分领域进行系统布局(可划分为三大板块: 化学测量方法学内核; 重大需求导向的化学测量; 化学测量仪器与AI).

化学测量学方法学内核领域涵盖: 分离分析与组学、电分析化学、谱学方法与理论、化学与生物传感、化学成像.

该领域聚焦复杂样品体系或极端条件下的高效、精准分离, 创立新理论, 发展新型分离介质与多维分离模式, 构建从分子、分子聚集体到纳米颗粒、囊泡、细胞、活体等多尺度分离分析体系, 推进分离与高分辨检测技术联用, 攻克超复杂体系全组分分析挑战, 发展单细胞、单实体组学方法与理论, 揭示生命与材料异质性的化学基础.

“十四五”期间, 我国在新型分离介质和高效色谱柱填料研制、单细胞组学分析等方面取得系列进展, 蛋白质组学、代谢组学应用研究达国际先进水平[18,19]. 化学测量学人才队伍数量和质量持续提升, 一大批优秀青年人才脱颖而出, 后备人才梯队持续夯实, 国际合作在COVID-19疫情后持续恢复. 然而, 在分离分析新原理的源头创新、分离介质的理性设计、超高峰容量与高分辨多维分离系统的自主研制、微纳尺度分离分析、单细胞组学与空间组学、极端条件下的样品处理与分离分析技术等方面[22~24], 仍与国际领先水平存在差距, 高端色谱核心部件与软件依赖进口的问题尚未根本解决.

面向“十五五”乃至更长远的未来, 我国分离分析与组学领域必须立足国家科技自立自强战略全局, 主动引领两大范式变革: 一是推动研究模式从“经验驱动、试错优化”向“理论预测、模型设计”的底层逻辑转变; 二是推动技术体系从“宏观、批量、平均化”处理向“微纳尺度、单实体、精准化”操控与测量的维度跃迁. 为系统性弥补新原理探索、高端装备系统创制、极端样品分析等方面的差距, 着力破解核心部件与软件受制于人的“卡脖子”难题, 抢占未来科技制高点, 特规划以下重点发展方向.

突破传统机制, 探索基于量子效应、超分子识别及外场(光、电、磁、声)调控的新分离原理. 重点发展制备级、高通量、低损耗的新型分离模式, 如连续床色谱、场流分离的微型化与集成化技术, 旨在实现对异构体、生物大分子及纳米颗粒、囊泡/外泌体等目标物的极限分辨与高效回收.

融合量子化学计算、分子模拟与机器学习, 高通量预测分子-材料相互作用, 指导设计具有精确孔径与表面化学的纳米分离材料(如新型整体柱)及高选择性识别介质, 通过对分离介质几何形貌和表面性质的精准调控实现目标物的精准分离, 建立“计算预测-实验验证”的研发闭环, 为生物标志物挖掘、药物靶点发现提供关键工具.

针对极端复杂样品体系, 基于色谱、电泳或其他多种分离原理的结合, 发展超高峰容量分离系统及高分辨多维分离联用装置, 集成快速数据采集策略, 建立从“组群”轮廓快速筛查到“单体”结构精细解析的系统化流程, 以满足环境、生物医药等领域对超复杂体系高通量、全覆盖解析的迫切需求.

基于微/纳米尺度下独特的物理化学效应, 创立全新的微纳尺度分离理论体系. 发展高性能微流控分离芯片的设计、制造与多功能系统集成新方法, 构建兼具多元性、高精度、灵活性与智能化的芯片实验室平台. 融合AI与先进制造技术双向赋能, 推动以微流控芯片为基础的人体器官仿生、人机互联(脑机接口)取得关键技术突破, 研制超微量复杂样品的高通量、自动化分离分析系统, 为单实体分析、可穿戴监测设备、生物医学、环境现场监测提供技术支撑.

研发能对同一细胞内的核酸、蛋白质、代谢物等多维度信息进行原位、顺序提取与联合分析的微纳器件及算法. 重点突破单细胞动态代谢组的在线分离与实时表征, 服务于肿瘤异质性、免疫微环境等前沿基础研究, 在单个细胞尺度揭示生命活动动态规律.

发展基于新型成像与时空高分辨采样的空间组学技术, 研发多模态数据整合算法, 实现在单细胞/亚细胞水平精确关联分子表达与空间位置. 力争在空间组学原位检测技术上取得突破, 为实施重大疾病的空间多组学图谱计划提供关键技术支撑.

构建融合保留/迁移机理建模与机器学习优化的分离行为预测模型, 推进分离方法开发从经验驱动向模型驱动的根本转变. 发展高保真数字孪生模拟与实时自适应控制策略, 缩短复杂样品的方法建立周期, 提升方法在不同分离平台间的可迁移性与稳健性, 推动分离科学实现从“试错式筛选”到“可预测、可设计”的智能模式演进.

面向空间站科学试验、外星球生命探测、深海探测、极地科考等极端条件下科学研究对化学测量学的重大需求和挑战, 发展适配极端条件、应对复杂基质的分离分析体系及装置, 重点攻克在极端条件下自动化样品采集、维持样品稳定性、避免交叉污染或原位在线分析等关键技术.

该领域聚焦分子识别、电子传递界面构筑与电化学信息的深度挖掘, 发展电分析化学新理论与新方法; 突破单原子、单分子、单细胞、单颗粒和生命过程中电子转移与能量传导的极限分辨, 实现多尺度生命体系的动态测量; 推进谱学电化学与成像新技术发展, 突破高通量精准电化学测量和复杂体系原位电化学检测的技术挑战.

“十四五”期间, 我国在电化学发光、光电化学、纳米孔分析、活体电化学分析、电化学生物传感等方面取得系列进展[4,25], 在生命电分析化学领域形成特色优势. 通过将电化学与新型材料、微加工、机器学习等技术深度融合, 实现了生命过程中电化学信号的提取与时空分辨检测, 拓展了在能源、资源、环境、安全等战略领域的应用. 人才队伍不断壮大, 国际合作卓有成效. 然而, 在电分析新原理探索、多模态高深度成像平台构建、柔性可穿戴诊断装置创制[26]、极端复杂样品实时动态电化学检测方法等方面, 仍与国际领先水平存在差距, 高端仪器核心部件与软件依赖进口的问题依然突出.

“十五五”期间, 该领域将致力于电化学反应新体系、电化学分析新原理和传感新机制的探索, 推动电子转移过程的高分辨解析、精准电化学识别与单/亚细胞器尺度动态监测、高通量标志物分析与智能工况测量, 以及电化学传感器在特殊工况条件和“无人区”领域的应用延伸.

开发性能优异的纳米电化学发光体, 阐明纳米限域与界面电子转移规律, 发展高性能电化学发光成像技术, 实现电化学过程可视化与单分子电化学发光成像, 拓展至多标志物分析、亚细胞器动态监测及能源工况活性物种分析, 研制超分辨电化学发光成像装置.

