世界精细化工总体发展现状及趋势
精细化工是当今化学工业中最具活力的新兴领域之一，是新材料的重要组成部分。精细化工产品种类多、附加值高、用途广、产业关联度大，直接服务于国民经济的诸多行业和高新技术产业的各个领域。大力发展精细化工已成为世界各国调整化学工业结构、提升化学工业产业能级和扩大经济效益的战略重点。精细化工率(精细化工产值占化工总产值的比例)的高低已经成为衡量一个国家或地区化学工业发达程度和化工科技水平高低的重要标志。
一、世界精细化工总体发展态势
综观近20多年来世界化工发展历程，各国、尤其是美国、欧洲、日本等化学工业发达国家及其著名的跨国化工公司，都十分重视发展精细化工，把精细化工作为调整化工产业结构、提高产品附加值、增强国际竞争力的有效举措，世界精细化工呈现快速发展态势，产业集中度进一步提高。进入21世纪，世界精细化工发展的显著特征是：产业集群化，工艺清洁化、节能化，产品多样化、专用化、高性能化。
1、精细化学品销售收入快速增长，精细化率不断提高
上世纪九十年代以来，基于世界高度发达的石油化工向深加工发展和高新技术的蓬勃兴起，世界精细化工得到前所未有的快速发展，其增长速度明显高于整个化学工业的发展。近几年，全世界化工产品年总销售额约为1.5万亿美元，其中精细化学品和专用化学品约为3800亿美元，年均增长率在5～6%，高于化学工业2～3个百分点。预计至2010年，全球精细化学品市场仍将以6%的年均速度增长。2008年，世界精细化学品市场规模将达到4500亿美元。目前，世界精细化学品品种已超过10万种。精细化率是衡量一个国家和地区化学工业技术水平的重要标志。美国、西欧和日本等化学工业发达国家，其精细化工也最为发达，代表了当今世界精细化工的发展水平。目前，这些国家的精细化率已达到60～70%。近几年，美国精细化学品年销售额约为1250亿美元，居世界首位，欧洲约为1000亿美元，日本约为600亿美元，名列第三。三者合计约占世界总销售额的75%以上。
2、加强技术创新，调整和优化精细化工产品结构
加强技术创新，调整和优化精细化工产品结构，重点开发高性能化、专用化、绿色化产品，已成为当前世界精细化工发展的重要特征，也是今后世界精细化工发展的重点方向。
以精细化工发达的日本为例，技术创新对精细化学品的发展起到至关重要的作用。过去10年中，日本合成染料和传统精细化学品市场缩减了一半，取而代之的是大量开发功能性、绿色化等高端精细化学品，从而大大提升了精细化工的产业能级和经济效益。例如，重点开发用于半导体和平板显示器等电子领域的功能性精细化学品，使日本在信息记录和显示材料等高端产品领域建立了主导地位。在催化剂方面，随着环保法规日趋严格，为适应无硫汽油等环境友好燃料的需要，日本积极开发新型环保型催化剂。目前超深脱硫催化剂等高性能催化剂在日本催化剂工业中已占有相当高的份额，脱硫能力从低于50μg/g提高至低于10μg/g，由此也促进了催化剂工业的整体发展。2004年日本用于深度脱硫等加氢工艺的炼油催化剂产量比上年同期增长了近60%，销售额增长了43%。与此同时，用于石油化学品和汽车尾气净化的催化剂销售额也以两位数的速度增长，已占催化剂市场半壁江山。日本催化剂生产和销售去年分别增长了7%和5%，打破了近六年来的记录。
3、联合兼并重组，增强核心竞争力
许多知名的公司通过兼并、收购或重组，调整经营结构，退出没有竞争力的行业，发挥自己的专长和优势，加大对有竞争力行业的投入,重点发展具有优势的精细化学品，以巩固和扩大市场份额，提高经济效益和国际竞争力。例如，2005年7月，世界著名橡胶助剂生产商——美国康普顿公司(Crompton)花20亿美元收购了大湖化学公司后成立名为“科聚亚”公司(Chemturags)，成为继鲁姆哈斯和安格公司后的美国第三大精细化工公司和全球最大的塑料添加剂生产商。新公司的产品包括了塑料添加剂、石化添加剂、阻燃剂、有机金属、聚氨酯、泳池及温泉维护产品及农业化学品，在高价值产品的市场上具有领导地位，其精细化工的年销售额可达到37亿美元。
