「做中國的飛行時間質譜儀」——訪上海大學環境與化學工程學院...

『編者加註：飛行時間(Time of Flight, TOF)質譜儀的原理：由離子源產生的離子經加速後進入無場漂移管，以恆定的速度飛向離子接收器；離子到達接收器所用的飛行時間和離子的質荷比(m/z)相關；通過測量各種離子到達飛行管的飛行時間，就可以得到離子的m/z值。飛行時間質譜儀具有可檢測分子量範圍大、掃描速度快、儀器結構簡單等優點。』

　　第一次見到周振博士是2008年9月26日在嘉興召開的第六屆分析儀器發展與創新論壇暨第一屆中國科學儀器南湖論壇上，他在「國產質譜研發與產業化」的會議上做了題為「飛行時間質譜的研製」的報告，給與會者留下了深刻的印象。

　　周振博士從事質譜儀器的研究十幾年，目前擔任上海大學研究員。在德國吉森大學讀物理學博士期間，得到了無網反射飛行時間檢測器發明人H. Wollnik教授和垂直引入式飛行時間檢測器發明人A. Dodonov教授的指導，並於2000年成功研製了解析度達20000的高分辨垂直引入式飛行時間質譜儀，技術指標為當時國際同類儀器的最高水平。2000年開始，周振博士往返於歐美與中國，與志同道合的朋友一起，希望把這一技術在中國實現產業化。

　　

　　上海大學環境與化學工程學院周振研究員

　　2004年周振博士全職回國，創辦了廣州禾信分析儀器有限公司，開展飛行時間質譜儀的開發和產業化工作，同時被聘為中科院廣州地球化學研究所的研究員，潛心於飛行時間質譜分析器的研究，2006年研製成功國內首臺解析度達10000的大氣壓基體輔助雷射解析離子源高分辨飛行時間質譜儀，獲得了2008年度廣東省科學技術一等獎;2007年完成小型化的解析度達2000的飛行時間質譜分析器;取得了3項國家發明專利。現主持國家863項目、廣東省科技攻關重點項目和粵港關鍵領域重點突破項目等。

　　Instrument：周老師，您好!非常感謝您接受儀器信息網的採訪。據了解，您在質譜儀相關技術方面做了很多工作，涉及離子源、真空接口、以及質譜整機的系統化等，請您給介紹一下相關情況。

　　周振研究員：從1991年我就已經開始從事質譜儀方面的研究了，碩士畢業論文做的是電子轟擊源扇形磁式質譜儀的研究，博士畢業論文是做輝光放電飛行時間質譜儀器和電噴霧飛行時間質譜儀器的研究，一直以來都是在做整機工作。

　　質譜的關鍵部件是離子源和質量分析器;在我所做的工作中，涉及扇形磁式質譜儀、飛行時間質譜儀、Penning(超導)離子阱等質量分析器，研製過輝光放電離子源(GD)、電子轟擊源(EI)、電噴霧(ESI)、大氣壓基體輔助雷射解析離子源(APMALDI)、氣溶膠電離(A-TOFMS)等離子源，當然還有與質譜相關的四極杆真空接口等重要電子離子光學部件。

　　目前，我主要的研究方向是「垂直引入式飛行時間質譜分析器的理論和實踐」，同俄羅斯質譜研發科學家一直保持著緊密的合作關係。這裡要強調的一點是我們目前只專心做飛行時間質譜儀及其相關設備;科學儀器研發是多學科的高度集成，尤其是質譜儀器，它的一個離子源、一個質量檢測器、甚至一個零部件就夠一個人鑽研一輩子，希望我們儘快能把這個分析器做好，做精。

　　Instrument：請您介紹一下2001-2004年期間您在德國重離子加速中心和美國阿崗國家實驗室所做的一些工作。

　　周振研究員：我在這兩個實驗室的主要工作包括：射頻四極杆離子傳輸器和分子離子反應器、高分辨飛行時間質譜分析器、Canadian Penning Trap(CPT)等。

　　

　　周振研究員與俄羅斯科學家垂直引入式飛行時間檢測器發明人A. Dodonov教授一起在吉森大學調試儀器

　　研製多臺高分辨飛行時間質譜儀，用於德國重離子加速中心、俄羅斯科學院和美國橡樹嶺國家實驗室等單位;參與了在天體物理中具有重大意義的⁶⁴Ge、⁶⁸Se、¹⁰⁸Sb、²²Mg等同位素的質量精確測量(世界首次的質量直接測量);參與研製了一種新型四極杆分子離子反應器，可用於蛋白質，多肽的胺基酸序列測試;與美國橡樹嶺國家實驗室合作製成首個負離子冷卻裝置，此裝置可以將高達40keV能量的負離子束相空間減少10倍以上，以提高離子傳輸效率。

　　

　　在美國Argonne國家實驗室慶賀CPT小組在國際上第一次完成²²Mg精確質量測量

　　科學研究的確需要很好的配套服務，像德國吉森大學物理研究所這樣的科研機構，有很強的電子和機械隊伍，有好的想法很容易付諸實施，我們在這方面落後的太多了。

　　Instrument：請您談談飛行時間質譜在質譜家族中的地位及其發展前景?與四級杆質譜相比，飛行時間質譜有哪些自己的特點?

