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支持國產(chǎn)質譜，打破國外壟斷
[導讀] 在2013年無機及同位素質譜大會上，核工業(yè)北京地質研究院的郭冬發(fā)研究員做了題為“國產(chǎn)質譜儀應用實踐”的報告，列舉了要用國產(chǎn)質譜儀的三大理由，并分享了更多關于質譜應用和我國質譜發(fā)展的觀點。
【導語】
在2013年無機及同位素質譜大會上，核工業(yè)北京地質研究院的郭冬發(fā)研究員做了題為“國產(chǎn)質譜儀應用實踐”的報告，列舉了要用國產(chǎn)質譜儀的三大理由，語驚四座。郭冬發(fā)研究員添置了天瑞儀器的ICP-MS和廣州禾信TOF-MS產(chǎn)品，研制了LI/TI-TOF-MS和各種制樣裝置，并建立了相應的分析方法;通過自己的實踐，實證了國產(chǎn)質譜儀的可用性、科研價值及投資回報率;所取得的部分科研成果在會議的口頭報告和海報上都做了展示。郭冬發(fā)老師以一個使用過眾多高端質譜儀的儀器應用專家身份，大力支持國產(chǎn)質譜的舉動令人欽佩。會議間隙，分析測試百科網(wǎng)編輯十分榮幸采訪到郭冬發(fā)研究員，郭冬發(fā)老師分享了更多關于質譜應用和我國質譜發(fā)展的觀點，希望對所有關注者有所啟發(fā)
核工業(yè)北京地質研究院 郭冬發(fā)研究員
與ICP-MS和無機質譜結緣
1984～1986年，郭冬發(fā)研究員當時在東華理工大學任教，那時就開始使用ICP光譜儀，而且第一臺是中國鐵嶺儀器廠生產(chǎn)的ICP光譜儀 。1986～1989年期間，他在核工業(yè)北京地質研究院攻讀碩士研究生，畢業(yè)后一直在該院工作。當時的導師蔣鐵珊研究員引進了我國第一臺進口ICP光譜儀：島津公司的多道ICP-OES光譜儀。郭冬發(fā)老師在研究生就讀期間用這臺ICP光譜儀開展了很多研究工作，如：流動注射、氫化物發(fā)生-ICP分析方法。在有了ICP光譜儀的操作經(jīng)驗后，他開始對靈敏度更高、檢測能力更強的ICP-MS產(chǎn)生濃厚的興趣。
1992年，郭冬發(fā)老師有機會到日本研修，第一次接觸到ICP-MS(原安捷倫與日本Yokogawa電氣的合資公司聯(lián)合推出)。回國后，郭冬發(fā)老師便惦記著要為自己的實驗室購買一臺ICP-MS。1997年郭冬發(fā)老師得到了國家經(jīng)費支持，購買了實驗室第一臺磁式高分辨的ICP-MS(Element，F(xiàn)innigan，Germany)，并組建了高水平的ICP-MS實驗室;而當時Element型高分辨ICP-MS在國內的用戶不到10家。利用ICP-MS技術，郭冬發(fā)老師實驗室在核燃料循環(huán)工業(yè)、核地質等領域開展了大量的科研生產(chǎn)工作，部分研究成果在有關期刊上進行了展示。
如果不只是談ICP-MS，而是質譜儀的使用經(jīng)歷，郭冬發(fā)老師實驗室?guī)缀跏褂眠^世界上各種主流的無機、同位素質譜，比如：氣體同位素質譜儀(早期前蘇聯(lián)產(chǎn)氣體同位素質譜儀、德國產(chǎn)MAT251、MAT253、Delta-plus、Helix等)、熱電離質譜TIMS(無機質譜德國產(chǎn)MAT261、MAT262，英國產(chǎn)ISOPROB-T, ISOPROB-X等)系列同位素質譜儀。