开发新型光电活性材料, 探索微纳尺度电荷传递与能量转换过程, 突破高通量微型化器件集成关键技术, 研制高灵敏无线光电生物传感器、光电化学显微成像装置, 实现从单分子到临床样本的多尺度精准测量. 结合离子电子学、微流控等技术, 拓展光电化学在仿生电子器件、类脑计算与智能传感系统中的应用.

开发新型工程化纳米孔器件, 研制单细胞纳米孔探头, 突破纳米孔限域效应与单分子检测信息深度挖掘. 发展针对核酸、蛋白质、聚糖的直接纳米孔测序方法, 实现未知样品任意序列从头测定和翻译后修饰表征. 开拓纳米孔组学与临床检测应用, 创制纳米孔仪器.

开发高灵敏电化学响应与测序策略, 发展长时程活体智能电化学分析与多参数协同测量方法. 构建多物理场协同的集成化测量平台, 实现复杂生命信息的智能感知与脑机交互[27]. 攻克微型化多通道电极、高带宽低噪声微电流检测系统等关键技术, 系统绘制细胞间及单细胞尺度的动态演化图谱.

发展识别、编码、高时空分辨检测策略, 深化微纳限域电化学、单颗粒界面反应动力学等基础认识. 构建光、电、磁、力多物理场耦合的智能化集成测量平台. 开发可穿戴智能电化学传感新界面, 构筑与生物组织结构匹配、多通道集成的智能化传感器件, 用于生物标志物连续监测与人体健康智能医疗.

该领域旨在通过系统研究物质与各类探针(如光子、电子、离子、力)相互作用产生的信号(如能量/频率、质荷比、磁矩、热量), 发展用于物质组成、结构、相互作用及动态过程解析的新原理、新方法与新仪器. 它涵盖原子光谱、分子光谱、质谱、磁共振波谱、能谱、量热、化学力谱等具体技术方向, 并通过谱学信息解析这一共性内核, 实现对从微观原子、分子到宏观复杂体系的多尺度、高灵敏、定量化测量, 是连接基础物化现象与国家重大需求中测量难题的桥梁.

“十四五”期间, 我国谱学领域在多个方向取得了显著进展: 超快光谱进入飞秒至阿秒尺度, 空间分辨谱学发展到纳米乃至分子内单个化学键水平(如针尖增强拉曼[28]), 原位谱学在细胞、电化学、催化等在体、工况中的应用不断深化[29], AI在谱图解析与实验优化中崭露头角, 多谱学联用成为解决复杂体系问题的标准配置. 谱学的发展为深入理解能源转化、生命过程、材料性能等关键机制提供了强大工具, 其重要性日益凸显.

面向“十五五”, 谱学发展面临深刻挑战: 逼近物理极限时遭遇理论与技术双重瓶颈[30]; 复杂真实体系对测量的原位性、可靠性要求极高; 海量高维数据亟需智能、可解释的解码手段[31]; 核心部件依赖进口、软件与标准生态薄弱等问题制约自主创新能力.

因此, “十五五”期间应确立“更极限、更原位、更智能”的核心战略, 推动谱学从“参数竞赛”转向“认知突破”, 从“理想模型”转向“真实场景”. 规划实施四大路径: (1) 突破面向单分子、瞬态中间体等的极限测量理论与技术; (2) 发展适用于能源、生命、极端环境等真实场景的原位与在线谱学方法; (3) 构建标准化数据库与融合物理模型的下一代谱学AI, 实现从数据到发现的智能闭环; (4) 攻关关键核心部件, 研制自主高端仪器, 建设完善的标准与开源生态.

为实现上述目标, 需要围绕“方法学内核突破”与“国家重大需求牵引”的双轮驱动, “十五五”乃至未来十年聚焦以下重大问题与攻关方向.

致力于在时间维度挑战测量极限, 发展覆盖飞秒至阿秒尺度的超快光谱技术. 核心是攻克高重频、高稳定性的超快激光光源与高精度探测技术, 实现对光诱导电荷分离、能量传递、化学键断裂/形成等瞬态过程的直接捕捉与追踪, 从根本上揭示光化学、光电转换等超快反应的动力学机制与量子相干效应.

致力于在空间维度挑战测量极限, 发展纳米至原子尺度的空间分辨谱学成像技术. 重点突破针尖增强光谱、超分辨光学成像、高分辨质谱成像等方法的灵敏度和分辨率极限, 实现针对表界面、纳米结构、单颗粒乃至单分子化学信息的精准空间定位与成像, 为材料表界面、纳米催化及单细胞提供直观的化学图像.

旨在实现从系综平均到单事件统计的测量范式变革. 发展基于等离激元纳腔、量子传感的单分子光谱/质谱技术, 结合力学操控等多模态联用, 在单分子水平直接定量化学键强度、构象变化与相互作用能. 融合可解释机器学习, 从海量单事件数据中提取统计规律与物理模型, 实现从观测“相关”到推断“因果”的跨越.

推动谱学技术从受控模型体系走向复杂、动态的真实工业与自然环境. 发展适用于高温高压、强电场、多相流动等极端工况的原位谱学方法与专用仪器(如工况和频光谱、过程质谱)以及面向深海、太空等极端环境的在线监测系统. 核心是解决原位干扰设计、真实态保持等工程科学问题, 直接服务于能源化工、高端制造及环境安全监测.

聚焦生命复杂体系的化学本质解析, 发展无扰、定量、动态可视化的谱学解决方案. 融合活体核磁共振与超极化技术、高分辨质谱成像以及多模态(非线性)光学成像, 构建从亚细胞器到组织器官的多尺度、空间分辨分子图谱. 目标是实现活体代谢流动态跟踪与单细胞微环境的多组学定量分析, 为精准医学与生命科学前沿提供分子洞察.

构建驱动范式变革的“数字大脑”, 系统建设国家级、标准化谱图数据库与元数据规范, 研发融合物理化学知识的可解释AI算法, 用于智能解混与结构反演, 并打造支撑自动化实验与闭环优化的智能软件平台.

集中攻关高性能(超快)激光光源、极紫外光源、高分辨率低背景谱仪、高灵敏探测器、高场磁体等“卡脖子”核心部件, 开展模块化、智能化系统集成, 研制具有国际竞争力的商用谱仪整机, 筑牢自主创新的硬件基石.

总结而言, 以“极限探测能力”为前沿牵引, 以“真实场景应用”为需求落脚, 以“AI与数据”为赋能引擎, 以“自主仪器创制”为硬件支撑, 共同构建从原理突破、方法创新到仪器实现、应用示范的完整创新链条, 旨在牵领我国谱学理论与方法在“十五五”期间实现跨越式发展.

发展新型量子、光、电、磁、超声等传感原理与方法, 突破单分子、单细胞及单颗粒水平的测量极限, 实现关键生化指标的高灵敏、多参数解析; 发展活体长期兼容的传感界面、脑机接口与柔性传感新方法, 实现多指标、高通量精准测量; 打造自主智能创制平台与微纳化学机器人, 实现传感材料的高通量设计与自主执行, 为揭示生命活动本质、实现重大疾病早期预警与精准诊疗、保障产业安全提供变革性测量工具.

