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杭州質譜大會系列專訪——方向研究員

2023.5.29

——質譜魔力召喚從興趣愛好到奮斗終身的理想

導讀：2020-2023年中國質譜學術大會將于2023年6月9-13日在杭州舉辦，本次大會是中國質譜界的一次盛會，旨在促進學界團結進步、和諧發展、共贏未來，提高學術交流水平，推動質譜技術在各大科技領域的廣泛應用。大會由中國物理學會質譜分會聯合中國化學會質譜分析專業委員會和中國儀器儀表學會分析儀器分會主辦，浙江大學承辦。大會將邀請國內外質譜領域的專家學者齊聚一堂，共同探討交流質譜領域最新的科研進展和前沿技術。本此大會的主題為砥礪奮進四十年，共筑中國質譜夢。會議主頁鏈接如下：http://www.cmss.org.cn/index.php?r=site%2Fcae-home&mid=19，歡迎大家報名參會。

我國的質譜發展從無機、同位素質譜開始，再到有機物和生命分析等幾乎所有前沿科學和分析測試領域。許許多多質譜界的前輩們追夢幾十年，今日，我國質譜前沿應用已躍升世界領先，國產質譜儀器研制和商品化也迎來等待怒放的春天，從離子阱、四極桿、飛行時間、磁質譜到各種離子源，再到各種高端的串聯質譜，我國在門類眾多的質譜領域已經掌握了大部分制造技術，但其中每一個核心器件，每一種分析器、每一種離子源，每一個軟件流程，每一種應用都需要研究者們的辛勤鉆研和反復錘煉，許多人從懵懂的少年開始就被質譜的魔力吸引，從興趣愛好到奮斗終身的理想。近日，分析測試百科網采訪了質譜學會理事長、中國計量科學院院長方向研究員，他將為我們分享自己追逐“做中國人的質譜儀”理想的歷程，希望可以激勵到更多的質譜同仁，也祝愿方向研究員本人的團隊繼續前行，完成一個又一個夢想。

第一次相遇奠定一生的追求

“談到和質譜結緣這個話題，思緒就拉到很遠。”方向回憶說，“我1984年大學畢業，關于質譜當時只是在課本里知道一點點：測量一個帶電粒子在磁場中的偏轉。”

大學畢業后，方向被分配到當時的地礦部宜昌地質礦產研究所，即中國地質科學院的中南地質礦產研究所，到了同位素地質研究室。“那時，我第一次看到了什么是真正的質譜。我的師父叫張自超，過去在同位素地質領域也很有名。他帶著我看了一圈實驗室，這臺質譜就占了三個房間，我當時就被那種高大上、被那種神秘感所吸引和折服。特別慶幸自己能進入這樣一個實驗室，進入這樣一個團隊！”在強烈的好奇心和求知欲下，方向開始琢磨和研究這臺神秘的質譜設備。

兩個月后，方向終于盼來了這間實驗室的鑰匙。每天晚上，他一個人都會到實驗室，打開儀器后的蓋板，試圖搞清楚質譜儀的構造。“我就想一探究竟。但當時真實的感受是，這么龐大和復雜的體系，對我來說就同看天書一樣。所以從那天開始我就下定決心，一定要把質譜里的一切搞清楚。”方向第一次結緣的質譜叫做MAT 260，是MAT公司生產的同位素質譜儀，MAT是賽默飛質譜前身之一。

“現在回想起來這段奇緣，我覺得還像昨天一樣，特別慶幸自己有了這樣的機會。”命運非常神奇，第一次和質譜的結緣，成為一個起點，奠定了方向一生的追求。

奇妙的質譜經歷

此后同質譜相關的工作，伴隨了方向幾十年來的職業和工作生涯，他講起每一段有意義的質譜經歷，就像用一顆顆奇妙閃爍的珍珠，串起了自己美好的人生之旅。相信方向的回憶也會喚起很多質譜人的美好記憶。

