第一期仪器分析青年论坛活动报道

　  【导语】倡导不同学科的交流、促进大型仪器的共享、探讨仪器装置的研制、加快创新方法的建立，这些来自试验一线的、略显青涩但却富有激情、务实的年轻人们，宣告了“仪器分析青年论坛”的成立……

　　2010年1月27日下午，第一期 “仪器分析青年论坛”在中国科学院过程工程研究所主楼201会议室举行。该系列活动由中国科学院过程工程所主办，北京生命科学大型仪器区域中心和分析测试百科网(www.antpedia.com)共同协办。来自中科院过程工程所、中科院动物研究所、中科院微生物研究所、中国计量院化学所、岛津公司、北京绿绵科技等50余人参加了此次活动。分析测试百科网作为独家网络支持媒体，将会伴随此论坛活动进行长期追踪报道。

　　第一期仪器分析青年论坛活动现场

　　目前，包括中科院在内的研究所和高等院校的大型仪器越来越多，当今的研究方向也越来越趋于各学科领域之间的交叉。因此，举办此系列论坛活动的宗旨和意义在于：1) 建立长效技术交流、应用培训、人才培养平台；2) 有效促进大型科研仪器和设备应用与共享；3) 促进关键仪器设备及部件研制、建立创新方法；4) 提高仪器操作人员综合素质及业务水平；5) 优化仪器分析人员知识结构、拓宽科研视野；6) 促进不同学科、不同领域之间的合作与交流；7) 促进资源整合，加强仪器设备及相关产品研究与开发。

　

　　中科院过程工程研究所科研处 朱宇丽老师

　　首先，来自中科院过程工程研究所科研处朱宇丽老师为本活动致词，祝活动成功举办并表示科研处将给予大力支持。

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　　科学仪器发展史与仪器创新

　　中国科学院过程工程研究所分析测试中心 张贵锋 副主任

　　来自中国科学院过程工程研究所分析测试中心的张贵锋副主任介绍了《科学仪器发展史与仪器创新》的报告。张老师从现代物理与科学仪器关系的角度讲述了科学仪器的发展史，进而讲到科学仪器的发展趋势，最后与大家分享了对科技的创新思考。　　

　　量子力学作为现代物理学重要内容，在化学、物化、纳米等学科和技术中得到广泛应用。大部分现代科学仪器以量子力学为理论基础，如基于电磁波和光电效应、主要用于表面分析的X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectrum，XPS)，以及衍生出的俄歇电子能谱(Auger electron spectroscopy，AES)和紫外光电子能谱(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS)等，基于量子力学中隧道效应的扫描隧道显微镜(scanning tunnel microscopy, STM)，在此基础上衍生出一系列的扫描探针显微技术等，核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)、光学检测中的圆二色(circular dichroism，CD)以及衍生出的X射线磁性圆二色吸收谱(XMCD)、X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)等，以及光谱仪器、量子点、电子显微镜等等。

　　对于科学仪器的应用和研究发展趋势，张老师认为主要集中自以下几方面：

　　1、现代物理学基本原理在生物大分子研究中的应用

　　仪器的研制应当以物理学基本原理为基础，如1957年李政道和杨振宁发现宇称不守恒，并获得了诺贝尔化学奖。宇称不守恒是指在弱相互作用中，互为镜像的物质的运动不对称。将宇称不守恒原理用于解释手性分子和生物大分子等生物领域的研究国外已有文献报道。目前，中国科学院物理所也有老师在从事这方面的工作。

　　2、生物检测与纳米技术相结合

　　量子点(Quantum Dots)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料，由少量的原子所构成。量子点三个维度的尺寸都在100nm以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应(quantum confinement effect)特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子不连续电子能阶结构而被称为“人造原子”。量子点的表面效应、量子限域效应、量子隧道效应、量子尺寸效应均非常特殊，是近几年非常活跃的研究方向。

　　目前，国际上量子点在生物分析领域应用非常活跃，虽然国内中科院化学所等单位也在从事相关研究，但并不活跃。今后，量子点在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中有极大的应用前景。

　　张老师举了2009年发表在 “Nature Nanotdchnology”上一篇文章的例子。加州理工大学的一位老师做了一个2微米长、100纳米宽的桥状谐振器，振动频率与其测量目标的质量成正比，振动频率的变化会与被测物的质量变化契合。将一个蛋白放到谐振器上后，谐振器的振动频率就会下降，而通过这种频率转换即可测定蛋白的质量。这种方法叫做“单分子纳米机械质谱(single-molecular nanomechanical mass spectrometry)”。这一方法已经提出，在世界范围内产生了非常大的影响，各媒体争相报道该技术。