“十四五”期间, 我国在传感原理与方法(如DNA功能化传感界面、仿生膜通道、信号放大系统)、新型探针开发(近红外二区探针、核酸适体探针、基因编码探针)、单分子/单细胞分析、现场快速诊断、柔性传感等领域取得长足进展, 部分方向达到国际先进水平[32,33]. 可穿戴汗液、间质液传感与国外同步, 但面向脑机接口的光电化学传感、植入式柔性传感因微加工技术和多学科交叉不足仍处“跟跑”阶段[34,35]. 人才队伍持续壮大, 积累了一大批中青年科学家.

对标国际顶尖水平, 该领域仍面临双重挑战: 一是源头创新不足, 传感新原理和原创策略突破有限, 复杂体系精准解析能力有待提升; 二是关键技术自主可控性弱, 核心传感试剂与材料主要依赖进口, 制约基础研究和产业升级.

“十五五”期间, 该领域将致力于推动化学与生物传感从“单一指标静态检测”向“多维度动态解析”跨越, 从“实验室理想模型”向“真实场景智能感知”演进. 重点发展方向包括以下五个方面.

推动光、电、声、磁多模态技术与量子精密测量等新范式深度融合, 探索基于量子效应、超分子识别、外场调控的新机制, 发展超高灵敏度、超高时空分辨、高维信息同步获取的测量新方法.

针对复杂生物标志物超灵敏检测需求, 突破传统免疫分析和核酸扩增技术在动态范围、多重检测及活体应用中的瓶颈, 开发基于邻近连接、CRISPR等生物系统的可编程探针标记与信号放大新策略, 创制新型光电化学传感系统.

面向现场检测对快速、精准、微量化分析的核心需求, 发展基于新物理效应或生物识别机制的高灵敏度、高特异性传感新原理, 突破极微量复杂样本快速信号放大与抗干扰技术, 实现微型化传感芯片与便携式智能读出系统集成, 研发“样本入-结果出”的新一代现场快速传感系统.

面向人机交互与健康管理需求, 发展高保真信号获取的仿生材料与界面调控新机制, 突破高性能可拉伸导体/半导体材料、生物兼容封装与自供能技术, 自主创制高可靠仿生电子皮肤与医疗级居家柔性监测系统, 推动标准化与产业化进程.

面向神经信息解码与功能调控需求, 发展高时空分辨神经信号获取的光电磁协同响应新机制, 突破微弱神经化学信号实时精准解析的光电磁耦合放大与抗干扰算法, 攻克光电磁活性材料与神经组织生物相容性界面设计、神经刺激与信号检测一体化集成技术, 推动脑机接口化学传感的临床实际应用.

化学与生物传感领域的发展将为生命健康、公共安全及绿色化学等前沿科技与产业提供核心驱动力, 成为保障人民健康、提升国家科技竞争力的战略性力量.

化学成像的核心内涵是以复杂体系中物质成分、结构及相互作用的空间分布特征与动态演变规律为研究对象, 融合跨尺度、多模态成像技术构建可视化研究平台, 实现化学组分定性、定量、定位的时空动态表征. 该方向涵盖的技术体系广泛, 不仅包括光学、电化学、质谱、磁共振成像方法, 还涵盖大科学装置支撑的X射线成像、原位电镜成像以及基于量子理论的全新成像方法等. 化学成像不仅提供成分与含量的化学信息, 而且呈现直观的空间分布图像和时间动态演化, 为揭示生命过程与材料功能的化学基础提供了关键的技术支撑, 有力推动了化学科学从宏观均相体系向微观异质体系的开拓.

“十四五”期间, 我国化学成像领域在成像原理探索、成像试剂研发、成像仪器研制以及科学问题突破等多个维度均取得了令人瞩目的进展, 逐步建立起多模态融合、跨尺度观测、智能化分析的技术体系, 为生命科学探索、材料科学研究以及环境监测实践等关键领域提供了强有力的技术支撑. 在队伍建设上, 形成了一批以大科学装置为中心、重点实验室为依托, 覆盖化学、物理、生物、材料等多学科的研究团队, 青年人才储备丰富. 国际合作日益紧密, 深度参与大型国际合作项目, 在国际顶级学术组织和期刊任职人数增多, 学术影响力持续提升. 然而, 国内化学成像领域与国际先进水平仍存在一定差距, 主要表现三个方面. 一是在研究内容方面, 聚焦方法优化和应用拓展的研究较多, 提出化学成像新原理和持之以恒解决科学问题的研究相对较少; 二是在研究工具方面, 在现有设备和部件上进行功能优化和集成创新的多, 重大科技基础设施和关键核心部件的自主创新和产业转化才刚刚起步; 三是在人才队伍和团队建设方面, 贯通“原理-仪器-应用-信息学”的复合型人才培养路径和多学科交叉融合创新的学术氛围和制度保障有待进一步加强.

“十五五”期间, 本领域将致力于推动化学成像从“静态、孤立、宏观”向“动态、关联、极限”转变, 科研范式正在经历从数据获取到机制理解与预测的跃升. 其研究范畴已覆盖从原子、分子到细胞、器官乃至个体的全尺度成像, 并呈现出显著的跨尺度、多模态融合特征. 在研究范式上, 化学成像正步入“密集数据+AI”的范式. 本领域的重点发展方向可归纳为以下七个方面.

该方向不仅致力于突破传统成像技术的物理极限, 更注重在时空动态维度上捕捉与解析分子识别和化学反应的全过程, 从而实现化学信息的动态可视化. 新兴成像机制如量子精密测量、太赫兹成像及电子能量损失谱成像进一步拓展了成像维度. 如何将这些成像原理与仪器创新结合. 例如, 将超快激光与超分辨结合实现超快过程的纳米级动态捕捉, 推动自主开发仪器向紧凑化、高通量、智能化方向发展, 是化学成像技术领域的一个重要发展方向.

该方向致力于依托量子力学原理与量子技术革新成像模式, 挖掘量子纠缠、量子相干等量子效应在化学成像中的新机制; 开发基于量子点、金刚石氮-空位色心等量子体系的增强型探测器件; 探索量子成像技术在生物分子结构解析、化学反应动态追踪等领域的应用; 研究量子噪声抑制与信号增强方法, 突破量子化学成像技术瓶颈, 为微观化学世界的高精度探测提供新途径.

表界面成像聚焦微观层面界面化学反应动态过程的精准表征, 是解决化学、材料等领域诸多核心科学问题的关键. 该方向以“在微观层面测量界面现象”这一国际前沿科学问题为导向, 发展超高时空分辨的表面表征方法, 实现表界面单分子、原子级分辨成像. 通过原位甚至工况条件下的动态成像方法, 实时监测表界面在复杂环境下的演变过程, 为催化材料设计、能源转换器件优化提供直接的微观证据.

