欢迎您来到,中国质谱学会网!
| 网站地图| 联系我们| 帮助中心

郭冬发:构建质谱核心技术的四大特性

发布时间:2018-09-22 阅读次数:296次

由中国质谱学会、中国化学会质谱分析专业委员会和中国仪器仪表学会分析仪器分会质谱仪器专业委员会联合主办的“2018年中国质谱学术大会”将于2018年11月23日在广州召开。本届会议在中国质谱发展历史上将具有里程碑的意义,它标志着中国质谱发展进入了新时代。近日,分析测试百科网采访到核工业北京地质研究院的郭冬发研究员,他将从自己研究的角度谈谈召开本次中国质谱大会的意义和中国质谱的发展的看法与见解。


核工业北京地质研究院研究员 郭冬发

独一无二的新时代质谱大会

  提及本次召开的2018年中国质谱学术大会,郭冬发表示:首先从形式上看,过去中国物理学会质谱分会(中国质谱学会)、中国化学会质谱分析专业委员会、中国仪器仪表学会质谱分会各自开会,今年11月即将召开的中国质谱学会大会整合三会一起召开,形式上的这种变化是质谱进入新时代的特征之一。

  其次在内容上,国家的发展大势进入了以高质量发展为特征的新时代,质谱学会紧跟新时代国家的重大需求和面临的问题,召开全国层面的中国质谱大会意义深远。质谱已从最早的无机、同位素、有机、生物等方面扩大到精准医疗、临床医疗等领域,涉及面更宽广。新时代下,质谱的应用无所不包,既能改善生活质量,又能提高绿色经济水平,是一个强有力的工具。“各种质谱都进入了新时代。”郭冬发举例说,“比如传统的无机质谱也进入了新时代。人们每天日常所见的许多物质都是无机物,包括地球、岩石、土壤、钢材铝材、各种材料等等。由于人们对无机元素认识得早,近年来会感觉无机元素分析在走下坡路;但无机元素分析本身还有很多未解决的工程技术问题、国家需求问题和科学问题。而且,无机和有机的界限现在越来越模糊,金属和生物蛋白质复合物中,金属的作用越来越大。比如厦门大学王秋泉教授研究金属标记物,清华大学张新荣教授研究稀土标记物,都用到ICP-MS。医疗领域中,我现在吃的降糖药‘铬补充剂’有效成分也是无机元素,但却能有效降低血糖浓度。故新时代下,无机质谱不仅不会被取代,还会越来越强。”

  第三方面,中国质谱大会也将促进质谱内部各学科之间的交叉融合,比如无机同位素质谱的学者将从质谱在有机、生物、精准医疗的应用中得到启发,反过来也一样。通过质谱大会这个独一无二的平台,质谱学者跳出“同温层”进行交流,互相汲取精华。质谱各种技术取长补短、相互融合,在这个大会上参与者总能收获自己喜欢的知识,既有“同温层”的交流,又有不同梯度的碰撞和火花,很有可能促进创新。

质谱应用贯穿整个能源材料过程

  郭冬发介绍说,核工业北京地质研究院成立于1959年3月,是一所以铀矿地质为主的多学科综合性研究机构,设有地质矿产、遥感技术应用、环境工程、分析测试、物化探、仪器开发和科技信息等7个研究所,建有核工业地质分析测试中心。

  核工业北京地质研究院有60年的历史,而且在建院前的1955年就建立了实验室,国内最早的第一代无机质谱仪、同位素质谱仪都在这里,实验室配备了典型意义上的各种无机质谱。首先,中心有各种ICP-MS为主的质谱做元素分析;其次,同位素质谱比较完备,包括多接收 ICP-MS,激光烧蚀ICP-MS,热电离质谱仪,稳定同位素质谱,大尺寸二次离子质谱,惰性气体质谱等,几乎涵盖了各种无机同位素质谱。在加速器质谱、激光共振电离质谱方面,中心也与其它单位开展合作。所以在整个无机研究领域,中核地质实验室的检测能力覆盖了从氢同位素、铀同位素及惰性气体检测的几乎所有领域。