又如，德固赛和美国塞拉尼斯各出资50%合并羰基合成产品，在欧洲建立丙烯—羰基合成产品生产基地。合并后，羰基合成醇年产量将达到80万吨——占欧洲市场份额的三分之一。与此同时，德固萨公司以6.7亿美元价格将其食品添加剂业务出售给嘉吉公司(Cargill)。从而使嘉吉公司成为食品添加剂行业的领先者，能向全球的食品及饮料公司提供各种专用添加剂。再如，总部位于荷兰海尔伦的皇家帝斯曼公司(DSM)，2003年2月以19.5亿欧元的代价，收购了罗氏全球的维生素、胡萝卜素和精细化工业务，成为世界维生素之王。2004年全球销售额80亿欧元(约为100亿美元)。
二、我国精细化工发展现状与趋势
近十多年来，我国十分重视精细化工的发展，把精细化工、特别是新领域精细化工作为化学工业发展的战略重点之一和新材料的重要组成部分，列入多项国家计划中，从政策和资金上予以重点支持。目前，精细化工业已成为我国化学工业中一个重要的独立分支和新的经济效益增长点。
我国近期出台的《“十一五”化学工业科技发展纲要》又将精细化工列为“十一五”期间优先发展的六大领域之一，并将功能涂料及水性涂料，染料新品种及其产业化技术，重要化工中间体绿色合成技术及新品种，电子化学品，高性能水处理化学品，造纸化学品，油田化学品，功能型食品添加剂，高性能环保型阻燃剂，表面活性剂，高性能橡塑助剂等列为“十一五”精细化工技术开发和产业化的重点。可以预见，随着我国石油化工的蓬勃发展和化学工业由粗放型向精细化方向发展，以及高新技术的广泛应用，我国精细化工自主创新能力和产业技术能级将得到显著提高，成为世界精细化学品生产和消费大国。
1、精细化工取得长足进步，部分产品居世界领先地位我国精细化工的快速发展，不仅基本满足了国民经济发展的需要，而且部分精细化工产品，还具有一定的国际竞争能力，成为世界上重要的精细化工原料及中间体的加工地与出口地，精细化工产品已被广泛应用到国民经济的各个领域和人民日常生活中。统计表明，目前我国精细化工门类已达25个，品种达3万多种，已建成精细化工技术开发中心10个，精细化学品生产能力近1350万吨/年，年总产量近970万吨，年产值超过1000亿元。2004年，我国精细化工率已上升到45%。
近年来，我国的染料产量已跃居世界首位，2004年，染料产量达到了59.83万吨，约占世界染料产量的60%。目前已能生产的品种超过1200个，其中常年生产的品种约700个。我国不仅是世界第一染料生产大国，而且是世界第一染料出口大国，染料出口量居世界第一，约占世界染料贸易量的25%，已成为世界染料生产、贸易的中心，在世界染料市场占有显著地位，2004年出口量达到22.66万吨。涂料产量2004年达到298万吨，比2000年净增104万吨，成为世界第二大涂料生产国。农药产量居世界第二位。柠檬酸的年出口量已接近40万吨，约占全球总消费量的三分之一；维生素C的出口量已突破5万吨，占全球总消费量的50%以上。
2、建设精细化工园区，推进产业集聚
近几年，许多省市都把建设精细化工园区，作为调整地方化工产业布局、提升产业、发展新材料产业、推进集聚的重要举措。据报道，目前全国已建和在建的精细化工园区至少有15个。
例如，浙江上虞精细化工园区规划总面积20平方公里，自1999年1月正式启动以来，共引进来自10个国家、地区和10个省市的项目80多个，资金逾25亿元。到2004年9月已经有140余家精细化工企业入驻，其中年销售收入在500万以上的规模企业有53家，并形成了以染料(颜料)、生物医药及中间体和专用化学品为主要门类的精细化工产业。2003年上虞精细化工产业实现销售收入119.5亿元、利税22.6亿元，出口创汇1.75亿元。基地提出了6年后培育20家高新技术企业，实现技工贸收入300亿元的目标。该园区已被科技部认定为国家火炬计划上虞精细化工特色产业基地。
又如，中国精细化工(常州)开发园区，已形成精细化工为特色，通达上下游多个领域的化工生产和仓储基地。到2003年9月，已累计投资近200亿元，有72家化工企业落户，其中有世界500强中的美国亚什兰化学公司、日本普利司通轮胎公司和韩国现代公司等知名企业。
3、跨国公司加速来华投资，有力推动精细化工发展