充滿神秘感的質譜儀激發了方向一探究竟的熱情。他開始找儀器的說明書、線路圖、各種各樣的資料，如饑似渴地閱讀大量質譜相關的文獻材料書籍。當時的質譜室主任張自超看到年輕人執著的追求，馬上為方向爭取了一個機會。當時地礦部是Finnigan MAT公司最大的用戶，公司決定挑選高水平的用戶到MAT工廠培訓，今后做兼職的質譜維修工程師，專門為地礦系統服務。方向有幸被選中，成為五人團隊中最年輕的一員。MAT工廠位于德國不萊梅，賽默飛超高技術的質譜儀，大多數都是在不萊梅工廠生產出來的。

維修工程師

1985年，方向在不萊梅經歷了幾十天的質譜維修培訓，1986年開始，他從一個懵懂的剛畢業的學生，開始動手拆儀器、修儀器。“那幾年雖然做的是維修工作，但我感覺收獲太大了。”方向說，“應該說那個年代對高端儀器的維修和現在很不一樣，每一個部件每一個元器件都需要拆開維修。因為很難有機會、或者說用戶也承受不了我們更換整個部件或電路板。所以就必須把其中的原理，每一個時序、每一個電路的走向、每一條邏輯關系，都搞得非常清楚，才有可能維修好這臺儀器。”

通過維修Finnigna MAT公司的質譜儀，方向成為了一名“合格的維修工程師”，后來，他不僅能維修該公司的產品，還能維修英國VG公司的質譜儀（注：早期全球有三大質譜公司，分別為：Finnigan、MAT、VG，此后Finnigan和MAT分別被賽默飛前身熱電公司收購，而且熱電還收購了VG公司的一部分）。方向回憶說：“外國人會修的我們能修好，外國人修不好的我們也一樣能修好。當時這批早期的兼職工程師，為我國大型儀器的正常運轉，發揮了很大的作用。維修中，我還結識了老一輩的許多質譜專家，和他們有了交集，開闊了自己的視野，尤其是了解到質譜有非常廣泛的用途。”

儀器改造

當年我國的財政狀況、經濟水平都不高，質譜儀用到一定程度后性能會下降，一些關鍵部件尤其是計算機系統出現老化后，就有可能導致質譜儀無法運行，而每臺質譜儀的購買價值都高達40-60萬美元。科技部條財司的吳波爾、張渝英當時提出了大型儀器改造計劃，方向擔當了其中的重任。進行儀器改造有兩大原因：一個原因是囿于當時的經濟水平，第二個原因是有一些新的應用需求，而原來的性能達不到要求。科技部啟動了“科學儀器改造專項”，雖然從現在來看，一個項目只有幾十萬人民幣；但正是在該項目微薄的經費支持下，培養了整整一代做科學儀器的年輕人。當時他們都是20、30歲的年輕人，有改造質譜、電鏡、X射線衍射儀等各種各樣儀器的年輕人，很多團隊通過儀器改造項目紛紛涌現出來。一直到九十年代，當時所有做儀器改造的人，都“很吃香“，很多儀器使用單位甚至會上門拜訪，希望其能擠出時間幫助進行儀器改造、儀器提升、軟件替代等。”當時我們非常有成就感，”方向回憶說，“國內絕大部分的同位素質譜系統，不管是MAT還是VG公司的，不管是熱表面電離還是電子轟擊的穩定同位素比例質譜儀，都被我和我的團隊改造過。”30歲出頭的方向當時已經小有名氣。

完成mission impossible

1998年，作為人才，方向被引進到中國計量科學研究院的國家標準物質研究中心，此后研究工作迅速地從無機同位素、穩定同位素質譜轉向有機質譜為主。“這是我第一次接觸有機質譜。”方向說，“當時那臺儀器是高分辨的VG-70SE，當時我來的時候，這臺機器已經躺在那里兩、三年了，由于種種原因不能啟動。我來之后，很快讓它恢復了運行。在當時恢復這臺儀器時，長春應用化學所的鐘彩元給了我很大的幫助，他幫助我掌握了一些關鍵技術，從無機同位素質譜領域進入到有機質譜領域。另一位把我引進到標物中心來的潘秀榮主任是我的‘伯樂’。我記得有一天，她把我叫到辦公室說：‘現在我們有個國際比對項目，你敢不敢承擔？’這個問題問得很有挑戰性，她沒有問我能不能做，也沒問我需要什么樣的條件，而是問我敢不敢承擔。我當時并不知道國際比對意味著什么，我當時就說：‘只要您說需要做，我一定敢做，沒有什么不敢的。’”

