賽默飛與中國地質科學的30年“情緣”

——訪國家地質實驗測試中心研究員 李冰教授

　　【導語】在中國960萬平方公里的廣袤國土上，有一批數十年專注于地質科學研究的奉獻者，他們在國土資源勘察、地球化學、資源開采等眾多與國計民生、經濟發展息息相關的領域中作出了重要的貢獻；而儀器技術是他/她們手中重要的科學工具。日前，我們有幸采訪到國家地質實驗室測試中心的李冰教授，她是全球第一代ICP-MS的使用者，是賽默飛第一臺ICP-MS的應用者。李教授回顧了自己與賽默飛儀器技術結緣的30年“情緣”，以及近40年光譜質譜的工作經歷和感悟。小編期待通過這份回顧的記錄,向數十年從事分析測試的研究工作者們致敬，并對今天的研究工作者們有所啟示……

李冰教授與國家地質實驗測試中心陳列的VG PQ ExCell電感耦合等離子體質譜

全球第一代ICP-MS的使用者

賽默飛ICP-MS在國內的首位用戶

　　談到自己的研究經歷，用專注來形容李冰教授最為貼切。“我1975年從西北大學化學系分析化學專業畢業，然后到西北有色地質研究所，主要從事原子發射光譜分析工作；1992年進入國家地質實驗測試中心(原地礦部巖礦測試所)，這二十年一直從事原子發射光譜與質譜的應用研究。”

　　和儀器打了幾十年交道的李冰教授，很自然地談到她對儀器技術發展的感悟，并由衷表達了她對ICP-MS技術的認同：“我最早使用的是老式的原子發射光譜，把樣品磨成粉末后裝在電極內，經過直流電弧放電，發射光通過入射狹縫進入分光系統，再到檢測系統，通過照相系統即可在感光板上記錄下元素的譜線，然后拿到映譜儀上放大觀察，查看樣品含有哪些物質及其強度和含量。那時的儀器體積龐大、操作復雜、靈敏度低。到了八十年代初，電感耦合等離子體(ICP)和質譜(MS)技術的強強聯姻，給原子發射光譜的發展注入了新活力。此后，ICP-MS技術以其靈敏度高、檢出限低、可測定元素多、線性范圍寬、可進行同位素分析、應用范圍廣等優勢，被公認為最強有力的痕量及超痕量無機元素分析技術。”

　　1986年，國家地質實驗測試中心率先在國內引進英國VG公司（1994年被賽默飛收購）的第一代PlasmaQuad電感耦合等離子體質譜儀。為什么說這也是全球第一代ICP-MS？李教授笑著說：“這要從世界上第一臺ICP-MS的誕生談起”。電感耦合等離子體(ICP)和質譜(MS)技術的聯姻是八十年代初分析化學領域最成功的創舉。當時，英國Surrey大學的Gray博士、美國Iowa州立大學Ames實驗室的Fassel教授及其博士研究生Houk、加拿大多倫多大學的Douglas和French教授所創建的三個研究小組，平行開展了ICP-MS的基礎理論研究和應用基礎理論研究工作，并展開了大量合作。ICP-MS技術的成功問世是分析科學家們展開國際性技術合作的成果結晶。

　　小編按：1975年, Gray博士通過實驗證明,常壓下工作的等離子體可用作質譜儀離子源, 能夠簡化質譜分析的操作并縮短測定所需的時間。隨后，美國Iowa州立大學Ames實驗室的Fassel教授及其博士研究生Houk等人，借鑒Gray所做的毛細管電弧直流等離子體與質譜儀結合的杰出工作，開始了對ICP-MS的研究。1978年到1982年期間，兩個團隊建立了密切的ICP-MS項目合作關系，聯名發表了第一篇ICP-MS研究成果，即被公認為ICP-MS"里程碑"的文章“Inductively Coupled Plasma as an Ion Source for Mass Spectrometric Determination of Trace Elements”。該文章首次發表了他們在ICP-MS方面的研究成果。同時，加拿大多倫多大學的Douglas和French也將研究微波感應等離子體質譜（MIP-MS）的工作轉向ICP-MS，并成功地解決了Houk和Gray等人所遇到的“界面層采樣”難題，實現了使ICP-MS從理論研究走向實際應用的重大轉折—“連續流采樣”。