该方向针对元素与分子的特征光谱、质谱指纹, 优化检测技术与数据分析方法, 提升定性定量准确性. 在元素成像方面, 聚焦痕量重金属、稀缺元素在环境样品、生物组织中的分布表征; 在分子成像方面, 突破大分子、代谢物等的原位分析难题, 如利用质谱成像技术解析组织中药物成分的空间分布. 通过开发高特异性分子识别探针与高灵敏度检测系统, 实现复杂基质中目标元素与分子的精准成像, 为环境监测、药物研发等领域提供核心技术支撑.

该方向以细胞亚结构分析与重大疾病早期诊断为导向, 发展高时空分辨、无创的成像技术, 是连接基础研究与临床应用的关键桥梁. 当前核心挑战在于提升穿透深度、时空分辨率与化学特异性的平衡, 亟需开发亮度高、生物相容性佳的深部组织成像探针, 发展新型内窥成像技术与自适应光学以实现活体深部器官的高清化学成像, 提高磁共振、X射线成像的时空分辨率和化学选择性, 推动多模态临床前成像设备的发展, 为精准医疗提供更丰富的化学信息维度.

该方向通过非线性耦合多种互补技术, 获得分子结构、电子特征、时空分布甚至更高维度的多模态信息. 将微观、介观到宏观, 飞秒、皮秒到毫秒的化学、物理信息进行精准对接, 构建“结构-成分-性质-动态”的全息化学图像. 在此基础上, 推进硬件层面的深度集成, 发展如光电联用、质谱-光学联用、扫描探针-谱学联用等一体化多模态成像平台, 解决信号串扰、时空同步等难题, 并发展基于AI的图像配准、分割和融合算法, 自动从多模态数据中提取关联特征, 建立从埃米级到米级、从飞秒到小时的跨尺度样品定位、信息关联与融合方法.

发展高速动态成像技术, 如每秒百万条光谱采集速率的拉曼成像系统, 实现活体生物代谢过程的实时可视化追踪. 构建基于先进机器学习方法的数据分析模型, 解决海量成像数据的智能化快速分割、特征提取与精准识别问题, 提升分析效率与准确性. 建立数据质量评估与标准化体系, 推动成像数据的共享与复用, 为成像技术的临床转化与产业化应用提供保障.

聚焦全周期、多维度健康维护, 为个体疾病预防、诊断与疗效评估等提供化学测量新方法、新工具. 发展生命组学、高通量检测与成像、靶向药物筛选、疾病精准诊断、大数据与AI等先进技术, 推动临床医学从“经验判断”向“科学循证”、“被动治疗”向“主动预防”、“群体普适”向“个体精准”的根本转变.

“十四五”期间, 我国化学测量学紧密围绕生命健康国家战略需求, 在肿瘤液体活检、单细胞多组学分析、多模态成像等方面取得了重要进展[18], 为强化公共卫生能力[36], 防控重大传染病, 精准诊断疾病做出了重大的贡献. 通过国家自然科学基金委项目的持续支持, 凝聚和培养了一批精通化学、材料学、生物学、医学以及信息科学的复合型青年科学家和团队, 成为技术创新的核心力量. 我国科学家积极主导或参与国际蛋白质组学、时空组学、脑图谱等大科学计划, 在标准制定、数据共享和技术研发中贡献了中国智慧. 然而, 在面向生命健康与精准医学的化学测量学技术与应用方面, 仍与国际领先水平存在差距. 原位动态与活体测量技术存在灵敏度与稳定性不足的瓶颈问题, 对低丰度、瞬态生命过程(如神经递质动态、蛋白构象瞬时变化、翻译后修饰动态)的实时、在体、定量测量仍面临巨大挑战. 新兴的单细胞组学、修饰组学、空间组学、液体活检等技术, 在样本前处理、数据分析、结果报告、数据库构建等方面缺乏行业共识、国家标准和计量溯源体系, 影响数据的可比性与可靠性. 化学测量产生的海量多组学、时空动态数据, 与临床影像、病理、电子病历等多模态信息的深度融合与智能解析仍处于初级阶段, 缺乏有效的整合模型与可解释的AI算法. 许多高性能技术(如高端质谱成像、阿秒激光手性检测、近红外二区成像)仍停留在实验室阶段, 受限于设备成本高、操作复杂、缺乏标准化流程和大型临床验证, 难以规模化普及. 高端诊断试剂与仪器系统等仍严重依赖进口, 存在供应链风险并推高了临床应用成本.

“十五五”期间, 生命健康与精准医学导向的化学测量学将致力于从经验判断向系统定量分析转变, 从离体终点检测向原位动态监测升级, 从单一技术向多技术融合演进. 重点发展方向将聚焦覆盖“靶点发现、药物筛选、精准诊断、疗效评估、疾病预防与复发预警”的全周期化学测量体系.

结合基因组学、蛋白质组学、代谢组学与AI等技术, 筛选高敏感和高特异性的重大疾病标志物, 建立靶点-配体相互作用的原位动态测量体系, 揭示功能蛋白质等靶标的翻译后修饰动态与互作时空网络, 提升靶点筛选的准确性与可信度.

通过创新微流控器官芯片与3D生物打印模型, 以器官芯片/类器官逐步取代传统二维培养, 提供更贴近人体的药效与毒性评估平台, 实现高通量、低成本、快速体外药物筛选.

针对纳米药物、抗体偶联药物、核酸药物等新型药物, 发展其体内分布、释放动力学与靶向作用的定量成像与分析方法, 建立“药物暴露-作用机制-疗效”的定量评价体系.

围绕癌症、神经退行性疾病、心血管疾病、病原感染等重大疾病早期诊断需求, 发展基于单分子检测、超分辨成像、高灵敏质谱成像等新原理、新方法, 揭示疾病微环境中关键分子的空间异质性与时空动态演变规律.

通过微纳流控创新集成, 发展可穿戴式监测平台, 高灵敏度、高特异性、便携、无创、实时监测标志物分子变化; 融合AI技术, 发展AI智能辅助诊断终端, 构建多维度的疾病诊断模型; 为癌症、神经退行性疾病、心血管疾病、传染性疾病等重大疾病提供早期、精准、无创的诊断方案, 助力个性化医疗的发展.

发展多组学测量新原理, 突破技术复杂度、成本与标准化瓶颈; 研制具有自主知识产权的国产多组学仪器系统, 摆脱进口依赖, 推动规模化普及; 开发临床级操作流程与解读体系, 支持多细胞复杂体系时空异质性与微环境细胞互作的精准解析, 推动单细胞与空间多组学测量技术的临床应用与转化.

开发高特异性、高安全性的分子探针, 发展高性能光学、核磁、超声等高性能成像系统, 构建术中病理实时动态评估新范式, 实现重大疾病的病理在体快速诊断.

研发可植入/可穿戴的高精度、连续分子监测设备, 结合光学成像与液体活检的临床诊断信息, 构建信号采集、智能处理、精准刺激的闭环诊疗系统, 实现对疾病进展与治疗反应的动态追踪与干预. 推动神经调控、光学成像等技术向“材料-化学-生物-电生理”多维协同模式演进.

深度融合多维组学、电子病历、影像图谱与实时监测数据, 构建覆盖“样本-数据-知识-决策”的全链条智能系统, 生成可解释、可执行的个体化健康干预方案, 实现AI驱动的全流程整合决策.