跨入21世纪以来，随着经济全球化趋势快速发展，以及我国民经济持续稳步快速发展对精细化学品和特种化学品强大市场需求，吸引了诸多世界著名跨国公司纷纷来我国投资精细化工行业，投资领域涉及精细化工原料和中间体、催化剂、油品添加剂、塑料和橡胶助剂、纺织/皮革化学品、电子化学品、涂料和胶粘剂、发泡剂和制冷剂替代品、食品和饲料添加剂以及医药等，从而有力地推动我国精细化工产业的发展。
例如，世界著名的精细化学品生产商、德国第3大化学品公司德固赛公司看好中国专用化学品市场，1998年以来，德固萨公司已在我国南京、广州、上海、青岛、天津和北京等11个地区建有18家生产厂，2004年实现营业额达到3亿欧元。为了扩大中国市场，并成为中国特种化工领域的领跑者，德古萨去年在上海成立了研发中心，为中国乃至亚洲市场研发专用产品。
又如，世界10大涂料公司已全部进入我国，迄今为止独资和合资建筑涂料厂约16家，生产规模都在2～5万吨/年。
近两年来立邦公司投资41亿日元使廊坊公司和苏州公司的生产能力各扩建为16万吨，上海扩建为14万吨，广州为7万吨，全部项目2005年竣工投产，届时立邦将占中国19%的市场份额。以生产不含铅、汞等有毒有害成分涂料著称的ICI公司声称要在中国市场的争夺中超越立邦成为第一。ICI和立邦的产品销售额现占中国市场的30%。
用于生命科学的电化学技术
由于生命现象与电化学过程密切相关,因此电化学方法在生命科学中得到广泛应用,其内容非常丰富,主要有电脉冲基因直接导入、电场加速作物生长、癌症的电化学疗法、电化学控制药物释放、在体研究的电化学方法、生物分子的电化学行为等。本节简单地介绍一下这些用于生命科学的电化学技术。
电脉冲基因直接导入是基于带负电的质粒DNA或基因片断在高压脉冲电场的作用下被加速“射”向受体细胞,同时在电场作用下细胞膜的渗透率增加(介电击穿效应),使基因能顺利导入受体细胞。由于细胞膜的电击穿的可逆性,除去电场,细胞膜及其所有的功能都能恢复。此法已在分子生物学中得到应用。细胞转化效率高,可达每微克DNA1010个转化体,是用化学方法制备的感受态细胞的转化率的10～20倍。
电场加速作物生长是很新的研究课题。Matsuzaki等报道过玉米和大豆苗在含05mmol/LK2SO4培养液左边中培右边养,同时加上20Hz,3V或4V(峰峰)的电脉冲,6天后与对照组相比,秧苗根须发达,生长明显加速。据称其原因可能是电场激励了生长代谢的离子泵作用。
癌症的电化学疗法是瑞典放射医学家Nordenstrom开创的治疗癌症的新方法。其原理是:在直流电场作用下,引起癌灶内一系列生化变化,使其组织代谢发生紊乱,蛋白质变性、沉淀坏死,导致癌细胞破灭。一般是将铂电极正极置于癌灶中心部位,周围扎上1～5根铂电极作负极,加上6～10V的电压,控制电流为30～100mA,治疗时间2～6小时,电量为每厘米直径癌灶100～150库仑。此疗法已在推广用于肝癌、皮肤癌等的治疗。对体表肿瘤的治疗尤为简便、有效。
控制药物释放技术是指在一定时间内控制药物的释放速度、释放地点,以获得最佳药效,同时缓慢释放有利于降低药物毒性。电化学控制药物释放是一种新的释放药物的方法,这种方法是把药物分子或离子结合到聚合物载体上,使聚合物载体固定在电极表面,构成化学修饰电极,再通过控制电极的氧化还原过程使药物分子或离子释放到溶液中。药物在载体聚合物上的负载方式分为共价键合型和离子键合型负载两类。共价键合负载是通过化学合成将药物分子以共价键方式键合到聚合物骨架上,然后利用涂层法将聚合物固定在固体电极表面形成聚合物膜修饰电极,在氧化或还原过程中药物分子与聚合物之间的共价键断裂,使得药物分子从膜中释放出来。离子键合负载是利用电活性导电聚合物如聚吡咯、聚苯胺等在氧化或还原过程中伴随有作为平衡离子的对离子的嵌入将药物离子负载到聚合物膜中,再通过还原或氧化使药物离子从膜中释放出来。