ICP-MS的熱點應用及技術難點
作為無機質譜的應用專家，郭冬發(fā)老師也為小編普及了無機質譜及ICP-MS的一些知識。
應用極其廣泛 在諸領域有廣闊應用前景
作為無機質譜分析的主力儀器，ICP-MS可圍繞周期表中的大部分金屬和部分非金屬元素進行測定。既然是元素，那么從應用角度看，它與國民經(jīng)濟、科學發(fā)展和我們生活的各個方面都息息相關，如能源、材料、高純物質、半導體、地質等檢測領域都離不開ICP-MS。在當前環(huán)境監(jiān)測的熱點領域，ICP-MS可大顯身手，比如用于微粒、顆粒物、重金屬等分析對象中多元素的測定等。
此外，ICP-MS還可應用于生命科學領域，包括細胞組織里無機元素的檢測、生物樣品中的無機物檢測。“除了生物樣品，還用于醫(yī)用材料的檢測，”郭冬發(fā)老師補充說，“譬如牙科材料都是無機元素，都可用ICP-MS檢測;醫(yī)用材料中人造骨頭的成分是磷灰石，對我們來說這是礦物，又是醫(yī)用人造骨頭，這一類的材料檢測也離不開ICP-MS。”
郭冬發(fā)老師還指出，清華大學張新榮教授在本屆大會上帶來的題為《ICP-MS在生命科學中的應用潛力》報告非常有意義，展示了ICP-MS作為重要的生命科學分析工具的潛力，它具有多組分分析和絕對定量的能力，在生命科學研究中有廣泛應用前景。郭冬發(fā)老師還特別談到，ICP-MS測定非金屬元素(B、S、P、As、Se、Ge等) 的潛能，將打通無機與有機生物界的通道，為ICP-MS在無機界以外的應用發(fā)展帶來新的機遇。
ICP-MS中如何消除或利用干擾
眾所周知，ICP-MS存在兩大問題，一是基體干擾，二是質譜干擾。針對這些難點，目前已有一些方法來解決這兩大問題。基體干擾的去除法包括：改進儀器本身，離線化學前處理、或在儀器前端通過化學反應等方法在線分離去除基體。而各廠家提供的碰撞池、反應池等技術，常常是為了去除質譜干擾。
另外，可通入某種氣體使干擾物解離或復合，達到測試目的。比如測定硫元素，可以加氧使其變成SO或SO2，不是測單個元素的同位素，而是測量分子化合物，通過將硫元素轉變成分子來消除原來位置的干擾。郭冬發(fā)老師舉例說：“氣體質譜分析非常典型，如生產(chǎn)線上測鈾-235、鈾-238的時候，是將鈾轉化為六氟化鈾氣體后，用氣體同位素質譜儀來測定;同樣，在ICP-MS測定某些元素過程中，也可通過在線氣相反應來消除質譜干擾。”
不用ICP離子化的無機質譜技術
以激光、介質放電低溫等離子體技術和質譜儀聯(lián)用，是未來無機質譜技術的發(fā)展方向之一。不用ICP，使樣品直接離子化，不會丟失碎片信息。因為樣品在ICP 8000℃條件下經(jīng)原子、離子化后，分子信息相對較少;如果不接ICP，樣品離子化后的分子信息將會很豐富，可成為有用的特征信息。例如檢測四氟化鈾時，如果經(jīng)過ICP則完全檢測不到氟，全部是鈾，無法區(qū)分樣品是四氟化鈾還是金屬鈾;但如果直接用激光離子化后同質譜聯(lián)用，氟和鈾這兩個信號就能非常清楚地得到區(qū)分。
