探针式植物茎流测量系统

成果名称 扫描探针显微镜宽动态范围电流测量系统的研制 单位名称 北京大学 联系人 马靖 联系邮箱 mj@labpku.com 成果成熟度 &radic 研发阶段 □原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产 成果简介： 扫描探针显微镜（SPM）是研究材料表面结构和特性的重要分析设备，具有高精度和高空间分辨的优点，可以在多种模式下工作。其中，扫描隧道显微镜（STM）和导电原子力显微镜（CFM）技术，通过探测偏压作用下针尖与样品间产生的电流，可以获得器件电学特性或材料表面局域电子结构等重要信息，成为目前微纳电子学研究领域的重要工具。SPM中用于探测针尖与样品间电流的关键部件是电流-电压转换器（I-V Converter），其作用是把探测到的微弱电流信号转换为电压信号以便后续处理。目前商用SPM设备中采用的是虚地型固定增益线性电流-电压转换器，典型灵敏度为108 V/A，其主要缺点是电流测量的动态范围较小，只能达到3~4个数量级，这使得目前SPM的电流测量能力被限定在10pA~100nA之间，阻碍了SPM在微纳电子学领域的应用。 2012年，信息学院申自勇副教授申请的&ldquo 扫描探针显微镜宽动态范围电流测量系统的研制&rdquo 获得了第四期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持，在项目资金的支持下，申自勇课题组开展了富有成效的工作，包括：（1）宽动态电流测量系统总体设计；（2）测量系统与SPM控制系统的接口设计；（3）测量系统加工制作和联机调试；（4）测量系统性能指标的测试评估与优化。此外，课题组还克服了皮安级微弱电流的高精度低噪声测量、反馈回路中用于非线性转换的双极结型晶体管的温度补偿等技术难题，所研制的测量系统取得了良好的效果。目前，该项目已经顺利结题，其成果装置已经在该课题组相关仪器上正常使用，并在向校内外相关用户推广。 应用前景： 扫描隧道显微镜（STM）和导电原子力显微镜（CFM）技术，通过探测偏压作用下针尖与样品间产生的电流，可以获得器件电学特性或材料表面局域电子结构等重要信息，成为目前微纳电子学研究领域的重要工具。

2020年5月，我公司为上海果蔬种植基地（上海清澄果蔬专业合作社）提供植物茎流仪、果实生长变化仪、茎秆生长变化计等数据采集系统。 上海清澄果蔬专业合作社占地面积480亩，先后被评为中国农业部和财政部现代农业产业技术示范基地、市农业技术推广服务中心先进科技示范户、2017年上海农业科学院梨树试验示范基地等多项荣誉。合作社坚持农旅结合，打造特色农业生态合作社，并利用网络平台开设微店，生产的各种特色果品深受市民喜爱。 PEM1000X植物生理生态监测系统是北京博伦经纬公司推出的一款新型的植物生理生态监测系统，分别有监测部分、采集部分、传输部分组成，监测部分包括：各种传感器和供电部分；采购部分包括：数据记录仪、数据存储部分和支架配件部分；传输部分包括：有线传输和无线传输。此系统包括：茎秆生长变化、果实生长变化、茎流等指标，可根据客户的需要酌情添加或减少传感器，可以长期地监测植物的生理变化和影响植物生长变化的监测系统。HPV茎流量传感器是一款校准型、低成本的热脉冲液流传感器，输出校准液流量、热速、茎水含量、茎温等数据，功耗低，内置加热控制，同时改善了传统的加热方式，其原理采用热脉冲速率法（HPV），测量范围：-200~+1000cm/hr(热流速度)或-100~+2000cm3/cm2/hr (茎流通量密度)，可广泛用于于茎流量监测、植物茎流蒸发计算、植物茎流蒸腾量、植物灌溉等植物茎流是树木内部的“水”运动，而蒸腾是从叶片通过光合作用蒸发流出的水分。树液流量和蒸腾量之间有很强的关联性，通常理解是同一回事。但是，严格地说，它们是不同的，这体现在它们是如何被测量的。