在這樣懵懵懂懂的狀態下，方向接下來一個極具挑戰性的工作。但當時這臺VG-70SE質譜儀還不能運轉，完成任務只剩幾個月的時間。“我記得，報出比對數據的截止日期是1999年大年初三，為了讓數據能夠更可靠一點，我們在大年三十的晚上還在實驗室工作，一直忙到大年初一的凌晨三點多鐘，才把最后的實驗做完。當時團隊的主要骨干還有陳大舟、徐銳鋒、徐蓓。”方向特別提到了團隊當時的核心成員，“我們用幾個月的時間，從重建方法到修儀器、改造儀器，再到分析測試、建模型、算數據，最后提交報告。這個過程對我是極其難忘，前后最多就是三個月的時間完成了這個挑戰。我是1998年8月18日到北京報到，1999年大年初三提交的報告，我對這幾個關鍵的日子都特別印象深刻。“

特別讓人振奮的是，國際比對結果出來了，團隊不僅取得了等效，而且中國的數據在參與國際比對的幾個國家中名列前茅。完成這項工作，更加堅定了方向對質譜的熱愛和執著，尤其是對有機質譜的熱愛。至今很多時候計量院在向參觀者介紹時，仍然將1999年的國際比對作為典型的事例介紹。因為這是我國第一個參加的有機同位素稀釋質譜法的國際比對，這次的成功奠定了我國在該領域基礎的國際地位，從此國際物質量咨詢委員會組織中，就有了我國穩固的一席之地。

方向說到此也再次感謝自己的“伯樂“：”如果當時，沒有潘秀榮主任激將法將我一軍，沒有她后來提供的物質和精神的強有力的支持，我們不可能完成這個任務。當時還有北大醫學部的胡牛，長春應化所的鐘彩元等等很多人，在過程中都給我們提供了很有力的支持幫助。”

造中國人的質譜儀

從此以后，方向意識到質譜在有機分析、生命分析中未來將發生更重要的作用，而當時有一個深刻的感受：中國人用的質譜全是進口的，因此受制于人。當時的受制于人并不是說禁售，而是昂貴的維修費，昂貴的零部件價格。方向回憶到：“當時我記得，如果請外國人來修儀器，是從工程師出發開始算到他回去為止，每天按幾個小時計算，每個小時多少錢，像我們當時很微薄的工資情況之下，聽到這種計費都感覺是天文數字；而且他們不能夠及時保證維修。“由于上述這些原因，方向當時萌發了一種想法：我們得做自己的質譜，我們要做中國人自己的質譜！

其實，科技部在儀器改造項目中取得的成功，不僅解決了新領域需要科學儀器支撐的使用需求，更重要的是培養了一批人，培養了很大一個團隊，都是從維修到改造這條路走出來的，那時科技部就開始下決心要支持科學儀器。方向最開始從科學儀器軟件平臺項目，到2004年獲得第一個科技部支持的質譜聯用儀研制開發項目，正式進入了從用儀器到修儀器，到改造儀器，再到自己動手研制儀器的新時期。

從2003年到今天整整二十年；而從1984年接觸質譜開始，方向就走上了一條同質譜結緣、為質譜奮斗的無悔的不歸路，其中亦有非常多的艱辛和挫折。2004年啟動項目后，2007年團隊研制的國內第一臺基于自主技術的質譜聯用儀正式問世，在研制過程中團隊也與普析通用聯合，實現了全國產化質譜聯用儀的產業化。當時這臺氣質聯用儀的整體技術和關鍵部件，絕大部分都實現了國產化。同時團隊還研制了如航天、深海等特殊領域所需的質譜儀。2010年方向團隊因“小型質譜儀關鍵技術創新及整機研制“獲得了國家科技進步二等獎，這也是我國為質譜頒發的第一個科技進步獎。獲得這個獎項對方向本人產生了更大的激勵，激勵他繼續堅定不移地沿著”造中國人的質譜儀“的道路走下去。