　　纳米谐振器

　　3、已有仪器设备再发展

　　以扫描电镜为例，从1986年获得诺贝尔奖的STM到后来衍生出的原子利显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)、扫描磁力显微镜(Magnetic Force Microscope)、扫描静电力显微镜、光子扫描隧道显微镜(Photon Scanning Tunneling Microscope)等均属已有设备的发展和再创新，许多科学仪器也都遵循类似的发展规律。

　　张老师特别提出，对于蛋白质研究，2002年日本的田中耕一和美国的约翰·芬恩分别发明了基质辅助激光解析电离源(Matrix assisted laser desorption ionization, MALDI)和电喷雾离子源(Electrospray ionization, ESI)，并获得了诺贝尔化学奖。这两种技术的发明实现了蛋白质的离子化，分别在超大分子质量确认和高通量蛋白质鉴别方面为蛋白质组学研究建立了方法基础。

　　另一项质谱新技术是直接实时分析(DART)技术，该技术将离子源与等离子体相结合，通过等离子体使得分子离子化。DART实现了质谱的现场无损检测。

　　4、不同专业领域科学仪器与研究融合

　　许多领域的仪器均可与生物科学领域的仪器交叉使用，如物理化学领域中表面分析技术和纳米科学仪器在生物研究中应用以及生物学研究成果在蛋白质分离纯化研究中的应用。

　　不同领域科学仪器的融合近年来很受关注，国内外的相关报道屡见不鲜，如XPS表征蛋白质层析介质表面、原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)和XPS表征蛋白表面的耦联结果、AFM研究蛋白分离等。

　　5、生化工程研究领域资源整合

　　在生物工程研究领域，可以将不同的仪器进行整合。如下图的基因组蛋白和生产和MS用于蛋白分离过程优化研究。

　　基因重组蛋白生产过程

　　MS在分离过程中的应用

　　此外，对于蛋白质折叠，可将蛋白固定在一个膜上，通过AFM、XPS等设备研究整个折叠过程形成先后顺序的变化。这方面的研究已有报道。

　　本网收录前沿Lab：生化工程国家重点实验室

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四极质谱研制情况的介绍

　　中国计量科学研究院 化学所质谱研究与开发实验室 江游博士

　　来自中国计量科学研究院化学所质谱研究与开发实验室的江游博士为大家带来了《四极质谱研制情况的介绍》报告。

　　质谱仪的基本组成和原理

　　江老师首先带大家一起回顾了质谱仪的工作原理，质谱仪是作为识别、称量原子或分子的分析仪器，结构分为进样系统、离子源、质量分析器、检测器和真空系统。

　　质谱仪中的真空系统是影响仪器分辨率、灵敏度的重要因素之一。真空腔体中主要安装质量分析器、检测器、离子源等装置。真空泵分为前级泵和高真空泵，前者主要为旋片式机械泵、隔膜泵;后者主要为涡轮分子泵、离子泵。气质联用中的质谱一般采用单级真空系统，具有大气压接口的质谱则采用多个涡轮分子泵的多级真空系统。

　　离子源包括有电子电离源、化学电离源、电喷雾离子源、大气压化学电离源、基质辅助激光解析离子源等。

　　在离子源之后，一般都有离子传输聚焦装置，用于把离子传入质量分析器。

　　质量分析器包括有双聚焦(磁质谱)、飞行时间、离子回旋共振、Orbitrap、四极滤质器、四极离子阱等。

　　控制系统是很多用户不关心、但仪器设计人员非常关心的部分。比如高压电源、加热部分、电流控制/放大、高精度数-模和模-数转换、通信接口等。

　　软件也是仪器设计重要的一部分，包括：仪器控制、人际交互界面、定性/定量/特殊分析等软件。

 

　　四极质谱仪工作原理

　　江老师今天向大家着重介绍了四极质谱仪。四极质谱仪采用的四极质量分析器，具备体积较小、结构简单、维护方便、仪器成本低和应用范围广等特点。工作原理为采用四根电极，分别在相对电极上施加直流和交流高压，可利用Mathieu方程表达离子在质量分析器内部的运动轨迹，得出稳定区图。四极质量分析器主要分为四极杆和四极离子阱。

　　四极杆的工作原理为在每一个微小的时间段内只有一种质荷比m/z的离子处于稳定区，而穿过四极杆，到达检测器，扫描时间即对应质荷比，从而实现质量分析。四极杆形状分为双曲面、圆柱和非对称四极杆(目前仍处于实验室级别)。

