莱伯泰科发布首款ICP-MS质谱 首攻医疗和半导体方向

2021年5月25日 09:08:02 来源: 分析测试百科
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  ——莱伯泰科董事长胡克博士专访

  分析测试百科网讯 师从全球ICP-MS发明人的胡克博士,创办了前处理仪器的领先企业莱伯泰科并成功上市。不忘初心的胡克再次出发,5月20日推出莱伯泰科的首款质谱仪——LabMS 3000 ICP-MS,标志着莱伯泰科成为高端质谱的研发制造企业,这是同其已积累的前处理仪器融合的新一代产品,首攻方向为医疗和半导体行业。分析测试百科网采访了莱伯泰科董事长胡克博士,我们从他的回顾中不仅可了解到ICP-MS的前世今生,更可体会一个中国仪器人对质谱发展、仪器发展的深刻理解,当然还有闪亮和诱人的新产品,希望您也会怦然心动……

  莱伯泰科董事长胡克博士

与ICP-MS三十余年难舍的缘分

  谈起自己与ICP-MS的渊源,胡克用一句话概括:学的是ICP-MS,博士论文是ICP-MS,博士毕业后第一份工作是制造ICP-MS。1987年,到美国爱荷华州立大学攻读博士学位的胡克,进入了在全球光谱质谱界拥有盛名的大咖级人物、ICP-MS发明人Robert Samuel Houk教授的实验室,开始了第二代ICP-MS的搭建,目标是解决当时ICP-MS在应用上的实际问题。彼时第一代商品化ICP-MS分别在英国和加拿大推出,但仪器背景高、基体效应大、灵敏度不高、检出限不够低,离实用性还有差距。

  胡克研制的第二代ICP-MS,申请了两项发明专利、发表5篇学术论文;而且这台ICP-MS为后续10名博士的课题研究提供了设备,并发表了数十篇论文。当时美国的TJA公司(赛默飞最早的仪器公司之一)看到英国和加拿大纷纷推出商品化ICP-MS,也欲推出美国制造的ICP-MS;时任总裁Earl Lewis听到胡克的报告后,力邀胡克到TJA研制商品化ICP-MS,胡克带领团队用了不到三年的时间就成功完成目标,推出美国公司的第一台ICP-MS;而最初慧眼识得千里马的Earl Lewis,后来成为胡克创办的LabTech Holdings, Inc.的第二大股东。胡克在TJA期间还研发了ICP光谱和ICP-MS一体机POEMS,当时很受市场青睐。

  胡克攻读博士期间搭建的ICP-MS

  师出名门 开拓思维

  胡克很感谢自己在美国的研究经历,爱荷华州立大学的V. A. Fassel教授和其学生R.S. Houk教授,前者是ICP光谱的发明人,后者是ICP-MS的发明人。胡克认为,中国人要开发仪器,首先要了解、学习优秀科学家的突破性思路,Fassel教授和Houk教授的工作都具有突破性贡献,打开了现代科学研究微量元素的大门。不仅如此,两位科学家的目标都是让技术更广泛地被人们采用,所以都没有申请特别的专利保护。

  事实上,当时的科研条件非常艰苦,实验安全是非常突出的问题,用ICP产生等离子体,高电压高功率产生高温(7000℃~8000℃),实验过程常发生部件起火、烧焦等情况;研究生都必须是有体力的男生,来不断搬运用于冷却的液氮罐和氩气罐。当时课题组要求每次进实验室不少于两个人以保证实验人员的安全,一旦出现问题,另一个可以及时施救。经过无数次的失败后,Houk教授终于找到了产生稳定质谱信号的方法。1980年,以Fassel教授为通讯作者,Houk教授为第一作者的ICP-MS论文,首次在Anal Chem(美国分析化学)发表,题目是“Inductively Coupled Argon Plasma as an Ion Source for Mass Spectrometric Determination of Trace Elements”。该论文被Anal Chem评为前60年60篇最有影响力的论文之一。正是基于该研究成果,加拿大MDS-SCIEX和英国VG两家公司分别推出了第一代商品化的ICP-MS仪器。