　　李教授表示，1986年引進的PlasmaQuad電感耦合等離子體質譜儀在國家地質實驗測試中心發揮了重要作用。地質行業面臨的樣品特點是：樣品類型復雜，比如土壤、沉積物、巖石礦物、化探樣品；樣品量特別大，實驗室每年需完成數萬個樣品的分析。以往采用原子發射光譜、原子吸收光譜以及X射線熒光光譜等多種技術完成多元素分析任務，但往往存在著光譜干擾、各種類型樣品的基質干擾、靈敏度不足、分析速度等方面的問題；而ICP-MS分析技術因其靈敏度高、背景低、干擾較少等特性，為大量地質樣品分析注入了新的活力。ICP-MS技術可同時測定復雜樣品中幾十種元素的分析，輔助以其它儀器分析技術，可覆蓋周期表中70多種金屬和非金屬元素的分析，尤其是對于痕量超痕量稀土元素、鉑族元素等的分析特別給力，解決了地質行業分析的眾多難題，已成為地質行業實驗室的主打儀器。

　　李教授還分享了自己初次接觸ICP-MS的興奮感受：“以前做光譜分析，最大的問題是光譜的干擾嚴重、背景復雜，做痕量、超痕量元素分析時很有難度。當我第一次使用ICP-MS后，發現ICP-MS技術真是非常好！相比ICP光譜，同位素譜線很清楚、靈敏度高、背景特別低、檢出限至少比光譜低2-3個數量級。現在ICP-MS是實驗室必不可少的分析儀器。”

 

賽默飛ICP-MS和地質行業的幸福婚姻

　　自92年進入國家地質實驗測試中心后，李教授的研究分析工作便和賽默飛的ICP-MS結下了不解之緣。據李教授回憶，相比現代的新型ICP-MS，第一代PlasmaQuad儀器體積非常龐大，且自動化程度很低，操作上較為麻煩，儀器故障率也很高。不過，就是這臺早期的儀器，在當時的國家地質實驗測試中心也已發揮了重要的作用，前輩們開拓性地開展了多種地質樣品多元素分析方法研究應用工作，發表了不少有關文章，尤其在稀土元素分析方面取得了顯著成果，同時在儀器維修和部分零配件國產化等方面積累了豐富經驗，這些都為國內ICP-MS的推廣應用和發展奠定了很好的基礎。

　　談到賽默飛儀器的發展，李教授說：“我們跟他們是多年的合作伙伴，從80年代第一代儀器到現在，已經更新換代好幾代了，我們實驗室有他們各種不同型號、不同年代的儀器。從發展來看，我們感覺儀器的技術進展非常快，更新換代非常快，儀器的性能不斷提高，比如現在ICP-MS儀器的自動化程度很高，軟硬件設計不斷改進，操作簡便，性能提升得非常好，精度和靈敏度也得到大幅提高。”據了解，自成為賽默飛第一代的ICP-MS用戶后，國家地質實驗測試中心引進了公司第二代型號為POEMS的ICP-MS；后來又陸續引進了賽默飛的多款ICP-MS系統，包括X-7、VG PQ Excell兩臺四極桿ICP-MS，以及ELEMENT 2和ELEMENT XR兩臺高分辨ICP-MS。

　　李教授談到，賽默飛的ICP-光譜和ICP-MS在中國地質科研和測試領域用戶眾多，幾乎各省、市、區級地質實驗室都配備了賽默飛的一套或多套ICP光譜和ICP-MS系統，例如李教授所在的國家地質實驗測試中心和廊坊市物化探研究所就配置了多套。

應用ICP-MS，地質分析領域結出累累碩果

　　談到用ICP-MS做出的工作，李冰教授就更加興奮了：“ICP-MS在地質行業的成功應用，對我國國內ICP-MS技術的發展，應該說起到了 引領的作用；很多應用都從地質行業開始，對全國各個行業儀器的引進和使用，都起了很重要的作用。目前，ICP-MS在我們地質行業已經很普遍，在各個地質 實驗室發揮著重要作用，取得了很多科研和測試成果，帶來了顯著的經濟效益和社會效益”接下來，李冰教授分享了幾個典型的應用成果。

　　90年代國土資源大調查—開創痕量超痕量元素分析新技術

　　20世紀90年代以來，我國地質事業得到了快速發展，多目標地質調查對地質實驗測試技術也提出了越來越高的要求。常規的分析技術和方法已不能滿足分析需求，因此必須研發痕量超痕量元素分析的新技術方法，以解決多目標地質調查中存在的難分析元素的檢測問題。