  “这些质谱主要为新能源服务,”郭冬发说。我国的能源结构以煤火电力为主,2017年数据显示,其中火电约73.4%,水电约17.2%,风电约4.3%,核电约3.94%,太阳能电力约1.04%。目前,我国38台百万千瓦级核电机组在运行,另有19台在建,共57台。

  郭冬发说:“按照国家规划,2020年运行的核电机组发电容量是5800万千瓦,在建的就有3000万千瓦,即使到达这个程度,占比仍然较低。我们主要做新能源,核能发展空间很大,且核电是稳定可靠的清洁能源。质谱主要就为这一领域服务,从地质勘查找矿到核燃料循环、核材料的生产质量控制、环境检测、废物地下处置等都需要无机同位素质谱一直伴随工作。”

  “我曾在几年前的质谱会上做过关于从铀矿勘查到核废物处置的质谱应用报告。这说明了质谱在整个能源领域的用途很大,地下找矿需要ICP无机质谱、地表信息数据搜集需要同位素质谱,污染水源的测量也离不开质谱,所以质谱在能源领域无处不在。这也是我们实验室配这么多质谱仪的原因。”郭冬发举例道:“地质勘查找矿的时候,需要地表土壤样品,如果具有隐伏矿,那么某些气体会通过纳米颗粒带到地表,地表土壤吸收后,则需要用高精度大通量的ICP-MS去测量,最后确定出异常的分布范围。这个方法叫“微弱信息捕捉法”,通过找矿的蛛丝马迹来锁定矿在哪里。之后再将找到的铀矿中的铀提取开采出来做成铀产品。此后,要进行铀转化、铀浓缩和核燃料元件加工。加工好的核燃料元件进入核电站发电,用过的核燃料元件需要经过冷却,再进行后处理。经过后处理后形成的最终废物则需要进行深部地质处置。这些过程和节点涉及的检测,很多都需要靠质谱仪来实现。”

  核心技术:一体化铀矿地质分析平台(IUGAP)

  目前,郭冬发研究团队建立的一体化的铀矿地质分析平台(IUGAP)主要应用于地质分析、铀矿勘查、核材料分析等,也具备第三方检测功能,同时也承担国家项目。



一体化铀矿地质分析平台(IUGAP)

  “目前,我们主要仍以方法开发为主。”郭冬发强调:“如果从单一仪器来讲,我们的优势并不明显,但拥有IUGAP平台就具有了核心技术。核心技术四大特性包括价值性、稀缺性、不可替代性和难以复制性。20年前我们有ICP-MS是核心技术,因为当时具备ICP-MS具有上述四大特性;而如今ICP-MS到处都是,这就使当时的核心技术变为现在的普通技术。同样,现在很多实验室也能购买热电离质谱仪。现在,我们把所有的仪器都整合到IUGAP平台,就具备了核心技术的四大特性。IUGAP平台首先具有价值性,能解决国家的重大需求和科学问题;第二具有稀缺性,国内能组合这样平台的单位很少;第三在铀矿地质分析中具有不可替代性;第四具有难以复制性,即使投资若干亿建一个和我们一样的实验室,但如果缺乏专业人员,缺乏各种各样大量的分析测试技术方法,以及技术方法用到的各种各样的装置和零部件,要建立这样的平台至少需要若干年。所以,我们在一定的时间内拥有核心技术。

  “比如我们实验室使用惰性气体质谱仪,研制了液、气及流体包裹体样品的制样系统以及整个流程,如何从样品转化成适应质谱进样,这涉及大量的化学过程、物理过程,我们拥有相当数量的专利和技巧。同样以ICP-MS找矿应用为例,面对各种岩石各种样品,需要特色的化学处理方法,使之变成适应ICP-MS进样的形式。这是我们质谱研究的特点。

