歡迎您來到,中國質譜學會網!

郭冬發:構建質譜核心技術的四大特性

英雄联盟高清壁纸 www.qzhep.icu 發布時間:2018-09-22 閱讀次數:723次

由中國質譜學會、中國化學會質譜分析專業委員會和中國儀器儀表學會分析儀器分會質譜儀器專業委員會聯合主辦的“2018年中國質譜學術大會”將于2018年11月23日在廣州召開。本屆會議在中國質譜發展歷史上將具有里程碑的意義,它標志著中國質譜發展進入了新時代。近日,分析測試百科網采訪到核工業北京地質研究院的郭冬發研究員,他將從自己研究的角度談談召開本次中國質譜大會的意義和中國質譜的發展的看法與見解。


核工業北京地質研究院研究員 郭冬發

獨一無二的新時代質譜大會

  提及本次召開的2018年中國質譜學術大會,郭冬發表示:首先從形式上看,過去中國物理學會質譜分會(中國質譜學會)、中國化學會質譜分析專業委員會、中國儀器儀表學會質譜分會各自開會,今年11月即將召開的中國質譜學會大會整合三會一起召開,形式上的這種變化是質譜進入新時代的特征之一。

  其次在內容上,國家的發展大勢進入了以高質量發展為特征的新時代,質譜學會緊跟新時代國家的重大需求和面臨的問題,召開全國層面的中國質譜大會意義深遠。質譜已從最早的無機、同位素、有機、生物等方面擴大到精準醫療、臨床醫療等領域,涉及面更寬廣。新時代下,質譜的應用無所不包,既能改善生活質量,又能提高綠色經濟水平,是一個強有力的工具?!案髦種勢錐冀肓誦率貝??!憊⒕倮?,“比如傳統的無機質譜也進入了新時代。人們每天日常所見的許多物質都是無機物,包括地球、巖石、土壤、鋼材鋁材、各種材料等等。由于人們對無機元素認識得早,近年來會感覺無機元素分析在走下坡路;但無機元素分析本身還有很多未解決的工程技術問題、國家需求問題和科學問題。而且,無機和有機的界限現在越來越模糊,金屬和生物蛋白質復合物中,金屬的作用越來越大。比如廈門大學王秋泉教授研究金屬標記物,清華大學張新榮教授研究稀土標記物,都用到ICP-MS。醫療領域中,我現在吃的降糖藥‘鉻補充劑’有效成分也是無機元素,但卻能有效降低血糖濃度。故新時代下,無機質譜不僅不會被取代,還會越來越強?!?/p>

  第三方面,中國質譜大會也將促進質譜內部各學科之間的交叉融合,比如無機同位素質譜的學者將從質譜在有機、生物、精準醫療的應用中得到啟發,反過來也一樣。通過質譜大會這個獨一無二的平臺,質譜學者跳出“同溫層”進行交流,互相汲取精華。質譜各種技術取長補短、相互融合,在這個大會上參與者總能收獲自己喜歡的知識,既有“同溫層”的交流,又有不同梯度的碰撞和火花,很有可能促進創新。

質譜應用貫穿整個能源材料過程

  郭冬發介紹說,核工業北京地質研究院成立于1959年3月,是一所以鈾礦地質為主的多學科綜合性研究機構,設有地質礦產、遙感技術應用、環境工程、分析測試、物化探、儀器開發和科技信息等7個研究所,建有核工業地質分析測試中心。

  核工業北京地質研究院有60年的歷史,而且在建院前的1955年就建立了實驗室,國內最早的第一代無機質譜儀、同位素質譜儀都在這里,實驗室配備了典型意義上的各種無機質譜。首先,中心有各種ICP-MS為主的質譜做元素分析;其次,同位素質譜比較完備,包括多接收 ICP-MS,激光燒蝕ICP-MS,熱電離質譜儀,穩定同位素質譜,大尺寸二次離子質譜,惰性氣體質譜等,幾乎涵蓋了各種無機同位素質譜。在加速器質譜、激光共振電離質譜方面,中心也與其它單位開展合作。所以在整個無機研究領域,中核地質實驗室的檢測能力覆蓋了從氫同位素、鈾同位素及惰性氣體檢測的幾乎所有領域。