SAP流量以L/hr（或每天、每周等）为单位进行测量。蒸腾量以每小时、每天、每星期等毫米（mm）为单位测量。 蒸散量=蒸腾量+蒸发量 蒸腾量以毫米为测量单位，可与降雨量以毫米计作比较。随着时间的推移，降雨量（水输入）应与蒸腾量（输出）相匹配。如果蒸腾作用更高，通常是树木作物的蒸腾作用，那么这种差异必须通过灌溉来弥补。 蒸发量（evaporation），蒸发量是指在一定时段内，由土壤或水中的水分经蒸发而散布到空中的量。1mm(降雨量)=1㎡地面1kg水1mm(蒸腾量)=1㎡叶面积的1升树液流量（水） 例如：在果园和葡萄园等有管理的树木作物系统中，蒸发量与蒸腾量相比非常小。因此，为了简化测量，通常忽略蒸发量，将蒸腾量取为平均蒸散量（ETo）。 技术指标测量范围：-200~+1000cm/hr(热流速度)分辨率：0.001cm/hr准确度：±0.1cm/hr探针尺寸：φ1.3mm*L30mm温度位置：外10mm，内20mm针距：6mm探针材质：316不锈钢温度范围：-30~+70℃响应时间：200ms加热电阻：39Ω，400J/m电源：12V DC电流：空闲5mA, 测量270mA线缆：5m，Max 60mDE-1T 树木生长变化传感器茎秆直径范围：60mm茎秆变化测量范围：0~10mm分辨率：0.005mm温度响应： 0.02% /℃工作环境：0~50℃预热时间：5s电源：10~30V DC功耗：1.5W防护等级：IP64尺寸：90 W × 60 H × 23 Dmm测量杆尺寸：160 L × 4Φ螺纹管口尺寸：10 L × 5Φ标准线缆：4m长，可选择10mFI-LT果实生长传感器是一个系列位移传感器，主要用于记录完全圆形的果实的生长尺寸和生长速度，在7 -160毫米范围内，通过三个直径变化测量。移动臂原始设计为平行四边形，提供牢固的笔直的传感器位置，用于果实研究。FI型传感器由一个安装在特殊夹子上的LVDT变送器，以及一个DC电源信号调节器组成。测量范围：30~160mm分辨率：0.065mm准确度：±0.3mm温度响应： 0.02% /℃工作环境：0~50℃预热时间：5s电源：10~30V DC功耗：1.5W防护等级：IP64标准线缆：4m长，可选择10m

刘敦一研究员，曾任中国质谱学会理事长，2001年至今任国家大型科学仪器中心——北京离子探针中心主任。他是中国地学界的杰出领军人物，在同位素地质年代学研究领域成就卓著。同时，身为中国最早一辈从事质谱技术与仪器研制的科学家，刘敦一研究员曾多次就仪器研制相关问题向科技部、财政部提建议，呼吁相关部门关注、促进中国仪器研制事业的发展。 　　近日，仪器信息网编辑专访了刘敦一研究员，请他谈谈：他目前的仪器研制工作，以及他对中国仪器研制情况的看法。 北京离子探针中心主任 刘敦一研究员 从二次离子质谱仪器研制谈起 　　北京离子探针中心的核心仪器是高分辨二次离子探针质谱计(Sensitive High Resolution Ion Microprobe II ，SHRIMPⅡ)，该仪器是同位素地质年代学领域最先进的科学仪器之一，也是刘敦一研究员在仪器研制方面的主要研究对象。2006年，北京离子探针中心承担了“十一五”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》，目前该课题已处于验收阶段，即将结题。 　　作为课题负责人的刘敦一研究员首先介绍了该课题的相关情况：“我们课题的总目标与内容是：攻克二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectroscopy ，SIMS)及飞行时间(TOF)串联质谱的若干关键技术，自主研发一批SIMS和串联飞行时间质谱核心关键部件。这个课题是由北京离子探针中心牵头，中国计量科学研究院、中国科学院大连化学物理研究所、复旦大学等单位参与其中，各自负责不同的子课题。” 　　