第一期儀器分析青年論壇活動報道

　  【導語】倡導不同學科的交流、促進大型儀器的共享、探討儀器裝置的研制、加快創新方法的建立，這些來自試驗一線的、略顯青澀但卻富有激情、務實的年輕人們，宣告了“儀器分析青年論壇”的成立……

　　2010年1月27日下午，第一期 “儀器分析青年論壇”在中國科學院過程工程研究所主樓201會議室舉行。該系列活動由中國科學院過程工程所主辦，北京生命科學大型儀器區域中心和分析測試百科網(www.antpedia.com)共同協辦。來自中科院過程工程所、中科院動物研究所、中科院微生物研究所、中國計量院化學所、島津公司、北京綠綿科技等50余人參加了此次活動。分析測試百科網作為獨家網絡支持媒體，將會伴隨此論壇活動進行長期追蹤報道。

　　第一期儀器分析青年論壇活動現場

　　目前，包括中科院在內的研究所和高等院校的大型儀器越來越多，當今的研究方向也越來越趨于各學科領域之間的交叉。因此，舉辦此系列論壇活動的宗旨和意義在于：1) 建立長效技術交流、應用培訓、人才培養平臺；2) 有效促進大型科研儀器和設備應用與共享；3) 促進關鍵儀器設備及部件研制、建立創新方法；4) 提高儀器操作人員綜合素質及業務水平；5) 優化儀器分析人員知識結構、拓寬科研視野；6) 促進不同學科、不同領域之間的合作與交流；7) 促進資源整合，加強儀器設備及相關產品研究與開發。

　

　　中科院過程工程研究所科研處 朱宇麗老師

　　首先，來自中科院過程工程研究所科研處朱宇麗老師為本活動致詞，祝活動成功舉辦并表示科研處將給予大力支持。

,

　　科學儀器發展史與儀器創新

　　中國科學院過程工程研究所分析測試中心 張貴鋒 副主任

　　來自中國科學院過程工程研究所分析測試中心的張貴鋒副主任介紹了《科學儀器發展史與儀器創新》的報告。張老師從現代物理與科學儀器關系的角度講述了科學儀器的發展史，進而講到科學儀器的發展趨勢，最后與大家分享了對科技的創新思考。　　

　　量子力學作為現代物理學重要內容，在化學、物化、納米等學科和技術中得到廣泛應用。大部分現代科學儀器以量子力學為理論基礎，如基于電磁波和光電效應、主要用于表面分析的X射線光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectrum，XPS)，以及衍生出的俄歇電子能譜(Auger electron spectroscopy，AES)和紫外光電子能譜(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS)等，基于量子力學中隧道效應的掃描隧道顯微鏡(scanning tunnel microscopy, STM)，在此基礎上衍生出一系列的掃描探針顯微技術等，核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)、光學檢測中的圓二色(circular dichroism，CD)以及衍生出的X射線磁性圓二色吸收譜(XMCD)、X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)等，以及光譜儀器、量子點、電子顯微鏡等等。

　　對于科學儀器的應用和研究發展趨勢，張老師認為主要集中自以下幾方面：

　　1、現代物理學基本原理在生物大分子研究中的應用

　　儀器的研制應當以物理學基本原理為基礎，如1957年李政道和楊振寧發現宇稱不守恒，并獲得了諾貝爾化學獎。宇稱不守恒是指在弱相互作用中，互為鏡像的物質的運動不對稱。將宇稱不守恒原理用于解釋手性分子和生物大分子等生物領域的研究國外已有文獻報道。目前，中國科學院物理所也有老師在從事這方面的工作。

　　2、生物檢測與納米技術相結合

　　量子點(Quantum Dots)是準零維(quasi-zero-dimensional)的納米材料，由少量的原子所構成。量子點三個維度的尺寸都在100nm以下，外觀恰似一極小的點狀物，其內部電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子局限效應(quantum confinement effect)特別顯著。由于量子局限效應會導致類似原子不連續電子能階結構而被稱為“人造原子”。量子點的表面效應、量子限域效應、量子隧道效應、量子尺寸效應均非常特殊，是近幾年非常活躍的研究方向。

　　目前，國際上量子點在生物分析領域應用非常活躍，雖然國內中科院化學所等單位也在從事相關研究，但并不活躍。今后，量子點在生物化學、分子生物學、細胞生物學、基因組學、蛋白質組學、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應用前景。

　　張老師舉了2009年發表在 “Nature Nanotdchnology”上一篇文章的例子。加州理工大學的一位老師做了一個2微米長、100納米寬的橋狀諧振器，振動頻率與其測量目標的質量成正比，振動頻率的變化會與被測物的質量變化契合。將一個蛋白放到諧振器上后，諧振器的振動頻率就會下降，而通過這種頻率轉換即可測定蛋白的質量。這種方法叫做“單分子納米機械質譜(single-molecular nanomechanical mass spectrometry)”。這一方法已經提出，在世界范圍內產生了非常大的影響，各媒體爭相報道該技術。

