刘敦一：仪器应用全球共享 中国的仪器研发要从高端入手
——访北京离子探针中心主任刘敦一教授
【导语】质谱技术在我国的最早应用，是从地质领域开始的。半个世纪前的质谱基本是磁式质谱，体积庞大，结构复杂，对使用人员的要求极高;仪器使用者一定要熟知原理，甚至要自己会维修，这样才能“玩”转应用。“玩”了半个世纪质谱的刘敦一教授正是其中一位，而他不仅“玩”转了超难的磁式质谱，还“玩”出了一个超高效率运转的全球共享质谱实验室。十一.五开始后，刘教授带着质谱超级玩家的数十年经验，投身到我国的质谱核心部件和整机制造中。在不久前召开的全国无机及同位素质谱学学术会议上，分析测试百科网小编有幸采访到刘敦一教授，他谈到了在大型仪器共享和质谱研发方面的经验和看法，希望对关注的网友们有帮助……
北京离子探针中心负责人 刘敦一教授
无机质谱与地质学关系密切，在地质方面有广泛的应用，最重要的应用就是地质年代学和稳定同位素地球化学。
刘敦一教授谈到：“从62年开始，我就在中国地质科学院地质研究所从事同位素地质及其技术方法研究。当时的质谱计是从苏联引进的磁质谱，比现在的仪器落后多了。后来我们又引进了德国的磁质谱。随着质谱技术的发展，2001年从澳大利亚引进了一台高分辨率二次离子质谱，有非常高的分辨率和精度，对于开展微区的地质年代学研究非常有帮助。” 他还打了个有趣的比喻来说明新技术与研究的关系：“一项新技术好比一把新钥匙，通过这把钥匙可以打开一扇崭新大门，让地质学家看到新的天地。”
关于实验室工作在地矿工作中的作用，刘教授认为，实验室建设是发展地矿事业不可或缺的一环。地矿工作是一个系统，得从基础工作做起，要将基础研究与现场野外工作结合起来，共同发展。基础工作没有做好，基本的地质情况不清楚，就摸不清找矿方向。在这个过程中，实验室可以起到指明方向、提供找矿依据的战略作用。刘教授表示，目前国内的实验室建设并未得到足够的重视，很多人把实验室看做是一个只是简单提供数据的平台。
世界最著名地质年代学实验室之一——北京离子探针中心
国家大型仪器中心“北京离子探针中心”成立于2001年，中心由科技部、国土资源部和中科院共同出资建立，拥有两台核心仪器——高分辨二次离子探针质谱SHRIMPⅡ和SHRIMPⅡe-MC。2001年成立至今，刘敦一教授长期担任中心主任。关于中心的命名，刘教授还透露了一点儿趣事：“中心的名字是科技部确定的，本来的名字是‘二次离子探针质谱中心’，科技部有关领导说，因为叫质谱中心的名字太多了，后来干脆就叫‘探针中心’。经过多年的运营，北京离子探针中心目前已成为世界最著名的地质年代学实验室之一。”
大型仪器远程共享 让全球科学界受益
北京离子探针中心引进第一台SHRIMPⅡ时，由于价格昂贵，当时这台仪器是世界同类仪器中的第9台，发展中国家的唯一一台。这么稀缺的仪器应该如何被更好地利用和运营呢?