郭冬發(fā)老師表示，“所以我們可以利用一些干擾的現(xiàn)象，將不利化為有利，而不是消除它們。例如無機元素在真空環(huán)境中很容易形成化合物，這是它的自然條件。如果有干擾的話，故意加進去一些反應物，就形成了化合物，那就是利用干擾。”郭冬發(fā)老師團隊在這次大會中墻報展示的成果之一，激光電離飛行時間質譜技術測定鈾基核材料的方法，就利用了這一原理，效果很不錯。
未來無機質譜的幾大發(fā)展方向
儀器自身性能要追求更高指標，以及可靠耐用性
談到ICP-MS儀器技術的發(fā)展方向，郭冬發(fā)老師表示：首先，從儀器本身來講，不斷追求更高的指標是永恒的主題，包括靈敏度、選擇性、高通量、準確度、重復性、穩(wěn)定性等;其次，由于質譜技術已成為一種常規(guī)分析工具，所以除了指標外，還要追求可靠性、耐用性。
關于如何實現(xiàn)指標的提高，郭冬發(fā)老師介紹了幾種技術，“比如用串聯(lián)型ICP-MS/MS，離子傳輸系統(tǒng)變化，可進一步消除本底和干擾，提高靈敏度;從檢測器方面來看，離子計數(shù)檢測器、高穩(wěn)定度的法拉第杯等儀器硬件還有不斷完善的空間。另外在儀器軟件方面也有提高的空間，比如智能化軟件、個性化定制軟件的發(fā)展。”
總結本屆會議關于質譜技術的報告亮點，郭冬發(fā)老師談到了固體進樣技術、定制質譜儀器等。
新型樣品進樣技術
郭冬發(fā)老師指出，固體樣品原位進樣技術是本屆無機質譜大會的一大亮點，期間有多位報告人的報告中都談及此技術。比如廈門大學杭緯教授提出了激光濺射電離新型進樣技術，操作簡單、直接;清華大學邢志老師的報告也很精彩，介紹了一種用LTP探針進行固體樣品剝蝕、利用原子光譜或等離子體質譜作檢測的新技術，可直接對固體樣品進行表面分析和成像分析。
另外，四川大學分析測試中心侯賢燈教授的報告，提出了光化學蒸氣發(fā)生進樣的新技術，可提高分析物引入的效率，提高選擇性，直接分離基體降低干擾，提高靈敏度降低檢出限，使直接分析形態(tài)(包括分子形態(tài)和元素價態(tài))成為可能，容易實現(xiàn)自動化。
針對需求 研發(fā)定制質譜儀器 促進原始創(chuàng)新
目前傳統(tǒng)的質譜儀器市場已基本被國外儀器公司所壟斷，針對某些特殊問題研制專用質譜儀，是我國質譜儀器公司發(fā)展的一大前景。郭冬發(fā)老師也談到了一些開發(fā)研制的思路：“研制專用質譜儀需采用合作方式，質譜公司同行業(yè)專家一同合作研發(fā)，根據(jù)用戶的具體需求定制，更可以根據(jù)儀器的具體應用來命名，比如禾信研發(fā)的氣溶膠質譜儀，我們集團的鈾同位素質譜儀、硫同位素質譜儀等。”
實驗室自主研發(fā)的激光熱電離飛行時間質譜儀(LI/TI-TOF-MS)
據(jù)了解，郭冬發(fā)老師所在核工業(yè)北京地質研究院的應用特色為核素分析和同位素分析，并擁有大量的質譜儀器。2011年開始，實驗室自己組裝搭建了新型激光熱電離飛行時間質譜儀(LI/TI-TOF-MS)，禾信公司提供了TOF質譜部分，其余部分由該實驗室完成設計、加工、組裝、軟件設計。TI-TOF-MS可作為磁質譜的伴侶來應用。以前開發(fā)磁質譜的每個方法周期漫長，因為無法了解同位素的蒸發(fā)、電離過程和條件;而有了TI-TOF-MS后，檢測過程一目了然，大大縮短了磁質譜應用方法的開發(fā)周期，能促進實現(xiàn)元素周期表上更多元素的分析，促進檢測方法和技術上的創(chuàng)新。郭冬發(fā)老師表示：以前購買國外的商用儀器再開發(fā)分析和前處理方法，創(chuàng)新性不足;而現(xiàn)在根據(jù)自己的研究需要開發(fā)儀器，可以在儀器檢測技術上有更多原始創(chuàng)新。
