劉敦一：奉獻質譜60年中國需長期支持質譜研發

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。

中國地質科學院地質研究所研究員、同位素地質年代學家劉敦一擔任國家科技基礎條件平臺北京離子探針中心主任多年，建設了以高靈敏度、高分辨率二次離子探針質譜（SHRIMP）為主體的大型科學儀器共享平臺，成為世界上同類儀器運行效率最高、科研成果產出率最高的平臺。他還承擔了十二.五國家重大科學儀器設備開發專項 “同位素地質學專用TOF-SIMS科學儀器”，研發出高分辨、高精度飛行時間二次離子質譜儀TOF-SIMS。如今，86歲的劉敦一研究員依然活躍在同位素質譜研究領域，為不斷推動中國質譜的發展而努力。中國質譜學會已成立40余年，分析測試百科網采訪了曾任中國質譜學會第五屆理事長的劉敦一研究員，他回顧了自己在科研、儀器研制方面的經歷，以及質譜學會的發展歷程，對中國質譜的未來發展提出誠懇的建議。

中國地質科學院地質研究所研究員、同位素地質年代學家劉敦一

不斷追求更精準的質譜分析 做到世界第一

　　作為質譜的“老兵”，劉敦一從1962年就開始從事質譜工作，關注同位素的高精度分析，從而獲得地球地質年代學的結果。

　　“我開始主要用固體同位素質譜，比如分析鈾、鉛，最早使用前蘇聯的儀器（Mu-1305）；后來分析氧硫碳氫等穩定同位素，使用過德國最早的儀器如MAT 230和 M86，CH4、CH5等，后使用德國的MAT 260、MAT 261、MAT 262；然后使用澳大利亞SHRIMP二次離子質譜，所有的研究和分析都圍繞地質年代學。” 劉敦一回顧說，“在鋯石分析中，從當時蘇聯儀器用的爐狀源、帶狀源，后來發展到兩帶、三帶的儀器，我也在澳大利亞用美國的儀器做過一些工作。”

　　以高靈敏度、高分辨率二次離子探針質譜（SHRIMP）為例，第一次發揮作用是用其首次發現并厘定了38億年和38.5億年我國最老巖石和鋯石。劉敦一回顧說，“最初用MAT 262獲得了一些結果，但還不夠準確，年代如此久遠的鋯石不一定能準確分辨。因此，我在澳大利亞用高分辨二次離子質譜SHRIMP測定出準確數據。”在中國發現38億年鋯石的年代是國際上對于早期地球歷史研究的重要成果。

北京離子探針中心的SHRIMP II二次離子質譜

　　劉敦一用鋯石SHRIMP定年法測定美國帶來的月巖和月球隕石樣本年齡，重新確定了月球雨海紀的年齡應為39.2億年，而不是38.5億年。這一研究不僅為月球早期歷史演化提供了高精度年代學證據，還通過對近100個鋯石、37個隕磷鈣鈉石和22個磷灰石SHRIMP定年結果，厘定了不同期次的巖漿活動和撞擊事件的年齡，為月球早期歷史及演化提供了高精度年代學證據。

　　2007年，《美國科學雜志》（American Journal of Sciences）為劉敦一70歲生日出版專輯，以紀念他從事地質科研工作46年做出的突出貢獻。這是西方主流科學期刊第一次為一名中國科學家出版生日專刊。

　　目前，劉敦一團隊正在進行嫦娥5號取回的樣品分析工作，已取得研究成果并投稿《Science》。

國家航天局在京舉行探月工程嫦娥五號任務月球樣品交接儀式上的劉敦一

　　劉敦一表示：二次離子質譜分析解決了很多地質學問題，過去地質定年由于缺乏先進的技術方法，誤差很大甚至錯誤。引進高分辨率二次離子探針質譜儀(SHRIMPⅡ)后，在我國開創了微區原位定年，中國地質學者在國外發表的文章幾乎翻了一番。劉敦一還將其開放共享，實驗室對全國、全世界開放。中心的SHRIMPⅡ每天24小時、每周7天不間斷運行，成為世界上運行效率最高的質譜儀，國內外科學家利用該儀器，獲得了豐富的年代學數據和高水平的研究成果。特別是在國際上首創了通過互聯網遠程控制高分辨率二次離子探針質譜儀來進行鋯石鈾—鉛年齡測定工作的方法，得到國際地學專家的廣泛贊譽。國外同行盛贊北京離子探針中心“已經躋身世界最著名地質年代學實驗室的行列，是世界上運行最成功的實驗室之一”。

