郭冬发：为了打破国外垄断，支持国产质谱发展
【导语】在2013年无机及同位素质谱大会上，核工业北京地质研究院的郭冬发研究员做了题为“国产质谱仪应用实践”的报告，列举了要用国产质谱仪的三大理由，语惊四座。郭冬发研究员添置了天瑞仪器的ICP-MS和广州禾信TOF-MS产品，研制了LI/TI-TOF-MS和各种制样装置，并建立了相应的分析方法；通过自己的实践，实证了国产质谱仪的可用性、科研价值及投资回报率；所取得的部分科研成果在会议的口头报告和海报上都做了展示。郭冬发老师以一个使用过众多高端质谱仪的仪器应用专家身份，大力支持国产质谱的举动令人钦佩。会议间隙，分析测试百科网编辑十分荣幸采访到郭冬发研究员，郭冬发老师分享了更多关于质谱应用和我国质谱发展的观点，希望对所有关注者有所启发……
核工业北京地质研究院 郭冬发研究员
与ICP-MS和无机质谱结缘
1984～1986年，郭冬发研究员当时在东华理工大学任教，那时就开始使用ICP光谱仪，而且第一台是中国铁岭仪器厂生产的ICP光谱仪。1986～1989年期间，他在核工业北京地质研究院攻读硕士研究生，毕业后一直在该院工作。当时的导师蒋铁珊研究员引进了我国第一台进口ICP光谱仪：岛津公司的多道ICP-OES光谱仪。郭冬发老师在研究生就读期间用这台ICP光谱仪开展了很多研究工作，如：流动注射、氢化物发生-ICP分析方法。在有了ICP光谱仪的操作经验后，他开始对灵敏度更高、检测能力更强的ICP-MS产生浓厚的兴趣。
1992年，郭冬发老师有机会到日本研修，第一次接触到ICP-MS（原安捷伦与日本Yokogawa电气的合资公司联合推出）。回国后，郭冬发老师便惦记着要为自己的实验室购买一台ICP-MS。1997年郭冬发老师得到了国家经费支持，购买了实验室第一台磁式高分辨的ICP-MS（Element， Finnigan，Germany），并组建了高水平的ICP-MS实验室；而当时Element型高分辨ICP-MS在国内的用户不到10家。利用ICP-MS技术，郭冬发老师实验室在核燃料循环工业、核地质等领域开展了大量的科研生产工作，部分研究成果在有关期刊上进行了展示。
如果不只是谈ICP-MS，而是质谱仪的使用经历，郭冬发老师实验室几乎使用过世界上各种主流的无机、同位素质谱，比如：气体同位素质谱仪（早期前苏联产气体同位素质谱仪、德国产MAT251、MAT253、Delta-plus、Helix等）、热电离质谱TIMS（无机质谱德国产MAT261、MAT262，英国产ISOPROB-T, ISOPROB-X等）系列同位素质谱仪。
ICP-MS的热点应用及技术难点
作为无机质谱的应用专家，郭冬发老师也为小编普及了无机质谱及ICP-MS的一些知识。
应用极其广泛 在诸领域有广阔应用前景
作为无机质谱分析的主力仪器，ICP-MS可围绕周期表中的大部分金属和部分非金属元素进行测定。既然是元素，那么从应用角度看，它与国民经济、科学发展和我们生活的各个方面都息息相关，如能源、材料、高纯物质、半导体、地质等检测领域都离不开ICP-MS。在当前环境监测的热点领域，ICP-MS可大显身手，比如用于微粒、颗粒物、重金属等分析对象中多元素的测定等。
此外，ICP-MS还可应用于生命科学领域，包括细胞组织里无机元素的检测、生物样品中的无机物检测。“除了生物样品，还用于医用材料的检测，”郭冬发老师补充说，“譬如牙科材料都是无机元素，都可用ICP-MS检测；医用材料中人造骨头的成分是磷灰石，对我们来说这是矿物，又是医用人造骨头，这一类的材料检测也离不开ICP-MS。”
郭冬发老师还指出，清华大学张新荣教授在本届大会上带来的题为《ICP-MS在生命科学中的应用潜力》报告非常有意义，展示了ICP-MS作为重要的生命科学分析工具的潜力，它具有多组分分析和绝对定量的能力，在生命科学研究中有广泛应用前景。郭冬发老师还特别谈到，ICP-MS测定非金属元素（B、S、P、As、Se、Ge等） 的潜能，将打通无机与有机生物界的通道，为ICP-MS在无机界以外的应用发展带来新的机遇。
ICP-MS中如何消除或利用干扰
众所周知，ICP-MS存在两大问题，一是基体干扰，二是质谱干扰。针对这些难点，目前已有一些方法来解决这两大问题。基体干扰的去除法包括：改进仪器本身，离线化学前处理、或在仪器前端通过化学反应等方法在线分离去除基体。而各厂家提供的碰撞池、反应池等技术，常常是为了去除质谱干扰。
另外，可通入某种气体使干扰物解离或复合，达到测试目的。比如测定硫元素，可以加氧使其变成SO或SO2，不是测单个元素的同位素，而是测量分子化合物，通过将硫元素转变成分子来消除原来位置的干扰。郭冬发老师举例说：“气体质谱分析非常典型，如生产线上测铀-235、铀-238的时候，是将铀转化为六氟化铀气体后，用气体同位素质谱仪来测定；同样，在ICP-MS测定某些元素过程中，也可通过在线气相反应来消除质谱干扰。”