  “再以SIMS二次离子质谱举例,可以用一台扫描电镜对微粒进行微区观测,但没有同位素分析功能,利用我们掌握的坐标转移功能,可在扫描电镜标记的基础上,将观测点转到SIMS上进行同位素测量;接下来也可以再转到激光多接收 ICP-MS上去。这相当于样品在中间不动,但我们可以变换坐标用不同的仪器来测量,称为坐标转移定位技术。这样就能针对样品发挥每一台仪器的特点,在同一IUGAP平台上来实现。我们研发的质谱方法已从特色的制样,发展到微区的同位素分析和三维成像分析。

  概括来看,我们当前的核心技术是,运行特色的IUGAP一体化的铀矿地质分析平台。下一步我们将继续发展该平台为基于物联网的分布式检测平台(DTP)。今后,仪器虽然在我们实验室,但用户的样品可以在外地利用该平台进行精确检测。我们的研究工作全部都围绕着能源,以核能为主,当然也还可用在煤炭、环境、农业和生物样品中碳同位素、硫同位素示踪,水中氢、氘同位素的测定等。”

  建立质谱机组,研发标准物质

  据悉,IUGAP平台拥有各种ICP-MS近10台,形成了ICP-MS机组,包括高分辨ICP-MS,四极杆ICP-MS,多接收ICP-MS,也购买了国产的ICP-MS。

  IUGAP平台购置了高分辨大尺寸二次离子质谱(CAMECA IMS 1280-HR),该仪器主要进行同位素和微区分析,研究地质年代,测量核材料的同位素以及一些稀缺样品。由于微区的标准物质非常匮乏,所以郭冬发团队正在研发微区的标准物质,用于质谱测定。核地研院从上世纪60年代开始研发标准物质,已研发许多国家一级标准物质。


CAMECA IMS 1280-HR二次离子质谱

  搭建质谱研发平台

  除此之外,郭冬发为质谱机组建立了运行维护的团队,分别负责机械、电子和软件开发。团队除研发一些用于质谱(如热电离质谱)的零部件外,已搭建了两台专用的TOF型和小型磁式热电离质谱仪。郭冬发说:“TOF质谱有其长处,但若用于精确定量,其丰度灵敏度和精度都不够。搭建热电离质谱主要作为测试平台来测试如离子源、离子光学、检测器和质谱电子学以及人员技能训练等;当然另一方面也防范了技术风险。我们用10年时间建立的这个平台对实验室已有的大量质谱仪器维护运行、质谱仪器技术的积累、质谱技术应用和人才培养起到了很好的作用。”

质谱仪样品前处理系统


Finnigan MAT Element高分辨电感耦合等离子体质谱仪(最早进入中国的ICP-MS之一,现已被赛默飞收购)

建立仪器研发平台 培养人才是关键

  谈及中国质谱的发展方向,郭冬发表示,从无机领域来看,做应用的大部分都用进口质谱,因为需要站在巨人肩膀上向前走,但是做的东西好像都不属于我们。“我认为要推动中国质谱的发展,需利用目前的研发平台,从试制新原理开始,从一个个零部件开始研究,培养一批技术研究人才,让他们可按照自己的想法组装出一台能用的仪器。如果不从这方面抓起,而是买一个零部件就组装一下,那我们永远无法知道质谱内在的物理过程以及离子的运动规律,这样研究仪器很难把仪器研究好,顶多就是一个仿制品。”

  “中国质谱的发展关键是要大量地培养这类研发人才,”郭冬发说,“比如我们建立的仪器研发平台,就有研究机械、电子的人才;将来若要发展离子源,就专门培养做离子源的人才,使其攻克离子源设计制造的难关;我们还可用类似方法培养人才,逐步攻克质谱离子透镜、质量分析器、检测器、数据处理的各项难关,这样中国质谱才会有真正的发展。”