化学测量学能在分子水平对生命体系进行定性、定量、定时、定位和定构研究, 已成为连接基础化学与生命健康、精准医学的关键桥梁, 将推动生命健康与精准医学向更高程度的定量化、动态化、智能化方向发展. “十五五”期间, 面向生命健康和精准医学的化学测量学将进一步丰富学术评价体系, 聚焦测量原理、方法及仪器创新, 突破技术瓶颈; 促进化学与生物、材料、AI及医学融合, 构建更完整的化学测量学体系; 加大青年人才培养力度, 通过项目资助提升国际引领人才储备与实力; 面向生命健康国家重大需求, 提升精准医学可及性, 服务国家战略.

本领域聚焦于利用化学测量学、材料科学、微电子技术、AI及多学科交叉融合, 对影响资源环境可持续性及公共安全的关键要素进行高精度、高通量、智能化、实时化的监测、分析与预警. 其核心在于通过多维度的原位传感、效应与风险导向分析、智能数据驱动技术, 解决污染物的精确定量与溯源、新污染物治理、公共卫生风险的早期预警与防控、食品安全保障, 以及爆炸物、放射性核素等高风险物质的快速识别与应急响应难题, 最终实现对国家环境、健康与公共安全重大战略需求的支撑.

“十四五”期间, 我国在环境分析化学、公共卫生检测、食品分析以及气体传感与智能感知等领域均取得了显著进展, 尤其是在大气细颗粒物治理、新冠疫情精准防控、食品农兽药快检以及微机电系统(MEMS)气体传感器应用等方面[37]. 然而, 核心技术“卡脖子”问题、原始创新能力不足、研究成果转化滞后、数据标准不统一及高端装备依赖进口等挑战依然突出.

“十五五”时期, 将是本领域实现技术体系系统性突破, 从“跟跑并跑”迈向“局部领跑”甚至“全面引领”的关键阶段. 核心目标在于: 提升原位、在线、现场快速、长期稳定分析能力; 推动公共卫生检测从被动防御到主动防控; 实现食品安全监测的全链条覆盖与“大食物观”响应; 将气体传感器从“单一检测”升级为“智能感知系统”; 在高风险物质的快速识别与应急响应方面取得重大进展. 同时, 将深化AI与大数据技术应用, 构建集数据采集、分析、预警、决策支持于一体的智能管控平台, 并着力突破核心材料、高端装备的国产化瓶颈, 构建自主可控的产业生态. 本领域重点发展方向包括以下十个方面.

聚焦新污染物、环境自由基、放射性核素、爆炸物等高风险物质, 突破传统检测局限, 发展高灵敏、高选择性、原位在线的多维联用分析方法. 通过单颗粒电感耦合等离子体质谱(SP-ICP-MS)、激光剥蚀-质谱成像等技术, 实现复杂介质中微量组分的高通量、高维度、高精度信息获取, 推动分析技术向“更快、更稳、更深”演进, 支撑极端场景下的快速精准识别与安全预警.

创新提出“从效应出发-定位活性馏分-化学定因”的全新分析范式, 融合化学测量与毒理学评估, 系统揭示关键毒性组分及其作用机制[38]. 重点攻克环境自由基、氧化应激产物等活性中间体的全链条原位动态监测难题, 构建“暴露-反应-风险”闭环模型, 为化学品风险评估与健康防护提供科学依据.

发展可穿戴、微型化、低功耗的原位传感装置, 实现实时、在线、个性化的人体内外暴露动态评估[39]. 结合环境暴露与生理响应数据, 建立多源数据融合的暴露表征体系, 服务于职业健康、环境流行病学研究和精准干预策略制定.

深度融合机器学习、深度学习与大语言模型技术, 构建智能化数据分析平台[40]. 在污染溯源、毒性预测、暴露-健康关联建模、风险情景模拟等方面实现算法突破, 显著提升对未知污染物、复杂混合物及突发性事件的快速响应与趋势预判能力, 推动学科从“被动检测”向“主动预警”转型.

研发具有高选择性的纳米功能化分离材料, 建立超痕量放射性核素(如Cs-137、I-131、Pu同位素)的高效富集与高灵敏检测技术; 系统研究其在水、土壤、大气等多介质中的迁移转化规律, 构建“浓度-暴露-风险”一体化评估模型, 形成覆盖监测、预警、决策支持的全流程应急响应技术体系.

发展分子印迹聚合物、金属有机框架材料等靶向识别介质, 构建多维分离-检测一体化技术平台. 结合深度学习算法与时空数据分析, 构建动态、自适应的智能预警系统, 大幅提升复杂环境下爆炸物、化学战剂等高危物质的识别准确率与溯源能力, 强化公共安全防御能力.

以化学测量学为基础, 推动传染病(含未知病原体)早期发现与精准溯源. 重点突破免提取核酸快检、超灵敏蛋白单分子检测、抗变异抗体分析等关键技术, 开发低成本、便携式现场检测设备, 构建集样本采集、数据传输、智能预警于一体的数智化公共卫生响应平台[41].

发展多组学标志物发现与筛选体系, 挖掘血液、唾液、尿液等无创体液中的疾病早期信号. 推动居家、可穿戴式连续监测设备研发, 建立个体化健康指标谱系, 实现慢病的动态评估、远程干预与个性化健康管理, 提升全民健康水平[34].

构建“源头-生产-流通-消费”全链条质量控制体系, 集成遥感监测、免预增菌微生物即时检测、便携质谱筛查等技术, 结合AI风险预警模型, 实现全过程可视化与智能化管理. 拓展至合成食品、功能性食品等领域, 发展类器官与AI介导的安全性评估体系, 建立未来食品制造的关键指标原位在线监测工具.

推动气体传感技术从“单一检测”迈向“智能感知系统”. 突破先进气敏材料设计、晶圆级微纳制造、柔性电子封装等关键技术, 研发“感存算一体”智能硬件架构与仿生电子鼻系统. 在呼出气疾病诊断、分布式环境监测网络、化学/生物战剂侦检、航天舱内气体监控等关键场景实现规模化示范应用, 打造具有自主知识产权的核心感知装备体系.

为支撑资源环境与公共安全分析领域的发展, 将建设一支涵盖化学测量学、材料科学、毒理学、环境科学、公共卫生、食品科学、微电子学、AI、核化学、安全工程等多学科交叉融合的高水平人才队伍. 同时, 积极参与国际组织活动与标准制定, 与国际领先机构在新型污染物监测、生物效应评估、病原体溯源、健康监测、食品安全、高端传感器件、智能制造等领域深化联合研究与技术交流, 引进国际优秀人才, 共同应对全球性挑战, 从而全面提升我国在环境污染识别、健康效应评估、公共安全防控、食品安全保障及智能感知预警等方面的能力, 为国家战略实施提供关键支撑.