應用領域和儀器技術結合的未來幾大方向
應用和技術的結合發(fā)展方向，郭冬發(fā)老師首先談到了本屆大會上王海舟院士提到的材料基因組研究方向。它要求在材料中找到代表材料性能的基本單元，這些基本單元有些可以用傳統(tǒng)的元素分析技術，而有些基本單元可能以團簇形式存在，用傳統(tǒng)的ICP把團簇都打碎了，所以需要新型的進樣技術，而在分析團簇方面，使用TOF也將比傳統(tǒng)的四極桿分析器更有優(yōu)勢。
其次是聯(lián)用技術的發(fā)展將促進質譜儀在生命科學、醫(yī)療診斷領域的應用。該領域的應用主要是尋找和疾病有關的基本單元，并用檢測方法來表征結構、定性定量。無機和有機質譜與其它技術的聯(lián)用，都將在這些領域大有作為。
郭冬發(fā)老師總結道：“研究熱點有很多，我的總結是：原位、快速、高靈敏度、高精密度仍然是質譜的發(fā)展方向;分析測試技術方面要追求四“高”，高準確度(包括精密度和正確度)、高靈敏度、高通量、高性價比(包括儀器和方法)。
大家都知道，天瑞儀器2012年重磅推出GC-MS、ICP-MS、LC-MS三款質譜。據(jù)了解，郭冬發(fā)老師實驗室購買了天瑞公司生產(chǎn)的中國第一臺商品化ICP-MS;同時據(jù)這次昆山質譜會了解，天瑞的GC-MS已經(jīng)售出50余套。天瑞儀器研發(fā)質譜儀采用了不同的融資渠道。針對此問題我們問及了郭冬發(fā)老師的看法。郭冬發(fā)老師談了以下幾個觀點：
上市公司更能保證科學儀器研發(fā)的持續(xù)性
企業(yè)家應有眼光和魄力，天瑞是上市公司，得到了股民的支持，所以有實力來開發(fā)高端的質譜儀器。對于產(chǎn)品研發(fā)項目產(chǎn)出的檢驗，市場和公眾一定更嚴格。這對中國儀器的發(fā)展極為重要，應該讓市場來分配資源、檢驗資源，這也符合十八屆三中全會的精神。
質譜的投入比想象中要更大，需要更持續(xù)的投入和企業(yè)家的長遠目光。目前生產(chǎn)一臺質譜儀僅原材料成本就達幾十萬;進口儀器的價格上限在那里，一臺經(jīng)典的四級桿ICP-MS，一百二十多萬元左右，中國企業(yè)剛做出來，超不出這個價吧，確實沒有什么利潤空間。所以，即使做出了產(chǎn)品，還需要長久的堅持、長久的投入。
比如，靠立項能獲得國家財政支持，能解一時之渴，現(xiàn)在也確實有一些用戶進來產(chǎn)學研用，從用戶的角度提一些意見;但這畢竟財力和人力有限。這些錢一旦斷掉了，如果沒有新的經(jīng)費來源，項目就有可能不可持續(xù)。市場真的很殘酷，不講情面。而上市公司從一開始就面對大眾，投資任何項目都要面對大眾，受到更多的監(jiān)督，也一定會在重壓下更多地考慮產(chǎn)品的市場前景。股民如看好公司的預期和遠見，就會持續(xù)投入。“我認為，將來的主要方向應當依靠包括上市公司在內的企業(yè)來發(fā)展高技術含量、高端科學儀器產(chǎn)品。國家財政資金要用在刀刃上，用于解決共性關鍵技術等問題。”