在体研究是生理学研究的重要方法,其目的在于从整体水平上认识细胞、组织、器官的功能机制及其生理活动规律。由于一些神经活性物质(神经递质)具有电化学活性,因此电化学方法首先被用于脑神经系统的在体研究。当采用微电极插入动物脑内进行活体伏安法测定获得成功后,立即引起了人们的极大兴趣[1]。该技术经过不断的改善,被公认为在正常生理状态下跟踪监测动物大脑神经活动最有效的方法。通常可检测的神经递质有多巴胺、去甲肾上腺素、5羟色胺及其代谢产物。微电极伏安法成为连续监测进入细胞间液中原生性神经递质的有力工具。在体研究一般采用快速循环伏安法(每秒上千伏)和快速计时安培法。快速循环伏安法还被用于研究单个神经细胞神经递质释放的研究,发展成为所谓的“细胞电化学”。
生物分子的电化学行为的研究是生物电化学的一个基础研究领域,其研究目的在于获取生物分子氧化还原电子转移反应的机理,以及生物分子电催化反应机理,为正确了解生物活性分子的生物功能提供基础数据。所研究的生物分子包括小分子如氨基酸、生物碱、辅酶、糖类等和生物大分子如氧化还原蛋白、RNA、DNA、多糖等。
3.电化学生物传感器
传感器与通信系统和计算机共同构成现代信息处理系统。传感器相当于人的感官,是计算机与自然界及社会的接口,是为计算机提供信息的工具。
传感器通常由敏感(识别)元件、转换元件、电子线路及相应结构附件组成。生物传感器是指用固定化的生物体成分(酶、抗原、抗体、激素等)或生物体本身(细胞、细胞器、组织等)作为感元件的传感器。电化学生物传感器则是指由生物材料作为敏感元件,电极(固体电极、离子选择性电极、气敏电极等)作为转换元件,以电势或电流为特征检测信号的传感器。图1是电化学生物传感器基本构成示意图。由于使用生物材料作为传感器的敏感元件,所以电化学生物传感器具有高度选择性,是快速、直接获取复杂体系组成信息的理想分析工具。一些研究成果已在生物技术、食品工业、临床检测、医药工业、生物医学、环境分析等领域获得实际应用。
根据作为敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。
(1)酶电极传感器
以葡萄糖氧化酶(GOD)电极为例简述其工作原理。在GOD的催化下,葡萄糖(C6H12O6)被氧氧化生成葡萄糖酸(C6H12O7)和过氧化氢:
根据上述反应,显然可通过氧电极(测氧的消耗)、过氧化氢电极(测H2O2的产生)和pH电极(测酸度变化)来间接测定葡萄糖的含量。因此只要将GOD固定在上述电极表面即可构成测葡萄糖的GOD传感器。这便是所谓的第一代酶电极传感器。这种传感器由于是间接测定法,故干扰因素较多。第二代酶电极传感器是采用氧化还原电子媒介体在酶的氧化还原活性中心与电极之间传递电子。第二代酶电极传感器可不受测定体系的限制,测量浓度线性范围较宽,干扰少。现在不少研究者又在努力发展第三代酶电极传感器,即酶的氧化还原活性中心直接和电极表面交换电子的酶电极传感器。目前已有的商品酶电极传感器包括:GOD电极传感器、L乳酸单氧化酶电极传感器、尿酸酶电极传感器等。在研究中的酶电极传感器则非常多。
(2)微生物电极传感器
由于离析酶的价格昂贵且稳定性较差,限制了其在电化学生物传感器中的应用,从而使研究者想到直接利用活的微生物来作为分子识别元件的敏感材料。这种将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感材料固定在电极表面构成的电化学生物传感器称为微生物电极传感器。其工作原理大致可分为三种类型:其一,利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)系来识别分子,这种类型与酶电极类似;其二,利用微生物对有机物的同化作用,通过检测其呼吸活性(摄氧量)的提高,即通过氧电极测量体系中氧的减少间接测定有机物的浓度;其三,通过测定电极敏感的代谢产物间接测定一些能被厌氧微生物所同化的有机物。
微生物电极传感器在发酵工业、食品检验、医疗卫生等领域都有应用。例如:在食品发酵过程中测定葡萄糖的佛鲁奥森假单胞菌电极;测定甲烷的鞭毛甲基单胞菌电极;测定抗生素头孢菌素的Citrobacterfreudii菌电极等等。微生物电极传感器由于价廉、使用寿命长而具有很好的应用前景,然而它的选择性和长期稳定性等还有待进一步提高。
(3)电化学免疫传感器
抗体对相应抗原具有唯一性识别和结合功能。电化学免疫传感器就是利用这种识别和结合功能将抗体或抗原和电极组合而成的检测装置。
