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支撑国产质谱,打破国外垄断
www2138com官网:0 发布时间:2016-05-30
 

支撑国产质谱,打破国外垄断


[导读] 在2013年无机及同位素质谱大会上,核工业北京地质研究院的郭冬发研究员做了题为“国产质谱仪应用实践”的报告,列举了要用国产质谱仪的三大理由,并分享了更多关于质谱应用和我国质谱发展的观点。

  【导语】


  在2013年无机及同位素质谱大会上,核工业北京地质研究院的郭冬发研究员做了题为“国产质谱仪应用实践”的报告,列举了要用国产质谱仪的三大理由,语惊四座。郭冬发研究员添置了天瑞仪器的ICP-MS和广州禾信TOF-MS产品,研制了LI/TI-TOF-MS和各种制样装置,并建立了相应的分析方法;通过自己的实践,实证了国产质谱仪的可用性、科研价值及投资回报率;所取得的部分科研成果在会议的口头报告和海报上都做了展示。郭冬发老师以一个使用过众多高端质谱仪的仪器应用专家身份,大力支撑国产质谱的举动令人钦佩。会议间隙,分析测试百科网编辑十分荣幸采访到郭冬发研究员,郭冬发老师分享了更多关于质谱应用和我国质谱发展的观点,希翼对所有关注者有所启发


  核工业北京地质研究院 郭冬发研究员


  与ICP-MS和无机质谱结缘


  1984~1986年,郭冬发研究员当时在东华理工大学任教,那时就开始使用ICP光谱仪,而且第一台是中国铁岭仪器厂生产的ICP光谱仪  。1986~1989年期间,他在核工业北京地质研究院攻读硕士研究生,毕业后一直在该院工作。当时的导师蒋铁珊研究员引进了我国第一台进口ICP光谱仪:岛津企业的多道ICP-OES光谱仪。郭冬发老师在研究生就读期间用这台ICP光谱仪开展了很多研究工作,如:流动注射、氢化物发生-ICP分析方法。在有了ICP光谱仪的操作经验后,他开始对灵敏度更高、检测能力更强的ICP-MS产生浓厚的兴趣。


  1992年,郭冬发老师有机会到日本研修,第一次接触到ICP-MS(原安捷伦与日本Yokogawa电气的合资企业联合推出)。回国后,郭冬发老师便惦记着要为自己的实验室购买一台ICP-MS。1997年郭冬发老师得到了国家经费支撑,购买了实验室第一台磁式高分辨的ICP-MS(Element,Finnigan,Germany),并组建了高水平的ICP-MS实验室;而当时Element型高分辨ICP-MS在国内的用户不到10家。利用ICP-MS技术,郭冬发老师实验室在核燃料循环工业、核地质等领域开展了大量的科研生产工作,部分研究成果在有关期刊上进行了展示。


  如果不只是谈ICP-MS,而是质谱仪的使用经历,郭冬发老师实验室几乎使用过世界上各种主流的无机、同位素质谱,比如:气体同位素质谱仪(早期前苏联产气体同位素质谱仪、德国产MAT251、MAT253、Delta-plus、Helix等)、热电离质谱TIMS(无机质谱德国产MAT261、MAT262,英国产ISOPROB-T, ISOPROB-X等)系列同位素质谱仪。


  ICP-MS的热点应用及技术难点


  作为无机质谱的应用专家,郭冬发老师也为小编普及了无机质谱及ICP-MS的一些常识。


  应用极其广泛 在诸领域有广阔应用前景


  作为无机质谱分析的主力仪器,ICP-MS可围绕周期表中的大部分金属和部分非金属元素进行测定。既然是元素,那么从应用角度看,它与国民经济、科学发展和大家生活的各个方面都息息相关,如能源、材料、高纯物质、半导体、地质等检测领域都离不开ICP-MS。在当前环境监测的热点领域,ICP-MS可大显身手,比如用于微粒、颗粒物、重金属等分析对象中多元素的测定等。


  此外,ICP-MS还可应用于生命科学领域,包括细胞组织里无机元素的检测、生物样品中的无机物检测。“除了生物样品,还用于医用材料的检测,”郭冬发老师补充说,“譬如牙科材料都是无机元素,都可用ICP-MS检测;医用材料中人造骨头的成分是磷灰石,对大家来说这是矿物,又是医用人造骨头,这一类的材料检测也离不开ICP-MS。”


