推动中国气相色谱仪器跨越式发展

——访复旦大学化学系张祥民教授

      2005年10月的北京BCEIA展会上，作为中国最大的分析仪器企业之一，上海精密科学仪器有限公司的展台吸引了众多参观人员的眼球。而在精科公司众多的展出仪器中，有两个精致的“小盒子”引起了不少专业人士包括一些跨国公司的极大兴趣。在与上海精密科学仪器有限公司分析仪器研究室主任李钧先生交谈中，笔者了解到，这两个“小盒子”其实是一款便携式气相色谱仪，型号是GC190。该仪器是在以复旦大学张祥民教授为首的科研人员八年创新研究的基础之上，在上海市科委“十五”科学仪器科技攻关项目支持下，克服了种种困难，最终由复旦大学和上海精科公司联合开发成功的。仪器一经问世，即得到了业内专家的高度评价，认为“GC190 微型便携式气相色谱仪属国内领先，已达到国际先进水平，部分核心技术处于国际领先水平”。

　　但非常遗憾，由于工作繁忙，当时张祥民教授未能亲赴北京，参加BCEIA展会，也使笔者错过了一次与张教授谋面的机会。事有凑巧，展会结束后不到一个月，笔者（以下简称Instrument）因公去上海出差，便专程去复旦大学拜会了张祥民教授（以下简称张），并在张教授的实验室里，与他进行了一次面对面的长谈，特别是就“中国气相色谱仪器的跨越式发展”等话题进行了深入的交流。


　　Instrument：张教授，您好！首先感谢您在百忙之中接受本网的专访。五十年前，第一台商品化气相色谱仪问世以来，发展至今，可以说这项技术已经是非常成熟了。那么作为一种分析工具，您认为它未来可能的发展趋势是什么？是否还有继续发展的空间？

　　张：和其他一些分析仪器相比，气相色谱的确是一种发展得比较成熟的分析手段。它可以将一个非常复杂的混合物进行分离，并且可以对其中的各组分进行定量、定性分析，这是目前其他许多仪器无法替代的。但是，成熟并不意味着终结。我认为随着其他相关科技的发展，随着应用需要的不断提出，这项技术还会继续向前，向上提升。譬如，当前现场检测日益受到重视，尤其是在食品安全，环境监测等领域，而传统的分析仪器无法满足现场分析的需要。这就迫切需要发展小型化、可携带的现场分析仪器，气相色谱也不例外。当然，仪器微型化的概念并不是现在才提出的，从上世纪七十年代开始，国外就已经有人开始进行气相色谱微型化方面的研究。当时主要是美国基于在航天发射工作中气体监测方面的需要，Stanford大学率先推出一种基于芯片的气相色谱仪。但从总体上来说，直到现在，气相色谱微型化依然还存在着很多困难，有待我们解决。

　　Instrument：那么，您最初选择气相色谱微型化作为自己研究方向之一的动力是什么呢？特别是您研制成功的微型气相色谱系统与传统气相色谱的最大区别是什么？是否只是我们从外表上看的一个尺寸上的缩小？

　　张：最初的想法是上世纪九十年代初，我们和美国联邦环保局进行其他项目合作的时候提出的。当时我们双方一致认为，如果能够成功开发出一种旨在针对现场环境监测的便携式气相色谱的话，将会是非常有前途的。不过，在随后的工作开展过程确实是困难重重，其中最关键的是要有自己的创新，尤其是原理方面的创新，而绝不是简单地把仪器做小。当然，我们不是为了创新而创新，现实存在的问题是创新的原始驱动，然后要有自己的想法，并且要想办法实现自己的想法，最终解决问题。譬如：我们在研究过程中首先想到，传统气相色谱的大部分体积是被柱温箱占掉了，而柱温箱的主要作用是对色谱柱进行加热。我们经过多年的探索，最后采用在毛细管柱上直接加热。这听起来似乎很容易，但真正实现起来有许多技术难点需要攻克。一方面你要实现对温度的精确控制，同时还要做到加热均匀，还要保证一个宽的控温范围。不过在柱上直接加热也有它自身的优势，由于毛细管柱本身的热容量很小，因此无论升温还是降温速度都非常快，关键是要做到控温精确，加热均匀。我们反反复复做了很多方案，也失败了很多次，最终取得了成功。