　　李冰教授作為國土資源大調查項目“痕量超痕量元素分析新技術新方法在地質調查中應用研究”的負責人，帶領團隊充分發揮ICP-MS技術的優勢， 探索地質樣品中痕量、超痕量多元素配套分析問題，研發了以ICP-MS等大型現代分析儀器為主，輔之以其它分析技術的多元素的分析系統。其創新點在于：重 點解決了化探分析要求的70多個元素中的一些難分析元素。開發研制的鉑族元素試金法、非金屬元素和陰離子的測試在方法技術上有突破、有創新。例如半熔 ICP-MS測定地質樣品中碘溴砷硒；氨水封閉溶樣ICP-MS測定地質樣品中碘；封閉溶樣乙醇增強ICP-MS測定地質樣品中碲的方法。開發研制的新方 法的檢出限、精密度等性能指標優于地質調查樣品分析要求, 其中有些元素達到或優于國際同類工作先進水平。研究成果顯著提高了等離子體質譜為主體的現代分析技術在地質實驗測試領域的開發應用水平，該項目榮獲了 2007年國土資源科學技術二等獎。

 國土資源科學技術二等獎

　　勘查地球化學樣品中76元素配套分析技術和質量監控系統

　　我國地質科學家在國際上率先提出了76元素化探填圖計劃，地科院物化探所張勤教授和國家地質實驗測試中心的李冰教授帶領團隊合作完成了“勘查地 球化學樣品中76元素測試方法技術和質量監控系統的研究”地調項目，在這項國際領先計劃的成功實施中發揮了重要作用。76元素化探填圖計劃就是以1:25 萬或者1:50萬的密度采集全國各地不同地方的樣品，分析研究后進行地球化學的填圖，用于找礦或環境污染評價的分析。李教授談到：“這意味著周期表里除了 惰性元素和放射性元素以外，其它的76種元素都要分析。做這么多元素，靠其它技術的話，有些元素分析特別困難，有些分析成本很高，有些元素靈敏度達不到要 求。而有了ICP-MS以后，這些問題就可以解決了，比如鉑族元素、稀土元素，稀有稀散元素的分析難題，都迎刃而解。”

　　該項目研制了勘查地球化學樣品中76元素的配套分析方法系統，制定了覆蓋76種元素的新型質量監控系統。將ICP-MS和ICP-OES等技 術，率先應用于勘查地球化學大規模樣品的分析中，多種分析方法已在全國多家地質實驗室推廣應用，社會效益和經濟效益顯著。因此榮獲了國土資源系統2011 年度科技成果一等獎。

ICP-MS痕量元素分析研究團隊

國土資源2011年度科技成果一等獎

　　開創元素形態分析技術在地球化學領域的最新應用

　　形態分析（價態、化合態、金屬有機化合物等）的目的是為生態環境中元素的遷移轉化、生物可利用性、新陳代謝作用提供多維信息。生態地球化學調查 及評價是全方位的，僅測定元素總量不足以反映有益元素的有效性、有害元素的毒性。比如，溴酸鹽是致癌物質，無機砷毒性很大，而有機砷幾乎無毒性，有機汞的 毒性遠遠大于無機汞等。地礦分析部門在金屬有機化合物形態分析方面起步較晚，又由于金屬有機化合物的測定分析要求高、難度大，目前仍處于研究階段，還沒有 形成完整的標準分析方法體系。

　　針對上述問題，李冰教授帶領下的形態分析團隊在地質系統率先開展了砷、汞、錫、鉛、鎘、碘、溴、鉻等有益有害元素的化學形態分析方法及生物地球 化學和環境地球化學應用研究。李教授團隊采用HPLC等形態分離與ICP-MS聯用技術建立的方法靈敏度高、檢出限低、實用性強，方法檢出限等多項指標達 到國內先進水平，其中溴碘的分析指標達到國際先進水平。該方法在生態環境地球化學調查和評價應用中取得了較好的應用效果，為生態環境中元素的遷移轉化、生 物利用性、地方病研究等提供了重要的技術支撐。

　　具體實例有：商品瓶裝礦泉水中溴酸鹽含量調查；溴的工業污染問題；碘的環境地球化學以及IDD病區成因的問題；大氣氣溶膠中碘、溴的形態分布、 來源及其環境意義研究；鎘形態分析用于鎘積累植物的耐鎘機制研究；滸苔砷形態分析等。據了解，李教授帶領團隊建立的多元素形態分析技術榮獲了中國地科院 2012年度十大科技進展獎。

李冰教授元素形態分析團隊（左二為美國福羅里達國際大學化學系的蔡勇教授）

　　LA-高分辨ICP-MS微區痕量分析技術

　　作為質譜的專業廠商，賽默飛還提供高分辨的磁式ICP-MS產品，如ELEMENT系列。將高分辨ICP-MS和LA（激光燒蝕）技術聯用，可 以進行地質樣品里的微區原位分析。采用激光燒蝕等離子體質譜（LA-ICPMS）技術的特點是：不用粉碎樣品，可在微區原位上探測元素的分布情況。國家地 質實驗測試中心創建的礦物微區原位多元素同時分析技術， 最佳檢出限達0.X ng/g水平，最小激光束斑為20μm，該方法可進行氧化物、含氧鹽、硫化物礦物的分析。此外，ICP-MS在錸-鋨同位素定年分析、土壤鉛污染的鉛同位 素示蹤等研究中也起到了重要的作用。