  郭冬发老师还指出,清华大学张新荣教授在本届大会上带来的题为《ICP-MS在生命科学中的应用潜力》报告非常有意义,展示了ICP-MS作为重要的生命科学分析工具的潜力,它具有多组分分析和绝对定量的能力,在生命科学研究中有广泛应用前景。郭冬发老师还特别谈到,ICP-MS测定非金属元素(B、S、P、As、Se、Ge等) 的潜能,将打通无机与有机生物界的通道,为ICP-MS在无机界以外的应用发展带来新的机遇。


  ICP-MS中如何消除或利用干扰


  众所周知,ICP-MS存在两大问题,一是基体干扰,二是质谱干扰。针对这些难点,目前已有一些方法来解决这两大问题。基体干扰的去除法包括:改进仪器本身,离线化学前处理、或在仪器前端通过化学反应等方法在线分离去除基体。而各厂家提供的碰撞池、反应池等技术,常常是为了去除质谱干扰。


  另外,可通入某种气体使干扰物解离或复合,达到测试目的。比如测定硫元素,可以加氧使其变成SO或SO2,不是测单个元素的同位素,而是测量分子化合物,通过将硫元素转变成分子来消除原来位置的干扰。郭冬发老师举例说:“气体质谱分析非常典型,如生产线上测铀-235、铀-238的时候,是将铀转化为六氟化铀气体后,用气体同位素质谱仪来测定;同样,在ICP-MS测定某些元素过程中,也可通过在线气相反应来消除质谱干扰。”


  不用ICP离子化的无机质谱技术


  以激光、介质放电低温等离子体技术和质谱仪联用,是未来无机质谱技术的发展方向之一。不用ICP,使样品直接离子化,不会丢失碎片信息。因为样品在ICP 8000℃条件下经原子、离子化后,分子信息相对较少;如果不接ICP,样品离子化后的分子信息将会很丰富,可成为有用的特征信息。例如检测四氟化铀时,如果经过ICP则完全检测不到氟,全部是铀,无法区分样品是四氟化铀还是金属铀;但如果直接用激光离子化后同质谱联用,氟和铀这两个信号就能非常清楚地得到区分。


  郭冬发老师表示,“所以大家可以利用一些干扰的现象,将不利化为有利,而不是消除它们。例如无机元素在真空环境中很容易形成化合物,这是它的自然条件。如果有干扰的话,故意加进去一些反应物,就形成了化合物,那就是利用干扰。”郭冬发老师团队在这次大会中墙报展示的成果之一,激光电离飞行时间质谱技术测定铀基核材料的方法,就利用了这一原理,效果很不错。


  未来无机质谱的几大发展方向


  仪器自身性能要追求更高指标,以及可靠耐用性


  谈到ICP-MS仪器技术的发展方向,郭冬发老师表示:首先,从仪器本身来讲,不断追求更高的指标是永恒的主题,包括灵敏度、选择性、高通量、准确度、重复性、稳定性等;其次,由于质谱技术已成为一种常规分析工具,所以除了指标外,还要追求可靠性、耐用性。


  关于如何实现指标的提高,郭冬发老师先容了几种技术,“比如用串联型ICP-MS/MS,离子传输系统变化,可进一步消除本底和干扰,提高灵敏度;从检测器方面来看,离子计数检测器、高稳定度的法拉第杯等仪器硬件还有不断完善的空间。另外在仪器App方面也有提高的空间,比如智能化App、个性化定制App的发展。”


  总结本届会议关于质谱技术的报告亮点,郭冬发老师谈到了固体进样技术、定制质谱仪器等。


  新型样品进样技术


  郭冬发老师指出,固体样品原位进样技术是本届无机质谱大会的一大亮点,期间有多位报告人的报告中都谈及此技术。比如厦门大学杭纬教授提出了激光溅射电离新型进样技术,操作简单、直接;清华大学邢志老师的报告也很精彩,先容了一种用LTP探针进行固体样品剥蚀、利用原子光谱或等离子体质谱作检测的新技术,可直接对固体样品进行表面分析和成像分析。