  “這些質譜主要為新能源服務,”郭冬發說。我國的能源結構以煤火電力為主,2017年數據顯示,其中火電約73.4%,水電約17.2%,風電約4.3%,核電約3.94%,太陽能電力約1.04%。目前,我國38臺百萬千瓦級核電機組在運行,另有19臺在建,共57臺。

  郭冬發說:“按照國家規劃,2020年運行的核電機組發電容量是5800萬千瓦,在建的就有3000萬千瓦,即使到達這個程度,占比仍然較低。我們主要做新能源,核能發展空間很大,且核電是穩定可靠的清潔能源。質譜主要就為這一領域服務,從地質勘查找礦到核燃料循環、核材料的生產質量控制、環境檢測、廢物地下處置等都需要無機同位素質譜一直伴隨工作?!?/p>

  “我曾在幾年前的質譜會上做過關于從鈾礦勘查到核廢物處置的質譜應用報告。這說明了質譜在整個能源領域的用途很大,地下找礦需要ICP無機質譜、地表信息數據搜集需要同位素質譜,污染水源的測量也離不開質譜,所以質譜在能源領域無處不在。這也是我們實驗室配這么多質譜儀的原因?!憊⒕倮潰骸暗刂士輩檎銥蟮氖焙?,需要地表土壤樣品,如果具有隱伏礦,那么某些氣體會通過納米顆粒帶到地表,地表土壤吸收后,則需要用高精度大通量的ICP-MS去測量,最后確定出異常的分布范圍。這個方法叫“微弱信息捕捉法”,通過找礦的蛛絲馬跡來鎖定礦在哪里。之后再將找到的鈾礦中的鈾提取開采出來做成鈾產品。此后,要進行鈾轉化、鈾濃縮和核燃料元件加工。加工好的核燃料元件進入核電站發電,用過的核燃料元件需要經過冷卻,再進行后處理。經過后處理后形成的最終廢物則需要進行深部地質處置。這些過程和節點涉及的檢測,很多都需要靠質譜儀來實現?!?/p>

  核心技術:一體化鈾礦地質分析平臺(IUGAP)

  目前,郭冬發研究團隊建立的一體化的鈾礦地質分析平臺(IUGAP)主要應用于地質分析、鈾礦勘查、核材料分析等,也具備第三方檢測功能,同時也承擔國家項目。



一體化鈾礦地質分析平臺(IUGAP)

  “目前,我們主要仍以方法開發為主?!憊⑶康鰨骸叭綣擁ヒ灰瞧骼唇?,我們的優勢并不明顯,但擁有IUGAP平臺就具有了核心技術。核心技術四大特性包括價值性、稀缺性、不可替代性和難以復制性。20年前我們有ICP-MS是核心技術,因為當時具備ICP-MS具有上述四大特性;而如今ICP-MS到處都是,這就使當時的核心技術變為現在的普通技術。同樣,現在很多實驗室也能購買熱電離質譜儀。現在,我們把所有的儀器都整合到IUGAP平臺,就具備了核心技術的四大特性。IUGAP平臺首先具有價值性,能解決國家的重大需求和科學問題;第二具有稀缺性,國內能組合這樣平臺的單位很少;第三在鈾礦地質分析中具有不可替代性;第四具有難以復制性,即使投資若干億建一個和我們一樣的實驗室,但如果缺乏專業人員,缺乏各種各樣大量的分析測試技術方法,以及技術方法用到的各種各樣的裝置和零部件,要建立這樣的平臺至少需要若干年。所以,我們在一定的時間內擁有核心技術。

  “比如我們實驗室使用惰性氣體質譜儀,研制了液、氣及流體包裹體樣品的制樣系統以及整個流程,如何從樣品轉化成適應質譜進樣,這涉及大量的化學過程、物理過程,我們擁有相當數量的專利和技巧。同樣以ICP-MS找礦應用為例,面對各種巖石各種樣品,需要特色的化學處理方法,使之變成適應ICP-MS進樣的形式。這是我們質譜研究的特點。