  创新研究让ICP-MS变得更好用

  第一代ICP-MS已然实现了商业化,但还有很多适用性问题需要解决:比如背景干扰大、信号弱等问题。背景干扰大的主要原因是:大量光信号、氧、氩等各种原子离子和分子离子伴随着信号离子一同进入质谱,造成干扰并大幅降低检测器寿命。信号弱的原因之一是ICP-MS进样锥口太小,而且锥口容易被堵塞。

  胡克开发第二代ICP-MS的目的,就是改进一代ICP-MS的适用性。在实验中,ICP-MS仪器上有几十个不同的电压控制,他需要一步一步优化调节每一种控制带来的改变。长期的试验带来了丰硕的成果。首先,胡克在全球率先采用了偏转型的离子透镜,而抛弃了Houk教授当年采用的挡光板,更加有效地阻挡光子的进入,目前几乎所有的商用ICP-MS都采用偏转离子透镜的方法。其次,将进样锥口的孔径增大至1.1mm同时设计分级真空提高抽速,不仅使更多的离子进入质谱同时还降低了干扰,提高了检测灵敏度和适用性。最后一点,胡克设计了一种接口处加电压的方法,让进入离子本身具有更高动能,如今市场上的高灵敏质谱就采用这一技术。胡克的一系列开创性工作,后来成为许多仪器公司开发质谱的技术依据和参考。此外,胡克还在这台仪器做了很多理论上的研究,比如离子密度,离子聚焦等,对降低干扰提升检测灵敏度起到重要的理论指导作用。

进军ICP-MS精准诊断半导体领域

  为减少创业之初资金投入的压力,胡克创立莱伯泰科最初只做自动化前处理产品,而当时此类产品在中国才刚起步,通过莱伯泰科的持续推动,中国迎来了自动化前处理市场的爆发性增长,而莱伯泰科也在其掀起的热浪中成功登陆科创板。

  而今日为何要推出ICP-MS,胡克的眼中闪现出总能把握机遇的企业家那种独特的光芒:因为,ICP-MS有了新的应用市场!这首先要从ICP-MS应用的几个时期讲起。

  ICP-MS经过了三代的应用研究,第一代ICP-MS主要应用于环境分析,Houk教授最初的研究工作获得了美国环保局支持,后来又拓展到地质领域的应用研究。直到现在ICP-MS在环境检测中用量依然很大,检测样本主要是土壤和水。伴随着半导体行业的兴起,2001年以后市场上出现第二代ICP-MS,不仅可以检测半导体中重金属含量,还可以测量轻金属。目前的第三代ICP-MS进入了医疗诊断的新领域,这源于2010年后快速发展的“精准医疗”概念,而“精准医疗”的前提是“精准诊断”。中国医院早期使用的五元素分析仪采用原子吸收法,目前已无法满足测定人体各种微量元素的要求,随着人们对人体中各种元素对身体健康影响的研究越来越深入,需要测定的元素种类越来越多,ICP-MS用于医院成为“精准诊断”时代的必需。同时,近年来细胞流式质谱仪的应用也越来越多,它采用流式细胞术和ICP-Q-TOF-MS结合的方式,可精确识别单细胞的表型并对其功能、信号通路等进行深入分析。

  胡克表示,精准医疗是全球医疗的发展方向,前提是精准诊断和早期诊断。比如通过ICP-MS测定人体内元素的变化,判断人体的健康状态;或者在药物上连接标记性元素,通过ICP-MS检测元素确定药物的走向,实现精准诊断或精准医疗。一些国际大公司在前两代ICP-MS产品中深耕多年,但也是刚刚进入精准医疗领域。从该角度来说,莱伯泰科推出新一代适用于医疗、精准医学的ICP-MS恰逢其时,有望把握住新应用产生的历史时机。