  另外,四川大学分析测试中心侯贤灯教授的报告,提出了光化学蒸气发生进样的新技术,可提高分析物引入的效率,提高选择性,直接分离基体降低干扰,提高灵敏度降低检出限,使直接分析形态(包括分子形态和元素价态)成为可能,容易实现自动化。


  针对需求 研发定制质谱仪器 促进原始创新


  目前传统的质谱仪器市场已基本被国外仪器企业所垄断,针对某些特殊问题研制专用质谱仪,是我国质谱仪器企业发展的一大前景。郭冬发老师也谈到了一些开发研制的思路:“研制专用质谱仪需采用合作方式,质谱企业同行业专家一同合作研发,根据用户的具体需求定制,更可以根据仪器的具体应用来命名,比如禾信研发的气溶胶质谱仪,大家集团的铀同位素质谱仪、硫同位素质谱仪等。”


  实验室自主研发的激光热电离飞行时间质谱仪(LI/TI-TOF-MS)


  据了解,郭冬发老师所在核工业北京地质研究院的应用特色为核素分析和同位素分析,并拥有大量的质谱仪器。2011年开始,实验室自己组装搭建了新型激光热电离飞行时间质谱仪(LI/TI-TOF-MS),禾信企业提供了TOF质谱部分,其余部分由该实验室完成设计、加工、组装、App设计。TI-TOF-MS可作为磁质谱的伴侣来应用。以前开发磁质谱的每个方法周期漫长,因为无法了解同位素的蒸发、电离过程和条件;而有了TI-TOF-MS后,检测过程一目了然,大大缩短了磁质谱应用方法的开发周期,能促进实现元素周期表上更多元素的分析,促进检测方法和技术上的创新。郭冬发老师表示:以前购买国外的商用仪器再开发分析和前处理方法,创新性不足;而现在根据自己的研究需要开发仪器,可以在仪器检测技术上有更多原始创新。


  应用领域和仪器技术结合的未来几大方向


  应用和技术的结合发展方向,郭冬发老师首先谈到了本届大会上王海舟院士提到的材料基因组研究方向。它要求在材料中找到代表材料性能的基本单元,这些基本单元有些可以用传统的元素分析技术,而有些基本单元可能以团簇形式存在,用传统的ICP把团簇都打碎了,所以需要新型的进样技术,而在分析团簇方面,使用TOF也将比传统的四极杆分析器更有优势。


  其次是联用技术的发展将促进质谱仪在生命科学、医疗诊断领域的应用。该领域的应用主要是寻找和疾病有关的基本单元,并用检测方法来表征结构、定性定量。无机和有机质谱与其它技术的联用,都将在这些领域大有作为。


  郭冬发老师总结道:“研究热点有很多,我的总结是:原位、快速、高灵敏度、高精密度仍然是质谱的发展方向;分析测试技术方面要追求四“高”,高准确度(包括精密度和正确度)、高灵敏度、高通量、高性价比(包括仪器和方法)。


  大家都知道,天瑞仪器2012年重磅推出GC-MS、ICP-MS、LC-MS三款质谱。据了解,郭冬发老师实验室购买了天瑞企业生产的中国第一台商品化ICP-MS;同时据这次昆山质谱会了解,天瑞的GC-MS已经售出50余套。天瑞仪器研发质谱仪采用了不同的融资渠道。针对此问题大家问及了郭冬发老师的看法。郭冬发老师谈了以下几个观点:


  上市企业更能保证科学仪器研发的持续性


  企业家应有眼光和魄力,天瑞是上市企业,得到了股民的支撑,所以有实力来开发高端的质谱仪器。对于产品研发项目产出的检验,市场和公众一定更严格。这对中国仪器的发展极为重要,应该让市场来分配资源、检验资源,这也符合十八届三中全会的精神。


  质谱的投入比想象中要更大,需要更持续的投入和企业家的长远目光。目前生产一台质谱仪仅原材料成本就达几十万;进口仪器的价格上限在那里,一台经典的四级杆ICP-MS,一百二十多万元左右,中国企业刚做出来,超不出这个价吧,确实没有什么利润空间。所以,即使做出了产品,还需要长久的坚持、长久的投入。