“我们取得了一系列课题成果。本课题的主要目标是仪器核心部件，但也搭建了飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS)、离子阱飞行时间质谱仪(Trap-TOF)的整机。通过课题组成员近四年的努力，课题组完成了课题任务书既定的各项指标，发表科技论文29篇(其中向国外发表5篇)；申请国内发明专利24项，国际发明专利6项，其中已有2项国内发明专利和1项国外发明专利已获得授权；形成有关二次离子质谱(SIMS)及飞行时间(TOF)串联质谱的新技术、新产品、新装置和计算机软件等19项；有5项成果已在相关领域成功应用；培养、凝聚和造就了一支过硬的理论和技术人才队伍；建立了5个高端质谱仪器及关键部件试验平台和研发基地，为飞行时间质谱、串联质谱、高分辨ICP、辉光放电、高分辨气体同位素等高端质谱仪器自主研制的跨越式发展奠定了基础。” 　　“此次研制出来的各仪器部件有的是针对地学领域，但大部分是没有针对性的，比如离子源、样品台、离子阱、飞行管道、电学系统、高压模块等部件，这些与通常的飞行时间质谱与离子阱质谱的核心部件是一样的。所以，这些部件将来会有很广泛的适用领域。” 　　“SIMS的应用范围其实非常广泛，不仅可以用在地学领域，还可以应用于生命科学、材料、微电子、纳米等多个领域。未来北京离子探针中心仍将继续在SIMS方面努力探索。在‘十二五’，我们首先要提升本次研制出的各部件的各项指标，缩小其体积；然后，打算继续联合大连化物所等国内科研机构或国外相关机构专家，研制专门针对地学领域的TOF-SIMS。”北京离子探针中心的SHRIMPⅡ (图注：SHRIMPⅡ是磁质谱，其售价目前在3000万人民币左右，该仪器体积庞大，一台仪器占地面积就达几十平米。) 　　“TOF用在高精度同位素地质测量上是史无前例的，如果我们真的能够研制成功的话，那将是世界上第一台专门用于地学领域的TOF-SIMS。虽然我们不能保证研制出来的TOF-SIMS能比现在的SHRIMPⅡ在精度上有很大的提升，但只要该仪器能达到磁质谱的水平，这就是很大的创新与突破。先达到，再提高，这是一条新路子。但毫无疑问的是，TOF-SIMS的造价相比于SHRIMPⅡ将下降一半，体积也会缩小许多。” 实事求是地看待中国仪器研制的种种困境 　　刘敦一研究员长期关注中国仪器研制现状，在其担任政协委员时他曾写过一个名为《开展我国仪器研发制造的第二次创业》的提案，他在提案中说到：科学仪器自主研制能力是关系到国家安全与民族发展的“大事”。而刘敦一研究员在长期工作中也形成了关于中国仪器研制困境的独到观点。如果用一个词来形容他这些观点的话，那就是他在采访中提到的“实事求是”。 　　中国仪器研制有两“缺” 　　“中国在仪器研制方面是一穷二白、白手起家，基础非常薄弱。目前国内基本没有研制出大型仪器，只在一些小型仪器上有所突破，且在高端仪器研制方面没有太多投入。早期中国在仪器研制方面与国外的差距主要体现在电子学方面，现在这种差距已不明显。但中国仪器研制现在缺两样东西，一是缺乏仪器整机设计思想，二是缺乏仪器部件精密加工能力。这两方面是我们现在最需要提升的。” 　　“仪器研制是长期任务，如果不长期发展，是无法研制出好的精密仪器的。仪器研制不是找几个科学家、专家立几个项就能达成的，而应培育、设立仪器研发基地与仪器精密部件加工基地。对于国内一些在技术、人才、实验装置都配备较完善的单位，国家可以考虑将其建成为仪器研制基地，同时可以考虑培养、建立几家专门为高精尖仪器加工零部件的工厂。” 　　研制仪器核心部件比研制整机更艰难 　　“研制仪器整机，首先是要完成整机设计方案，然后着手各部件的研制与连接。因为仪器整机研制着眼是整体，很多核心部件可向国外供应商购买。所以在国内，仪器整机研制的过程有可能就沦为了仪器部件拼凑的过程。” 　　“中国如果没有研制仪器核心部件的能力，我们的仪器工业还是要依赖于外界，以后的发展还是会受到限制。