  “再以SIMS二次離子質譜舉例,可以用一臺掃描電鏡對微粒進行微區觀測,但沒有同位素分析功能,利用我們掌握的坐標轉移功能,可在掃描電鏡標記的基礎上,將觀測點轉到SIMS上進行同位素測量;接下來也可以再轉到激光多接收 ICP-MS上去。這相當于樣品在中間不動,但我們可以變換坐標用不同的儀器來測量,稱為坐標轉移定位技術。這樣就能針對樣品發揮每一臺儀器的特點,在同一IUGAP平臺上來實現。我們研發的質譜方法已從特色的制樣,發展到微區的同位素分析和三維成像分析。

  概括來看,我們當前的核心技術是,運行特色的IUGAP一體化的鈾礦地質分析平臺。下一步我們將繼續發展該平臺為基于物聯網的分布式檢測平臺(DTP)。今后,儀器雖然在我們實驗室,但用戶的樣品可以在外地利用該平臺進行精確檢測。我們的研究工作全部都圍繞著能源,以核能為主,當然也還可用在煤炭、環境、農業和生物樣品中碳同位素、硫同位素示蹤,水中氫、氘同位素的測定等?!?/p>

  建立質譜機組,研發標準物質

  據悉,IUGAP平臺擁有各種ICP-MS近10臺,形成了ICP-MS機組,包括高分辨ICP-MS,四極桿ICP-MS,多接收ICP-MS,也購買了國產的ICP-MS。

  IUGAP平臺購置了高分辨大尺寸二次離子質譜(CAMECA IMS 1280-HR),該儀器主要進行同位素和微區分析,研究地質年代,測量核材料的同位素以及一些稀缺樣品。由于微區的標準物質非常匱乏,所以郭冬發團隊正在研發微區的標準物質,用于質譜測定。核地研院從上世紀60年代開始研發標準物質,已研發許多國家一級標準物質。


CAMECA IMS 1280-HR二次離子質譜

  搭建質譜研發平臺

  除此之外,郭冬發為質譜機組建立了運行維護的團隊,分別負責機械、電子和軟件開發。團隊除研發一些用于質譜(如熱電離質譜)的零部件外,已搭建了兩臺專用的TOF型和小型磁式熱電離質譜儀。郭冬發說:“TOF質譜有其長處,但若用于精確定量,其豐度靈敏度和精度都不夠。搭建熱電離質譜主要作為測試平臺來測試如離子源、離子光學、檢測器和質譜電子學以及人員技能訓練等;當然另一方面也防范了技術風險。我們用10年時間建立的這個平臺對實驗室已有的大量質譜儀器維護運行、質譜儀器技術的積累、質譜技術應用和人才培養起到了很好的作用?!?/p>

質譜儀樣品前處理系統


Finnigan MAT Element高分辨電感耦合等離子體質譜儀(最早進入中國的ICP-MS之一,現已被賽默飛收購)

建立儀器研發平臺 培養人才是關鍵

  談及中國質譜的發展方向,郭冬發表示,從無機領域來看,做應用的大部分都用進口質譜,因為需要站在巨人肩膀上向前走,但是做的東西好像都不屬于我們?!拔胰銜貧泄勢椎姆⒄?,需利用目前的研發平臺,從試制新原理開始,從一個個零部件開始研究,培養一批技術研究人才,讓他們可按照自己的想法組裝出一臺能用的儀器。如果不從這方面抓起,而是買一個零部件就組裝一下,那我們永遠無法知道質譜內在的物理過程以及離子的運動規律,這樣研究儀器很難把儀器研究好,頂多就是一個仿制品?!?/p>

  “中國質譜的發展關鍵是要大量地培養這類研發人才,”郭冬發說,“比如我們建立的儀器研發平臺,就有研究機械、電子的人才;將來若要發展離子源,就專門培養做離子源的人才,使其攻克離子源設計制造的難關;我們還可用類似方法培養人才,逐步攻克質譜離子透鏡、質量分析器、檢測器、數據處理的各項難關,這樣中國質譜才會有真正的發展?!?/p>