  比如,靠立项能获得国家财政支撑,能解一时之渴,现在也确实有一些用户进来产学研用,从用户的角度提一些意见;但这毕竟财力和人力有限。这些钱一旦断掉了,如果没有新的经费来源,项目就有可能不可持续。市场真的很残酷,不讲情面。而上市企业从一开始就面对大众,投资任何项目都要面对大众,受到更多的监督,也一定会在重压下更多地考虑产品的市场前景。股民如看好企业的预期和远见,就会持续投入。“我认为,将来的主要方向应当依靠包括上市企业在内的企业来发展高技术含量、高端科学仪器产品。国家财政资金要用在刀刃上,用于解决共性关键技术等问题。”


  中国的科学仪器目前更要“接地气”


  仪器企业也许能获得资本支撑、国家项目支撑,但最重要的还是得到客户的支撑,主渠道是需要公众的使用、公众的支撑、公众的监督。离开公众的参与,很难得到市场的检验。市场检验的依据最终需要解决科知识题和应用问题。郭冬发老师指出,“学术报告时有专家谈到仪器研制要‘顶天立地’,面对国际巨头,大家还谈不上‘顶天’;所以这个阶段国内的仪器研发要谈更多的是‘立地’,要更‘接地气’,这样才能产生更多的社会财富,为国家创造更多的利税,为公众带来更多的利益,也就有更多的资金进一步研发,这样走下去中国分析仪器市场一定能获得成功。”


  企业之间不要打价格战 科学家要为中国企业提供帮助


  郭冬发老师认为,企业间有竞争也要有合作,真正推向市场的产品不要太同质化,也不要以降价来恶性竞争。只有当销售得很多了,价格才能真正便宜下来。


  极其难能可贵的是,对于国产质谱的技术进步和资金压力,郭冬发老师表达了深刻的理解:“如果天瑞一年能卖几百台ICP-MS,我相信天瑞的技术进步会很快,但是卖的量不够,资金就有压力。”郭冬发老师还对我国科研界发出了倡议:“我倡导科学家们要讲良心,科学家有那么多研究,花了那么多纳税人的钱,发表了那么多论文,最好是能有意识地帮助国内厂家,把研究的成果转化为实实在在的生产力。科学家对企业得给些具体的指点,指出问题到底在哪里,如何改进,国产厂家一定会虚心接受你的意见。因为外国企业的技术秘密是不会告诉大家的,需要我国的科学家们帮助企业一起摸索。大道理谁都懂,但是具体做会遇上很多很多问题,比如质谱要求精密加工和装配,‘差之微米,失之千里’,其中有很多窍门。科学家们要为企业提供有价值的技术支撑和帮助,而不要总是责备。当然,企业也要自己争气,真正的发展要靠自己。”


  国家经费要支撑解决实际工艺中的科知识题


  郭冬发老师认为,不仅基础研究,工程化研究中也包含科知识题。工程化中遇到的问题如抽象出来也是科知识题。所以,使用纳税人渠道的国家经费,也要支撑解决实际工艺中的科知识题。比如分子泵、检测器、质谱电子学、质谱App等等。大家特别需要大量的小企业来把每一件事都做精了,大企业才有能力把众多小企业绑在一条利益链上。“目前,企业界得到的自然科学基金支撑比较少,自然科学基金主要集中在高校和科研院所。大家也呼吁将来自然科学基金也能够在解决企业发展中遇到的、抽象出来的科知识题方面提供帮助。比如美国的页岩气开发为什么能成功,是因为大量的小企业,每家就干一件事,来支撑一个大产业,而小企业也正是技术创新的源泉之一。中国质谱仪器制造,要专业化、股份化,要让小企业慢慢成长。 今天中国小米等IT企业的成功,也是如此!”