　　周振研究員：飛行時間(TOF)和四級杆(Q)都是非常重要的質量分析器。第一臺飛行時間質譜儀的發明要早於四級杆質譜儀。但由於當時基礎技術不過關，比如快電子和大面積的離子探測器技術等，導致飛行時間質譜的總體性能指標一直停留在一個很低的水平，而四極杆一出現就達到了一個較高的水平，所以目前四級杆用的比較多有一定的歷史原因。

　　近些年來，隨著技術的不斷發展，TOF有了較大的技術進步和市場增長。特別是當涉及高檢測速度和大分子量、高精度方面的測定，首選是TOF。當然，四極杆技術進步也很快，其解析度和質量上限都在提高。比如串級四極杆定量能力強、檢測限很好。串級四極杆一般由三個四極杆相串連，各個四極杆起不同的作用，比如過濾噪聲、產生子離子等功能。串級四極杆是實驗室儀器，十分嬌貴、複雜，對操作人員素質要求較高，而且價格都在200萬元以上。

　　與普通單極四極杆相比，TOF在定量、檢測限方面基本相當， TOF在一些行業應用領域，如一般的氣體檢測需求，已經完全能夠達到要求。如果從國產化的角度看，實現核心技術完全國產化，價格便宜，維護方便，將更易於普及。針對在工業質譜領域的應用，我根據自己的理解，把Q與TOF的性能指標和生產難度大概作一下對比，如表1和表2所示：

　　表1 飛行時間(TOF)和四級杆(Q)檢測器主要技術指標比較

　　表2 飛行時間(TOF)和四級杆(Q)檢測器生產難度比較

　　Instrument：目前，飛行時間質譜的具體應用領域有哪些?您所研製的飛行時間質譜的應用定位方面又是如何規劃的?

　　周振研究員：飛行時間質譜儀器主要有三種特殊應用。利用其大質量上限，可以做大分子的檢測，如與MALDI相連;利用其高質量檢測精度，如Q-Star這一類型的儀器是做分子式判定的最好工具之一;利用其快速特點，如作為高效毛細管電泳，全二維氣相色譜的檢測器。其他領域的應用TOF與Q相似，但還沒有Q廣。

　　目前我們做的儀器還不能與國外進口儀器競爭，因此主要是定位在中低端應用客戶，比如工業應用。我們擬先完成氣體實時在線監測儀的產業化，應用於環保和工業領域，獲得一定經驗後再做氣相色譜的檢測器，最後再考慮與MALDI、ESI等離子源聯用，做高端應用的質譜儀器。

　　另外，在防恐、軍事等方面的應用將是一個重點，由於進口的限制問題，只能靠自主研發，希望我們也能在這方面為國家做些貢獻。

　　Instrument：請談談廣州禾信分析儀器有限公司的成立背景、以及目前發展情況?

　　周振研究員：質譜儀的應用範圍非常廣，涉及食品、環境、人類健康、藥物、國家安全、和其他與分析測試相關的領域，而我們國家的中高端質譜完全依賴進口。我們掌握了TOF的核心技術，在這樣的形勢與背景下，我們的目的非常明確：質譜儀器，非做不可;並且根據自身的優勢，目前只做飛行時間質譜儀器，並一定要把它做好。

　　廣州禾信分析儀器有限公司成立至今，投入了大量的研發經費，承擔了國家、廣東省、廣州市、廣州開發區的一些重大科研項目。近期即將獲得一些風險投資，這將為公司的發展增添更強大的動力。公司的定位是飛行時間質譜分析器及相關技術開發和生產的專業公司，目前有研發人員15人，配合生產的人員10多人。

　　

　　廣州禾信分析儀器有限公司去踏青

　　目前，已完成EITOF500型TOF分析器產品樣機、2000 ESI/TOFMS實驗室樣機(小型化)、手提式飛行時間質譜分析器等的研發。其中EITOF分析儀正在北京鋼鐵研究總院進行測試，將用於冶金行業的氣體在線分析。這些質譜儀器擁有完全自主智慧財產權，已申請多項專利。

　

　　EITOF500型TOF分析器產品樣機參加廣東省產學研展

　　在市場方面，公司目前的定位是針對專業市場、中低端用戶做市場，不與國際成熟產品競爭，儘量不與國內其他同行競爭。計劃用1年的時間，實現產品投放市場；幾年後達到批量銷售的目標;同時與相關同行廣泛合作，實現共贏。

　　Instrument：您在回國創業過程中所面臨的最大的困難是什麼?