　　納米諧振器

　　3、已有儀器設備再發展

　　以掃描電鏡為例，從1986年獲得諾貝爾獎的STM到后來衍生出的原子利顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)、掃描磁力顯微鏡(Magnetic Force Microscope)、掃描靜電力顯微鏡、光子掃描隧道顯微鏡(Photon Scanning Tunneling Microscope)等均屬已有設備的發展和再創新，許多科學儀器也都遵循類似的發展規律。

　　張老師特別提出，對于蛋白質研究，2002年日本的田中耕一和美國的約翰·芬恩分別發明了基質輔助激光解析電離源(Matrix assisted laser desorption ionization, MALDI)和電噴霧離子源(Electrospray ionization, ESI)，并獲得了諾貝爾化學獎。這兩種技術的發明實現了蛋白質的離子化，分別在超大分子質量確認和高通量蛋白質鑒別方面為蛋白質組學研究建立了方法基礎。

　　另一項質譜新技術是直接實時分析(DART)技術，該技術將離子源與等離子體相結合，通過等離子體使得分子離子化。DART實現了質譜的現場無損檢測。

　　4、不同專業領域科學儀器與研究融合

　　許多領域的儀器均可與生物科學領域的儀器交叉使用，如物理化學領域中表面分析技術和納米科學儀器在生物研究中應用以及生物學研究成果在蛋白質分離純化研究中的應用。

　　不同領域科學儀器的融合近年來很受關注，國內外的相關報道屢見不鮮，如XPS表征蛋白質層析介質表面、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)和XPS表征蛋白表面的耦聯結果、AFM研究蛋白分離等。

　　5、生化工程研究領域資源整合

　　在生物工程研究領域，可以將不同的儀器進行整合。如下圖的基因組蛋白和生產和MS用于蛋白分離過程優化研究。

　　基因重組蛋白生產過程

　　MS在分離過程中的應用

　　此外，對于蛋白質折疊，可將蛋白固定在一個膜上，通過AFM、XPS等設備研究整個折疊過程形成先后順序的變化。這方面的研究已有報道。

　　本網收錄前沿Lab：生化工程國家重點實驗室

,

四極質譜研制情況的介紹

　　中國計量科學研究院 化學所質譜研究與開發實驗室 江游博士

　　來自中國計量科學研究院化學所質譜研究與開發實驗室的江游博士為大家帶來了《四極質譜研制情況的介紹》報告。

　　質譜儀的基本組成和原理

　　江老師首先帶大家一起回顧了質譜儀的工作原理，質譜儀是作為識別、稱量原子或分子的分析儀器，結構分為進樣系統、離子源、質量分析器、檢測器和真空系統。

　　質譜儀中的真空系統是影響儀器分辨率、靈敏度的重要因素之一。真空腔體中主要安裝質量分析器、檢測器、離子源等裝置。真空泵分為前級泵和高真空泵，前者主要為旋片式機械泵、隔膜泵;后者主要為渦輪分子泵、離子泵。氣質聯用中的質譜一般采用單級真空系統，具有大氣壓接口的質譜則采用多個渦輪分子泵的多級真空系統。

　　離子源包括有電子電離源、化學電離源、電噴霧離子源、大氣壓化學電離源、基質輔助激光解析離子源等。

　　在離子源之后，一般都有離子傳輸聚焦裝置，用于把離子傳入質量分析器。

　　質量分析器包括有雙聚焦(磁質譜)、飛行時間、離子回旋共振、Orbitrap、四極濾質器、四極離子阱等。

　　控制系統是很多用戶不關心、但儀器設計人員非常關心的部分。比如高壓電源、加熱部分、電流控制/放大、高精度數-模和模-數轉換、通信接口等。

　　軟件也是儀器設計重要的一部分，包括：儀器控制、人際交互界面、定性/定量/特殊分析等軟件。

 

　　四極質譜儀工作原理

　　江老師今天向大家著重介紹了四極質譜儀。四極質譜儀采用的四極質量分析器，具備體積較小、結構簡單、維護方便、儀器成本低和應用范圍廣等特點。工作原理為采用四根電極，分別在相對電極上施加直流和交流高壓，可利用Mathieu方程表達離子在質量分析器內部的運動軌跡，得出穩定區圖。四極質量分析器主要分為四極桿和四極離子阱。