所以，中国必须自己研制仪器部件，这样我们的仪器工业才能独立，大量进口仪器的价格才有可能下降。希望相关部门能重视与鼓励仪器部件的研制。” 　　“仪器核心部件的研制没有捷径，需要研究者从头做起，以中国的薄弱基础与粗糙的仪器部件加工能力，研制仪器核心部件的难度非常大。此外，研究者在部件研制出来以后，为了验证该部件的性能，还可能需要搭建整机，这又是一个非常艰难的过程。所以‘研制仪器核心部件比研制整机更艰难’。” 　　仪器研制项目过于强调“大联合” 　　“目前，国内很多仪器研制项目的申请与实施是多家国内知名院校、科研院所的‘大联合’。毫无疑问，这样的‘大联合’在项目申请时会比较具有优势。但对于项目实施而言，这并不见得是好事。联合的单位越多，在项目实施过程中的管理就越困难。管理不到位，最终可能导致课题目标无法完成。所以，在技术力量足够的情况下，联合的单位越少越好，这样效率可能更高，不要总是过于强调‘大联合’。” 　　对仪器研制项目成果的期望值过高 　　“在对待仪器研制项目成果的态度上，我们的期望值不能过高。但现在一些人总是期望每个仪器研制项目都能做出原始创新成果，这几乎是不可能的。其实，以中国现有的仪器研制基础，一些高、精、尖的仪器能够仿制出来就是很大的突破。所以，我们不能要求每一项仪器研制成果都是自主创新，不能因为一些成果没有太多自主创新的成果就‘看不起’，否则会打击许多仪器研制人员的热情，不利于中国仪器研制的发展。在这点上，政府的眼光应放长远些，应有耐心。” 促进中国仪器研制，相关制度变革更关键 　　当笔者问到“如何促进中国仪器研制事业发展”的时候，刘敦一研究员有些感慨：“中国把仪器研制耽误了这么多年，现在相比于国外落后这么多，想一下子跟上来几乎是不可能的。现在要大力发展中国仪器研制事业，资金、技术、人才等多方面的支持是很重要的。但我认为，变革现有相关制度是更为关键的因素。” 　　“其实，目前国家越来越重视仪器研制了，相关的财政投入也在加大。据可靠消息称：在‘十二五’规划中，除了国家自然科学基金委‘科学仪器基础研究专项’10亿元的支持外，新设立的‘重大科学仪器装置研究专项’每年投入更多资金；此外，科技部设立的‘国家重大科学仪器设备开发专项’对仪器项目的支持力度将上不封顶。但这些钱‘可能还不容易发出去’，因为自然科学基金是支持基础研究，目前这方面的仪器研制项目并不多，基金委可能较难找到合适项目来资助。所以我个人认为，目前的财政支持力度是够的。但在制度方面，情况却不这么乐观。” 　　仪器科研项目财政管理制度亟待改进 　　“目前，仪器研制项目的管理制度缺乏灵活性，太‘死’，一是项目预算‘死’，要求在项目进行前就将项目预算计划得非常精确；二是项目周期时间太‘死’，规定一个非常确切时间段，比如三年或五年。此外，一些项目计划一旦更改，比如要申请追加项目经费，上报审核过程非常繁琐、漫长，太费时间。仪器研制项目是具有创新性的工作，受很多未知因素影响，我们无法将预算做得很精确，无法将项目周期控制得毫厘不差。项目负责人需要一定的自由度。” 　　与仪器研制成果产业化相关的知识产权、审计制度要跟上 　　“仪器研制项目的成果应考虑产业化，这样才能让国家与民众受惠，才能让仪器行业发展得更好。但仪器研制成果产业化涉及利益分配，如何分配是个大问题。由此牵扯进来的知识产权、财务审计等问题目前没有明确的制度规定，仪器研制者如考虑将成果产业化可能会遇到很多障碍。” 　　“首先，知识产权问题。目前科研人员研制出来的仪器属于职务成果，这个成果的知识产权属于研究者所在单位，而科研人员个人能否受益和受益的比例完全取决于所在单位的土政策，国家没有统一的规定。这是不合理的，会打击科研人员的积极性。其次，财务审计问题。目前，仪器产业化必然要与企业发生关联，或者是科研人员与所在单位设立公司，或者将成果出售给其他公司。因为是职务成果，所以相关的财务审计程序繁多又琐碎，让许多科研人员非常头痛，难以专心搞科研。