劉敦一：儀器應用全球共享中國的儀器研發要從高端入手

　　【導語】質譜技術在我國的最早應用，是從地質領域開始的。半個世紀前的質譜基本是磁式質譜，體積龐大，結構復雜，對使用人員的要求極高;儀器使用者一定要熟知原理，甚至要自己會維修，這樣才能“玩”轉應用。“玩”了半個世紀質譜的劉敦一教授正是其中一位，而他不僅“玩”轉了超難的磁式質譜，還“玩”出了一個超高效率運轉的全球共享質譜實驗室。十一.五開始后，劉教授帶著質譜超級玩家的數十年經驗，投身到我國的質譜核心部件和整機制造中。在不久前召開的全國無機及同位素質譜學學術會議上，分析測試百科網小編有幸采訪到劉敦一教授，他談到了在大型儀器共享和質譜研發方面的經驗和看法，希望對關注的網友們有幫助……

北京離子探針中心負責人 劉敦一教授

關于質譜技術與實驗室建設

　　無機質譜與地質學關系密切，在地質方面有廣泛的應用，最重要的應用就是地質年代學和穩定同位素地球化學。

　　劉敦一教授談到：“從62年開始，我就在中國地質科學院地質研究所從事同位素地質及其技術方法研究。當時的質譜計是從蘇聯引進的磁質譜，比現在的儀器落后多了。后來我們又引進了德國的磁質譜。隨著質譜技術的發展，2001年從澳大利亞引進了一臺高分辨率二次離子質譜，有非常高的分辨率和精度，對于開展微區的地質年代學研究非常有幫助。” 他還打了個有趣的比喻來說明新技術與研究的關系：“一項新技術好比一把新鑰匙，通過這把鑰匙可以打開一扇嶄新大門，讓地質學家看到新的天地。”

　　關于實驗室工作在地礦工作中的作用，劉教授認為，實驗室建設是發展地礦事業不可或缺的一環。地礦工作是一個系統，得從基礎工作做起，要將基礎研究與現場野外工作結合起來，共同發展。基礎工作沒有做好，基本的地質情況不清楚，就摸不清找礦方向。在這個過程中，實驗室可以起到指明方向、提供找礦依據的戰略作用。劉教授表示，目前國內的實驗室建設并未得到足夠的重視，很多人把實驗室看做是一個只是簡單提供數據的平臺。

世界最著名地質年代學實驗室之一——北京離子探針中心

　　國家大型儀器中心“北京離子探針中心”成立于2001年，中心由科技部、國土資源部和中科院共同出資建立，擁有兩臺核心儀器——高分辨二次離子探針質譜SHRIMPⅡ和SHRIMPⅡe-MC。2001年成立至今，劉敦一教授長期擔任中心主任。關于中心的命名，劉教授還透露了一點兒趣事：“中心的名字是科技部確定的，本來的名字是‘二次離子探針質譜中心’，科技部有關領導說，因為叫質譜中心的名字太多了，后來干脆就叫‘探針中心’。經過多年的運營，北京離子探針中心目前已成為世界最著名的地質年代學實驗室之一。”

北京離子探針中心成立揭幕

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　　大型儀器遠程共享 讓全球科學界受益

　　北京離子探針中心引進第一臺SHRIMPⅡ時，由于價格昂貴，當時這臺儀器是世界同類儀器中的第9臺，發展中國家的唯一一臺。這么稀缺的儀器應該如何被更好地利用和運營呢?

國際著名SHRIMP技術專家Ian Williams來中心訪問

　　劉敦一教授介紹說：“為了更高效地使用儀器，2005年底我們聯合中國計量科學研究院、吉林大學合作開發了離子探針遠程共享控制系統(SROS，SHRIMP Remote Operation System)，陸續建立了儀器共享實驗中心和7個國內外遠程工作站，連接了分散在全球各地的27套大型類儀器。通過這套系統利用Internet可實現實時遠程控制離子探針質譜儀，滿足了異地協同實驗、研究的需要，打破了科研工作中儀器使用的時空界限。”

　　“以前巴西科學家每年來中心做實驗，來回需乘坐60多個小時的飛機，到了中心后也不能給他們很多的機時，最多2-3天，非常費時費力。所以我們的第一個遠程站建在了巴西，通過遠程操作控制即可完成實驗分析。”

　　這套SROS系統不僅可把北京的儀器提供給全球遠程使用，也可讓北京中心遠程使用其它國家的同類儀器。“2007年,中心購買了澳大利亞Curtin理工大學的同樣儀器的機時，將這套先進的系統裝到對方的服務器上，目前合計共享機時11000余小時，開創了遠程共享國外大型科學儀器設備的先河。”