　　四极离子阱由环形电极和上下端电极组成，采用存储非稳定扫描工作模式：(1)先将离子存储于离子阱中，大部分离子处于稳定区，其中m/z越小的离子运动半径越大；(2)扫描交流高压，不同m/z离子依次进入非稳定区，离开离子阱，进入检测器，扫描时间即对应质荷比，从而实现质量分析。由于四极离子阱实现了被测离子的存储，所以相对四极杆具有更多控制离子的机会。

　　要想利用四极杆实现多级质谱分析，必须使用多个质量分析器和四极杆进行串联，而使用单个四极离子阱便可实现多级质谱分析的功能。原理为每一种离子都对应着一个运动频率，该频率与离子形状和交流电压的频率有关，如施加一个多频的交流信号，则对应频率的离子便会离开离子阱，剩下被测离子，接下来施加对应被测离子的单频信号，使其在离子阱中发生共振，碰撞碎裂产生子离子，该过程被称为CID(碰撞诱导激发)。以上过程还可多次进行，从而产生MSn，因此非常适用于定性分析。

　　近年来，几家仪器公司又推出了线性离子阱技术，该技术与传统的三维离子阱相比具有离子容量大、质量歧视性小等优点，容量大的原因是：三维离子阱储存离子在阱中心的一个点(其实是中心一小块区域)，而线性离子阱可以将离子储存在长长的一条线上(其实是一个沿线的圆柱体)。商品化的仪器如Thermo的LTQ线性四极离子阱，它的分析器本身采用双曲面的四极杆，加上电场后采用径向离子逐出；而另一家商品化的仪器是Qtrap的线性阱，采用的是圆柱电极、轴向离子逐出，特点是该线性阱在实验中既可当作离子阱又可当作四极杆使用。还有一些研究者设计了矩形线性离子阱，使用更易加工的平板电极，径向离子逐出。

　　近年来，还发展了一系列大容量、高通量的柱形离子阱阵列和线性离子阱阵列。

 

　　自主研制的四极质谱仪

　　接下来，江老师主要介绍了其所在实验室自主研发的四极杆质谱仪，该研究受国家“十五”科技攻关计划重大课题“质谱联用仪器的研制与开发”支持，研制出三种类型的四极质谱仪，除泵、电子倍增器外均为自主研制;主要技术指标达到同类商业仪器的平均水平;从仪器底层开始研制，掌握了大量的关键技术、整合了国内的质谱研制资源。

　　常规的色谱-质谱联用仪

　　江老师首先介绍了前期研制的一些常规色谱-质谱联用仪，包括有气相色谱-四极杆质谱联用仪(北京普析通用仪器公司已将其商品化—M6单四极杆气相色谱质谱联用仪)、气相色谱-线性离子阱质谱联用仪、液相色谱-线性离子阱质谱联用仪、大气压接口-四极杆质谱仪。并分别例举了以上这四种质谱仪的应用实例。

　　自主研发的线性离子阱质谱与气相色谱联用

　　自主研发的线性离子阱质谱与液相色谱联用

　　先进质谱技术的研发

　　在上述常规色谱-质谱联用技术的基础上，江老师所在实验室从06年开始进行先进质谱技术的研发，包括：便携式质谱仪、离子/离子反应装置和实验平台、线性离子阱-飞行时间质谱串联、现场快速检测离子源及方法等。

　　由于时间关系，江老师着重介绍了在2009年BCEIA展会上发布的便携式质谱仪，该质谱仪基于线性离子阱技术，体积只有200mm×200mm×330mm，重量不到10 kg(含24V 4500mAH 镍氢电池)，配备有GDEI、DBDI、ESI、DESI这四种离子源，将被广泛应用于环境监测、食品安全、新药研制等领域。

　　便携式质谱仪的将来

　　最后，江博士介绍了自己所在的研发团队，并表达了团队的理念：热爱质谱研发、不断追求创新、开放合作的态度。

　　相关链接：

　　本网收录前沿Lab：质谱工程技术研究中心

        报告下载：《四极质谱研制情况的介绍》

　　普析通用发布M6质谱 5年产研合作结晶

　　便携式质谱及全固态ICP光源新仪器发布会

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　　摸索中的大型仪器共享工作—北京生命科学大型仪器区域中心介绍