  胡克本人一直关注ICP-MS领域的新进展,除了追踪新论文和新技术,还建立了广泛的人脉。胡克深情地说:“我本人对ICP-MS非常热爱,人生中长达十五年的时间一直在做ICP-MS,对ICP-MS了解得非常深刻,从基本理论到基本结构,从研究到生产都有很深刻的理解。我们有能力和实力做出一个新型的、与众不同的ICP-MS,而不是重复昨天的故事”。

  莱伯泰科从2018年开始筹备ICP-MS研发团队,目前已经建立了20余人稳定队伍,包括电子、软件、应用等,并“挖”来了一个优秀的营销团队,他们在胡克的指导下快速开展工作。2019年8月8日研发工作正式启动,用了不到一年时间,开发的产品可以检出信号,2020年底建立仪器的基本模板,近几个月不断地调整、优化、测试,并请医疗和半导体的客户体验和试用,他们的反馈均非常正面:认为产品设计人性化、符合年轻一代的使用需求。

新一代产品:样品前处理和ICP-MS一体化

  问及新推出的LabMS 3000 ICP-MS产品的优势及定位,胡克如是说:“首先我个人有多年开发ICP-MS的经验,对产品具有深刻的理解;第二,莱伯泰科是上市公司,有很好的信用和口碑;第三,在资金上可进行较大投入。产品对特定的行业优化设计,首先是医疗诊断行业,公司对该行业做了大量的调研,邀请著名医院检验科的人员和第三方检测人员来到实验室,根据他们提出的建议和需求,在软件、电子、机械设计、自动化、液体处理方面进行改进。半导体是关注的第二个特定领域,我们深入探讨了国外产品的优势和不足,对如何进行国产化替代进行了大量调研,开展了一系列新型设计,比如从事界面设计的均是国外留学回来、有多年经验的设计人员,设计了更符合新一代使用者习惯的Wizard向导式界面。众所周知,莱伯泰科擅长自动化前处理,因此我们在ICP-MS的自动化进样系统上进行了创新设计,实现了准确可靠、多路高通量进样,并可直接在进样器上进行自动稀释。针对无机样品需要用酸消解,配备专用排酸通风罩,避免污染实验室。”

  LabMS 3000等离子质谱

  针对医疗和半导体行业的需求,胡克具体谈到了LabMS 3000具有的样品前处理和ICP-MS一体化的特点。

  首先是医用ICP-MS。医疗的样品主要来源于血液、尿液等,由于基质中各种盐的干扰,容易堵塞口径,所以通常需要稀释后检测,传统上使用者需离线稀释费时费力,LabMS 3000的自动进样器具有自动稀释的功能,大大减轻了前处理的工作。此外,医疗诊断中既要检测血液中钠钾钙镁铝等常规元素,又要能检测重金属元素,需要仪器动态范围宽。第三点,医用ICP-MS对自动化程度要求很高,而且血液中容易含有未知或已知的病毒,检测人员不直接接触样本是最安全的。LabMS 3000的全自动样品前处理系统可实现自动进样、自动稀释、自动配标等功能,并具有六通阀多路复用进样,为医疗人员提供了高通量和全自动化的解决方案;同时ICP-MS本身具有高灵敏度和极宽的动态线性范围,充分满足医用ICP-MS的需求。

  半导体行业产业链很长,从硅砂开始、制成纯硅(如单晶硅或多晶硅),然后做成硅片、 设计电路、制作芯片、光刻胶,每一步都需监控和检测,不同阶段的检测要求不同,尤其是晶圆片检测要求非常高,一点杂质含量就影响产品质量甚至报废,这时需用ICP-MS。半导体基体是Si,除了检测重金属还需检测钾、钙、镁等轻金属杂质,这时需用小功率产生等离子体,LabMS 3000上具有的冷等离子体,可将功率降到几百瓦而不熄火,检测轻金属更准确。检测光刻胶中的杂质需用微波消解,莱伯泰科在此方面提供了完整的解决方案;还提供痕量检测用的密闭超净环境设备。此外,莱伯泰科还在探索酸洗流程的全自动化ICP-MS检测流水线,有望实现晶圆的全自动化检测。