中國的科學儀器目前更要“接地氣”
儀器公司也許能獲得資本支持、國家項目支持，但最重要的還是得到客戶的支持，主渠道是需要公眾的使用、公眾的支持、公眾的監(jiān)督。離開公眾的參與，很難得到市場的檢驗。市場檢驗的依據(jù)最終需要解決科學問題和應用問題。郭冬發(fā)老師指出，“學術報告時有專家談到儀器研制要‘頂天立地’，面對國際巨頭，我們還談不上‘頂天’;所以這個階段國內的儀器研發(fā)要談更多的是‘立地’，要更‘接地氣’，這樣才能產(chǎn)生更多的社會財富，為國家創(chuàng)造更多的利稅，為公眾帶來更多的利益，也就有更多的資金進一步研發(fā)，這樣走下去中國分析儀器市場一定能獲得成功。”
企業(yè)之間不要打價格戰(zhàn) 科學家要為中國企業(yè)提供幫助
郭冬發(fā)老師認為，企業(yè)間有競爭也要有合作，真正推向市場的產(chǎn)品不要太同質化，也不要以降價來惡性競爭。只有當銷售得很多了，價格才能真正便宜下來。
極其難能可貴的是，對于國產(chǎn)質譜的技術進步和資金壓力，郭冬發(fā)老師表達了深刻的理解：“如果天瑞一年能賣幾百臺ICP-MS，我相信天瑞的技術進步會很快，但是賣的量不夠，資金就有壓力。”郭冬發(fā)老師還對我國科研界發(fā)出了倡議：“我倡導科學家們要講良心，科學家有那么多研究，花了那么多納稅人的錢，發(fā)表了那么多論文，最好是能有意識地幫助國內廠家，把研究的成果轉化為實實在在的生產(chǎn)力。科學家對企業(yè)得給些具體的指點，指出問題到底在哪里，如何改進，國產(chǎn)廠家一定會虛心接受你的意見。因為外國公司的技術秘密是不會告訴我們的，需要我國的科學家們幫助企業(yè)一起摸索。大道理誰都懂，但是具體做會遇上很多很多問題，比如質譜要求精密加工和裝配，‘差之微米，失之千里’，其中有很多竅門。科學家們要為企業(yè)提供有價值的技術支持和幫助，而不要總是責備。當然，企業(yè)也要自己爭氣，真正的發(fā)展要靠自己。”
國家經(jīng)費要支持解決實際工藝中的科學問題
郭冬發(fā)老師認為，不僅基礎研究，工程化研究中也包含科學問題。工程化中遇到的問題如抽象出來也是科學問題。所以，使用納稅人渠道的國家經(jīng)費，也要支持解決實際工藝中的科學問題。比如分子泵、檢測器、質譜電子學、質譜軟件等等。我們特別需要大量的小公司來把每一件事都做精了，大公司才有能力把眾多小公司綁在一條利益鏈上。“目前，企業(yè)界得到的自然科學基金支持比較少，自然科學基金主要集中在高校和科研院所。我們也呼吁將來自然科學基金也能夠在解決企業(yè)發(fā)展中遇到的、抽象出來的科學問題方面提供幫助。比如美國的頁巖氣開發(fā)為什么能成功，是因為大量的小公司，每家就干一件事，來支撐一個大產(chǎn)業(yè)，而小公司也正是技術創(chuàng)新的源泉之一。中國質譜儀器制造，要專業(yè)化、股份化，要讓小公司慢慢成長。 今天中國小米等IT企業(yè)的成功，也是如此!”