　　四極桿的工作原理為在每一個微小的時間段內只有一種質荷比m/z的離子處于穩定區，而穿過四極桿，到達檢測器，掃描時間即對應質荷比，從而實現質量分析。四極桿形狀分為雙曲面、圓柱和非對稱四極桿(目前仍處于實驗室級別)。

　　四極離子阱由環形電極和上下端電極組成，采用存儲非穩定掃描工作模式：(1)先將離子存儲于離子阱中，大部分離子處于穩定區，其中m/z越小的離子運動半徑越大；(2)掃描交流高壓，不同m/z離子依次進入非穩定區，離開離子阱，進入檢測器，掃描時間即對應質荷比，從而實現質量分析。由于四極離子阱實現了被測離子的存儲，所以相對四極桿具有更多控制離子的機會。

　　要想利用四極桿實現多級質譜分析，必須使用多個質量分析器和四極桿進行串聯，而使用單個四極離子阱便可實現多級質譜分析的功能。原理為每一種離子都對應著一個運動頻率，該頻率與離子形狀和交流電壓的頻率有關，如施加一個多頻的交流信號，則對應頻率的離子便會離開離子阱，剩下被測離子，接下來施加對應被測離子的單頻信號，使其在離子阱中發生共振，碰撞碎裂產生子離子，該過程被稱為CID(碰撞誘導激發)。以上過程還可多次進行，從而產生MSn，因此非常適用于定性分析。

　　近年來，幾家儀器公司又推出了線性離子阱技術，該技術與傳統的三維離子阱相比具有離子容量大、質量歧視性小等優點，容量大的原因是：三維離子阱儲存離子在阱中心的一個點(其實是中心一小塊區域)，而線性離子阱可以將離子儲存在長長的一條線上(其實是一個沿線的圓柱體)。商品化的儀器如Thermo的LTQ線性四極離子阱，它的分析器本身采用雙曲面的四極桿，加上電場后采用徑向離子逐出；而另一家商品化的儀器是Qtrap的線性阱，采用的是圓柱電極、軸向離子逐出，特點是該線性阱在實驗中既可當作離子阱又可當作四極桿使用。還有一些研究者設計了矩形線性離子阱，使用更易加工的平板電極，徑向離子逐出。

　　近年來，還發展了一系列大容量、高通量的柱形離子阱陣列和線性離子阱陣列。

 

　　自主研制的四極質譜儀

　　接下來，江老師主要介紹了其所在實驗室自主研發的四極桿質譜儀，該研究受國家“十五”科技攻關計劃重大課題“質譜聯用儀器的研制與開發”支持，研制出三種類型的四極質譜儀，除泵、電子倍增器外均為自主研制;主要技術指標達到同類商業儀器的平均水平;從儀器底層開始研制，掌握了大量的關鍵技術、整合了國內的質譜研制資源。

　　常規的色譜-質譜聯用儀

　　江老師首先介紹了前期研制的一些常規色譜-質譜聯用儀，包括有氣相色譜-四極桿質譜聯用儀(北京普析通用儀器公司已將其商品化—M6單四極桿氣相色譜質譜聯用儀)、氣相色譜-線性離子阱質譜聯用儀、液相色譜-線性離子阱質譜聯用儀、大氣壓接口-四極桿質譜儀。并分別例舉了以上這四種質譜儀的應用實例。

　　自主研發的線性離子阱質譜與氣相色譜聯用

　　自主研發的線性離子阱質譜與液相色譜聯用

　　先進質譜技術的研發

　　在上述常規色譜-質譜聯用技術的基礎上，江老師所在實驗室從06年開始進行先進質譜技術的研發，包括：便攜式質譜儀、離子/離子反應裝置和實驗平臺、線性離子阱-飛行時間質譜串聯、現場快速檢測離子源及方法等。

　　由于時間關系，江老師著重介紹了在2009年BCEIA展會上發布的便攜式質譜儀，該質譜儀基于線性離子阱技術，體積只有200mm×200mm×330mm，重量不到10 kg(含24V 4500mAH 鎳氫電池)，配備有GDEI、DBDI、ESI、DESI這四種離子源，將被廣泛應用于環境監測、食品安全、新藥研制等領域。

　　便攜式質譜儀的將來

　　最后，江博士介紹了自己所在的研發團隊，并表達了團隊的理念：熱愛質譜研發、不斷追求創新、開放合作的態度。

　　相關鏈接：

　　本網收錄前沿Lab：質譜工程技術研究中心

        報告下載：《四極質譜研制情況的介紹》

　　普析通用發布M6質譜 5年產研合作結晶

　　便攜式質譜及全固態ICP光源新儀器發布會

,

　　摸索中的大型儀器共享工作—北京生命科學大型儀器區域中心介紹

　　北京生命科學大型儀器區域中心 李柳博士

　　來自北京生命科學大型儀器區域中心的李柳博士介紹了關于《摸索中的大型儀器共享工作—北京生命科學大型儀器區域中心介紹》的報告。

　　我國科研院所在大型儀器上的使用現狀

　　我國已經成為世界上大型科學儀器設備最大的購買地之一，據國家科技基礎平臺中心的初步統計，中央級科研院所和高校目前擁有價值單臺(套)50萬元以上的大型科學儀器設備超過1.5萬臺(套)，總值達200億元以上。