  支撑国产质谱仪器的三大理由


  采访中郭冬发老师告诉大家:“在ICP-MS应用研发方面,我做出的最大成绩就是在国外ICP-MS仪器的基础上建立了一些国家标准方法,例如海洋沉积物、海洋锰结石的ICP-MS方法国家标准。”但随着国家标准方法的建立,郭冬发老师又有了担忧,这些标准都基于国外仪器,今后是否可靠无法保证,万一国外出口管制,不卖给中国,后果不堪设想;而针对中国涉“核”单位,外国政府向来实行出口管制,设置重重障碍。因此从国家安全层面考虑,研发国产质谱仪非常重要。


  谈到未来我国质谱的发展前景时,郭冬发老师借用自己在会议报告中结尾的寄语:“曙光在前头,任重而道远。”我国质谱的发展前景是光明的,但前行的道路是曲折的。非常需要我国质谱仪器企业将我国商品化质谱仪的市场做大,并一定要在仪器的可靠性和耐用性上下功夫,仪器质量提高,自然就会赢得市场。


  总结为何要用国产质谱,郭冬发老师提了三大理由:


  1)国外仪器很好,但对中国涉“核”单位实行出口管制,外国政府设置重重障碍;


  2)通过自己的实践证明,中国国产系列质谱仪已经能满足核燃料循环分析要求;


  3)使用纳税人的钱,科学家得讲良心。


  无机质谱大会为与会者提供了一个相互交流的平台


  谈到会议的感受,郭冬发老师表示:全国无机及同位素质谱学学术会议是中国质谱学会历届举办的很重要的一个活动,本届参与人数超出了预期,共计200多位与会者参会,参会人员包括最顶级的研究工编辑,也包括在一线的分析检测工编辑。本次会议前期通过网络投稿,在流程方面也得到了优化。此外大会得到了江苏天瑞企业的大力支撑,给与会者提供了一个相互交流的平台,大家相互探讨,交流学术心得,是一次非常成功的会议。


  把分析工作当成游戏来玩 挖掘游戏大门背后的宝藏


  最后,当谈到对年轻一代从事分析化学的工编辑有哪些建议时,郭冬发老师谈及了自己的几点感受:第一,一定要热爱你所从事的行业,从某些角度看,分析工作是非常枯燥的,天天面对的是瓶瓶罐罐;但如果“你把分析过程当成游戏来玩,你就会非常有兴趣,并一定能做出成绩来。比如质谱分析的游戏就是操控离子,你玩得越好,级别越高,就能打开游戏中更多的神秘大门,发掘更多的宝藏”。第二,一定要认识到,分析化学在社会生活、国民经济、国家安全等方面都非常重要。分析化学本质是获取信息,以前说分析化学是科学的“眼睛”,现在更可以说分析化学就像科学的“五官”,帮助各行各业科学工编辑的大脑获取信息,做出正确的判断。例如在医疗领域就是先通过分析检测手段发现癌症,之后再采取措施进行治疗;在材料领域,通过分析技术可得知物质材料的缺陷,发现问题之后进行改造和创新。


  附录:郭冬发研究员简历


  郭冬发(1965年1月生),1984年毕业于东华理工大学分析系,1989年获核工业北京地质研究院核地质分析专业工学硕士学位,2005年获中国原子能科学研究院核燃料与材料分析专业工学博士学位。现任核工业北京地质研究院副总工程师兼分析测试研究所所长、二级研究员级高级工程师、博士生导师、分析测试学科带头人、中核集团地矿事业部分析测试技术项目总地质师。兼任中国计量测试学会地矿实验分会副主任、全国核能材料标准化技术委员会委员、全国国土资源标准化技术委员会委员等职。主要技术经历如下:1984~1986年在东华理工大学任助教,主要从事电感耦合等离子体发射光谱仪教学与实验工作;1989年加入核工业北京地质研究院至今,先后任课题负责人、室副主任、室主任等职。其中,2003~2005年,任国际原子能机构武器核查专家。主要技术领域涉及电感耦合等离子体发射光谱仪与流动注射及氢化物发生联用技术、α&γ能谱分析技术、电感耦合等离子体质谱技术、微粒同位素分析技术、激光诱导击穿光谱技术、热电离飞行时间质谱技术、激光飞行时间质谱技术、分析方法标准化和标准物质研制等,主要研究对象为镧系和锕系元素。获省部级科技进步奖十多项,公开发表论文六十多篇,获专利十多项,制定各类标准十多项。现致力于核地质分析测试技术研究与应用开发,力推国产质谱仪器的发展。


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