　　周振研究員：資金缺乏是我們所面臨的最大問題，前面也提到過，很多投資企業或投資人根本就不知道質譜為何物。另外，作為一個新的企業，從國家層面上申請經費也有一定困難。相關專家曾經到我們公司來調研，認為有研製大型儀器的條件和經驗，因此得到了廣東省政府的支持。現在我們只能埋頭苦幹，要用事實來證明我們是有能力做成這件事情的。

　　在人員方面面臨的問題也很大，尤其是目前國內能從事質譜研究的專業人才奇缺，完全要靠自己培養。在儀器設計和精加工方面，能滿足要求的人員也非常缺乏。國內基礎工業相對落後，導致在電子、機械零配件選用方面還不能完全滿足設計要求，需要花大量的時間做篩選工作。相關人員還沒有深刻意識到精密分析儀器的生產製造其質量控制的重要性，這方面的工作，不僅僅是靠錢就能解決的，需要花時間進行團隊培養。

　　比如，雖然我曾在實驗室成功研製出了20000以上高解析度的飛行時間檢測器，但是我們目前主推樣機的解析度定位是2000。其主要原因，一方面高性能的TOFMS需要的成本更高，產業化過程中要投入大量的資金，我們還不具備與國際高端儀器面對面競爭的實力;另一方面我們所定位的專業市場，對性能指標的要求不是很高，而高端的產品還有待其他條件的進一步成熟。

　　飛行時間質譜儀器屬於大型儀器，技術上的高端儀器，涉及多方面的理論、專業技術以及複雜的工藝細節等，需要豐富的整機研製經驗，只能說我選擇了一個做高難度產品的道路。我想質譜儀的技術含量高應該是我們國家一直沒有實現有衝擊力產品的一個主要原因。

　　Instrument：請談談國內分析儀器企業如何才能與跨國公司同臺競爭?

　　周振研究員：國內少數分析儀器企業做的不錯，但是更多的企業首先面臨的問題是如何生存。在我們目前還很弱小的情況下，想成為能生產具有自主智慧財產權產品的企業，只能踏踏實實一步一步地走，認認真真一個一個地出每一個產品，深入研究相關行業需求，或直接走專用儀器的路線，避免與跨國公司的直接競爭。

　　另外，國家對分析儀器企業的要求最好與其他行業區別對待。比如科技創新方面，分析儀器企業屬於高科技企業，就我們現在的水平，大部分的儀器能夠消化吸收國外先進技術就算是很好了，慎提世界首創、國際一流等指標。我個人認為我們目前即使有什麼創新，可能也只是在枝節上的，因為在質譜領域，大的革新幾乎都是可以獲得諾貝爾獎的。不能盲目冒進，只能一點點攻關。國家在研發、採購政策能方面加以支持也很重要，因為我們與國外公司相比太弱小了，競爭管理機制也不完善。

　　當然，在總體上，我們是樂觀的，我們面對的市場很大。「千人千山千擔柴」，一個人不可能把所有的事情都做完，也不要擔心別人可能在做同樣的事，發展好自己的團隊最重要。

　　Instrument：對我國儀器研發人才的培養您有什麼建議?

　　周振研究員：首先，要大力培養儀器人才。我們國家的科學儀器要想得到更好的發展，系統地培養科學儀器研發人才至關重要，而且我們現在比西方其他國家已經晚了很多年了。早在80年代，天津大學和廈門大學就已經建立起了分析儀器專業，由於種種原因現在都已經不一樣了。我想儘自己的能力，從質譜儀器入手，著手進行分析儀器後備人才的培養工作。

　　我們正與上海大學一起建立緊密的產學研用合作關係，以上海大學作為新技術、新應用的研發平臺，為解決國民經濟中的重大問題提供理論和技術基礎，培養專業人才。如果進一步能在上海大學重新開啟分析儀器學科，那麼意義更加重大，具體事宜正在籌劃之中。

　　其次，作為一個企業要千方百計地吸引並留住人才。我們辛辛苦苦培養的優秀人才學成之後到外企工作去了，有關部門也早已意識到這個問題。希望能夠採取靈活的措施，提供寬鬆的科研環境，鼓勵這些優秀的人才回國創業。

　　

　　周振研究員的研發團隊召開技術研討會

　　採訪即將結束時，周振研究員向我們表示，要特別感謝傅家謨院士。當年參加廣州留學生交流會的初次見面，傅家謨院士就給予他足夠的信任與厚望，「兩天內就決定了一個大型儀器的開發」，直接促成了廣東省第一臺飛行時間質譜儀器的研製成功，「也使我義無反顧地回國創業。同時也十分感謝863、廣東省科技廳和廣州市科技局開放、創新的態度」。

　　採訪手記

　　質譜儀已經深入地滲透到了各行各業，成為保障人類健康、促進環境安全，以及探索未知世界不可或缺的工具，其重要性已得到了廣泛認同。但我國的質譜儀一直存在核心技術不足、「空心化」現象，國內逐年擴大的質譜儀市場一直被國外公司壟斷。面對我國經濟、社會發展的需求，迫切需要研發具有自主智慧財產權的質譜儀器。

　　在與周振研究員交談中，給筆者印象最深的是「執著、專注」，對飛行時間質譜研發工作的無比熱情，十幾年如一日、專心做這一件事情，就是為了心中那份夢想：「做中國的飛行時間質譜儀」。我們衷心期待周振研究員能夠實現自己的夢想，為我國的國產質譜事業貢獻力量。

　　採訪編輯：劉向東

　　附錄：周振研究員簡介.doc