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段忆翔:仪器研发没有尽头——访四川大学段忆翔教授

发布时间:2016-11-25 10:33:16 浏览次数

段忆翔:仪器研发没有尽头
——访彩九下载网站段忆翔教授

        2010年8月,作为中组部第三批千人计划特聘教授,段忆翔从美回国,加入四川大学,创立了分析仪器研究中心,开展相关科学研究及创新工作。
        不到1年,2011年,“国家重大科学仪器设备开发专项”开始启动,“创新型多功能激光光谱分析仪器的研发与应用”作为首批申请的重大专项项目,成功获批,项目牵头单位为四川大学,负责人是段忆翔。
        2015年10月,BCEIA 2015为重大专项开辟了特别展区,数十项重大专项的科学仪器成果首次集中展出,“创新型多功能激光光谱分析仪器的研发与应用”项目中的最新成果手持式激光诱导击穿光谱仪(LIBS)出现在展台上,引起了大家的关注。
        手持式LIBS并不是新鲜事,虽然它在国内的销量还很少,但已经有多家国外企业在中国市场上开始推广。而段忆翔团队带来的这台手持式LIBS,其与目前的商品化产品有着本质上的区别——输出能量达到了与台式LIBS相同的100毫焦。
        从台式LIBS到LIBS和拉曼合体的激光诱导击穿-拉曼光谱分析仪(LIBRAS),再到手提式LIBS、手持式LIBS,其中LIBRAS和手持高能量LIBS均为世界首创。
        作为曾经创办过企业的学者,段忆翔并未止步于仪器研发,在他看来,这些仪器真正服务于社会,用于民生,推向市场才是他的终极目的。
        就在段忆翔团队的研发成果将成规模走入市场之前,分析测试百科网采访了他。

\彩九下载网站教授 段忆翔 

研发不能一蹴而就
        LIBS,因为美国国家航空航天局(NASA)将其用于火星岩探测而出尽风头,成为原子光谱领域的后起之秀。
        在国内,LIBS从无到有,也就是近几年的事。LIBS的原理已经公开,几乎所有部件都可以采购或自行加工,把这些部件搭建成一个原理样机,或许不难,但难的是在此基础上改进和提升,难的是如何克服LIBS技术固有的一些局限性。毕竟,在原子光谱市场上,一些显而易见可供LIBS发挥的领域,已经有一些基于其他原理的技术获得了较为成熟的应用,比如光电直读,X射线荧光光谱仪(XRF)等。
        在研发过程中,段忆翔的思路是“先用成熟组件实现仪器功能,再逐一优化并最终实现关键部件的替代”。
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  早期台式LIBS和近期台式LIBS

        事实证明,这样的思路帮助段忆翔团队实现了从台式LIBS到手持式LIBS研发的进程。
        “刚开始做的手持式LIBS,激光器是从国外买的,最大输出功率只有25毫焦,实际输出差不多是20毫焦,而实验室使用的台式LIBS输出功率是100毫焦,在功率上差异很大。”段忆翔说,“激光器再小也是有体积、重量,还有高电压,手持的时候就要考虑安全问题;里边有激光器、光谱仪等部件,非常拥挤,如何把这些部件有效地集成进去这也是我们当时面临的问题。”
        这需要一项一项作改进,这些改进都构成了研发中的难点。而其中最难的,莫过于激光器输出功率的改善。“要做便捷式LIBS,也是一个大的电源,配上买的激光器,电源本身就很重,有10公斤,LIBS这部分也比较重,也有10公斤,很难满足真正便携的要求。”段忆翔说。
        电源要保证输出功率,在放电时,会散出大量热量,就需要水冷系统来降温。为了减轻电源的重量,段忆翔团队去除了水冷装置,但这样散热就成了技术难题。“这是一个问题,我们花了很多功夫在散热上。”段忆翔说。
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手提式LIBS      

        对于激光器,段忆翔团队研究了小型激光器,实现了手提式LIBS。在此基础上,又做出了手持式LIBS,而手提式LIBS则做成了某一领域的专属仪器。
应用作支撑才有市场
        截至目前,LIBS在中国市场上的表现一般,如前所述,在快速检测方面,有着竞争性的光电直读、XRF等功能、性质类似的仪器,而在实验室里,又有着诸如原子吸收、ICP-AES和ICP-MS等(需要前处理的)实验室仪器。即使是在粮食重金属检测这个新兴的市场上,台式XRF发挥了重要作用,包括钢研纳克等拥有XRF技术的企业斩获颇丰。
        不止有其他仪器的竞争,国内目前基本无商品化的LIBS企业,该商品化仪器被控制在少数几个国外企业手中,价格居高不下。
        LIBS从性能特点上来说,更适合于可移动检测,而让LIBS可移动,就要对仪器小型化,而小型化之后,通常仪器的性能会大幅度降低。
        更重要的一方面,作为新兴的原子光谱技术,国内的应用方法标准建设还跟不上。
        “我们的高能手持式LIBS可能是世界上第一款,现在国外厂商生产的手持式基本只能是十几毫焦以下的低能量输出,测金属类样品还行,但在地质领域就很难应用。而我们达到了100毫焦,达到了实验室台式LIBS相同的能量输出。”段忆翔说。
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手持式高能量LIBS         

