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打破壁垒，探密精微做中国人的质谱仪
2011年底,“PM2 .5”这一新鲜词汇进入公众视野.2013年,“雾霾”成为年度关键词.如今,“雾霾”和“PM2.5浓度”已经成为冬季天气预报的常客——这都在说明我国环境形势日趋严峻,引发公众关注愈发广泛.而由此也促进了环境监测仪器市场的发展.
PM 2 . 5污染物溯源,是空气污染治理的世界性难题.如何实时、快速弄清PM2.5污染物的来源,就要用到质谱仪.
目前常用的监测PM2 .5分析仪微量振荡天平监测仪就是质谱仪的一种.而且高端质谱仪不仅可以监测PM2.5浓度,更可辨别其成分,就好比“识骨寻踪”一样,弄清楚污染物的“DNA”,才可以更快速地追寻到它的源头.什么是质谱仪,它怎么会这么厉害？
质谱仪,分离和检测不同同位素的仪器.即根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理,按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器.
虽然都叫质谱仪,但是其种类也千差万别,按应用范围可分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有机质谱仪；按分辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪；按工作原理分为静态仪器和动态仪器等等.
因为质谱仪功能强大,可观测“看不见的世界”,直接测量物质的原子量和分子量,判定污染来源,因此是现代科学研究最重要的基础工具之一.它同时也代表着一个国家在高精尖科学技术的水平——在国民经济发展中,环境/食品快检、生物医药、化学化工、国家安全等60%以上的领域,都涉及化学分析测试,而质谱仪在其中起着重要甚至决定性的作用.
然而就在并不遥远的本世纪初,在种类多达近百种的质谱仪器中,我国几乎没有生产其中任何一种的能力.即使到了今天,面对庞大的质谱仪器市场,95%以上的产品仍然依赖进口,每年进口额达到上百亿元.
周振,暨南大学质谱仪器与大气环境研究所所长、博士生导师,广州禾信仪器股份有限公司董事长.身为我国高分辨飞行时间质谱仪器研发的开拓者,随着研究越深入,周振越发现：高端精密仪器研发国产化谈何容易？
质谱仪的研发高度集成,涉及数理化、机械、电子、计算机、真空、材料等各个科学领域.技术研发上的高难度也决定了适合的从业者凤毛麟角,人才缺口极大.同时,成果如何产业化也成为创新创业路上必须逾越的另一座大山.
所谓“苦其心志,劳其筋骨……所以动心忍性,曾益其所不能.”每个人的成功路径虽各有不同,但必然有共性可循.
经过13年的发展,国产化高端精细质谱仪器从无到有,不仅打破了国际技术封锁,也实现了走出国门的梦想,远销美、德、俄,突围出口壁垒.而这些成就的取得,都与周振与其团队的努力息息相关.
锲而不舍地努力,终使中国跻身于少数掌握高分辨TOF-MS核心技术的国家行列——在质谱仪研发国产化方面,周振终于走通了这条少有人走的路.
不忘初心, “做中国人的质谱仪”
厦门大学是中国质谱教学的摇篮.
1991年,在厦门大学科学仪器工程专业读大三的周振开始接触到质谱仪,便受恩师、中国质谱界先驱季欧教授的影响,对这种国人尚未攻克的高端仪器产生兴趣,立志“做中国人的质谱仪”.
1994 年,获硕士学位后,周振于同年考上厦门大学化学系博士研究生.1998年,他赴德国吉森大学攻读物理学博士,继续向高精尖的质谱仪器研发前进.在德国,周振加入了飞行时间质谱仪器国际最先进的研究室—— 德国吉森大学无网反射飞行时间检测器发明人H.Wol l n ik教授的小组学习和工作,并得到国际著名专家、俄罗斯教授、垂直引入式飞行时间检测器发明人A.Dodonov的指导.自身勤奋好学,再加上名师指点,使得周振在学业上日益精进,终于在2000年成功研制垂直引入式飞行时间质谱仪,技术指标为当时国际同类仪器的最高水平.
2002年,在第四届中国广州留学人员科技交流会上,这个风华正茂的年轻人终于公开自己的心愿：“做中国人自己的质谱仪器”.
