质谱中飞行时间分析器

近日，我所（中科院大连化物所）快速分离与检测研究组(102组)李海洋研究团队主持的重大仪器专项的关键子任务顺利通过专家组的现场测试验收。此次测试专家组的成员包括中科科仪的于科岐、国家航天员训练中心刘学博、中国计量科学研究院赵墨田、天津地质矿产研究所李怀坤及清华大学李展平教授。现场测试结果表明，该项目中研制的飞行时间质谱的分辨率指标大于270,000(182W)，远远超过项目指标2万的要求，达到了该研究领域的国际最前沿水平。　　 　　该项目研究掌握的核心技术是多次反射质谱技术，其原理是：在有限的空间内，仅利用静电场将离子的飞行路径折叠反射来延长飞行时间，保证离子束长距离(可达上千米)的飞行中不发散的同时实现质量峰的压缩聚焦，从而极大提高分辨率。质谱的分辨率随反射圈数增大而增大，而传输效率基本不损失。对于激光溅射电离产生的182W+，经过176圈反射后，飞行距离达到了700m，飞行时间18ms时，质量分辨率大于270,000，每秒可得到50张谱图。离子传输过程中不存在任何栅网，离子多圈飞行后传输效率达到25%。　　该仪器不仅具有高质量分辨率带来的准确定性能力，同比于其他类型质谱，且在宽的质量范围内具有超高分辨。　　相关新闻：大连化物所李海洋研究团队2000万元转让检测新型爆炸物专利

TOF-SIMS(飞行时间二次离子质谱)采用一次离子轰击固体材料表面，产生二次离子，并根据二次离子的质荷比探测材料的成分和结构。TOF-SIMS是一种非常灵敏的表面分析技术，可以精确确定样品表面元素的构成：通过对分子离子峰和官能团碎片的分析可以方便的确定表面化合物和有机样品的结构，配合样品表面的扫描和剥离，可以得到样品表面甚至三维的成分图。相对于XPS、AES等表面分析方法，TOF-SIMS可以分析包括氢在内的所有元素，可以分析包括有机大分子在内的化合物，具有更高的分辨率。　　2013年，德国ION-TOF公司在中国成功安装了4台TOF-SIMS，据介绍该仪器目前在中国的保有量也不过10台左右。在2013 全国表面分析科学与技术应用学术会议召开期间，德国ION-TOF公司中国区总代理北京艾飞拓科技有限公司总经理高聚宁接受了仪器信息网编辑的采访，介绍了德国ION TOF公司的基本情况，以及TOF-SIMS技术目前的发展应用情况。北京艾飞拓科技有限公司总经理高聚宁　　Instrument：首先，请您介绍一下ION TOF公司，及其TOF-SIMS产品的技术发展历史?　　高聚宁 ：国际上对TOF-SIMS分析研究已经有近35年历史，代表性单位是德国ION-TOF公司所在的德国明斯特大学。可以说，ION-TOF的历史就是TOF-SIMS的发展史。下面的照片是1977年在德国明斯特召开的第一届国际SIMS会议的参加者。ION-TOF公司创建于1989年，是专门研究和生产飞行时间二次离子质谱仪器(TOF-SIMS)的高科技公司。其创始人贝宁豪文(Beninghoven)教授是静态二次离子质谱的奠基人，创建并长期担任国际二次离子质谱学会议主席。1977年在德国明斯特召开的第一届国际SIMS会议的参加者ION-TOF创始人贝宁豪文教授　　ION-TOF公司创立前，在Beninghoven教授指导下，明斯特大学物理系已经开发了第一代到第三代的二次离子质谱仪器，公司创建后的产品是从第三代TOF-SIMS开始销售的。2003年10月，ION-TOF推出了第五代TOF.SIMS 5仪器。2005年，ION-TOF推出了具有独立专利的Bi源，可以完全取代原来的Ga源和金源。该分析源对无机物和有机大分子等的分析都可以胜任，并且在不损失系统的空间分辨率的前提下大大提高其质量分辨率。第一代SIMS(1982年)　　2010年，ION-TOF开发了第二代Bi源，使得空间分辨率和质量分辨率又上了一个新台阶。第二代Bi源还可以提供Mn离子，对国际最新的G-SIMS(Gentle-SIMS)分析提供支持。　　2012年，ION-TOF公司对分析器新研制了EDR功能，对系统结果矫正和定量分析很有帮助。