能源材料与极端过程化学测量聚焦新材料创制与能源器件等在真实工况下动态过程的实时、原位、跨尺度测量以及面向深空、深海、深地、极地等极端环境的化学测量, 突破传统离线表征的局限, 发展从原子/分子尺度到器件/系统层面的原位/工况测量新原理、新方法与新仪器, 实现从新物质创制、器件集成到系统服役、回收全生命周期内多尺度结构演变的实时解析, 发展适用于极端环境的高耐受、高可靠、便携化、智能化的化学测量技术与仪器, 揭示材料在真实环境以及极端条件下的“结构-性质-性能”动态关联, 为实现能源材料理性设计、提升器件效能与可靠性提供关键测量学支撑, 服务国家能源安全与“双碳”目标.

“十四五”期间, 我国在化学测量学与材料、能源交叉领域取得了显著进展: 原位测量与解析平台逐步完善, 基于大科学装置的先进测量仪器与方法为能源材料动态研究提供了有力工具; 在传统化石能源、可再生能源、氢能、电池、催化、光伏等体系的原位/工况测量方法上积累了重要经验; 部分原创仪器研制取得突破; 青年人才队伍不断壮大, 国际影响力显著增强. 然而, 与国际领先水平相比, 我国在多模态工况测量平台、极端环境下高时空分辨测量能力、复杂动态数据智能解析, 以及核心仪器部件自主化等方面仍存在一定差距. 面向国家能源转型与材料创新的重大需求, “十五五”期间需推动化学测量从“静态离线”向“动态工况”、从“单一参数”向“多场耦合”、从“经验解析”向“数据驱动”的范式转变. 重点发展方向包括以下六个方面.

将工况测量前移至材料设计与合成阶段, 利用在线谱学、显微成像等技术, 实时监测材料合成反应路径、中间体、成核生长及缺陷产生的全生命周期过程, 实现合成工艺的精准调控. 同时, 在模拟或真实工况下, 揭示材料(特别是纳米材料、低维材料、多孔材料等)的原子/电子结构、表界面性质、相变行为与宏观性能之间的动态定量关系.

针对新能源转换、存储与利用系统(如氢能、二次电池、光伏器件等)在实际运行中的复杂工况条件, 发展高时空分辨率、高灵敏度、高稳定性的原位/工况测量技术. 重点研究在实际器件与真实服役条件下, 材料表界面结构、电子态、中间产物及反应路径的动态演化规律. 研制适用于电芯、模组及系统级别的在线测量与传感方法/设备及可视化诊断平台, 实现对能源材料与器件“结构-性能-寿命”关系的实时解析与早期失效预警, 支撑高性能、长寿命能源系统的设计与优化[42].

面向国家深空探测、深海开发、深地勘探、极地科考等重大战略任务, 发展适用于极端环境条件的高耐受、高可靠、便携化、智能化的化学测量技术与仪器. 重点突破在微重力、高真空、强辐射、超高压、极低温、高盐度、高腐蚀性等单因素或多因素耦合极端环境下的物质成分分析、结构表征与过程监测难题. 研制适用于太空在轨实验、深海长期驻留、深地原位探测、极地无人值守等场景的小型化、低功耗、自主运行的原位分析仪器与传感系统, 实现对外星物质、深海流体、地壳组分、极区环境等的实时、在线、多参数化学测量, 为科学研究、资源勘探与环境监测提供关键技术支持.

整合电子显微、光谱、能谱、质谱、核磁等多种测量手段, 构建从微观尺度到宏观尺度的多模态联用平台. 发展跨尺度成像与数据融合方法, 实现固-液、固-气、固-液-气、固-固等多相界面反应过程的动态追踪与定量解析, 揭示能源材料/器件在真实服役状态下的非平衡过程与失效机制.

构建面向能源材料的多维度、标准化数据库, 涵盖结构、谱学、图像与性能数据. 发展基于机器学习的多模态数据解析模型, 实现复杂动态过程的高通量解析、关键特征提取与性能预测. 推动“测量-解析-调控-设计”的研究范式转型, 支撑新材料/器件的理性设计、高效筛选与定向优化[43].

围绕化石能源清洁利用、可再生能源高效转化、规模化储能等国家重大需求, 开展关键材料、器件与系统的标准化测量方法研究. 推动工况测量数据可比性与可重复性提升, 构建开放共享的能源化学测量数据库与评价体系, 为我国能源科技自主创新提供基础性支撑.

“十五五”期间, 进一步加强跨学科人才培养与团队建设, 鼓励化学、材料、物理、信息、工程等多学科背景的青年学者投身测量仪器创新与方法学研究. 依托国家重大科技基础设施、重点实验室等平台, 形成若干具有国际影响力的研究群体. 在国际合作方面, 积极参与和发起国际大科学计划, 在工况测量标准、数据共享、仪器比对、深空深海探测数据共享等方面深化合作, 提升我国在能源化学测量领域的国际话语权与引领能力.

面向生命健康、能源环境、先进制造等科学前沿与国家重大需求中的化学测量挑战, 聚焦于新原理光/波谱、电化学、质谱、色谱、显微成像等关键仪器与核心部件的自主创新, 系统提升化学测量的灵敏度、精确度以及时空、能量与组分分辨能力和分析通量, 为相关领域新质生产力发展提供关键支撑. 同时, 充分发挥同步辐射、自由电子激光等大科学装置的平台优势, 突破现有化学测量的技术瓶颈, 引领变革性高端分析仪器创制.

“十四五”期间, 我国在先进化学测量仪器自主创制与大科学装置应用领域取得了一系列重要进展. 光谱测量方面, 高灵敏度、高选择性测量技术持续突破, 表面增强拉曼、腔增强吸收、单分子荧光等新方法不断涌现[44]. 高分辨显微领域, 超分辨荧光显微、多光子显微、光学相干断层成像等技术逐步成熟. 磁共振波谱与成像方面, 高场核磁共振关键部件、高均匀度磁体与梯度系统、宽带探头及多核谱学方法取得显著进展, 多维谱学解析和固/液多相复杂体系的核磁测量能力明显提升[45]. 质谱仪器方面, 紫外激光解离质谱、单细胞成像质谱、离子淌度-质谱联用系统以及轨道阱、飞行时间等高分辨质量分析器取得长足发展, 关键离子源、检测器、真空系统和高速采集电子学逐步实现国产替代. 国产高效液相色谱、离子色谱和气相色谱系统在压力承载、流量稳定性、自动化控制和在线联用等性能指标上显著提升. 电化学测量仪器方面, 电化学传感技术、微电极阵列制备、电化学阻抗谱仪等方向取得重要进展, 部分便携式检测设备已实现产业化应用. AI赋能的自动化与无人化方面, 推出机器人AI化学家, 由基于分层级大语言模型的多智能体系统ChemAgents提供支持, 能够在最少的人工干预下执行复杂的多步骤实验, 展示了按需自主化学研究的潜力[46]. 与此同时, 依托大科学装置的化学测量应用持续深化. 基于第四代同步辐射、自由电子激光等先进光源的高分辨、免标记完整组织器官、细胞和生物分子成像和组成结构解析等方面取得系列进展; X射线CT、相衬成像及能谱分辨探测等技术在医学诊断、航空工业和能源材料表征等领域实现一定规模化应用, 并在部分关键部件和成像仪器自主研制方面取得重要突破; 基于极紫外自由电子激光的新原理光电离与光解离技术, 在生物分子高灵敏度测量和结构解析方面展现出突出潜力[47].