根据电化学免疫传感器的结构可将其分为直接型和间接型两类。直接型的特点是在抗体与其相应抗原识别结合的同时将其免疫反应的信息直接转变成电信号。这类传感器在结构上可进一步分为结合型和分离型两种。前者是将抗体或抗原直接固定在电极表面上,传感器与相应的抗体或抗原发生结合的同时产生电势改变;后者是用抗体或抗原制作抗体膜或抗原膜,当其与相应的配基反应时,膜电势发生变化,测定膜电势的电极与膜是分开的。间接型的特点是将抗原和抗体结合的信息转变成另一种中间信息,然后再把这个中间信息转变成电信号。这类传感器在结构上也可进一步分为两种类型:结合型和分离型。前者是将抗体或抗原固定在电极上;而后者抗体或抗原和电极是完全分开的。间接型电化学免疫传感器通常是采用酶或其他电活性化合物进行标记,将被测抗体或抗原的浓度信息加以化学放大,从而达到极高的灵敏度。
电化学免疫传感器的例子有:诊断早期妊娠的hCG免疫传感器;诊断原发性肝癌的甲胎蛋白(AFP或αFP)免疫传感器;测定人血清蛋白(HSA)免疫传感器;还有IgG免疫传感器、胰岛素免疫传感器等等。
(4)组织电极与细胞器电极传感器
直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电极传感器,其原理是利用动植物组织中的酶,优点是酶活性及其稳定性均比离析酶高,材料易于获取,制备简单,使用寿命长等。但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。
动物组织电极主要有:肾组织电极、肝组织电极、肠组织电极、肌肉组织电极、胸腺组织电极等。测定对象主要有:谷氨酰胺、葡萄糖胺6磷酸盐、D氨基酸、H2O2、地高辛、胰岛素、腺苷、AMP等。植物组织电极敏感元件的选材范围很广,包括不同植物的根、茎、叶、花、果等。植物组织电极制备比动物组织电极更简单,成本更低并易于保存。
细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件的传感器。细胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的微小“器官”,如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。其原理是利用细胞器内所含的酶(往往是多酶体系)。
(5)电化学DNA传感器
电化学DNA传感器是近几年迅速发展起来的一种全新思想的生物传感器。其用途是检测基因及一些能与DNA发生特殊相互作用的物质。电化学DNA传感器是利用单链DNA(ssDNA)或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面,加上识别杂交信息的电活性指示剂(称为杂交指示剂)共同构成的检测特定基因的装置。其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶液中的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形成双链DNA(dsDNA)(电极表面性质改变),同时借助一能识别ssDNA和dsDNA的杂交指示剂的电流响应信号的改变来达到检测基因的目的。
已有检测灵敏度高达10-13g/mL的电化学DNA传感器的报道,Hashimoto等[8]采用一个20聚体的核苷酸探针修饰在金电极上检测了PVM623的PatⅠ片断上的致癌基因vmyc。电化学DNA传感器离实用化还有相当距离,主要是传感器的稳定性、重现性、灵敏度等都还有待于提高。有关DNA修饰电极的研究除对于基因检测有重要意义外,还可将DNA修饰电极用于其它生物传感器的研究,用于DNA与外源分子间的相互作用研究[9],如抗癌药物筛选、抗癌药物作用机理研究;以及用于检测DNA结合分子。无疑,它将成为生物电化学的一个非常有生命力的前沿领域。
生物电化学所涉及的面非常广,内容很丰富。以上介绍的只是该交叉学科一些领域的概况。可以相信,随着相关学科的发展,生物电化学将进一步蓬勃发展。