“通過這些年做質譜，我也明白了一個道理：我們做科學儀器尤其是做質譜，必須專注，必須有情懷，而且必須反復的迭代，沒有任何捷徑可走。只有一輪一輪地迭代，一個型號一個型號地迭代，不斷創新、不斷完善技術體系，才有可能做出一臺可用、好用的質譜儀。“方向由衷地感悟。

隨后，國家越來越重視科學儀器，研發國產質譜的生態環境越來越好。在團隊繼續堅定不移沿著質譜自主研發之路走下去的同時，中國計量院領銜的“超痕量物質精密測量關鍵技術及應用”項目獲得了2017年度國家科技進步二等獎，其中的核心技術還是質譜。兩次獲獎的成果對比最大的變化是：如果說2010年的成果還是“學”和“仿”，是解決質譜有和無的問題；那么2017年有了更多的自主創新,在很多方面做出了獨一無二的技術，尤其是在超痕量準確測量方面，取得了一系列的成果。

從2017年迄今，方向團隊仍然沒有停止地向前迭代。除了同磐諾儀器很多企業合作實現產業化，還在堅定不移地迭代和創新質譜技術。作為中國計量院的質譜研制團隊，核心目標一直是圍繞定量，尤其是進行痕量雜質、痕量物質的精準定量，而且其定量性能要超過商業儀器。過去，計量院只需滿足解決一些計量問題，而現在中央的政策非常鼓勵科技成果轉化，因此團隊也開始瞄準市場需求，開發能夠自主可控的新原理質譜儀，近年來尤其瞄準臨床、生命科學的應用，并進行了大膽嘗試，取得了眾多成果，比如去年一臺四極桿-線性離子阱液質聯用儀，已取得了醫療器械注冊許可證。這是國際上第一臺用離子阱質譜做準確定量，用于臨床檢驗的取證儀器。過去認為，離子阱質譜擅長做定性研究，可以做MS²、MS³并具有很多功能；但談到定量大家就比較懷疑，主要是認為離子阱的動態線性范圍不夠寬。但離子阱又有很大的優勢，離子存儲選擇性高，在離子阱內可進行多級碎裂獲得MSⁿ，有很強的定性能力。如果能夠在保持定性能力的前提下，去解決定量難題，這臺儀器就會非常有前途。團隊一直堅信該理念，而且此前在開發一些典型應用時，體會到用離子阱做定量的勝利果實，因此堅定不移地走下去。最近開展一些比對測試后召開了成果鑒定會，專家們給出的一致結論是：在保持了離子阱質譜優良定性能力的情況下，其定量能力達到了當前定量質譜金標準三重四極桿的最好水平。團隊已積累大量數據證明這種性能，當前正在快速推廣，預計將較快地在臨床醫院獲得廣泛應用。

方向表示：首先，四極桿-線性離子阱串聯質譜的定性定量能力都極強；其次，它的整體造價可以比三重四極桿更低；第三，其制造技術門檻相對比較低，便于批量生產；第四，如果做成一臺專用儀器后，可實現更小的體積。單從臨床質譜的角度來看，它將來一定會發展成全譜系的、針對不同目標物的專用臨床質譜，還將有更多廣泛的用途。“我特別期待，四極桿-線性離子阱臨床質譜能夠走入、并逐漸普及到中國的一些基層醫療機構。”

30年前承辦質譜學術年會

劉敦一研究員最早曾在宜昌地礦所工作過，受到他的影響，方向很早就知道了質譜學會。真正結緣大概是1993年，方向曾經承辦過一屆質譜學會的學術年會，當年在小三峽舉辦。“喜歡旅游的人可能知道，沿長江到巫山縣，巫山縣有條小支流叫大寧河，沿河劃一葉小舟逆流而上，可到一個叫巫溪縣的地方，我們就在那里召開了質譜學術年會。1993年到現在整整三十年，我印象非常深刻。“方向繼續幽默地說，”如果是現在，我是萬萬不敢組織這樣的會議，因為大家需坐船到巫山，換乘大巴車，沿著陡峭的山路開到巫溪縣城，現在想想還有點后怕。但是那個時候，我覺得人們好像不在乎這些，大家就是一個目標、一個追求，沒有太多的雜念。當時大概有接近二百位質譜學者，匯集在巫溪這個山溝溝里開的質譜學術年會。這是我真正同質譜學會的結緣，而且就在那一年，我還有幸在自己30歲時成為質譜學會的會員，對我來說是一件很榮耀的事，我覺得質譜領域接受了我。“