　　據了解，北京離子探針中心自成立之日起，就把向國內外地學界全方位開放共享作為基本運行方針，保證了每天24小時、每周7天不間斷運行，年分析機時保持在7200小時左右，是科技部有關大型儀器運行效率優秀標準的4倍，開放程度達到76%，大大超出科技部規定的30%，為國內外學者提供了高質量測試服務，提供了更多的年代學數據，推進了地學發展的速度，被譽為世界上同類儀器中運行效率最高的實驗室。

　　測定地球最老鋯石年齡 分析美國阿波羅月巖樣品

　　先進的運行理念和高效優質的服務，吸引了許多國家和地區的數百名專家學者，他們到北京離子探針中心完成鋯石定年工作或短期訪問，并取得了一系列重要的成果。

　　據了解，由于SHRIMPⅡ的引進，中國前寒武紀年代地層標定發生了重大改變，掀起了顛覆性的前寒武革命;中心測定的由美國科學家提供的世界上第三顆年齡超過43億年、同時具有37億年變質增生殼的最老鋯石，對地球早期歷史研究作出了突破性貢獻;中美學者聯合運用中心的SHRIMP II對阿波羅飛船登月采集的月巖和月球隕石進行了高精度測年，精確測定雨海紀月球遭受強烈撞擊事件年齡為39.2億年，更正了國際上過去一直沿用的38.5億年的雨海紀撞擊事件年齡。2004年，《我國38億年最老巖石的發現及鞍山太古宙地殼演化》獲國土資源科學技術獎一等獎。

　　據統計，10年來中心共分析了1.4萬余件鋯石定年樣品。截至2011年12月，各國專家學者運用在北京離子探針中心獲得的SHRIMP 測試數據，在國內外學術期刊上共發表論文近1000篇，其中國際SCI 330余篇。中心的SHRIMP成為世界上同類儀器中科研成果產出率最高的一臺儀器。

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造自己的儀器從高端入手、緊跟應用需求

　　地質學研究需要高精尖的儀器，劉敦一教授領導的團隊不只是在使用最先進的儀器，同時也在研發我國自己的儀器，自主研發了二次離子質譜和串聯飛行時間質譜的關鍵部件和關鍵技術、新產品、新裝置和計算機軟件等19項，申報了18項ZL，已獲2項國內發明ZL和1項國外發明ZL授權。

　　從高端入手、緊跟應用需求

　　關于中國自己的質譜儀器研發和制造，劉敦一教授談了幾點中肯的體會和看法。首先，他強調：中國必須造自己的儀器。“全靠國外的儀器，中國在國防、經濟等領域將受制于人，國家沒有安全感。全靠國外的商品化儀器，中國的研究也走不到第一線，因為發明創造必須有第一手別人還沒有的技術、要掌握第一手的資料，不能等著人家商品化后再使用，那就相當落后了。老一代以及和我同輩的質譜學家，從60年代初就開始研發儀器，但因為當時的經濟條件、加工條件、以及電子學的發展程度比較落后，遠不如國外水平，造出的儀器幾乎沒人要。”

　　其次，劉教授認為國家資助的儀器研發必須要瞄準高端,攻克核心技術：“高端、核心技術問題解決了，造出了高端的儀器，然后再推廣量大面廣的儀器就比較容易了。”

　　劉教授還強調儀器研發時就應從應用需求開始，注重應用，每款儀器的研發立項要針對相關的應用課題;儀器研發一成功，馬上就能發表研究文章。這樣更能有效體現該款儀器的優缺點，今后需要在哪里進行改進，在滿足某方面應用的基礎上，才談得上商品化和規模化推廣。

北京離子探針中心新址

　　十一.五項目攻關：二次離子質譜儀器核心技術及關鍵部件研發

　　本著研發高端技術的思路進行實踐，2011年6月，劉敦一教授擔任項目負責人，由北京離子探針中心聯合中國計量科學研究院、復旦大學、中國科學院大連化學物理研究所和北京普析通用儀器有限責任公司共同承擔的國家科技支撐計劃課題“二次離子質譜儀器核心技術及關鍵部件研究與開發”通過了驗收。