  推出首台ICP-MS的意义

  胡克认为,莱伯泰科推出LabMS 3000 ICP-MS具有三方面的意义:第一,标志着公司的产品进入分析仪器领域,有助于将分析仪器和公司已构建的样本前处理优势相结合,形成一个自动化的检测体系,以“国产力量”对国内半导体行业、医疗、医药行业的开拓进行支持。第二,通过产品的差异化,整体提升国产质谱仪器的竞争力,推动中国质谱的发展,形成新的竞争格局。第三,真正提高中国高端产品的技术含量,凸显中国的研发能力和技术实力,加快缩短与进口的差距。

自主创新和海外并购

  国外并购 拓展产品线和方向

  莱伯泰科在发展自身技术的基础上,积极面向海外市场并购,比如收购了CDS、并购了3M的一条耗材生产线,并取得了并购的成功。CDS产品补充了莱伯泰科在VOCs样品前处理的短板,而3M的Empore分离膜在全球独一无二、家喻户晓。CDS产品可与气质联用形成一个独立的分析体系,用于水和土壤中VOCs检测。Empore分离膜可用于蛋白质的分离,去除药物开发中液相色谱溶剂的杂质,还可以吸附放射性元素,在同质谱的结合方面可用于做液质样本的前处理材料,还可探索更多的领域。

  首先把产品做好

  胡克谈到“卡脖子“问题时表示:此前我国产品喜欢跟在别人的后边模仿,而不是实现技术创新和严把质量关。国内顾客为什么喜欢买进口产品,究其原因还是国内产品的质量不够好以及缺乏创新性。仪器公司要得到市场和客户的认可,一定要有创新性和高质量。比如莱伯泰科的压力溶剂萃取仪卖得比国外很多大品牌好,究其原因还是产品的创新性和产品质量。

  国内外在此前的投资方向上也有差异。国外投资人喜欢投资具有技术独创性的企业,而国内投资人出于各种因素考量则并非如此,这在一定程度培育了“卡脖子”的土壤。莱伯泰科科创板上市、获得新一代投资人的青睐,均是源于技术创新。胡克对此满怀信心: “我们不仅要把莱伯泰科的产品做好,今后还要创造出‘卡别人脖子’的仪器。”

   最后,胡克谈到莱伯泰科未来5年发展规划时表示:希望莱伯泰科成长为最优秀的仪器公司之一,在全球占据一定地位,能够和全球任何仪器公司在一定范围内竞争。莱伯泰科的仪器已经销售到全球超过90个国家和地区,希望今后销售到更多国家,受到全球更多市场的欢迎。莱伯泰科在众多产品上具有独特的创新,在一定方向上可领跑科学仪器向前发展,而不仅仅是跟跑。5年后,希望莱伯泰科更加强壮、更加有影响力,让我们的顾客,我们的股民更加满意。

  【后记】采访过程中,胡克介绍了自己的一些人生经历,让听者皆可沐浴到“理想照进现实”的光辉。胡克小时候就立志“开一家工厂”,经历了农村4年知青的艰辛生活,1978年考上武汉地质学院(现中国地质大学),在地质队工作数年后赴美读博成为科学家,然后到国际一流的公司学习和实践管理,成就了今日的莱伯泰科。遇到任何困难,胡克都激励自己说:地质队员怕什么!从地质队员到科学家再到企业家,胡克坚持不懈地实现了自己的理想。树立理想,科学方法,坚持不懈,相信胡克的经历一定能够激励更多人实现理想,也预祝莱伯泰科在首发的质谱上取得佳绩,为中国为世界的仪器界带来更多优秀的产品!