當時，學會里做有機質譜分析的學者非常少，主要是做同位素地質無機質譜分析的學者。90年代質譜用于有機分析確實還非常罕見。后來，方向一直參加了許許多多次質譜學會的活動。

質譜學會一直有一個非常響亮的名字，叫中國質譜學會；現在規范學會名稱后叫中國物理學會質譜分會。方向說出了很多質譜人的心聲：“這個學會在我心目中，仍然是中國質譜學會，我一直認為它所代表的就是全中國研究質譜、使用質譜、制造質譜等領域廣大的科技工作者和技術人員，它提供了一個非常重要的學術交流平臺。”近年來質譜學會的發展大家有目共睹，6月即將召開新一屆質譜學術大會，大家參會非常踴躍。而且特別值得自豪的是，今天的中國質譜學術大會，是由中國物理學會質譜分會，中國化學學會質譜分析分會，以及儀器儀表學會分析儀器分會三大學會共同來組織舉辦。聯合舉辦中國質譜學術大會是質譜學會最大的一個貢獻，它作為平臺也擴大了國際上的影響力，包括參與國際質譜大會時，也是以中國質譜學會、或者是以中國質譜大會的名義，代表中國參與國際、亞太、美國ASMS等相應的一些活動。質譜學會在推動中國質譜的發展中做出了非常重要的貢獻。中國質譜發展的每一步，都有質譜學會長期的貢獻，老一輩各個時期的理事長，在其中都做出很大的貢獻。這次會前采訪的王光輝先生、劉敦一先生、李金英先生、劉淑瑩先生，都為中國質譜的發展、為質譜學會的發展做出了巨大的貢獻。在他們的領導下，中國質譜一代一代地傳承發展，如今我們理事長、副理事長特別是秘書長們，以及常務理事、理事、各位質譜同仁共同努力，特別呵護著中國質譜學會這個品牌、這個平臺，聚集大家的力量，來推動中國質譜事業的發展。

現在質譜已經進入了一個什么樣的情況呢？所有開展研究、特別是開展生命科學、材料科學、化學的學者，如果不能談談質譜，好像你就落伍了。標榜自己做科學儀器的企業，如果不能有一款質譜產品，就跟不上形勢、抓不住機遇、就不高大上了。許許多多青年才俊們，都將質譜作為非常重要的一種科學工具，同時也有很多人投身到質譜相應的創新領域，數不勝數。

因此，質譜學會在發展產業、推動應用、推動研究、培養人才等各個方面，都做出了巨大的貢獻。當然，除了我剛才提及的幾位前任理事長，之前還有很多，如張青蓮先生曾經是我們的理事長，還有很多老一輩的科學家如查良振先生，都為質譜學會的發展、中國質譜事業的發展做出了很大的貢獻。他們的經歷都詮釋出對科學的熱愛，這種貢獻和熱愛、這種科學家精神，也是質譜學會能夠走到今天發揚光大的原因。

最后，方向為質譜學術大會寄語：“2023質譜學術大會下個月即將在杭州召開，本屆大會的順利召開來之不易。整個過程我要特別感謝：質譜學會的秘書長謝孟峽，以及其他幾位支持的副理事長、副秘書長，他們為本屆大會的籌備做出了巨大貢獻。未來的質譜、未來的質譜學會、未來的質譜事業，都將是一條艱辛的路；同時也是一條通向成功的路。我們只要有理想、有追求、有情懷，再加上國家現有的好政策、好的大環境，我相信中國一定能造出中國人自己的質譜。中國人一定能夠實現中國質譜的自立自強，我也愿意為此繼續奮斗。”

質譜杭州大會方向

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