質譜學會推動儀器發展

　　回顧中國質譜發展歷程時劉敦一談到，中國于1958年開始引進質譜，從前蘇聯引進了Mu-1305同位素質譜儀，當時質譜學會還未成立。科學儀器廠、中科院地質所、北京氣體分析儀器廠等后來質譜學會的骨干成員聯合，一同仿制前蘇聯的儀器做出了ZHT-1301質譜計，性能上已達到前蘇聯質譜儀的水平。

　　質譜學會成立后，質譜從地質、核工業方面的應用，發展到如今應用到各個領域，如生命科學、材料科學，國防工業方面均迅猛發展，應用極其廣泛。從技術方面來看，從原來性能比較落后的質譜到如今非常專業、專門針對一種研究領域的質譜儀。“我從事地球科學研究，了解更多的是高精度同位素質譜儀，這類儀器發展也非常迅速。”劉敦一說，“質譜學會開展多種技術交流，過去中國要進口質譜儀，質譜學會還組織進行評估，為促進我國的質譜發展發揮了作用。質譜學會的學術交流起初是同位素、儀器制造方面，后來有機質譜的發展速度更快，到了我那一屆（第五屆），有機質譜的人數、成果等遠遠超過了其它領域如無機質譜、教育、儀器研發和同位素質譜等。”

　　質譜學會與國際交流十分緊密，尤其是2年一屆的BCEIA，質譜學會是其中的主力之一，每次BCEIA上均公布重要的成果，展覽會也充分展示了各家質譜儀器。

　　劉敦一以同位素質譜為例談到質譜的技術發展，質譜同位素的分析精度從原來的百分之幾發展到今日的十萬分之一，對樣品的消耗降低了幾個數量級。雖然SIMS（二次離子質譜）很早就有了，但當時的質量分辨率還不能滿足地質的應用，在澳大利亞造出第一臺高分辨SIMS（SHRIMP）之后，實現了樣品微區、原位的高精度高分辨分析，這是非常大的進步。我國在2001年引進SHRIMPⅡ高分辨SIMS后發展非常迅速，很多人對該儀器的引進給予了高度評價，認為其加速了中國地球科學的發展。劉敦一表示，SIMS從大量的樣品到微量微區樣品的高分辨分析，不僅可用于分析地質年代、進行穩定同位素的分析，對物質來源、演化過程還有更多的解釋，可發揮更大的作用。

　　近年來，質譜對月球、空間的研究亦做出很大貢獻。質譜做同位素分析首先可應用于同位素地質年代學。研究地質時要研究形成、演化過程，測定地質年代非常重要，當前主要的年代學分析方法最終都是依靠質譜。從有了高分辨的二次離子質譜后，免去了前期的化學處理，直接分析原位的同位素體系來計算年齡，解決了許多問題。質譜技術對地學的發展也起到非常關鍵的作用。劉敦一說：“很多人認為地質測量拿個錘子、羅盤，其實地學方面使用的儀器是最精密的。迄今為止最高精度的質譜都是針對地學發展的。即使發展到今天，地球科學對于儀器仍提出更高的要求：希望樣品量更少，精密度更高，強調更微區域的微區分析，這也驅動儀器學家們進一步推進質譜儀的極限。”

我國60年鍥而不舍質譜儀研發之路

　　劉敦一回顧說，我國很早就開始研發質譜儀器，1958年引進前蘇聯質譜，1962年底即仿制出第一臺ZHT-1301固體質譜計，性能已趕上蘇聯的儀器并售出幾臺。改革開放后，我國引進了德國的儀器。當時北京分析儀器廠和科學儀器廠都開展了質譜儀研制工作，如北分的季歐，中科院科學儀器廠的王夢瑞，中科院的邱存一以及很多研究者開展了質譜儀的研發。最重要的是仿制德國CH4、CH5質譜儀，但當時中國的機械加工可以，電子學方面比較落后，花了3、5年進行研發，國外又進步了，我們的儀器又落后了就賣不出去，科學儀器廠研發雙聚焦火花源質譜，也賣不出去，研發陷入停滯。

　　自此后，質譜研制有很長一段空白期，后來主要靠進口，國外高端的同位素質譜集中了各類先進的技術，研制難度非常大。近20年來我國質譜主要依靠進口，可以說中國養活了好幾個世界的質譜公司，比如用于地質學領域的質譜儀器可能一半以上都是中國購買的。

　　質譜研制重要性：不被“卡脖子”

　　當前中國面臨“卡脖子”問題，尤其在核工業方面早就被“卡脖子”，很多進口儀器都不賣給核工業，買臺儀器要做好多說明，保證不是軍用的，很麻煩。所以中國必須要進行質譜研發。