  郭冬发也发表了对中国的商品化质谱仪器发展道路的看法,他说:首先,如果是通用仪器,必须比进口仪器至少多一点特色。比如进口ICP-MS非常成熟,价格也基本一致,中国通过这么多年仪器研发,性能已经达到进口仪器某个年代的水平,但拼通用性能暂时优势不明显。不过,现在国产的ICP-MS能用且某些方面有特色,我国企业也具有了生产能力,发展前途是好的。在具有一定的ICP-MS研发制造能力后,需要努力研发出具有特色的技术,哪怕只有一点特色。其次,可以走专用仪器的发展道路,这是中国质谱突破和发展的关键。如果找到一个足够需求量的应用领域,为其提供专用仪器,比如结合前处理系统、数据系统等,就能杀出一条血路。这时,可能这台质谱不叫质谱仪了,可能有其它的名称。如果该专用仪器在某一领域有特殊的用途,就具备了前文所述核心技术的四大特性:有用、稀缺、不可替代和难以复制。如果能找到这种针对某领域的专用仪器,那么可以买国外最新的零部件,形成中国特色的、真正具有自主知识技术产权的专用质谱仪。此后可以针对该应用行业建立和推动标准,以促使该专用质谱仪发展壮大。

  谈到技术的发展,郭冬发也很感慨,“以前我们都不敢想,如今ICP-MS能这么普及,以前ICP-MS只能做痕量,现在可以做常量,还可以做高精度。近年来无论国外的文献,还是地质标准和地质分析里的文章都有论述。如一位奥地利学者分析硅酸盐中的硅,硅含量超过60%,ICP-MS测量精度竟能达到0.3%,这在以前是不可想象的。ICP-MS已从痕量元素测定发展到更宽广的动态范围,从痕量做到常量,大大扩展了无机质谱的应用范围。”

如何树立中国质谱在世界上的影响力和地位

  先专利再标准最后再发文章

  谈到中国质谱在世界上的影响力和地位,郭冬发表示:“仿制绝对没有前途、没有希望,绝对是一条死路。中国虽然不是技术的原创地,但中国的特点是市场特别大,面临许多中国特色问题,只有以问题为导向,我们才能形成仪器的特色。比如针对某一个领域的问题,而解决该问题必须用质谱,我们需要先形成专利、再形成标准,最后才是发表文章。而我国的现状是:自己还没做几个,就开始发文章,结果外国免费拿走了专利,我们就永远是跟随者。比如中国的资源特征,环境状况,中国人的特征,都与国外不同。针对这些领域的海量问题,梳理出必须用质谱解决的问题,寻找技术路径,研制出一类专用质谱,这样才能在世界上真正获得地位。”

  重视基础原理创新和更多的细节

  当然,基础原理的创新也不可忽视。比如陈洪渊院士提出了质谱函数,研究光电热的转化。从事基础研究需要有10年、20年坐冷板凳的准备。在基础研究没有突破之前,我们可在应用研究方面做问题导向的优化组合,这是当前中国质谱突破瓶颈的一条路径。

  举例来说,无论当前Orbitrap、Q-TOF多么先进,但在同位素高精度测量领域磁质谱还不可替代。如此经典的技术,国内还面临很多技术难关,比如如何精密测量磁场、控制磁场,如何造一台十万分之五精度的高压电源等。前面所述是质谱原理、质谱应用的重要性,但其实每一个细节都需要做精。

  “7月31日,我代表中国质谱学会参加了张清莲院士诞辰110周年纪念,他是中国质谱学会的首任理事长(1980-1984),他早年在核材料,氢材料,氢同位素方面有突出贡献,解放前已在Science、Nature上发文章;改革开放以后是北大的首任化学系主任,在他80多岁的时候测了10个无机元素同位素的原子量,被IUPAC收录接纳了,在元素周期表上留下了中国人的数据,这是他对世界科学很大的贡献。他做到这点的根本原因是求精准。我参加张青莲院士诞辰110周年纪念会深有感触。在任何行业和专业里,我们都要坚持到底,而不要总是哪里热就跟风到哪里。比如我本人本质上就是坚持两条:求精准,然后满足需求。无论是从事质谱基础研究、应用研究、还是研发的都会有自己的空间。在现实阶段进行应用研究,能做到很高超的地步也是高大上;基础研究假如没有达到基础的目的,还不如应用研究解决问题来得实在,自己选择干什么要结合自身的匹配度。

  最后, 祝愿中国质谱能为国家做出更大的贡献,能在国际上树立应有的地位,祝愿2018中国质谱大会圆满成功。”