要促进科研成果的产业化，相关制度应该跟上。” 　　需打破人才制度禁锢，保护仪器研制人员利益　　“目前，许多仪器研制项目主要集中在高校与科研院所，国家现有人才制度对进入这些单位的人员的学历要求很高，这有很多弊端。高学历并不意味着高技术水平，且仪器研制需要的人才种类很多，并不是每一个岗位都需要博士那样的高学历。而那些学历较低但在仪器研制方面很有天赋的技术人才却得不到发掘与重用。” 　　“我国专门研制仪器的人员少，大部分研究者都是将仪器研制作为‘副业’。如果仪器研制者在科研单位中不是专门从事仪器研制工作，那么他是非常吃亏的。他的利益很难得到保障，其地位、待遇较低，发文章较难，职称很难评上。在这样的情况下，科研单位留住这些仪器研制人才比较困难。我国仪器研制人才本来就匮乏，用人单位还招不到人、留不住人，这样情况就更糟糕了。相关人才制度方面该做点调整了。” 　　适当时候，一些强制性制度支持国产仪器产业是必要的 　　“目前，在购买仪器的时候，许多资金充裕的单位多是考虑国外进口仪器，对国产仪器则不作考虑，这种情况非常不利于国产仪器的发展。如果将来国产仪器发展到一定水平，国家可以采取一些强制制度，即只要国产仪器能够达到使用要求，仪器购买单位必须购买国产仪器。这样的强制性制度虽然可能存在不合理的地方，但是其对中国仪器研制以及国产仪器产业发展的推动作用一定是巨大的。” 　　针对以上方面，刘敦一研究员曾向相关部门提过许多建议，比如延长仪器研制项目周期，灵活调整项目经费，让科研人员能够享有一定比例的知识产权，允许用人单位采用岗位责任制与合同制等等。让人欣慰的是，有关部门在参考多方建议之后已经在许多方面有所调整了。 　　在采访的最后，刘敦一研究员还说到：“质谱类仪器研制需要机械、电子、物理、电气等多个学科的知识与成果，其对技术的要求是综合的、是最高水平的。这类仪器的研制可以带动其他种类仪器的发展，所以我一直建议重点发展质谱。介入这类比较高端仪器的发展，我们要鼓励自主创新，也要鼓励拷贝复制。我国各行各业对有机质谱的需求很大，如果我们真的能够研制出来，能保证仪器性能稳定，那么中国可以少买很多进口仪器，节省很多资金。” 　　采访编辑：杨丹丹 　　附录1：刘敦一研究员简介 　　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质谱技术方法研究。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，现任国际地质科学计划(IGCP)中国国家委员会主任和中国国际前寒武研究中心主任。第八届、九届、十届全国政协委员。 　　他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；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；2010年，其采用锆石SHRIMP定年法测定了来自美国的月岩和月球陨石样品年龄，重新确定了月球雨海纪的年龄，获国际认可。 　　他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151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。 　　2008年，美国科学杂志(American Journal of Science)出版专刊庆贺刘敦一的70岁生日(AJS，2008年3月号，Vol.308 No.3)，该刊序言称其为“中国地学界杰出的领军人物”，褒扬其领导的北京离子探针中心为“世界上运行最成功的实验室之一”。 　　附录2：北京离子探针中心 　　http://www.bjshrimp.cn/ 　　http://www.instrument.com.cn/news/20101201/052094.shtml