这个愿望的公开,引起了中国科学院傅家谟院士的注意,院士笑呵呵地问他：“自己做质谱仪？这怎么可能呢？”
与其说这是质疑,不如说是考察和鼓励.面对前辈,周振滔滔不绝,展示关键技术,讲述研发思路.“万万没想到,傅家谟院士很快便决定支持我们研发国产质谱仪,并个人资助20万元作为启动经费.”
与物质支持相比,精神上的鼓舞更让周振无比兴奋.经过傅院士的牵线搭桥,他还被聘为中科院广州地球化学研究所研究员.
2004年夏,周振带着一箱资料、一箱核心零部件和10万元存款,携妻带子举家回国——
周振回来了！但他不是一个人回来的,在他们心里,与“做中国人自己的质谱仪”这件事比起来,稳定而优渥的生活又算得了什么呢？
打通全程,研发、团队、转化多点开花质谱仪器属于大型的高端仪器,涉及多学科理论知识、专业技术及复杂的工艺,需要广博的学科背景、丰富的整机研制经验.
“科学仪器很重要,而质谱仪器是科学仪器中最尖端的部分之一,质谱仪器的高端技术都掌握在外国人手中,在我们成立这个团队之前,中国基本没有国产的质谱仪器.”周振说.但是,“不管多困难也得做”.
“在我们的思路里面,没有放弃.碰到困难,想办法解决掉就是了,这是个理念问题,如果你根本不认为碰到的那些是困难,只是觉得这是必然需要面对的、一定要解决的事情,当碰到的时候就会迎难而上,最后终能解决.”而且,“我们的工作符合国家的重大需求,是战略性的技术开发,正因为困难,所以国家才重视,做出来才更能体现我们的价值.”
2009年,周振入选中组部“千人计划”.“作为海外高层次引进人才,肩负的使命不局限于几项产品或者几个企业,千人千山千担柴,我们鼓励更多的人致力于质谱仪等高端科学仪器产业的发展.”
基于上述认识,也基于尖端产业无法从国外引进人才的现实,在研发中国自己的质谱仪器的同时,打造一支中国自己的人才队伍,成为周振在前行路上的并列目标.周振是暨南大学教授,也是禾信仪器董事长,这两种身份,让他把两个任务更好地统筹协调起来.
在技术研发过程中,最初的团队有人动摇了,有人放弃了,但是仍然有人认认真真地坚持下来.“一开始团队里面人才的培养都是自己承担的,到2009年之前我们什么都没有,就是培养了几个人.”
以最初的人才团队为雏形,周振依靠大学和研究所进行人才培养,先后在中科院广州地球化学研究所、上海大学、暨南大学担任教授,培养了几十名研究生.学生们还可以到禾信质谱实习,只要愿意留下,周振几乎都倾囊相授.就这样,他几乎培养了国内近半的高端质谱技术人才.
目前,周振领导的质谱仪研发团队已超过10 0人、研究生超过50人,是国内首个高水平的质谱技术创新团队,并于2014年入选国家创新人才推进计划—重点领域创新团队.
经过他们的努力,我国成为少数几个掌握高分辨飞行时间质谱核心技术的国家之一.
他们发明了单颗粒气溶胶在线电离源、气相分子离子反应器、大气压离子源接口、宽动态范围的飞行时间质谱分析器等多项质谱关键技术和重要装置；改进多种离子光学系统、离子源、质谱接口等；创建飞行时间质谱仪器整机设计模型,使1米单次反射式飞行时间质谱仪的质量分辨率稳定地达到170 0 0 FWHM（与国际领先企业安捷伦商品仪器相当）,整体性能指标达到国际先进水平.
目前,他和团队研发的在线单颗粒气溶胶质谱仪,已在全国130座城市应用,监测空气中的PM2.5污染源,为国家环境治理节约上百亿元.质谱仪还在广州亚运会、上海世博会、APEC峰会、大阅兵、G20峰会等多个盛会中亮相,监测空气质量,发挥了不可替代的作用.2 011年,成果实现国产高端质谱仪器首次中标“政府公开招标采购项目”.