　　Instrument：除了柱上加热系统外，GC190其他方面的创新点能否请您也作一个简要介绍？

　　张：好的。GC190的另一项核心技术是它的二元燃气体系微型氢火焰离子化检测器，这也是一项关键的技术突破。也就是说我们在缩小检测器体积的同时，还要保证仪器的灵敏度不受损失，要保证氢焰的燃烧环境不能改变太多，这确实是给检测器的设计造成许多困难。为了解决这一矛盾，我们对传统检测器的空间构造重新进行了设计，并反复优化，解决了诸如气路中气体扰动、气体输送不均匀等多个难题。而且，传统的氢焰检测器在工作过程中需要三路气，而我们的微型化仪器只需两路气即可以达到同样的效果。

　　另外，为了解决现场使用过程中的气源问题，我们专门开发了安全储氢系统和微型空气泵，以及为了解决在低压条件下（小于1公斤），如何精确控制气体流量而开发的微型阀件等。其中，储氢装置是借鉴了燃料电池的技术。我们通过和其他单位合作，选用了一种合金作为储氢材料，将其封装在一个小钢瓶中，钢瓶大小就像两个摞起来的易拉罐。需要使用前，只需将氢气压入钢瓶，氢气被储氢材料吸收即可。一次灌氢后可以供仪器运行十来天，完全可以满足现场使用的需要。这种装置的最大特点是它的安全性，瓶内压力只有三公斤。此外，由于它的对外供气是一个缓释过程，因此即使是把钢瓶口打开，里面的气体也不会一下子跑光。

　　Instrument：您刚才提到，开发微型气相色谱最初的想法是针对现场检测的需要，那么它是否也可以同样应用在实验室中呢？

　　张：就这台仪器本身而言，传统气相色谱可以完成的工作它也都可以做。只是在现场检测方面，微型化气相色谱具有更明显的优势。当前，我们国家在许多与国计民生密切相关的领域，急需能够进行现场快速筛查的检测手段，而气相色谱在定量、定性方面的独特优势，尤其是对于复杂样品的分析，是其他专用仪器所不具备的。目前，我们实验室已经在室内环境、农药残留等领域进行了大量工作，从已经取得的数据看，应该说是非常理想的。

　　另外需要着重强调的是，气相色谱分析的关键是样品前处理，而传统的检测，样品前处理十分繁复。就拿农药残留检测来说吧，样品前处理需要花费大量的时间，等你最终实验结果出来的时候，可能菜早就卖掉了，而且分析成本太高，根本不符合现场快速筛查的需要。针对上述情况，我们也进行了有益的探索，并且已经取得阶段性的成果。譬如我们现在已经申请专利的一项技术中就是将蔬菜中的残留农药直接气化进行检测，一个样品的前处理时间只需3到5分钟。

　　Instrument：现在您的科研成果已经成功转化成为了产品，这是否意味着您在这方面的工作可以暂时告一段落了？

　　张：从原理创新的角度看，可以这么理解，因为这台仪器的关键技术已经基本解决了。下一步的任务就是针对不同用户在实际使用过程中遇到的具体技术问题进行改进。另外就是在现有仪器的基础上，针对不同领域发展专用的微型气相色谱仪器。在应用方面，除了前面提到的环境监测、食品安全外，我们也在考虑将这款仪器用于军事领域，譬如战场上的化学战剂的探测等方面。还有就是，目前这台仪器虽然在一般环境条件下使用完全正常，但将来还要经受多种极端环境条件的考验，从而检验一下仪器在恶劣的自然环境中使用的效果。

　　Instrument：作为一名分析化学家，您是如何看待基础研究和仪器开发这二者之间的关系？

　　张：就一所综合性大学里的科研部门而言，确实可能更关注的是前沿性的基础研究的突破。就拿我自己来说吧，搞仪器只是我日常科研工作的一小部分，可以算是一个副业吧（说到这里，张教授和我不约而同都笑了）。我之所以搞仪器，一方面是因为自己的兴趣所致；另一方面也是想证明给外国人看，中国的科学家不仅仅会做理论，做应用，也能够做出具有自主知识产权的仪器，这一点我在与国外同行进行技术合作时感触特别深。如果我们没有自己的技术，没有自己的专利，一句话，没有自己的东西，我们拿什么和别人合作？而且现在国家也非常强调自主创新。以前，我们课题组主要是在国内外的专业期刊上公开发表文章，基本上没有申请过专利。这两年开始慢慢有了，到目前为止，我们已经申请了十多项专利。