支持國產(chǎn)質譜儀器的三大理由
采訪中郭冬發(fā)老師告訴我們：“在ICP-MS應用研發(fā)方面，我做出的最大成績就是在國外ICP-MS儀器的基礎上建立了一些國家標準方法，例如海洋沉積物、海洋錳結石的ICP-MS方法國家標準。”但隨著國家標準方法的建立，郭冬發(fā)老師又有了擔憂，這些標準都基于國外儀器，今后是否可靠無法保證，萬一國外出口管制，不賣給中國，后果不堪設想;而針對中國涉“核”單位，外國政府向來實行出口管制，設置重重障礙。因此從國家安全層面考慮，研發(fā)國產(chǎn)質譜儀非常重要。
談到未來我國質譜的發(fā)展前景時，郭冬發(fā)老師借用自己在會議報告中結尾的寄語：“曙光在前頭，任重而道遠。”我國質譜的發(fā)展前景是光明的，但前行的道路是曲折的。非常需要我國質譜儀器公司將我國商品化質譜儀的市場做大，并一定要在儀器的可靠性和耐用性上下功夫，儀器質量提高，自然就會贏得市場。
總結為何要用國產(chǎn)質譜，郭冬發(fā)老師提了三大理由：
1)國外儀器很好，但對中國涉“核”單位實行出口管制，外國政府設置重重障礙;
2)通過自己的實踐證明，中國國產(chǎn)系列質譜儀已經(jīng)能滿足核燃料循環(huán)分析要求;
3)使用納稅人的錢，科學家得講良心。
無機質譜大會為與會者提供了一個相互交流的平臺
談到會議的感受，郭冬發(fā)老師表示：全國無機及同位素質譜學學術會議是中國質譜學會歷屆舉辦的很重要的一個活動，本屆參與人數(shù)超出了預期，共計200多位與會者參會，參會人員包括最頂級的研究工作者，也包括在一線的分析檢測工作者。本次會議前期通過網(wǎng)絡投稿，在流程方面也得到了優(yōu)化。此外大會得到了江蘇天瑞公司的大力支持，給與會者提供了一個相互交流的平臺，大家相互探討，交流學術心得，是一次非常成功的會議。
把分析工作當成游戲來玩 挖掘游戲大門背后的寶藏
最后，當談到對年輕一代從事分析化學的工作者有哪些建議時，郭冬發(fā)老師談及了自己的幾點感受：第一，一定要熱愛你所從事的行業(yè)，從某些角度看，分析工作是非常枯燥的，天天面對的是瓶瓶罐罐;但如果“你把分析過程當成游戲來玩，你就會非常有興趣，并一定能做出成績來。比如質譜分析的游戲就是操控離子，你玩得越好，級別越高，就能打開游戲中更多的神秘大門，發(fā)掘更多的寶藏”。第二，一定要認識到，分析化學在社會生活、國民經(jīng)濟、國家安全等方面都非常重要。分析化學本質是獲取信息，以前說分析化學是科學的“眼睛”，現(xiàn)在更可以說分析化學就像科學的“五官”，幫助各行各業(yè)科學工作者的大腦獲取信息，做出正確的判斷。例如在醫(yī)療領域就是先通過分析檢測手段發(fā)現(xiàn)癌癥，之后再采取措施進行治療;在材料領域，通過分析技術可得知物質材料的缺陷，發(fā)現(xiàn)問題之后進行改造和創(chuàng)新。
附錄：郭冬發(fā)研究員簡歷
郭冬發(fā)(1965年1月生)，1984年畢業(yè)于東華理工大學分析系，1989年獲核工業(yè)北京地質研究院核地質分析專業(yè)工學碩士學位，2005年獲中國原子能科學研究院核燃料與材料分析專業(yè)工學博士學位。現(xiàn)任核工業(yè)北京地質研究院副總工程師兼分析測試研究所所長、二級研究員級高級工程師、博士生導師、分析測試學科帶頭人、中核集團地礦事業(yè)部分析測試技術項目總地質師。兼任中國計量測試學會地礦實驗分會副主任、全國核能材料標準化技術委員會委員、全國國土資源標準化技術委員會委員等職。主要技術經(jīng)歷如下：1984～1986年在東華理工大學任助教，主要從事電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀教學與實驗工作;1989年加入核工業(yè)北京地質研究院至今，先后任課題負責人、室副主任、室主任等職。其中，2003～2005年，任國際原子能機構武器核查專家。主要技術領域涉及電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀與流動注射及氫化物發(fā)生聯(lián)用技術、α&γ能譜分析技術、電感耦合等離子體質譜技術、微粒同位素分析技術、激光誘導擊穿光譜技術、熱電離飛行時間質譜技術、激光飛行時間質譜技術、分析方法標準化和標準物質研制等，主要研究對象為鑭系和錒系元素。獲省部級科技進步獎十多項，公開發(fā)表論文六十多篇，獲專利十多項，制定各類標準十多項。現(xiàn)致力于核地質分析測試技術研究與應用開發(fā)，力推國產(chǎn)質譜儀器的發(fā)展。
