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何坚的国产TOF质谱之路

2014.2.07

  【导语】提到中国质谱的发展,许多人都会想到厦门大学科学仪器系,作为该系创始人季欧老师的学生,何坚从上世纪80年代末期就走上了质谱工程化研发之路,20余年为他人的课题合作研制了近二十台TOF质谱仪,但他始终只有一个梦想:一定要做出真正的TOFMS产品,让更多的用户也能用上自己设计研发的产品。2013年昆山无机同位素质谱会期间,何坚展出了自己研制的两款小型EI-TOF质谱仪。分析测试百科网有幸在会议间隙采访到何坚老师,他将为我们讲述一个工科出身的质谱研发者的梦想,希望对所有关注中国质谱研发的同仁们有所启发……

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厦门大学何坚教授,和昆山质谱会上展出的EI-sTOF、EI-bTOF两款小型TOF质谱

为数不多的科学仪器系出身, 20年质谱工程学经历

  谈起自己的质谱经历,何坚老师首先谈到厦门大学季欧老师的贡献:“季老师是中国质谱的奠基人之一,他编写的第一本质谱专业书——1975年版的《质谱分析》(上下册),是第一本系统地介绍质谱理论的中文书,影响深远,不管对以前还是今天的年轻人,都非常有意义。季老师的第二大贡献是人才培养,他最早从厦大物理系毕业,在北分厂呆了十几年,1974年回到厦门大学化学系的分析化学专业,1983年创办了科学仪器系。当时他的目标很明确:就是为了研制国产分析仪器!科学仪器系的创办,使科学仪器的人才培养从此走上了正规化。而1983年只有清华大学、天津大学、厦门大学3所大学有科学仪器系。

  “我很荣幸报考了88级的科学仪器系,从那时注定了我和分析仪器的结缘。”据何坚老师介绍,当时厦大科学仪器系的分析仪器专业很强,厦大的光谱、色谱、质谱研制都处于国内比较领先的地位。“我本科时做色谱,研究生时做磁质谱,博士生时候做飞行时间质谱;我从本科就开始和质谱接触,92年读硕士时选择了季老师,从那时起真正开始从事质谱的研发。”

  谈到选择质谱的原因,何坚老师表示,质谱是分析仪器的皇冠,对工科来讲是非常综合的仪器,要求研究者具有光机电、计算机、生物化学、材料等综合的背景,所以当时科学仪器系的课程是厦门大学最多的。这符合工科的要求,工科要求全面、综合的素质。

我做TOFMS就是要实现工科人的梦想,让它最终成为国产质谱产品

  为什么要做TOF?

  何老师从事质谱研发20余年。谈到为什么从磁质谱转向做TOF,何老师表示:主要是因为磁质谱比较笨重,扫描速度比较慢,在有限空间、有限财力的情况下,磁质谱的分辨率较难提高、应用面也比较窄。TOFMS结构简单、入门的门槛较低,相比于其它质谱有很多优势;而且根据国内的加工条件,更容易获得高性能。也正是这些原因,TOFMS成为了国内各大院校研制最多的一种质谱。

  季老师从90年代初开始做TOF,那时候还没有记录仪,是用照相机拍下来的谱图,可见当时的研制条件是很差的。比如当时国内的加工技术、电学技术水平都跟国外相差很远,所有器件非常庞大;计算机是非常初级的,更谈不上做模拟计算了。学校最贵的一台计算机是季欧老师和田邵武院士在1990年买的,是IBM PC计算机,花了1万元,当时简直是天价。以前做计算仿真要花很长时间,当时没有SIMON软件,只能借助自己编写的一些软件做一些局部的分析,大运算量的计算机也做不了。

  既然选择了在厦门大学科学仪器系研制TOF质谱,何坚就坚定了自己的信念。他说:“我做质谱的目的是最终把它做成产品。工科教育我们要学以致用,这个‘致用’可以是几种,一种是为自己或为科研服务;一种是为其他老师的合作项目提供一些支持;而到现在这个阶段,我更关注的是第三种:做出通用的产品,为广大的社会提供支持。这样的通用产品就不是只为几个老师服务,而是让更多的人也能用我开发的产品。所以,除了要熟知原理、跟踪世界水平、做出样机;还要研究仪器本身的工程化、工艺、成本控制、可靠性检测控制,以及量产后的质量控制、维护等等问题。”到目前为止,可以说,国内对质谱的研发水平达到了一个新的高度,特别是TOFMS;但是迄今为止,还没有一款真正通用型的国产化商业TOFMS产品。这就是我进行产业化努力的最大目标!”

  最初何老师的工作更多关注质谱仪本身的性能,而现在他正在和天瑞仪器合作,进一步推进TOF质谱的产业化。他说:“质谱就是一套非常精密的仪器,它是光机电算组合的一个物理光学系统。所以我们当时在设计仪器时,可能会忽略一些应用方面,更强调的是仪器本身的指标,比如分辨率、灵敏度、质量精度等。因为我们追求的是仪器硬指标,就造成了做的时候会碰到很多细节的问题;尤其是现在接触到国产化后碰到的问题,比如器件本身的选择,是选国外的还是国产自己做;如果要产业化,还涉及到成本、标准件的问题。这些问题都不是在实验室做开发的研究者们能想得到的主要问题。”

  据了解,何坚老师的团队在TOFMS上研发了15年,已为中科院、高等院校等单位提供了近20台TOF质谱,积累了大量的工程经验。何坚老师认为:“这对我们今后产业化非常有帮助。我们在TOF的指标上正逐步和国外逼近。在这15里,其中的辛苦只有经历过的人才有体会。”但他坚信,“要做一个产品,这些是必须要经过的历程。我做质谱研发目的,就是最终要形成一个一个的产品。”

  可喜的是,基于多年的理论研究和设计实践,目前何坚团队已经渡过了早期研制阶段,他自信地说:“在大TOF方面,我们和国外有差距;但在飞行距离半米以内的小型TOF方面,我们的分辨率等指标甚至优于德国英国同行的水平,而在成本上比四极杆还要有优势。”

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何坚团队研制的飞行距离半米以内的小TOF质谱,其分辨率指标优于国际同行,在m/z为69.0时轻松达到5000的分辨率

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