国际著名SHRIMP技术专家Ian Williams来中心访问
刘敦一教授介绍说：“为了更高效地使用仪器，2005年底我们联合中国计量科学研究院、吉林大学合作开发了离子探针远程共享控制系统(SROS，SHRIMP Remote Operation System)，陆续建立了仪器共享实验中心和7个国内外远程工作站，连接了分散在全球各地的27套大型类仪器。通过这套系统利用Internet可实现实时远程控制离子探针质谱仪，满足了异地协同实验、研究的需要，打破了科研工作中仪器使用的时空界限。”
“以前巴西科学家每年来中心做实验，来回需乘坐60多个小时的飞机，到了中心后也不能给他们很多的机时，最多2-3天，非常费时费力。所以我们的第一个远程站建在了巴西，通过远程操作控制即可完成实验分析。”
这套SROS系统不仅可把北京的仪器提供给全球远程使用，也可让北京中心远程使用其它国家的同类仪器。“2007年,中心购买了澳大利亚Curtin理工大学的同样仪器的机时，将这套先进的系统装到对方的服务器上，目前合计共享机时11000余小时，开创了远程共享国外大型科学仪器设备的先河。”
据了解，北京离子探针中心自成立之日起，就把向国内外地学界全方位开放共享作为基本运行方针，保证了每天24小时、每周7天不间断运行，年分析机时保持在7200小时左右，是科技部有关大型仪器运行效率优秀标准的4倍，开放程度达到76%，大大超出科技部规定的30%，为国内外学者提供了高质量测试服务，提供了更多的年代学数据，推进了地学发展的速度，被誉为世界上同类仪器中运行效率最高的实验室。
测定地球最老锆石年龄 分析美国阿波罗月岩样品
先进的运行理念和高效优质的服务，吸引了许多国家和地区的数百名专家学者，他们到北京离子探针中心完成锆石定年工作或短期访问，并取得了一系列重要的成果。
据了解，由于SHRIMPⅡ的引进，中国前寒武纪年代地层标定发生了重大改变，掀起了颠覆性的前寒武革命;中心测定的由美国科学家提供的世界上第三颗年龄超过43亿年、同时具有37亿年变质增生壳的最老锆石，对地球早期历史研究作出了突破性贡献;中美学者联合运用中心的SHRIMP II对阿波罗飞船登月采集的月岩和月球陨石进行了高精度测年，精确测定雨海纪月球遭受强烈撞击事件年龄为39.2亿年，更正了国际上过去一直沿用的38.5亿年的雨海纪撞击事件年龄。2004年，《我国38亿年最老岩石的发现及鞍山太古宙地壳演化》获国土资源科学技术奖一等奖。
据统计，10年来中心共分析了1.4万余件锆石定年样品。截至2011年12月，各国专家学者运用在北京离子探针中心获得的SHRIMP 测试数据，在国内外学术期刊上共发表论文近1000篇，其中国际SCI 330余篇。中心的SHRIMP成为世界上同类仪器中科研成果产出率最高的一台仪器。
造自己的仪器从高端入手、紧跟应用需求
地质学研究需要高精尖的仪器，刘敦一教授领导的团队不只是在使用最先进的仪器，同时也在研发我国自己的仪器，自主研发了二次离子质谱和串联飞行时间质谱的关键部件和关键技术、新产品、新装置和计算机软件等19项，申报了18项专利，已获2项国内发明专利和1项国外发明专利授权。
从高端入手、紧跟应用需求
关于中国自己的质谱仪器研发和制造，刘敦一教授谈了几点中肯的体会和看法。首先，他强调：中国必须造自己的仪器。“全靠国外的仪器，中国在国防、经济等领域将受制于人，国家没有安全感。全靠国外的商品化仪器，中国的研究也走不到第一线，因为发明创造必须有第一手别人还没有的技术、要掌握第一手的资料，不能等着人家商品化后再使用，那就相当落后了。老一代以及和我同辈的质谱学家，从60年代初就开始研发仪器，但因为当时的经济条件、加工条件、以及电子学的发展程度比较落后，远不如国外水平，造出的仪器几乎没人要。”
其次，刘教授认为国家资助的仪器研发必须要瞄准高端,攻克核心技术：“高端、核心技术问题解决了，造出了高端的仪器，然后再推广量大面广的仪器就比较容易了。”
刘教授还强调仪器研发时就应从应用需求开始，注重应用，每款仪器的研发立项要针对相关的应用课题;仪器研发一成功，马上就能发表研究文章。这样更能有效体现该款仪器的优缺点，今后需要在哪里进行改进，在满足某方面应用的基础上，才谈得上商品化和规模化推广。
北京离子探针中心新址
十一.五项目攻关：二次离子质谱仪器核心技术及关键部件研发
