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    丁传凡团队成功研发四极离子阱质谱关键技术与核心部件
    发布日期:2016-11-14   点击次数:834
      就像发动机之于汽车,由复旦大学化学系教授丁传凡及其团队研发的四极离子阱关键技术和核心部件,构成了一台质谱仪的“中心”,无论其他组件如何更改,此“中心”最终决定离子阱质谱仪的性能。
      在即将举行的第18届中国国际工业博览会上,丁传凡团队将展出包括印刷线路板(PCB)离子阱、栅网电极离子阱、PCB阵列离子阱分析器在内的核心技术成果。该成果已于2015年7月11日通过技术鉴定并获得2015年度的中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖。

      作为现代科学仪器的一种,质谱仪主要用于检测样本中的化学成分种类和含量。如同对学生进行科目考试,得到对应学科成绩,便知道该学生有学习哪门科目的潜质、哪门科目成绩处于中等水平。质量分析器是质谱仪的重要部分,其作用相当于考试过程;而离子阱则是质量分析器的一种,两者的关系就像线上考试之于考试。丁传凡团队的研发成果,即打造离子阱的核心技术。

      丁传凡团队创新研发的多项核心技术,不仅提高了离子阱的工作性能,还可以最大程度降低制作离子阱的成本,为实现质谱仪全国产化提供支持。这些技术拥有自主知识产权,已获得数项包括美国,欧洲,日本和中国的专利保护。

      “质谱仪器荷技术拥有非常大的市场,各行各业都可以尝试质谱思维。”目前,质谱的运用已涉及到食品安全,航天航空、科学研究、环境监测与精准医疗等领域,并成放射状向各领域扩散。

      厚积薄发的智慧:用更便宜的材料研发更精致的仪器

      作为质量分析器的一种,离子阱是通过电磁场作用,将离子限定在有限空间内,即“阱”内。离子在电场或磁场中运动,由于质量、大小、种类的不同,离子的运动轨道也有所差异,而此差异可以通过物理方程表达式呈现出来。离子阱将被电离后的离子“收入囊中”,进行质量分析,通过测算的质量能够推导出此前检测的样品中含有哪些成分、每种成分的含量是多少等。

      在此之前,离子阱内的电场分布是通过双曲面电极实现的,其形状类似于“掐腰”的圆柱筒。电极产生的电场作用于离子,使不同质量的离子“描绘”出相应的运动轨迹。由于中国在质谱领域起步较晚,无法制作出高精度的双曲面电极的离子阱,只能花费巨额经费去国外购买,甚至在初期,西方发达国家以高技术产品为借口拒绝对中国售卖,极大影响了国内科学研究和实际应用。于是,丁传凡团队想到用简单,便宜的印刷线路板代替双曲面,以简化制造工艺荷降低成本。

      如同台式电脑内的主机板,印刷线路板(简称PCB)以平面的电极取代双曲面电极产生高精度的电场分布,就像在白纸上绘制藏宝图,每个部分由线路相连接。以印刷线路板制作电极的印刷线路板离子阱分析器(简称PCB离子阱),相比于以往以十万元人民币进口的双曲面电极离子阱,价格更便宜、加工更简单、性能更好。

      在此基础上,丁传凡团队还发明了印刷线路板阵列离子阱分析器(简称PCB阵列离子阱)。PCB阵列离子阱与普通PCB离子阱同属于质量分析器类别,两者结构复杂性相当,在效用上前者是许多个后者的结合体,类似于排炮与单筒炮。后者一次只能对一个样本内的离子进行质量分析,但前者可以检测10个、甚至100个样本,且拥有更快速的分析速度与更显著的灵敏度,成本也并未显著增加。

      除离子阱外,质量分析器还有磁分析器、飞行时间分析器、四极杆分析器、傅里叶离子回旋共振等种类。相比于其他种类,离子阱具有选择性存储和逐出功能,即选择离子并稳定存储在阱内,或者将离子逐出阱外。

      位于离子阱电极平面的小孔,是选择储存或逐出的离子的“必经之路”。但这些小孔对于电极中电场的分布会造成影响,以致影响离子阱的性能。丁传凡团队由此发明了铺在上面的栅网电极,消除对电场分布的影响,提高离子透过率与质量分辨能力,并降低了对离子阱离子狭缝口的加工精度要求。丁传凡团队获得了该发明的知识产权。

      目标掌握核心技术:“希望将质谱仪做成家家户户都能拥有的东西”

      丁传凡认为,质谱技术的市场需求将会越来越大。

      比如,质谱仪可用于分析大米成分,用餐者并不知道大米中的重金属含量是否超标,而质谱仪则能够通过对大米的取样分析,得知其中含有多少重金属元素,以及是否达到对人体有害的程度。同样运用于生活的质谱仪能够对蔬果上的农药残留进行测量。

      近年来,精准医学的概念盛行,质谱成像技术和疾病标志物分析能够发挥作用。通过对人体器官拍摄化学照片,得知体内的生物、化学成分的区别。做肿瘤切除手术时,医生会遇到无法彻底切除的情况,通过质谱成像检测人体肌肉组织,能够通过相应分子清晰得知肿瘤切除的边界,提高手术成功率。质谱仪在医学上的应用还处于起步阶段,英国、美国、加拿大等国家已开始尝试。

      然而,对专利保护的突破依旧是国内研究面临的问题之一,质谱领域的知识产权绝大多数依旧被国外研究者掌握,完全掌握核心技术依旧是国内学者的目标。

      2004年回国后,丁传凡即在复旦大学开设质谱学理论和应用的课程至今,在中国高校中独树一帜。他认为,研究质谱对于跨学科知识的掌握要求很高。“只要有人类,就会有环境,健康、衣食住行等问题,而质谱仪能够帮助我们了解这些。我们希望将质谱仪做成家家户户都能拥有的东西”。丁传凡非常看好质谱仪的未来。
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