　　除了李教授談到的幾項代表性應用，小編還了解到，李冰教授潛心致力于地質分析新技術新方法的研究，帶領痕量元素及元素形態分析特色的科研團隊， 在“十五”和“十一五”期間負責承擔并參與了國家自然科學基金、地質大調查項目、國家重大儀器專項等20多項科研項目。由于多年致力于地質工作，并多次獲 得科技成果獎和優秀工作者獎，因此2012年榮獲中國地科院首屆新華聯突出貢獻獎。此外，李冰教授十分注重科研成果轉化，承擔研制國家或行業標準，填補了 國內電感耦合等離子體質譜儀同類標準的空白。在教育培訓方面，90年代李教授就參與翻譯了國內第一本ICP-MS應用手冊，那時候ICP-MS技術剛興 起，很多人想系統地了解這項技術，所以譯著一出來就很受歡迎。接下來，李冰教授及合作者又陸續出版了有關ICP-MS專著，對于促進國內ICP-MS技術 的發展功不可沒。

李冰教授榮獲2012年中國地質科學研究院首屆新華聯突出貢獻獎

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賽默飛注重產品創新 關注用戶需求

　　作為賽默飛近30年的用戶，當小編請李冰教授談談對賽默飛的印象時，李教授談到了以下幾點：

　　技術創新兩大法寶：關注用戶需求反饋 關注全球不斷涌現的新技術

　　“從86年引進第一代賽默飛ICP-MS開始，我們測試中心使用了賽默飛多種型號的ICP-MS；我本人很大的感受是：賽默飛非常關注儀器的創 新，創新的原動力來自于關注用戶的需求。賽默飛ICP-MS在我國地質檢測領域的使用非常廣泛，用戶在實際應用時不斷考驗儀器的分析性能，通過用戶的大量 應用，賽默飛能及時總結用戶的反饋，以此來不斷改進自己的儀器技術。同時，賽默飛時刻關注國際上ICP-MS技術的進展，及時把最新技術引入到自身產品 上。例如儀器的小型化、碰撞反應池技術的革新，以及最新開創的90°偏轉離子光路設計，使儀器更易使用、更易維護、分析能力更強，分析結果更可靠。”

　　尊重用戶 注重用戶交流

　　李冰教授特別提到，“賽默飛非常重視與用戶之間的交流，交流又分幾個層次，比如：售后服務、應用支持、召開學術研討會或培訓班等。”

　　比如，儀器出現問題或分析中遇到了困難，維修或應用工程師都能夠及時過來幫助解決。“我們在分析中遇到問題時，會經常跟他們溝通，比如和沈良 華、馬玉平等這些賽默飛早期的應用工程師有著很好的合作，現在經常與陸文偉老師（賽默飛上海ICP-MS應用工程師）經常保持聯系，一同探討ICP-MS 技術在不同應用中的問題。”李教授還告訴我們，近期在全國分析測試人員能力培訓教材編寫中，她本人主要負責ICP-MS教材的編寫，得到了多家儀器廠商的 支持，其中陸文偉老師作為主要編寫人員之一提供了很大的幫助。

采訪中正好遇到賽默飛工程師維修X-7 ICP-MS

　　“賽默飛還經常在全國各地舉辦一系列的學術研討會或培訓班活動，這也是一種與用戶溝通交流的有效方式。每場活動公司都會邀請用戶參加，十分尊重用戶，并及時征求用戶的反饋。因此，賽默飛對中國本土用戶的需求非常了解，這直接有助于他們取得良好的銷售業績。”

　　李教授還談到，“前不久，我參觀了上海的賽默飛中國總部大樓，他們的實驗室給我留下了很深的印象。實驗室很多，有著賽默飛不同領域的很多分析儀 器。各個儀器都配有應用研發工程師在做實驗，能夠結合用戶的實際需求進行相關應用方法的開發，這一點對用戶特別有意義。比如，我熟悉的陸文偉老師在研究 ICP-MS技術在Cr元素形態分析中的應用，他常和我一起交流經驗，對彼此的工作都很有幫助。”