        而段忆翔团队的第二款特殊仪器,则是整合了LIBS和拉曼光谱的组合仪器,被定名为“LIBRAS”。
        “国外也没有这种商品仪器。就算有一些类似的实验室搭建装置,但是要完全做成一个高度集成的仪器,这里边也是有技术含量的。”段忆翔说,在分子光谱领域,拉曼光谱就像原子光谱领域的LIBS,也是耀眼的明星,其在多个领域的应用正如火如荼地开展,分析测试百科网特别撰写了拉曼光谱在医学检验领域应用的综述文章。(详见报道:综述:欧美国家拉曼技术在临床诊断领域的应用情况)
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LIBS和拉曼二合一的LIBRAS 

         “LIBRAS可以在同一个样品点上完成原子光谱、分子光谱的测试,现在好多分析仪器都很难做到这一点。”段忆翔说。
        “在冶金、地质、珠宝鉴定、考古以及环境土壤分析等领域,都有LIBS的市场需求。但是有市场需求并不等于大家就接受这个技术。LIBS的市场需求非常明显,但是接受面还比较有限,这是因为还有一些瓶颈问题没有解决。”段忆翔说,“比如仪器一定要有方法学、数据库的支持,这一点对一种新兴的仪器技术尤为重要。”
        “我们课题组最擅长的方面并不是做仪器,而是应用方法。”段忆翔说,“我们想了很多办法来提高仪器的灵敏度,满足不同类型样品的检测,这个工作一直在持续,现在已卓有成效。”
段忆翔介绍,已经有地质方面的研究单位对他们的研究很感兴趣,并提出了一些具体要求。在这些用户的配合下,段忆翔团队正在进行数据库建设,“希望以后能做成标准化的模型。”
        还有企业也找上门来,希望与段忆翔达成合作。
知本创业者
        有一段时间,段忆翔一直在忙着落实注册公司的事儿。于他而言,研究成果能够真正商品化,是很重要的事。
        段忆翔告诉分析测试百科网,项目得到了方方面面的支持,“它不是我一个人能完成的,是团队整体的,每个人都贡献了自己的一份力量。一是我的研究团队,一是LIBS整个项目的大团队,包括吉林大学、西北大学、光机所……甚至我们的应用单位都做了很多的贡献,我们学校(四川大学)也给了我们很大的支持,这是大家共同努力的结果。”段忆翔说。
        “我们一直在筹备成立公司的事宜。”段忆翔说,但他也表现出了学者创业特有的不足。
        “我以前也办过公司,所以知道运作一个公司要考虑哪些事,但这毕竟不是技术层面的事情,做起来不是那么得心应手。”段忆翔说,“我在国外成立一个公司很方便。在国内则费了很大的劲,里边有方方面面的问题。公司我们早就想成立,但是至少有一年多都没有很好地落实。”
        “研发是我们的强项,我肯定还是搞技术,我的主攻方向要用自己的特长,我们就做研发,除LIBS以外我们也会做其他项目的研发,主要看项目支持情况。而在我们不擅长的方面,还是要找合作伙伴,由擅长的人做擅长的事,这样事半功倍。”
        “我们要把这个项目做好,做出国内外都有水准的、有自己特点的仪器。仪器如果没有自己的特点根本就没有竞争力。”段忆翔说。
持续改进
        “仪器研发是一项艰苦的事情,也需要团队作战。一要耐得住寂寞下决心去做,二是团队精神大家一起来做。”段忆翔说,“仪器研发涉及到光、电、数据处理、方法学。我们的研究平台之所以能做仪器,是因为大家由不同学科组成,多学科交叉。”
        在整个大团队的努力下,目前,我们产品的绝大部分部件都已经国产化了,但有些东西还在进一步优化。研发仪器需要时间,我们要不断地评估和矫正。即使仪器上市了,我们还要进行很多改进。仪器研发没有尽头。即使是大型仪器企业,每年也在不断推陈出新,仪器研发,不进则退。”段忆翔说。
        附:段忆翔简介
        中组部第三批“千人计划”特聘教授,于2010年8月回国进入四川大学开展相关科学研究工作,创立了分析仪器研究中心,重点研究分析化学与生物分析的新技术,新方法和新仪器。目前主要从事的研究领域包括:1、分析化学用于非侵入式医学诊断;2、新型质谱离子源与生物质谱技术;3、新型生物传感器及光纤传感技术;4、细胞与活体成像技术;5、激光光谱分析技术;6、便携式分析仪器的研发。
        自2010年8月回国至今,已申请发明专利和实用新型专利70余项,发表SCI论文100余篇。目前作为项目负责人承担的项目主要包括:国家重大科学仪器设备开发专项;国家自然科学基金项目;四川省百人计划项目,四川省科学仪器平台等多个项目。相关研究在世界上具有影响力的期刊杂志上发表论文二百余篇,多次受邀各种英文百科全书相关章节的撰写,正在出版的中文专著一部,先后共申请了近百项国内外发明专利。多项研究成果曾被国内外数十家杂志、媒体和网站广泛报道。

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