还推出了可以用于有机大分子和生物分析的Gas Cluster Source。新的研究成果将TOF-SIMS的分析从无机物拓展到有机大分子和生物分析领域，可以广泛应用在半导体，物理，化学，材料，生命科学，医药等领域。　　Instrument：请您谈谈TOF-SIMS技术未来的发展趋势?　　高聚宁：TOF-SIMS未来的发展趋势，我认为主要在以下三个方面：　　一是应用领域的拓展，尤其是在生物和有机大分子应用方面的拓展。这包括多方面的内容，如对有机分析源的开发完善，有机分析源已经从Au，C60，发展到现在的Bi源和气体团簇离子源(GCIB)。对于生物和有机分子的分子离子峰获得已经取得突破性进展。而在另一方面，有机材料的结果非常复杂，需要有经验的专门分析人员。我们正在尝试一种简化谱图的方法，G-SIMS提供了一种思路，但仍有待完善。　　其次是定量分析。由于Matrix效应，某种元素的离子产额是与当时所处的化学环境相关的。所以TOF-SIMS的定量分析比较复杂，需要对标准样品同时进行分析对比。另外，成份含量可以相差到十几个量级。如何保证在如此大的跨度下不损失，不丢失测试信号也是一个难点。ION-TOF已经有很好的尝试，如与XPS结合，EDR功能的开发等。　　最后是与其他表面分析手段的结合，如形貌(AFM)，SEM，XPS，LEIS（Low-Energy Ion Spectroscopy），激光共聚焦显微镜等。这些分析手段可以帮助用户获得全方位的表面和界面信息，并通过结果对比，解析出样品表面和界面的原始状态。但这些手段实现原位分析还需要一个过程。ION-TOF正在着手这方面的研究，并已经取得了部分成果。　　Instrument：您认为TOF-SIMS的市场发展前景怎么样?　　高聚宁：目前，国际上一致公认TOF-SIMS将是XPS之后的可以广泛应用的分析平台，所以对其前景非常看好。现在，国际上已经安装了约280套TOF-SIMS，每年约20-25台的增长量。相比之下，中国的TOF-SIMS研究刚刚起步，目前仅有约10套系统，这还包括ION-TOF今年安装的4套系统!按照我们的分析，中国TOF-SIMS的保有量和年销量都应该达到世界的1/4。这还需要很多的培训和推广工作。　　Instrument：您如何看待TOF-SIMS在中国高校科研院所及企业单位的市场需求前景?　　高聚宁：目前，世界上TOF-SIMS的用户群半导体工厂和科研院所用户各占半壁江山。如韩国Samsung集团就安装了超过10台的TOF-SIMS。然而，随着TOF-SIMS在生物分析领域的拓展，科研院所和高校的需求将会增加。对中国的用户，我们在生物领域的研究已经达到世界先进水平，尤其是中医中药的研究也非常需要TOF-SIMS这样的分析手段，所以我个人非常看好TOF-SIMS在中国科研单位的前景。而对于工厂企业的需求，一些半导体工厂已经在中国设立了研究基地。而配合生产线进行失效分析也会有大量的需求。其他分析领域，如钢材，汽车等领域，国外已经广泛应用TOF-SIMS，而国内仍然需要一定时间追赶国际步伐。

『编者加注：飞行时间(Time of Flight, TOF)质谱仪的原理：由离子源产生的离子经加速后进入无场漂移管，以恒定的速度飞向离子接收器；离子到达接收器所用的飞行时间和离子的质荷比(m/z)相关；通过测量各种离子到达飞行管的飞行时间，就可以得到离子的m/z值。飞行时间质谱仪具有可检测分子量范围大、扫描速度快、仪器结构简单等优点。』 　　第一次见到周振博士是2008年9月26日在嘉兴召开的第六届分析仪器发展与创新论坛暨第一届中国科学仪器南湖论坛上，他在“国产质谱研发与产业化”的会议上做了题为“飞行时间质谱的研制”的报告，给与会者留下了深刻的印象。　　周振博士从事质谱仪器的研究十几年，目前担任上海大学研究员。在德国吉森大学读物理学博士期间，得到了无网反射飞行时间检测器发明人H. Wollnik教授和垂直引入式飞行时间检测器发明人A. Dodonov教授的指导，并于2000年成功研制了分辨率达20000的高分辨垂直引入式飞行时间质谱仪，技术指标为当时国际同类仪器的最高水平。