　　質譜研制重要性：獲得第一手科研成果

　　劉敦一說：“我擔任政協委員時曾做提案：任何一家實驗室有了儀器研發的能力，研發出一種新的技術，就可在科學上獲得第一手的成果。舉例說二次離子質譜研發出來后十年才產業化，我們又花了10年才進口。這十年中有很多第一手的成果都已經發表。一個國家、一個研究所、一個實驗室如果想做出第一手最先進的成果、基礎成果，必須要有儀器研發能力。很多科學問題需要創新的技術手段來解決。”

　　儀器研發的幾個問題

　　“我們實驗室花了近20年時間建立隊伍，湊一些研發用的設施設備，做了一些項目，主要針對二次離子質譜的研發做了一些工作。”劉敦一回顧說。課題組承擔了十二.五國家重大科學儀器設備開發專項 “同位素地質學專用TOF-SIMS科學儀器”，研發出高分辨、高精度飛行時間二次離子質譜儀TOF-SIMS。

　　無論是用儀器還是造儀器，劉敦一都有豐富的親身經歷，對中國的質譜研發，他也提出中肯的建議：儀器研發是一個長期積累的過程，如果沒有固定隊伍，沒有一套設施設備，沒有基礎條件，很難取得真正的突破。現在的支持方法是項目支持，某次申請到項目，臨時組建團隊，湊一些儀器儀表做測試，做出一臺儀器。做完之后下個項目拿不到，隊伍就散了，儀器設備就廢了。這是不合適的，必須有固定的基地。國家應該看準哪些實驗室有能力，給予固定的支持；他們持續地研發就能出成果、上水平，趕上國外。

　　質譜研發還面臨很多問題：支持力度不夠、要求太高。申請項目要求世界第一，一定要“國際先進”才能批準你的項目。但此前都是引進儀器使用，還沒有基礎，國內關鍵部件、各種器材、用品加工能力均欠缺；這種情況下只能湊，湊出來的東西不一定好。國家應該長期持續不斷地支持質譜研發。當前，很多單位開展了許多研發工作，如中國計量院、各大學等都做了很多工作，并取得一些成果。劉敦一再次呼吁：質譜太重要了！在國民經濟、國家安全各方面都十分重要，國家應該給予足夠重視。

祝福

　　最后，劉敦一對質譜學會表達深切的祝福：我一輩子都在做質譜方面的工作。值此質譜學會成立40年之際，我祝福質譜學會更加壯大、更加興旺。我也祝福從事質譜科學技術的全體同志們健康長壽，做出更多的成果，尤其是進一步重視儀器研發，為國家的科學發展做出更多貢獻。最后，我也祝賀現在的理事會成員事業順利、祝咱們過去那些質譜界的老朋友、老專家們健康長壽。

　　附錄：劉敦一研究員簡介

　　 劉敦一，1937年4月生，男，黑龍江人。1962年畢業于云南大學物理系。1962年至今，在中國地質科學院地質研究所從事同位素地質及其質譜技術方法研究。期間多次出國與國外同行進行合作研究或短期學術訪問；曾長期擔任同位素地質研究室和同位素地質開放實驗室主任；1991年晉升為研究員；2001年至今，任國家大型儀器中心“北京離子探針中心”主任；曾任國際地質科學聯合會副主席(1992—2000年)、國際地質科學聯合會提名委員會委員、中國地質學會副理事長、中國質譜學會理事長，國際地質科學計劃(IGCP)中國國家委員會主任和中國國際前寒武研究中心主任。第八屆、九屆、十屆全國政協委員。

　　他在早前寒武紀地質年代學、超高壓變質巖定年、蛇綠巖定年研究方面有突出成果，首次發現并厘定了38億年和38.5億年我國最老巖石和鋯石；在同位素質譜技術方法和凈化實驗室建立上引領了我國同位素地質實驗室的發展；引進了世界上先進的SHRIMPⅡ質譜儀，并快速建立鋯石U-Th-Pb微區定年技術；2010年，其采用鋯石SHRIMP定年法測定了來自美國的月巖和月球隕石樣品年齡，重新確定了月球雨海紀的年齡，獲國際認可。

　　他領導的北京離子探針中心，以最高的儀器利用率和開放程度，為國內外地學界提供了一個高水平的年代學實驗與研究平臺，以及大型科學裝備遠程共享示范研究—離子探針系統實現世界首創遠程控制技術，得到國內外地學界的一致贊譽，并成為一個國際性開放實驗室。

　　他曾發表論文151篇，其中國際SCI論文29篇；獲國家自然科學獎二等獎一項，排名第二；獲國土資源科技獎一等獎2項，排名第一和第二；

　　 2008年，美國科學雜志(American Journal of Science)出版專刊慶賀劉敦一的70歲生日(AJS，2008年3月號，Vol.308 No.3)，該刊序言稱其為“中國地學界杰出的領軍人物”，褒揚其領導的北京離子探針中心為“世界上運行最成功的實驗室之一”。