　　北京生命科学大型仪器区域中心 李柳博士

　　来自北京生命科学大型仪器区域中心的李柳博士介绍了关于《摸索中的大型仪器共享工作—北京生命科学大型仪器区域中心介绍》的报告。

　　我国科研院所在大型仪器上的使用现状

　　我国已经成为世界上大型科学仪器设备最大的购买地之一，据国家科技基础平台中心的初步统计，中央级科研院所和高校目前拥有价值单台(套)50万元以上的大型科学仪器设备超过1.5万台(套)，总值达200亿元以上。

　　李博士根据自己的工作体会，列举了一些我国科研院所在大型科学仪器使用上存在的问题：

　　1) 大型仪器设备的购置、管理和使用呈现条块分割和自成体系的状态，追求“小而全，大而优，自有自用”，没有形成仪器共享的氛围；

　　2) 资金短缺和重复购置并存；

　　3) 科研急需和设备闲置并存；

　　4) 共享率低；

　　5) 使用效率低；

　　6) 技术支撑跟不上使用要求；

　　7) 对外依存度过高等。

　　《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》，对我国科技基础设施的建设做出了明确部署，要求加快建设科技基础条件平台，建立科技技术条件平台的共享机制，将实现科技资源共享列为国家科技创新体系建设的重要内容。

 

　　中科院促进大型仪器共享的举措

　　李柳博士谈到，中科院在2008年10月曾召开了一次全院的科技支撑工作会议，共同讨论了中科院技术支撑系统的建设方案，通过了以建设高水平的公共技术支撑平台为目标，以院所两级公共技术服务中心建设为重点，整合优化研究所现有技术资源，创新管理体制与运行机制，促进全院科研装备的开放共享和协作研究，建立一支高水平、高素质的技术支撑队伍，大力提升科研装备运行维护、功能改进、技术发展和自主研制能力，逐步建成能够满足我院科技创新跨越与持续发展要求的精干高效的技术支撑体系和技术支撑队伍。

　　通过此次会议，主要解决了仪器设备管理分散、管理不配套、利用率不高和技术支撑队伍不稳定、水平不高这两个问题，以提升高效运行、综合服务及自主研制的能力。

　　中科院根据地域和学科的特点，共建立了十个大型仪器区域中心，包括北京、上海、东北、合肥、青岛、昆明，以实现大型科学仪器设备的共享。接下来，李主任主要介绍了其所在的北京生命科学大型仪器区域中心。

　　北京生命科学大型仪器区域中心包括生物物理所、植物所、过程工程所、动物所、微生物所、心理所、遗传发育所、基因组所这8个研究所，可谓是我国生命科学领域研究的“国家队”，具有相当丰富的大型科研仪器设备的保有量(2008年统计50万元以上的大型仪器设备为166台，总投资达到2.6个亿)，地理位置的临近为所际间的仪器资源共享提供了空间基础和便利条件。

　　该区域中心旨通过平台建设，优化资源配置，实现仪器设备资源共享，提高大型仪器设备的使用率。将“利用国家以及院装备专项经费购置的单台(套)价值在50万元人民币以上的科学仪器”以及“自愿申请、主管部门审查同意的，以其它经费购置的单台(套)价值在50万元以上的仪器设备”纳入区域中心共享公用。为实现真正的开放共享，提出“区域中心内大型仪器资源信息、收费标准等全部在网上(http://face.issas.ac.cn/apparatus1/)公开，各成员单位得到相同的使用权限，预约机时安排在网上完全动态公开，自动地接受使用者的监督”的运行模式。

　　同时还制定了《北京生命科学大型仪器区域中心仪器共享管理系统运行办法》，对大型仪器的入围管理、用户的注册与预约、仪器操作员的审核、区域中心内费用结算等大型仪器开放共享使用的流程进行了明确的规定与要求，保证了开放共享流程和服务的顺利。

　　随后，李博士总结了生命科学大型仪器区域中心主要的工作内容，包括有1、仪器设备的建设;2、区域中心共享管理系统的运行、仪器的运行补贴;3、新功能、新方法开发项目用来鼓励试验方法学、仪器新功能的开发;4、国家、院部、研究所多层次的自主研制项目;5、拉动技术支撑队伍的建设。

　　李博士在报告中也指出：促进大型仪器的共享是项长期的工作，需要得到各个方面的理解和支持;比如现在海关对于资产的管理与仪器共享机制有些方面是相互矛盾的，海关认为仪器设备属于国有资产，是不能够随便调动使用的，从中我们可以看到真正建立起我国大型仪器共享机制还有很长的路要走。　　　　

       报告下载：《摸索中的大型仪器共享工作—北京生命科学大型仪器区域中心介绍》