　　李博士根據自己的工作體會，列舉了一些我國科研院所在大型科學儀器使用上存在的問題：

　　1) 大型儀器設備的購置、管理和使用呈現條塊分割和自成體系的狀態，追求“小而全，大而優，自有自用”，沒有形成儀器共享的氛圍；

　　2) 資金短缺和重復購置并存；

　　3) 科研急需和設備閑置并存；

　　4) 共享率低；

　　5) 使用效率低；

　　6) 技術支撐跟不上使用要求；

　　7) 對外依存度過高等。

　　《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006~2020年)》，對我國科技基礎設施的建設做出了明確部署，要求加快建設科技基礎條件平臺，建立科技技術條件平臺的共享機制，將實現科技資源共享列為國家科技創新體系建設的重要內容。

 

　　中科院促進大型儀器共享的舉措

　　李柳博士談到，中科院在2008年10月曾召開了一次全院的科技支撐工作會議，共同討論了中科院技術支撐系統的建設方案，通過了以建設高水平的公共技術支撐平臺為目標，以院所兩級公共技術服務中心建設為重點，整合優化研究所現有技術資源，創新管理體制與運行機制，促進全院科研裝備的開放共享和協作研究，建立一支高水平、高素質的技術支撐隊伍，大力提升科研裝備運行維護、功能改進、技術發展和自主研制能力，逐步建成能夠滿足我院科技創新跨越與持續發展要求的精干高效的技術支撐體系和技術支撐隊伍。

　　通過此次會議，主要解決了儀器設備管理分散、管理不配套、利用率不高和技術支撐隊伍不穩定、水平不高這兩個問題，以提升高效運行、綜合服務及自主研制的能力。

　　中科院根據地域和學科的特點，共建立了十個大型儀器區域中心，包括北京、上海、東北、合肥、青島、昆明，以實現大型科學儀器設備的共享。接下來，李主任主要介紹了其所在的北京生命科學大型儀器區域中心。

　　北京生命科學大型儀器區域中心包括生物物理所、植物所、過程工程所、動物所、微生物所、心理所、遺傳發育所、基因組所這8個研究所，可謂是我國生命科學領域研究的“國家隊”，具有相當豐富的大型科研儀器設備的保有量(2008年統計50萬元以上的大型儀器設備為166臺，總投資達到2.6個億)，地理位置的臨近為所際間的儀器資源共享提供了空間基礎和便利條件。

　　該區域中心旨通過平臺建設，優化資源配置，實現儀器設備資源共享，提高大型儀器設備的使用率。將“利用國家以及院裝備專項經費購置的單臺(套)價值在50萬元人民幣以上的科學儀器”以及“自愿申請、主管部門審查同意的，以其它經費購置的單臺(套)價值在50萬元以上的儀器設備”納入區域中心共享公用。為實現真正的開放共享，提出“區域中心內大型儀器資源信息、收費標準等全部在網上(http://face.issas.ac.cn/apparatus1/)公開，各成員單位得到相同的使用權限，預約機時安排在網上完全動態公開，自動地接受使用者的監督”的運行模式。

　　同時還制定了《北京生命科學大型儀器區域中心儀器共享管理系統運行辦法》，對大型儀器的入圍管理、用戶的注冊與預約、儀器操作員的審核、區域中心內費用結算等大型儀器開放共享使用的流程進行了明確的規定與要求，保證了開放共享流程和服務的順利。

　　隨后，李博士總結了生命科學大型儀器區域中心主要的工作內容，包括有1、儀器設備的建設;2、區域中心共享管理系統的運行、儀器的運行補貼;3、新功能、新方法開發項目用來鼓勵試驗方法學、儀器新功能的開發;4、國家、院部、研究所多層次的自主研制項目;5、拉動技術支撐隊伍的建設。

　　李博士在報告中也指出：促進大型儀器的共享是項長期的工作，需要得到各個方面的理解和支持;比如現在海關對于資產的管理與儀器共享機制有些方面是相互矛盾的，海關認為儀器設備屬于國有資產，是不能夠隨便調動使用的，從中我們可以看到真正建立起我國大型儀器共享機制還有很長的路要走。　　　　

       報告下載：《摸索中的大型儀器共享工作—北京生命科學大型儀器區域中心介紹》