本着研发高端技术的思路进行实践，2011年6月，刘敦一教授担任项目负责人，由北京离子探针中心联合中国计量科学研究院、复旦大学、中国科学院大连化学物理研究所和北京普析通用仪器有限责任公司共同承担的国家科技支撑计划课题“二次离子质谱仪器核心技术及关键部件研究与开发”通过了验收。
课题组开展了大型质谱仪研究实验平台搭建和共性关键技术的攻关、一次离子气体源的研制及新型离子源的创新研究，研制出自动换样系统及三维微聚焦移动样品台、二次离子源及二次质谱接口、离子阱离子反应装置、飞行时间质量分析器、TOF专用高速数字转换器以及二次离子质谱总控系统及软件系统等关键部件，并开展了其应用示范及产业化研究。
课题组研制成功了双等离子体气体源，提供给中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心作为SHRIMPII大型二次离子探针质谱的核心关键部件，提高了仪器有效机时，带来了一定的经济效益。
十二.五仪器专项攻关：研发高分辨、高精度飞行时间二次离子质谱仪TOF-SIMS
2011年10月，刘敦一教授担任项目负责人，由北京离子探针中心联合中国科学院大连化学物理研究所、吉林大学和中国地质科学院矿产资源研究所共同申请的国家重大科学仪器设备开发专项项目“同位素地质学专用TOF-SIMS科学仪器”正式启动。开发用于高精度同位素丰度分析的TOF-SIMS(飞行时间二次离子质谱)新技术，研制两台分别用于稳定同位素分析和稀土元素分析的TOF-SIMS-SI和TOF-SIMS-REE仪器，为岩石成因学、矿床成因学、地球环境、气候变化、月球及行星演化等热点研究领域提供最先进的技术支撑。
刘教授指出，地质上用的稳定同位素分析和稀土元素分析质谱，以前以及所有已经商品化的都是磁式质谱。飞行时间技术在近年来大幅提高了分辨率和灵敏度，提供了该项目研发的可能性;随着近年来高速离子接收器的问世，用于高精度同位素分析的TOF-SIMS更有了技术基础。刘教授表示，该项目是“吃螃蟹”的，有挑战有风险：“这种仪器的研发前人没有做过，国外也没人做，属于全球首创技术。”
仪器研发不能缺少人才和加工技术
刘敦一教授谈到，现在国内的状态是用仪器的多，而真正懂仪器的并不多，真正设计一种新型仪器的能力比较弱，要想从根本改变我们国家仪器研发的状况，一方面需要花大力气培养真正懂仪器，有设计能力的，有苦行僧精神的年轻人才;另外一方面要强化加工能力，建立一些高级、精密的加工中心。“所幸是，目前我国政府已经意识到了这方面的重要性。”
附录：刘敦一教授简介
刘敦一长期从事质谱技术和同位素年代学研究，同位素地质年代学科带头人。在早前寒武纪地质年代学、超高压变质岩定年、蛇绿岩定年研究方面有突出成果，首次发现并厘定了38亿年和38.5亿年我国最老岩石和锆石。
刘敦一，中国地质科学院地质研究所研究员，同位素地质年代学家。
刘敦一，1937 年4月生，男，黑龙江人。1962年毕业于云南大学物理系。1962年至今，在中国地质科学院地质研究所从事同位素地质及其技术方法研究。期间多次出国与国外同行进行合作研究或短期学术访问;曾长期担任同位素地质研究室和同位素地质开放实验室主任;1991年晋升为研究员;2001年至今，任国家大型仪器中心“北京离子探针中心”主任;曾任国际地质科学联合会副主席(1992—2000年)、国际地质科学联合会提名委员会委员、中国地质学会副理事长、中国质谱学会理事长、IGCP中国国家委员会主任(1999年至今)、现任中国国际前寒武研究中心主任。是第八届、九届、十届全国政协委员。
在同位素质谱技术方法和净化实验室建立上引领了我国同位素地质实验室的发展。引进了世界上先进的SHRIMPⅡ质谱仪，并快速建立锆石U-Th-Pb微区定年技术。领导的北京离子探针中心，以最高的仪器利用率和开放程度，为国内外地学界提供了一个高水平的年代学实验与研究平台，以及大型科学装备远程共享示范研究—离子探针系统实现世界首创远程控制技术，得到国内外地学界的一致赞誉，并成为一个国际性开放实验室。他曾发表论文158篇，其中国际SCI论文29篇;获得国土资源科技奖一等奖1项，排名第一;部级科技成果二等奖3项，排名为第二、三、七;部级科技成果三等奖 3项，排名为第一、一、二。
刘敦一同志事业心强、学风严谨、勇于创新、工作认真努力。他积极参与国内外的学术组织和活动，促进学术交流，在国际上有相当的知名度。
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