2013年我国第一台飞行时间质谱仪器出口美国.上述成果共获5项省部级奖项,包括广东省科学技术奖一等奖、二等奖,中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖,中国分析测试协会科学技术奖一等奖、二等奖；申请专利110余件,其中授权54件；连续成功开发了不同应用领域的8种质谱仪,其中,一项仪器为国际首创,一项达到国际商品仪器水平,一项达到国内领先水平,多款产品打破国际封锁.“未来几年内,我们将推出两三款商品化质谱仪器,整体技术水平都属于国内首台或国际首创.”周振说.
当然,周振也有些许担忧.“我们的质谱仪器技术水平与国际的先进技术水平相比,差距还是比较大的.”
目前,团队主要研究方向一是质谱仪器的研究开发,二是大气环境的污染监测,特别是对PM2 .5和挥发性有机污染物(VOCs)来源解析.
一直以来,科研成果到成真正的产品似乎存在着天然的鸿沟.每年有无数的项目鉴定和专利认证成了书架上的档案.如何避免这种尴尬？周振的暨南大学教授和禾信仪器董事长两个身份帮了大忙.研究者与创业者的角色,让周振打通了科研成果转化的“最后一公里”,实现了政府引导、高校科研成果、市场前沿、用户应用及社会贡献的无缝对接,形成服务地方经济社会、创新驱动发展的机制.
他首次提出“政产学研用金”相结合的我国质谱仪器产业化发展道路,通过实践走出一条“政府引导、企业作为创新主体、高校及研究所参与、社会资金与项目资金组合”的尖端科学仪器技术创新创业道路.他依托暨南大学牵头组建独立的质谱仪器与大气环境研究所,已成为我国质谱研发型硕士、博士的培养基地以及多项质谱仪器及应用原创技术的发源地；
创立并发展了我国唯一的专注质谱仪器的产业化基地——广州禾信仪器股份有限公司,该公司为目前全国唯一质谱产品年销售超过亿元的国家级高新技术企业,完成新三板挂牌,成为行业标杆；
建立我国第一个专业飞行时间质谱仪器正向研发平台,拥有2个广东省工程技术中心、2个环保厅工程技术中心、1个院士工作站、1个博士后工作站；
系统培养本土化高端质谱研制和产品化专业技术人才超过20名,主要成员入选创新人才推进计划—重点领域创新团队（科学仪器界唯一）,成为推动我国质谱仪器及应用技术发展的中坚力量；
与俄罗斯科学院能源问题研究所、德国吉森大学、美国新墨西哥州立大学、美国加利福利亚大学圣地亚哥分校、岛津公司上海研究所等国际一流质谱研究机构长期合作……
2011年,禾信仪器牵头启动国家重大科学仪器设备开发专项,吸引了14家知名大学和研究所参与,研发国内首台广泛用于制药、临床试验等领域的新型高分辨率杂化质谱仪——当时,由一家民营企业牵头国家重大科学仪器设备开发专项,并不多见.
核心技术买不来.“做中国人的质谱仪”的初心,让周振虽筚路蓝缕,却矢志不移——
“我喜欢专心做一件事情.尤其是质谱仪器,一个人用一辈子来钻研并不为过.”
周振,暨南大学质谱仪器与大气环境研究所所长、博导,广州禾信仪器股份有限公司董事长.国家“千人计划”特聘专家,入选国家“百千万人才工程”“广州市创业领军杰出人才”“南粤百杰培养工程”等,广东省五一劳动奖章获得者,国务院政府特殊津贴专家.
他专注质谱仪器研制及应用研究,建立中国第一条质谱仪器生产线,创建第一个中国飞行时间质谱产业化基地；作为我国高分辨飞行时间质谱仪器研发的开拓者,创建新时期中国第一家专业质谱公司,使我国成为少数掌握高分辨飞行时间质谱技术的国家之一；研制出国内首台大气压基体辅助激光解析离子源高分辨飞行时间质谱仪、全球首台基于飞行时间质谱技术的金属残余气体检测仪、国内现阶段最复杂的高端商品化大型仪器；自主培养我国首个质谱研发型团队,入选国家创新人才推进计划—重点领域创新团队（科学仪器界唯一）；建立2个省部级工程技术中心；自主开发了大气环境PM2.5在线监测质谱仪、在线挥发性有机物VOCs质谱仪等十余款产品,技术指标均达到国际先进水平,产品入选国家“十一五”、“十二五”重大科技成就展,企业年产值过亿元,应用于国内90多个城市,成为中国质谱仪器标杆企业.
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