在上述进展支撑下, 我国先进化学测量仪器领域的人才队伍建设不断加强, 创新生态持续优化, 逐步形成覆盖基础研究、仪器原理设计、核心部件研制、系统集成与工程化、应用示范与标准制定等环节的复合型人才体系. 依托全国重点实验室、大科学装置和国家科技基础条件平台, 多层次开放共享机制进一步完善, 国际合作渠道不断拓展, 与欧、美、日等国家和地区以及“一带一路”共建国家在联合研发、联合实验室建设和人才培养等方面均取得实质性进展.

然而, 我国在该领域整体发展中仍面临若干突出短板与挑战. 一是新原理仪器创制相对不足, 基于量子增强测量、极端非线性效应和超快多维成像等原创概念的变革性科学仪器数量有限, 在若干关键前沿方向尚未形成具有国际主导力和自主知识产权的技术体系; 二是高端仪器与核心部件对外依存度较高, 组学分析质谱、高场磁共振波谱和超高效液相色谱等高端仪器仍依赖进口, Top-Down蛋白质组学质谱面临技术封锁和出口禁运, 高端质量分析器、高场超导磁体、高性能探测器和高速高精度电子学等关键部件仍存在明显“卡脖子”风险; 三是国产化学测量仪器整体目前仍主要集中于中低端市场, 在长期稳定性、系统集成度、软件智能化水平和用户体验等方面与国际顶尖产品存在差距, 高端市场占有率偏低; 四是仪器自动化与智能化不足, AI模型与仪器控制/执行系统耦合不深, 难以形成稳定可复现的闭环自主实验, 高质量数据、标准与知识库不足, 算法可解释、可迁移与可靠性评估薄弱; 五是大科学装置对化学测量的支撑和牵引作用尚未充分释放, 在同步辐射、自由电子激光和极紫外等大科学装置平台中, 面向化学测量的专用实验终端布局不足, 联用仪器集成以及多模态、多尺度协同表征能力有待提升, 大科学装置对新原理测量方法开发与变革性仪器创制的牵引效应亟待加强.

“十五五”期间, 该领域将坚持“需求牵引、原理创新、系统集成、自主可控”的总体发展思路, 推动我国先进化学测量仪器体系整体跃升, 构建从基础原理、核心器件、整机系统到标定溯源和应用示范的全链条创新生态, 实现部分高端科学仪器由国产替代向技术引领的跨越, 形成一批具有国际引领力的原始创新成果和标志性仪器产品.

重点发展方向包括以下四个方面.

围绕前沿科学问题和国家重大需求, 发展基于量子精密测量、超快超分辨成像、单分子与单颗粒分析以及原位工况场景多维联用的新型仪器架构, 实现时空、能量与组分等多维度极限测量能力, 突破现有化学测量的分辨率、灵敏度和通量极限.

针对光谱、磁共振波谱、电化学、质谱、色谱、显微成像等方向, 重点突破高场超导磁体、高稳定光源与光学子系统、高空间分辨聚焦离子束源、高性能检测器、超高真空与离子光学系统、桌面极紫外激光器、高效解离串联质谱系统、亚微米级超高效色谱填料、放射性核药色谱分离系统、精密流体与温控系统、低噪声电子学与控制系统等关键核心部件, 形成标准化、可重构的模块化组件与通用平台, 构筑安全可控的仪器产业供应链与创新生态.

重点发展基于先进X射线光源的多模态联用多尺度、高分辨成像装置, 建立多模态成像数据标准化处理平台, 整合X射线谱学(吸收、荧光)、X射线衍射、拉曼光谱、质谱数据, 解析纳米颗粒、生物分子在复杂生物环境中的时空状态演化. 跨尺度同步辐射生物成像需从极限性能、多尺度联用、原位动态与智能化四方面协同突破, 优先解决探测器-光学元件-算法的系统性瓶颈. 发展基于极紫外自由电子激光的生物分子光解离Top-Down质谱和光电离质谱成像系统, 推动大科学装置牵引下的新原理、小型化和通用化学测量仪器创制.

深度融合机器人、物联网、AI和大数据分析, 推进样品制备、实验流程、状态监测、标定校准、故障诊断与结果解析的全流程自动化与智能化, 发展自适应测量、自优化参数整定、智能方法推荐与知识驱动的数据分析能力, 实现仪器从“被动操作”向“主动感知、自主决策”转变, 显著提升测量效率、数据质量和用户体验. 该领域的发展将显著提升我国在生物医药、能源转化、环境毒理、精准医学等领域核心化学过程的分析测量能力, 为能源化学品生产、新生物标志物发现、污染物生态毒理效应评估和生命过程机制阐释等提供关键的化学测量学仪器与技术支撑.

通过AI与化学测量学的深度融合, 推动研究范式从传统理论模型驱动向“数据-知识”双驱动智能推理的跨越. 核心是发展以“感算一体”为标志的测量新原理、以多模态大模型为核心的解析新方法以及以自主智能体为目标的系统新形态, 实现化学测量从信息获取、解析到决策的全链条智能化, 为物质科学、生命健康、环境安全等领域的突破提供颠覆性测量手段和数据解析方法.

“十四五”期间, AI全方位重塑化学测量学. 在数据解析层面, 深度学习显著提升了复杂信号处理能力, 针对红外、拉曼、质谱、色谱等分析方法的智能解析技术不断丰富, 已从传统化学计量学迈向以深度学习为主的范式[48]. 通过联合测量数据、结构及性质等多源信息, 构建统一化学表征空间, 实现从信号到结构、从结构到性质的协同解析成为可能[49,50].

在成像与组学领域, AI在高光谱成像、医学多模态成像、动态成像分析中得到成功应用[51], 图神经网络、Transformer等模型显著提升了空间组学数据覆盖度与结构鉴定准确性[52]. 碎裂质谱图预测和分子结构鉴定的智能解析策略不断突破, 初步实现谱图-结构相互转换.

新硬件形态初现雏形, “感算一体”芯片、计算光谱仪等不断涌现, 推动智能化向测量前端延伸[53,54]. 面向化学测量的数据库与知识库建设受到高度重视, 大语言模型在光谱分析中开始应用, 多模态大模型初步实现谱图、结构、文本的统一表征. 自动化平台与专业智能体展现出自主科研潜力, AI技术已深入渗透化学测量各环节、各类方法及应用场景, 研究队伍迅速壮大.