2000年开始，周振博士往返于欧美与中国，与志同道合的朋友一起，希望把这一技术在中国实现产业化。　　　　上海大学环境与化学工程学院周振研究员　　2004年周振博士全职回国，创办了广州禾信分析仪器有限公司，开展飞行时间质谱仪的开发和产业化工作，同时被聘为中科院广州地球化学研究所的研究员，潜心于飞行时间质谱分析器的研究，2006年研制成功国内首台分辨率达10000的大气压基体辅助激光解析离子源高分辨飞行时间质谱仪，获得了2008年度广东省科学技术一等奖 2007年完成小型化的分辨率达2000的飞行时间质谱分析器 取得了3项国家发明专利。现主持国家863项目、广东省科技攻关重点项目和粤港关键领域重点突破项目等。　　Instrument：周老师，您好!非常感谢您接受仪器信息网的采访。据了解，您在质谱仪相关技术方面做了很多工作，涉及离子源、真空接口、以及质谱整机的系统化等，请您给介绍一下相关情况。　　周振研究员：从1991年我就已经开始从事质谱仪方面的研究了，硕士毕业论文做的是电子轰击源扇形磁式质谱仪的研究，博士毕业论文是做辉光放电飞行时间质谱仪器和电喷雾飞行时间质谱仪器的研究，一直以来都是在做整机工作。　　质谱的关键部件是离子源和质量分析器 在我所做的工作中，涉及扇形磁式质谱仪、飞行时间质谱仪、Penning(超导)离子阱等质量分析器，研制过辉光放电离子源(GD)、电子轰击源(EI)、电喷雾(ESI)、大气压基体辅助激光解析离子源(APMALDI)、气溶胶电离(A-TOFMS)等离子源，当然还有与质谱相关的四极杆真空接口等重要电子离子光学部件。　　目前，我主要的研究方向是“垂直引入式飞行时间质谱分析器的理论和实践”，同俄罗斯质谱研发科学家一直保持着紧密的合作关系。这里要强调的一点是我们目前只专心做飞行时间质谱仪及其相关设备 科学仪器研发是多学科的高度集成，尤其是质谱仪器，它的一个离子源、一个质量检测器、甚至一个零部件就够一个人钻研一辈子，希望我们尽快能把这个分析器做好，做精。　　Instrument：请您介绍一下2001-2004年期间您在德国重离子加速中心和美国阿岗国家实验室所做的一些工作。　　周振研究员：我在这两个实验室的主要工作包括：射频四极杆离子传输器和分子离子反应器、高分辨飞行时间质谱分析器、Canadian Penning Trap(CPT)等。　　　　周振研究员与俄罗斯科学家垂直引入式飞行时间检测器发明人A. Dodonov教授一起在吉森大学调试仪器　　研制多台高分辨飞行时间质谱仪，用于德国重离子加速中心、俄罗斯科学院和美国橡树岭国家实验室等单位 参与了在天体物理中具有重大意义的64Ge、68Se、108Sb、22Mg等同位素的质量精确测量(世界首次的质量直接测量) 参与研制了一种新型四极杆分子离子反应器，可用于蛋白质，多肽的氨基酸序列测试 与美国橡树岭国家实验室合作制成首个负离子冷却装置，此装置可以将高达40keV能量的负离子束相空间减少10倍以上，以提高离子传输效率。　　　　在美国Argonne国家实验室庆贺CPT小组在国际上第一次完成22Mg精确质量测量　　科学研究的确需要很好的配套服务，像德国吉森大学物理研究所这样的科研机构，有很强的电子和机械队伍，有好的想法很容易付诸实施，我们在这方面落后的太多了。　　Instrument：请您谈谈飞行时间质谱在质谱家族中的地位及其发展前景?与四级杆质谱相比，飞行时间质谱有哪些自己的特点?　　周振研究员：飞行时间(TOF)和四级杆(Q)都是非常重要的质量分析器。第一台飞行时间质谱仪的发明要早于四级杆质谱仪。但由于当时基础技术不过关，比如快电子和大面积的离子探测器技术等，导致飞行时间质谱的总体性能指标一直停留在一个很低的水平，而四极杆一出现就达到了一个较高的水平，所以目前四级杆用的比较多有一定的历史原因。　　近些年来，随着技术的不断发展，TOF有了较大的技术进步和市场增长。特别是当涉及高检测速度和大分子量、高精度方面的测定，首选是TOF。