  郭冬發也發表了對中國的商品化質譜儀器發展道路的看法,他說:首先,如果是通用儀器,必須比進口儀器至少多一點特色。比如進口ICP-MS非常成熟,價格也基本一致,中國通過這么多年儀器研發,性能已經達到進口儀器某個年代的水平,但拼通用性能暫時優勢不明顯。不過,現在國產的ICP-MS能用且某些方面有特色,我國企業也具有了生產能力,發展前途是好的。在具有一定的ICP-MS研發制造能力后,需要努力研發出具有特色的技術,哪怕只有一點特色。其次,可以走專用儀器的發展道路,這是中國質譜突破和發展的關鍵。如果找到一個足夠需求量的應用領域,為其提供專用儀器,比如結合前處理系統、數據系統等,就能殺出一條血路。這時,可能這臺質譜不叫質譜儀了,可能有其它的名稱。如果該專用儀器在某一領域有特殊的用途,就具備了前文所述核心技術的四大特性:有用、稀缺、不可替代和難以復制。如果能找到這種針對某領域的專用儀器,那么可以買國外最新的零部件,形成中國特色的、真正具有自主知識技術產權的專用質譜儀。此后可以針對該應用行業建立和推動標準,以促使該專用質譜儀發展壯大。

  談到技術的發展,郭冬發也很感慨,“以前我們都不敢想,如今ICP-MS能這么普及,以前ICP-MS只能做痕量,現在可以做常量,還可以做高精度。近年來無論國外的文獻,還是地質標準和地質分析里的文章都有論述。如一位奧地利學者分析硅酸鹽中的硅,硅含量超過60%,ICP-MS測量精度竟能達到0.3%,這在以前是不可想象的。ICP-MS已從痕量元素測定發展到更寬廣的動態范圍,從痕量做到常量,大大擴展了無機質譜的應用范圍?!?/p>

如何樹立中國質譜在世界上的影響力和地位

  先專利再標準最后再發文章

  談到中國質譜在世界上的影響力和地位,郭冬發表示:“仿制絕對沒有前途、沒有希望,絕對是一條死路。中國雖然不是技術的原創地,但中國的特點是市場特別大,面臨許多中國特色問題,只有以問題為導向,我們才能形成儀器的特色。比如針對某一個領域的問題,而解決該問題必須用質譜,我們需要先形成專利、再形成標準,最后才是發表文章。而我國的現狀是:自己還沒做幾個,就開始發文章,結果外國免費拿走了專利,我們就永遠是跟隨者。比如中國的資源特征,環境狀況,中國人的特征,都與國外不同。針對這些領域的海量問題,梳理出必須用質譜解決的問題,尋找技術路徑,研制出一類專用質譜,這樣才能在世界上真正獲得地位?!?/p>

  重視基礎原理創新和更多的細節

  當然,基礎原理的創新也不可忽視。比如陳洪淵院士提出了質譜函數,研究光電熱的轉化。從事基礎研究需要有10年、20年坐冷板凳的準備。在基礎研究沒有突破之前,我們可在應用研究方面做問題導向的優化組合,這是當前中國質譜突破瓶頸的一條路徑。

  舉例來說,無論當前Orbitrap、Q-TOF多么先進,但在同位素高精度測量領域磁質譜還不可替代。如此經典的技術,國內還面臨很多技術難關,比如如何精密測量磁場、控制磁場,如何造一臺十萬分之五精度的高壓電源等。前面所述是質譜原理、質譜應用的重要性,但其實每一個細節都需要做精。

  “7月31日,我代表中國質譜學會參加了張清蓮院士誕辰110周年紀念,他是中國質譜學會的首任理事長(1980-1984),他早年在核材料,氫材料,氫同位素方面有突出貢獻,解放前已在Science、Nature上發文章;改革開放以后是北大的首任化學系主任,在他80多歲的時候測了10個無機元素同位素的原子量,被IUPAC收錄接納了,在元素周期表上留下了中國人的數據,這是他對世界科學很大的貢獻。他做到這點的根本原因是求精準。我參加張青蓮院士誕辰110周年紀念會深有感觸。在任何行業和專業里,我們都要堅持到底,而不要總是哪里熱就跟風到哪里。比如我本人本質上就是堅持兩條:求精準,然后滿足需求。無論是從事質譜基礎研究、應用研究、還是研發的都會有自己的空間。在現實階段進行應用研究,能做到很高超的地步也是高大上;基礎研究假如沒有達到基礎的目的,還不如應用研究解決問題來得實在,自己選擇干什么要結合自身的匹配度。

  最后, 祝愿中國質譜能為國家做出更大的貢獻,能在國際上樹立應有的地位,祝愿2018中國質譜大會圓滿成功?!?/p>