然而, 我国在该交叉领域仍面临着严峻挑战. 一是“有算法, 缺核心”, 原创性基础算法与自主软件生态薄弱; 二是“有数据, 缺标准”, 高质量、标准化数据资源分散, 缺乏统一的表征与交互标准; 三是“有硬件, 缺集成”, 高端智能仪器自主研发能力不足, 传感、计算与决策环节尚未形成有机整体; 四是“有智能, 缺可信”, AI模型的科学一致性、可解释性与不确定性量化能力亟待加强; 五是“有人数, 缺组织”, 从事相关研究的人员非常多, 分散在化学测量学的各个领域, 亟需统一规划和部署. AI研究在化学测量学领域的系统布局是突破测量瓶颈、赢得未来竞争的关键.

本领域的总体目标是: 构建以AI为核心驱动的新一代化学测量学理论与技术体系. 通过“感算一体”测量仪器、多模态智能解析、化学测量学AI算法、数据库与知识库及自主学习与决策等方向的系统性创新, 形成“智能感知-精准解析-自主决策”的完整能力链, 研制一批标志性智能科学仪器与软件平台, 以AI技术的理念和思路解决复杂体系原位、实时、高通量测量的核心难题, 使我国在该领域进入国际前列.

为达成上述目标, 建议本领域围绕AI算法及应用、多模态智能传感与“感算一体”分析仪器、数据库与知识库、智能体与自主决策系统开展研究工作. “十五五”期间聚焦以下六个研究方向进行攻关.

发展面向复杂多模态化学测量数据解析的专用模型架构, 如卷积神经网络、图神经网络、Transformer变体以及多分支、多功能网络, 联合测量数据、结构及性质等多源数据, 构建统一的化学表征空间, 实现从测量数据到结构、从结构到性质与功能等的协同解析, 揭示化学测量数据与物质组成、分子结构、功能或性能等之间的深层关联.

针对化学测量数据的特点, 发展化学人工智能(ChemAI)算法. 重点研究基于化学测量数据和知识的AI大模型, 探索将物理化学第一性原理作为约束的嵌入式模型, 构建新一代具有固有科学一致性与可解释性的化学基础模型. 将大语言模型(LLM)等AI工具引入到化学测量数据分析, 通过大语言模型的微调或重建实现测量数据-文本-结构的统一表征和跨模态推理, 执行谱图解析、谱图解释、分子生成等任务.

针对高光谱成像、多模态成像、超快动力学、空间组学等数据的重建与建模问题, 开展用于海量、高维、多模态数据解析的AI解析方法. 发展化学多模态大模型, 将光谱、质谱、图像、文本等信息映射到共享表征空间, 实现跨模态的深度关联与协同推理, 建立从“数据”直接到结构、性质、功能的一体化智能解析新流程.

将AI技术融入现代分析仪器, 发展AI驱动的多模态智能传感与数据解析技术. 发展基于“编码-解码”和光学计算的“感算一体”原理与技术, 在数据源头完成谱图重构、特征提取、判别分析与决策. 重点研究内容包括编码新原理、解码新算法、解码专用计算芯片、光学计算原理与芯片设计等.

建立覆盖光谱、色谱、质谱、成像等主要测量数据的化学测量多模态基准数据集, 整合实验、计算与文献数据, 构建化学测量多模态数据库、知识库和知识图谱, 形成机器可理解、可推理的化学知识体系, 为AI模型训练与知识发现提供高质量数据资源.

以构建高度自主的科研体系为远景, 研发化学测量智能体. 重点研究内容包括基于基础大模型的专业大模型、基于多模态感知的专业智能体、自主强化学习算法、具身智能体(智能分析仪器)的设计与实现. 探索自主学习、主动优化、自主决策等策略与方法, 为建设“感知-决策-执行”一体化自主化学实验智能平台奠定基础.

单分子化学识别与动态追踪; 单细胞原位化学物质全谱测绘; 亚纳米尺度表界面化学识别与成像; 飞秒时间分辨的化学动态过程捕捉; 痕量化学物质的超灵敏探测新原理; 手性分子的精准识别与绝对构型测定; 同位素分辨的化学测量新方法.

单细胞多组学化学信息联合解析; 活体脑化学信号实时动态解析; 空间多组学解析肿瘤微环境化学异质性; 组织微区药物及其代谢物空间分布可视化; 生物体液痕量药物及其代谢物精准测定; 蛋白质-药物相互作用原位实时解析; 蛋白质翻译后修饰的动态解析; 酶催化反应中间体的原位捕获与结构解析; 生物正交化学探针与活体动态标记成像; 植物体内化学物质转运与代谢动态追踪; 微生物群落化学语言破译; 复杂天然产物体系化学物质基础解析.

电化学界面反应过程原位追踪; 催化反应活性中心动态探测; 电池材料界面化学演化实时解析; 药物多晶型转化过程的原位动态追踪; 药物体内命运实时追踪; 腐蚀电化学过程原位感知; 气相/液相微区化学反应实时追踪; 聚合物材料老化过程的化学指纹追踪; 食品全链条化学安全与品质动态解析.

深空探测中生命相关化学物质原位识别; 深海热液口极端化学环境原位感知; 深地岩层流体化学组分现场分析; 核事故现场放射性核素快速识别; 爆炸物/化学战剂的现场即时检测.

柔性可穿戴与可植入化学传感; 个性化给药与疗效预测的化学测量; 化学测量量值溯源与标准物质研制; 化学测量数据的智能解析与结构反演; 化学传感元件的AI辅助理性设计; 自主智能化学测量平台.

回顾“十四五”, 我国化学测量学成就斐然. 在单分子测量、原位谱学、高端质谱方法、活体成像等前沿方向取得了一系列国际瞩目的原创突破, 部分领域实现了从“跟跑”、“并跑”到“领跑”的跨越. 一支富有创造力的人才队伍蓬勃成长, 深度服务于生命健康、能源环境等国家重大需求的意识和能力显著增强. 这些成绩充分证明, 我国化学测量学已具备了向世界科学高峰发起系统性冲锋的坚实基础.

展望“十五五”, 我们站在了从“量的积累”迈向“质的引领”的历史性门槛之上. 面对科学认知的极限挑战和高端仪器自主创新的时代命题, 化学测量学必须也必将扮演更为关键的战略角色. 本规划所确立的“原理引领、体系创新、问题驱动”三大转变以及围绕方法学内核、重大需求、仪器创制与AI融合的系统布局, 勾勒出了学科未来五年发展的清晰路径与宏伟蓝图. 我们的目标, 不仅是要在顶级期刊上发表更多论文, 更是要致力于提出由我国科学家定义的测量新原理, 创制出标志性的高端科学仪器, 并解决一系列制约国家发展的关键测量难题.

道阻且长, 行则将至; 行而不辍, 未来可期. 实现“卓越化学测量, 精准科学领航”的愿景, 需要全体化学测量学工作者以“在学术争论中前行, 在学术争鸣中闪光”的文化自信, 秉持“开放、交叉、合作、共赢”的价值观, 勇担使命, 协同攻坚. 让我们以此次规划为新的起点, 将个人的科学追求融入国家科技自立自强的洪流, 以更敏锐的洞察、更精巧的设计、更坚韧的探索, 共同揭开微观世界更深层的奥秘, 为夯实强国建设的科学根基、引领人类对物质世界的认知前沿, 作出不可替代的卓越贡献.