当然，四极杆技术进步也很快，其分辨率和质量上限都在提高。比如串级四极杆定量能力强、检测限很好。串级四极杆一般由三个四极杆相串连，各个四极杆起不同的作用，比如过滤噪声、产生子离子等功能。串级四极杆是实验室仪器，十分娇贵、复杂，对操作人员素质要求较高，而且价格都在200万元以上。　　与普通单极四极杆相比，TOF在定量、检测限方面基本相当， TOF在一些行业应用领域，如一般的气体检测需求，已经完全能够达到要求。如果从国产化的角度看，实现核心技术完全国产化，价格便宜，维护方便，将更易于普及。针对在工业质谱领域的应用，我根据自己的理解，把Q与TOF的性能指标和生产难度大概作一下对比，如表1和表2所示：　　表1 飞行时间(TOF)和四级杆(Q)检测器主要技术指标比较　　表2 飞行时间(TOF)和四级杆(Q)检测器生产难度比较　　Instrument：目前，飞行时间质谱的具体应用领域有哪些?您所研制的飞行时间质谱的应用定位方面又是如何规划的?　　周振研究员：飞行时间质谱仪器主要有三种特殊应用。利用其大质量上限，可以做大分子的检测，如与MALDI相连 利用其高质量检测精度，如Q-Star这一类型的仪器是做分子式判定的最好工具之一 利用其快速特点，如作为高效毛细管电泳，全二维气相色谱的检测器。其他领域的应用TOF与Q相似，但还没有Q广。　　目前我们做的仪器还不能与国外进口仪器竞争，因此主要是定位在中低端应用客户，比如工业应用。我们拟先完成气体实时在线监测仪的产业化，应用于环保和工业领域，获得一定经验后再做气相色谱的检测器，最后再考虑与MALDI、ESI等离子源联用，做高端应用的质谱仪器。　　另外，在防恐、军事等方面的应用将是一个重点，由于进口的限制问题，只能靠自主研发，希望我们也能在这方面为国家做些贡献。　　Instrument：请谈谈广州禾信分析仪器有限公司的成立背景、以及目前发展情况?　　周振研究员：质谱仪的应用范围非常广，涉及食品、环境、人类健康、药物、国家安全、和其他与分析测试相关的领域，而我们国家的中高端质谱完全依赖进口。我们掌握了TOF的核心技术，在这样的形势与背景下，我们的目的非常明确：质谱仪器，非做不可 并且根据自身的优势，目前只做飞行时间质谱仪器，并一定要把它做好。　　广州禾信分析仪器有限公司成立至今，投入了大量的研发经费，承担了国家、广东省、广州市、广州开发区的一些重大科研项目。近期即将获得一些风险投资，这将为公司的发展增添更强大的动力。公司的定位是飞行时间质谱分析器及相关技术开发和生产的专业公司，目前有研发人员15人，配合生产的人员10多人。　　　　广州禾信分析仪器有限公司去踏青　　目前，已完成EITOF500型TOF分析器产品样机、2000 ESI/TOFMS实验室样机(小型化)、手提式飞行时间质谱分析器等的研发。其中EITOF分析仪正在北京钢铁研究总院进行测试，将用于冶金行业的气体在线分析。这些质谱仪器拥有完全自主知识产权，已申请多项专利。　　　EITOF500型TOF分析器产品样机参加广东省产学研展　　在市场方面，公司目前的定位是针对专业市场、中低端用户做市场，不与国际成熟产品竞争，尽量不与国内其他同行竞争。计划用1年的时间，实现产品投放市场；几年后达到批量销售的目标 同时与相关同行广泛合作，实现共赢。　　Instrument：您在回国创业过程中所面临的最大的困难是什么?　　周振研究员：资金缺乏是我们所面临的最大问题，前面也提到过，很多投资企业或投资人根本就不知道质谱为何物。另外，作为一个新的企业，从国家层面上申请经费也有一定困难。相关专家曾经到我们公司来调研，认为有研制大型仪器的条件和经验，因此得到了广东省政府的支持。现在我们只能埋头苦干，要用事实来证明我们是有能力做成这件事情的。　　在人员方面面临的问题也很大，尤其是目前国内能从事质谱研究的专业人才奇缺，完全要靠自己培养。在仪器设计和精加工方面，能满足要求的人员也非常缺乏。国内基础工业相对落后，导致在电子、机械零配件选用方面还不能完全满足设计要求，需要花大量的时间做筛选工作。