不用ICP离子化的无机质谱技术
以激光、介质放电低温等离子体技术和质谱仪联用，是未来无机质谱技术的发展方向之一。不用ICP，使样品直接离子化，不会丢失碎片信息。因为样品在ICP 8000℃条件下经原子、离子化后，分子信息相对较少；如果不接ICP，样品离子化后的分子信息将会很丰富，可成为有用的特征信息。例如检测四氟化铀时，如果经过ICP则完全检测不到氟，全部是铀，无法区分样品是四氟化铀还是金属铀；但如果直接用激光离子化后同质谱联用，氟和铀这两个信号就能非常清楚地得到区分。
郭冬发老师表示，“所以我们可以利用一些干扰的现象，将不利化为有利，而不是消除它们。例如无机元素在真空环境中很容易形成化合物，这是它的自然条件。如果有干扰的话，故意加进去一些反应物，就形成了化合物，那就是利用干扰。”郭冬发老师团队在这次大会中墙报展示的成果之一，激光电离飞行时间质谱技术测定铀基核材料的方法，就利用了这一原理，效果很不错。
未来无机质谱的几大发展方向
仪器自身性能要追求更高指标，以及可靠耐用性
谈到ICP-MS仪器技术的发展方向，郭冬发老师表示：首先，从仪器本身来讲，不断追求更高的指标是永恒的主题，包括灵敏度、选择性、高通量、准确度、重复性、稳定性等；其次，由于质谱技术已成为一种常规分析工具，所以除了指标外，还要追求可靠性、耐用性。
关于如何实现指标的提高，郭冬发老师介绍了几种技术，“比如用串联型ICP-MS/MS，离子传输系统变化，可进一步消除本底和干扰，提高灵敏度；从检测器方面来看，离子计数检测器、高稳定度的法拉第杯等仪器硬件还有不断完善的空间。另外在仪器软件方面也有提高的空间，比如智能化软件、个性化定制软件的发展。”
总结本届会议关于质谱技术的报告亮点，郭冬发老师谈到了固体进样技术、定制质谱仪器等。
新型样品进样技术
郭冬发老师指出，固体样品原位进样技术是本届无机质谱大会的一大亮点，期间有多位报告人的报告中都谈及此技术。比如厦门大学杭纬教授提出了激光溅射电离新型进样技术，操作简单、直接；清华大学邢志老师的报告也很精彩，介绍了一种用LTP探针进行固体样品剥蚀、利用原子光谱或等离子体质谱作检测的新技术，可直接对固体样品进行表面分析和成像分析。
另外，四川大学分析测试中心侯贤灯教授的报告，提出了光化学蒸气发生进样的新技术，可提高分析物引入的效率，提高选择性，直接分离基体降低干扰，提高灵敏度降低检出限，使直接分析形态（包括分子形态和元素价态）成为可能，容易实现自动化。
针对需求 研发定制质谱仪器 促进原始创新
目前传统的质谱仪器市场已基本被国外仪器公司所垄断，针对某些特殊问题研制专用质谱仪，是我国质谱仪器公司发展的一大前景。郭冬发老师也谈到了一些开发研制的思路：“研制专用质谱仪需采用合作方式，质谱公司同行业专家一同合作研发，根据用户的具体需求定制，更可以根据仪器的具体应用来命名，比如禾信研发的气溶胶质谱仪，我们集团的铀同位素质谱仪、硫同位素质谱仪等。”
实验室自主研发的激光热电离飞行时间质谱仪(LI/TI-TOF-MS)
据了解，郭冬发老师所在核工业北京地质研究院的应用特色为核素分析和同位素分析，并拥有大量的质谱仪器。2011年开始，实验室自己组装搭建了新型激光热电离飞行时间质谱仪（LI/TI-TOF-MS），禾信公司提供了TOF质谱部分，其余部分由该实验室完成设计、加工、组装、软件设计。TI-TOF-MS可作为磁质谱的伴侣来应用。以前开发磁质谱的每个方法周期漫长，因为无法了解同位素的蒸发、电离过程和条件；而有了TI-TOF-MS后，检测过程一目了然，大大缩短了磁质谱应用方法的开发周期，能促进实现元素周期表上更多元素的分析，促进检测方法和技术上的创新。郭冬发老师表示：以前购买国外的商用仪器再开发分析和前处理方法，创新性不足；而现在根据自己的研究需要开发仪器，可以在仪器检测技术上有更多原始创新。
应用领域和仪器技术结合的未来几大方向
应用和技术的结合发展方向，郭冬发老师首先谈到了本届大会上王海舟院士提到的材料基因组研究方向。它要求在材料中找到代表材料性能的基本单元，这些基本单元有些可以用传统的元素分析技术，而有些基本单元可能以团簇形式存在，用传统的ICP把团簇都打碎了，所以需要新型的进样技术，而在分析团簇方面，使用TOF也将比传统的四极杆分析器更有优势。
其次是联用技术的发展将促进质谱仪在生命科学、医疗诊断领域的应用。该领域的应用主要是寻找和疾病有关的基本单元，并用检测方法来表征结构、定性定量。无机和有机质谱与其它技术的联用，都将在这些领域大有作为。
郭冬发老师总结道：“研究热点有很多，我的总结是：原位、快速、高灵敏度、高精密度仍然是质谱的发展方向；分析测试技术方面要追求四“高”，高准确度(包括精密度和正确度)、高灵敏度、高通量、高性价比(包括仪器和方法)。”