　　課題組開展了大型質譜儀研究實驗平臺搭建和共性關鍵技術的攻關、一次離子氣體源的研制及新型離子源的創新研究，研制出自動換樣系統及三維微聚焦移動樣品臺、二次離子源及二次質譜接口、離子阱離子反應裝置、飛行時間質量分析器、TOF專用高速數字轉換器以及二次離子質譜總控系統及軟件系統等關鍵部件，并開展了其應用示范及產業化研究。

　　課題組研制成功了雙等離子體氣體源，提供給中國地質科學院地質研究所北京離子探針中心作為SHRIMPII大型二次離子探針質譜的核心關鍵部件，提高了儀器有效機時，帶來了一定的經濟效益。

　　十二.五儀器專項攻關：研發高分辨、高精度飛行時間二次離子質譜儀TOF-SIMS

　　2011年10月，劉敦一教授擔任項目負責人，由北京離子探針中心聯合中國科學院大連化學物理研究所、吉林大學和中國地質科學院礦產資源研究所共同申請的國家重大科學儀器設備開發專項項目“同位素地質學專用TOF-SIMS科學儀器”正式啟動。開發用于高精度同位素豐度分析的TOF-SIMS(飛行時間二次離子質譜)新技術，研制兩臺分別用于穩定同位素分析和稀土元素分析的TOF-SIMS-SI和TOF-SIMS-REE儀器，為巖石成因學、礦床成因學、地球環境、氣候變化、月球及行星演化等熱點研究領域提供最先進的技術支撐。

　　劉教授指出，地質上用的穩定同位素分析和稀土元素分析質譜，以前以及所有已經商品化的都是磁式質譜。飛行時間技術在近年來大幅提高了分辨率和靈敏度，提供了該項目研發的可能性;隨著近年來高速離子接收器的問世，用于高精度同位素分析的TOF-SIMS更有了技術基礎。劉教授表示，該項目是“吃螃蟹”的，有挑戰有風險：“這種儀器的研發前人沒有做過，國外也沒人做，屬于全球首創技術。”

　　儀器研發不能缺少人才和加工技術

　　劉敦一教授談到，現在國內的狀態是用儀器的多，而真正懂儀器的并不多，真正設計一種新型儀器的能力比較弱，要想從根本改變我們國家儀器研發的狀況，一方面需要花大力氣培養真正懂儀器，有設計能力的，有苦行僧精神的年輕人才;另外一方面要強化加工能力，建立一些高級、精密的加工中心。“所幸是，目前我國政府已經意識到了這方面的重要性。”

　　附錄：劉敦一教授簡介

　　劉敦一長期從事質譜技術和同位素年代學研究，同位素地質年代學科帶頭人。在早前寒武紀地質年代學、超高壓變質巖定年、蛇綠巖定年研究方面有突出成果，首次發現并厘定了38億年和38.5億年我國最老巖石和鋯石。

　　劉敦一，中國地質科學院地質研究所研究員，同位素地質年代學家。

　　劉敦一，1937 年4月生，男，黑龍江人。1962年畢業于云南大學物理系。1962年至今，在中國地質科學院地質研究所從事同位素地質及其技術方法研究。期間多次出國與國外同行進行合作研究或短期學術訪問;曾長期擔任同位素地質研究室和同位素地質開放實驗室主任;1991年晉升為研究員;2001年至今，任國家大型儀器中心“北京離子探針中心”主任;曾任國際地質科學聯合會副主席(1992—2000年)、國際地質科學聯合會提名委員會委員、中國地質學會副理事長、中國質譜學會理事長、IGCP中國國家委員會主任(1999年至今)、現任中國國際前寒武研究中心主任。是第八屆、九屆、十屆全國政協委員。

　　在同位素質譜技術方法和凈化實驗室建立上引領了我國同位素地質實驗室的發展。引進了世界上先進的SHRIMPⅡ質譜儀，并快速建立鋯石U-Th-Pb微區定年技術。領導的北京離子探針中心，以最高的儀器利用率和開放程度，為國內外地學界提供了一個高水平的年代學實驗與研究平臺，以及大型科學裝備遠程共享示范研究—離子探針系統實現世界首創遠程控制技術，得到國內外地學界的一致贊譽，并成為一個國際性開放實驗室。他曾發表論文158篇，其中國際SCI論文29篇;獲得國土資源科技獎一等獎1項，排名第一;部級科技成果二等獎3項，排名為第二、三、七;部級科技成果三等獎 3項，排名為第一、一、二。

　　劉敦一同志事業心強、學風嚴謹、勇于創新、工作認真努力。他積極參與國內外的學術組織和活動，促進學術交流，在國際上有相當的知名度。

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