　　進一步提高售后服務水平

　　李教授也談到了自己對賽默飛為代表的儀器公司的一點建議。隨著我國對分析儀器市場需求量的加大，用戶數量越來越大，儀器使用量也不斷擴增；這就 需要儀器廠商能夠快速提高售后服務的覆蓋面。維修人員的配套是否能跟上，偏遠地區用戶出現問題，打電話后工程師能否及時上門進行維修，這是目前各大儀器公 司服務競爭的一個關鍵點。

　　另外，應加強對售后服務部門的新人培訓，提升服務質量。比如，目前大公司的人員流動大，很容易影響業務的持續穩定發展。新人對儀器常不熟悉，儀 器出現故障如果維修不好，將直接影響儀器廠商的售后服務質量。因此應加強對新員工的培訓，提高維修人員自身的業務能力和服務能力，增強企業的發展后勁。

 

國產儀器研發：不要追求高指標 要注重穩定性和實用性

　　近些年，我國開始重視國產科學儀器的自主研發，并逐漸加大投入力度。科技部國家重大儀器專項也在ICP-MS、ICP-AES領域投入了多個大型項目，針對中國的儀器研發，李冰教授談及了自己的一些建議：

　　目前ICP-MS技術在國外已經非常成熟，我國要想達到和國外儀器一樣的水平存在一定的難度。因此我國儀器自主研發的重點不要放在儀器的指標有多高，靈敏度有多高，更為重要的是要注重儀器是否好用，實用性要高。

　　現在國內多數分析工作者都不太信任國產儀器，認為國產儀器在穩定性上和進口儀器差距很大，因此我國儀器廠商更應該在儀器的實用性上下大工夫，儀器好用、耐用是最為重要的。

 

對年輕分析工作者的期望

　　最后，當小編請李冰教授對從事分析化學工作的年輕人提提建議時，李教授欣然談到了以下幾點：

　　自動化時代也要了解儀器內部的工作原理

　　隨著分析技術的不斷革新，儀器自動化程度也越來越高，現在只需輕松地點擊鼠標，一按鍵式操作便可輕松完成整個分析流程，工作效率大幅提高。但任 何事物都是雙刃劍，有利則有弊。正如我們現在經常使用電腦打字，時間一長會“提筆忘字”。化學分析操作也是一樣的，現在軟件已建好分析方法，只需點擊按鈕 儀器便自動打印出分析數據，全部是自動化操作。這就更要求現代的年輕工作者對儀器內部的分析過程一定要清楚，了解其分析原理，清楚每一步操作的目的是什 么，哪個參數會影響到哪一個操作流程。

左圖為年輕時代的李冰老師進行滴定分析，右圖為操作測微光度計光譜

　　“我年輕的時候，分析化學工作全部都是手工操作，例如經典的滴定分析。有了儀器后，早期發射光譜的分析人員必須完全憑借自身的分析化學基礎和工 作經驗，對感光板上的譜線進行識別，并分析出是否存在干擾。當時，雖然工作效率比較低，但是卻為日后的工作打下了牢固的知識基礎。”

　　“舉個例子，傻瓜相機誰都能操作，但只有了解了原理的人才可以‘玩轉傻瓜相機。’你真正想得到一張好的照片，必須把相機的各個功能吃透。分析工作也是這樣，即使儀器再自動化，要想獲得好的結果，仍必須掌握所有的分析原理、基礎知識。”

　　樣品前處理技術上會有突破

　　“ICP-MS技術已是非常成熟的技術，但在樣品前處理方面還有很大潛力可挖。”李教授給年輕工作者指出了一條發展道路。她表示：ICP-MS 樣品絕大部分都是溶液進樣，一般僅有1%的樣品溶液通過霧化室最終進入到檢測系統，其余大部分樣品溶液都浪費了，因此在儀器的樣品引入方面若有效率的大幅 提高，將很有發展前途。

　　目前儀器精密度、準確度等性能已達到很高的水平，在很大程度上，分析數據的準確性取決于樣品的前處理環節。例如難溶樣品很可能沒有被完全分解 掉，或者樣品在前處理階段受到外界的污染，這些都會影響分析結果的準確可靠性。因此樣品前處理在整個分析流程中占有至關重要的位置。除此之外，樣品前處理 的時間耗費很長，是目前的分析瓶頸，有時樣品前處理需要幾天的時間，而最終上機分析僅僅幾分鐘的時間。

　　這也就給年輕的分析工作者提出了新的要求，要爭取在樣品前處理技術上有大的突破。目前激光燒蝕等離子體質譜（LA-ICP-MS）由于無需樣品前處理環節，固體樣品可以直接引入儀器進行分析，是目前的一大發展趨勢。

　　“其它還有一些可能的突破，希望年輕人關注。”