相关人员还没有深刻意识到精密分析仪器的生产制造其质量控制的重要性，这方面的工作，不仅仅是靠钱就能解决的，需要花时间进行团队培养。　　比如，虽然我曾在实验室成功研制出了20000以上高分辨率的飞行时间检测器，但是我们目前主推样机的分辨率定位是2000。其主要原因，一方面高性能的TOFMS需要的成本更高，产业化过程中要投入大量的资金，我们还不具备与国际高端仪器面对面竞争的实力 另一方面我们所定位的专业市场，对性能指标的要求不是很高，而高端的产品还有待其他条件的进一步成熟。　　飞行时间质谱仪器属于大型仪器，技术上的高端仪器，涉及多方面的理论、专业技术以及复杂的工艺细节等，需要丰富的整机研制经验，只能说我选择了一个做高难度产品的道路。我想质谱仪的技术含量高应该是我们国家一直没有实现有冲击力产品的一个主要原因。　　Instrument：请谈谈国内分析仪器企业如何才能与跨国公司同台竞争?　　周振研究员：国内少数分析仪器企业做的不错，但是更多的企业首先面临的问题是如何生存。在我们目前还很弱小的情况下，想成为能生产具有自主知识产权产品的企业，只能踏踏实实一步一步地走，认认真真一个一个地出每一个产品，深入研究相关行业需求，或直接走专用仪器的路线，避免与跨国公司的直接竞争。　　另外，国家对分析仪器企业的要求最好与其他行业区别对待。比如科技创新方面，分析仪器企业属于高科技企业，就我们现在的水平，大部分的仪器能够消化吸收国外先进技术就算是很好了，慎提世界首创、国际一流等指标。我个人认为我们目前即使有什么创新，可能也只是在枝节上的，因为在质谱领域，大的革新几乎都是可以获得诺贝尔奖的。不能盲目冒进，只能一点点攻关。国家在研发、采购政策能方面加以支持也很重要，因为我们与国外公司相比太弱小了，竞争管理机制也不完善。　　当然，在总体上，我们是乐观的，我们面对的市场很大。“千人千山千担柴”，一个人不可能把所有的事情都做完，也不要担心别人可能在做同样的事，发展好自己的团队最重要。　　Instrument：对我国仪器研发人才的培养您有什么建议?　　周振研究员：首先，要大力培养仪器人才。我们国家的科学仪器要想得到更好的发展，系统地培养科学仪器研发人才至关重要，而且我们现在比西方其他国家已经晚了很多年了。早在80年代，天津大学和厦门大学就已经建立起了分析仪器专业，由于种种原因现在都已经不一样了。我想尽自己的能力，从质谱仪器入手，着手进行分析仪器后备人才的培养工作。　　我们正与上海大学一起建立紧密的产学研用合作关系，以上海大学作为新技术、新应用的研发平台，为解决国民经济中的重大问题提供理论和技术基础，培养专业人才。如果进一步能在上海大学重新开启分析仪器学科，那么意义更加重大，具体事宜正在筹划之中。　　其次，作为一个企业要千方百计地吸引并留住人才。我们辛辛苦苦培养的优秀人才学成之后到外企工作去了，有关部门也早已意识到这个问题。希望能够采取灵活的措施，提供宽松的科研环境，鼓励这些优秀的人才回国创业。　　　　周振研究员的研发团队召开技术研讨会　　采访即将结束时，周振研究员向我们表示，要特别感谢傅家谟院士。当年参加广州留学生交流会的初次见面，傅家谟院士就给予他足够的信任与厚望，“两天内就决定了一个大型仪器的开发”，直接促成了广东省第一台飞行时间质谱仪器的研制成功，“也使我义无反顾地回国创业。同时也十分感谢863、广东省科技厅和广州市科技局开放、创新的态度”。　　采访手记　　质谱仪已经深入地渗透到了各行各业，成为保障人类健康、促进环境安全，以及探索未知世界不可或缺的工具，其重要性已得到了广泛认同。但我国的质谱仪一直存在核心技术不足、“空心化”现象，国内逐年扩大的质谱仪市场一直被国外公司垄断。面对我国经济、社会发展的需求，迫切需要研发具有自主知识产权的质谱仪器。　　在与周振研究员交谈中，给笔者印象最深的是“执著、专注”，对飞行时间质谱研发工作的无比热情，十几年如一日、专心做这一件事情，就是为了心中那份梦想：“做中国的飞行时间质谱仪”。我们衷心期待周振研究员能够实现自己的梦想，为我国的国产质谱事业贡献力量。　　采访编辑：刘向东　　附录：周振研究员简介.doc