　　当然，搞分析仪器确实不容易，因为它涉及到化学、电子、机械、光学、材料和软件等多个领域，绝对可以称得上是一门交叉学科。这就要求我们即使不能做到门门精通，但至少对每一个领域要有一定的了解。在这一基础上，还必须要有创新，尤其是原理方面的创新，这里面还包括了一个思考方法的问题。创新有时是需要我们绕开一些传统的方法，寻找到一条捷径，当然前提是要保证取得良好的效果。我们现在回过头来看GC190，你会觉得它的技术好像也不是很复杂，某些部件的加工与传统气相色谱相比还更简单，所用材料的成本还大大降低了。这就是一个思考方式的问题，要打破传统思路，这方面确实是有很多技巧的。

    　而在原理创新完成之后，真正要做出一台仪器时，还有很多事情要做，尤其是许多细节要考虑到，否则都可能出现问题。譬如：仪器的噪音问题，两路气体中的空气的净化、除湿问题，控制能耗的问题等等，所有问题都需要想办法解决。

　　Instrument：最后，能否请您评价一下您的合作伙伴——上海精密科学仪器有限公司？应该说复旦大学与精科公司的合作是目前国内科研单位与仪器厂商成功合作的一个出色范例，能否请您谈谈其中的经验以及对合作未来的展望。

　　张：我个人感觉，在积极寻找新项目方面，精科公司，尤其是精科公司的高层领导，意识还是非常靠前的。几乎每一届精科公司的老总都来我们实验室参观过，他们对我们的许多科研项目都表现出了浓厚兴趣。譬如，除了我们课题组外，复旦大学的杨芃原教授目前也在与精科公司进行毛细管液相色谱-飞行时间质谱的联合开发。

　　一项新技术从提出，到具体实施，再到不断完善，最终成熟转化为商品，确实需要科研单位和企业双方的投入。科研单位擅长的是原理创新，在这个环节相当多的东西是比较基础的。目前中国的企业在这个环节上可能无力介入，这也是可以理解的，毕竟即使是国外的企业在这一环节的投入也是有限的，这一步需要国家的支持。而当一个原理已经比较成熟，将要进行仪器攻关的时候，这时就需要企业的介入了。因为对于科研人员而言，他并不太了解将来工业化可能会存在的问题，因此有可能从实验室里出来的样机看起来很好，但实际上没有办法进行工业化生产。因为这样的样机许多部件可能采用的不是标准件，所用的材料、元器件可能也没有一个稳定的供货来源。而这一环节恰恰是企业最擅长的。因此，当仪器开发进入到这一环节时，企业一定要介入，而且越早越好，这样可以更好地掌握一些技术细节，从而减少在以后生产过程中可能会出现的困难。

　　当然，如果企业能够在原理创新阶段进行一些风险投资的话，自然更好，因为这样的话，一旦有一个很好的创意出现，就意味着企业是从知识产权的角度介入了。不过这需要企业具备一定的实力，同时它的领导人也需要有一定的魄力和眼光。

　　复旦大学和精科公司的合作模式目前也在继续探索之中，毕竟企业和学校的运行机制不同，合作的途径也可以有很多种，寻找到一种“双赢”的合作模式是我们双方共同的目标。复旦大学和精科公司早些时候成立的“分析仪器研发联合实验室”就是一种有益的尝试，我们双方通过这样一种模式保证了一个稳定的合作机制，并且使合作有了一个延续性。通过合作，双方之间实现了优势互补，也更容易获得国家和地方在研发资金方面的支持。当然，双方的每一次具体合作，我们都会以合同的形式对双方的责、权、利进行明确规定。总之，尽量使合作规范化，充分发挥各自的优势。

         后记：在众多的分析仪器当中，中国的气相色谱应该说是和国外同类产品距离比较接近的少数几种仪器之一。而进一步提高中国气相色谱的技术水平，扩大国产气相色谱在国内市场的占有率，是摆在中国色谱界广大科技人员和相关色谱厂商面前的一项艰巨任务。跟在外国人后面，继续亦步亦趋，我们可能永远也无法超越，毕竟你在进步的同时，别人也在进步。要想在激烈的市场竞争中赢得主动，只有转换思想，抓住机遇，创造性的工作，抢占科技发展的制高点，才可能最终实现中国气相色谱的跨越式发展。

转自2006-6-14 仪器信息网