1955年7月，周同惠(中)乘海轮由美国返回祖国，旅途中在海轮上身穿救生衣参与演习
1946年夏，周同惠参加了国家举办的出国留学生考试，取得了自费留学资格。8月，他乘船赴美国学习。
周同惠根据自己兴趣所好，选读了分析化学专业，导师是瑞克斯·罗宾逊（Rex J. Robinson）教授，研究题目为“硅酸盐的分析”，“亚硝酸盐的极谱分析”及“海水中硝酸盐的极谱测定”。这些工作使得周同惠于1952年8月获得硕士、博士两个学位，论文发表于美国的分析化学杂志和海洋研究杂志。
周同惠获得学位后，由于朝鲜战争尚未结束，美国政府不许理工等专业的中国学生回国。他积极与一些争取回国的留学生取得联系，商讨对策。为了回国，他们先后联名写信给当时的美国总统艾森豪威尔和联合国秘书长哈马舍尔德。1955年，他们又联名写信给当时在日内瓦开会的周恩来总理。
1955年6月，周同惠乘船离开美国。当年9月，他被分配至卫生部中央卫生研究院药物学系工作，任副研究员。1958年8月，中国医学科学院药物研究所成立，下设分析室，周同惠任分析室主任。
资料来源：周同惠院士：我国兴奋剂检测的奠基人.中国科协创新战略研究院，2020-04-21
1990年5月14日在国家教委举办的“化学前沿与教育研讨会”上，作“药物分析进展”学术报告
分析化学自身要发展，才能满足日新月异的客观要求。着眼于未来，做好科学储备，为未来的发展作准备，这样才能在科学技术上处于领先地位。这就是周同惠多年来一直坚持的分析化学是解决科学技术问题的“眼睛”的观点。
周同惠认为，药物分析工作者要不断努力充实自己，博采众家之长，紧跟科学的发展和进步，才能充分发挥分析化学作为科学技术的“眼睛”和“先行官”的作用。
“国家药物及代谢产物分析研究中心”采用现代先进分析技术，如核磁共振、质谱、色谱－质谱联用、毛细管电泳等手段，从细胞成分到整体，从静态到动态，研究药物体内外代谢动力学及其结构转化与疗效、毒性的关系。这些工作为发展我国自己的创新药物发挥重要作用，为新药研究作出了贡献。
资料来源：周同惠院士：我国兴奋剂检测的奠基人.中国科协创新战略研究院，2020-04-21
1987- 1989年，在简易的平房实验室中研究并建成五大类100种违禁药物的分析及确证方法
1984年，北京获得1990年第十一届亚洲运动会的主办权。按规定，主办国必需承担运动员的兴奋剂检测任务，而当时亚洲只有日本和韩国通过了考试，具有兴奋剂检测的能力。作为1990年亚运会东道主的中国，在这一关键领域上仍是空白。
1985年，国家体委决定筹建我国自己的兴奋剂检测实验室，但由于工作难度大，时间紧迫，且要签署责任书，没有单位愿意承建。
1986年夏，国家体委到药物所找到周同惠，希望得到帮助。作为仪器分析和色谱学专家，周同惠十分清楚任务的艰巨。国际上建立同样的实验室一般需八到十年，而他只有三年时间。
周同惠明白，一旦承担下来，没有退路。因为与国家体委签协议，周同惠写下的是在1989年“通过考试”，而不是“争取通过考试”。他对同事说，中国人举办亚运会，能让外国人来做药物检测吗？这是为国争光的任务，也是分析化学工作者的责任。
虽然此前周同惠只做过一些分析固醇类含量的代谢物测定工作。但是他没有畏惧。1986年11月，国家兴奋剂检测中心正式成立，周同惠担任主任。
1989年12月8日，国际奥委会医学委员会兴奋剂和运动生化专业委员会审定考试结果，建议批准中国兴奋剂检测中心为国际奥委会承认的合格实验室。中国兴奋剂检测中心成为世界第20个、亚洲第3个、发展中国家第1个国际奥委会承认的兴奋剂检测实验室。
资料来源：周同惠院士：我国兴奋剂检测的奠基人.中国科协创新战略研究院，2020-04-21
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