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朱一心谈离子源技术发展及其最新研制成果——访浙江好创生物技术有限公司董事长朱一心先生   2012/5/8


  2012年初,浙江好创生物技术有限公司(以下简称“浙江好创”)最新研发成功的世界首台封闭可调气氛电喷雾离子源通过技术成果鉴定。基于此,仪器信息网编辑采访了该项技术的持有者——浙江好创生物技术有限公司董事长朱一心先生。作为“封闭可调气氛电喷雾离子源”的领军人,朱一心先生是如何看待离子源的技术现状及未来发展趋势?封闭可调气氛电喷雾离子源有什么样的技术优势?应用前景及产业化进程如何?浙江好创在离子源及质谱的研发道路上又有什么样的发展规划?

浙江好创生物技术有限公司董事长朱一心先生

电喷雾离子源(ESI)是目前最具商业价值的离子源之一

  Instrument:目前用于有机分析的质谱离子源主要有电喷雾(ESI)、大气压化学电离源(APCI)、大气压光电离源(APPI),激光解析电离源(MALDI)等,请您评价一下这些离子源的特性及发展前景?

  朱一心先生:液质联用中最主要的两种离子源是ESI和APCI,其中,ESI约占90%以上。这两类离子源都是在大气下工作的,理论上ESI也属于APCI。ESI可以使绝大部分物质(正极性和负极性)电离,但是没有极性的物质需要用APCI来做,因此,目前ESI还不能取代APCI。不过,随着研究的深入,ESI完全有可能取代APCI,但是有一定的难度。

  每一个离子源都有自己的特点, APPI是通过光能转化来电离,光能使某些分子发生电子跃迁产生分子离子,但这个应用面非常窄。如果APCI未来发展非常好,也有可能取代APPI。而且,APPI价格高,从科研角度上讲APPI很有价值,但在商业上的应用比较少。

  MALDI和ESI同时获得了诺贝尔奖,但MALDI比ESI的应用面要窄一些,当然也许在某种意义上MALDI的应用会很广,但是这个技术存在一些缺陷,最主要的就是不可能实现实时测定,待测样品必须要点到靶上,得到的是某一时间段内待分析物质的质谱图。由于时间间隔的问题,MALDI在定量应用上存在一些问题,现在关于MALDI定量方面的报道也很少。不过,MALDI有一个非常大的、其它离子源很难取代的优势,它可以对感兴趣的物质进行重复分析,节省制样时间,理论上可以做到高通量;目前MALDI主要用在TOF上。过去普遍认为MALDI出来的谱峰是单电荷的,随着MALDI激光器的发展和进步,现在MALDI也可以出现多电荷了。不过,多电荷现象一直以来没解释清楚,但是用我们的偶极子理论就可以解释清楚。MALDI非常有前景,有待开发。

  另一个离子源是DESI,由美国普渡大学的COOKS教授发明,虽然概念上不是很新,但是目前从事这方面的研究者也很多,DESI未来可以用于便携式质谱。

  除了ESI、APCI,其它离子源用来做定量分析都存在不同程度的问题,目前还只局限于做定性分析。

  总之,当前主流的离子源是ESI和APCI,其它离子源只能用于科研,目前还不能实现商业领域的常规应用。我自己也会把主要的精力放在ESI和APCI这两种离子源的开发和研究上,挖掘这些离子源理论上的不足,希望有所突破,这样才会有离子源的研究进展。

  Instrument:自80年代中期,John B.Fenn将电喷雾离子源应用于大分子质谱分析以来,全世界成千上万的科学家涌入了这一研究领域,请您介绍一下电喷雾离子源的发展历程及国内外在这一领域的最新技术进展?

  朱一心先生:ESI的想法很有创意,但是其技术本身和理论都非常简单,近几年没有太大的革新;但是各个厂商围绕ESI做了很多有益的改进。

  AB SCIEX的Trubo V是目前比较好的常规离子源之一,该离子源中间电喷雾产生离子,加热气体从两边对称地向中间吹。虽然是一个非常简单的设计,但在常规的离子源中,它的灵敏度是最高的。不过,由于Trubo V没有加热的毛细管,大气直接通过采样锥到真空里面,对分子泵功率的要求就比较大。

  沃特世的ZSpray也是一个优秀的设计,拐了一个Z字形的两个弯,可以避免将脏东西携带到质谱分析器里面去,但是同时也存在灵敏度下降的问题。

  安捷伦和布鲁克的离子源设计思路基本一致,都是用鞘气来加热。ifunnel是一个很好的设计,五十年代就有了,在物理电子光学领域叫慢波线理论(T-wave),沃特世的离子源就采用了这种理论。

  Ifunnel是属于离子传输的概念,不过Ifunnel也存在一定的问题,还有很大的改进空间。沃特世用离子淌度(也就是传输线理论)取代Ifunnel有其优势,Ifunnel的设计入口大,出口小,由于中性分子没有聚焦能力,有可能喷到Ifunnel内表面,Ifunnel电极的边缘就会吸附这些分子,进而碳化,形成电荷积累。Ifunnel的致命问题就是如何保证清洁。从理论上来说,沃特世的离子淌度理论比Ifunnel有所改善。

  Ifunnel和沃特世的技术根源其实是一致的,沃特世先用传输线理论来取代Ifunnel,进一步的研究又发现了离子淌度的功能,现在沃特世又用T-wave技术来改善离子淌度的性能。

  离子淌度有两种:一种是低真空离子淌度离子源,有一点大气,但是总的来说它还是要在低真空的情况下,毕竟离子要运动就需要真空条件。另外一种是大气中离子淌度离子源,AB SCIEX大气中离子淌度的离子源,类似两个偏转电极。其实,离子淌度和四极杆相差不多,就是加上一个交变电场,某些离子进得去,某些离子进不去。

  以上这些理论都非常经典,改进也非常困难,比如Orbitrap快十年了也没有太大的进展。质谱仪灵敏度的高低取决于质谱的质量分析器收到了多少离子,这就要求把尽可能多的离子送到质谱的质量分析器,Orbitrap的商业化,就是解决了把足够多的离子送进Orbitrap离子阱的问题。

  现在,Nano离子源研究的也比较多,但是还没有在商业上广泛应用。离子源的研究有两个阶段,一是nano级别,一是几百微升的水平。而处于中间的几微升的、十几微升的研究目前还是空白。把流量降下来,一方面节能环保,另一方面可以提高灵敏度。我们希望质谱仪在1微升时的稳定性等同于几百个微升时的稳定性。这就要让客户们知道小流量的优越性,一旦流量下降到50微升以下就会有很多优越性出现,其实电喷雾离子源的最佳状态就是微升级。

  做定量分析关键是质谱仪要稳定,质谱仪稳定关键是前端的色谱柱要稳定,目前最关键的问题是没办法保证毛细管色谱柱的稳定性。0.1毫米以下的毛细管柱很难做,但是0.3毫米的色谱柱还是很容易做的,而且内径0.2毫米的色谱柱完全可以达到4.6毫米色谱柱柱的稳定性。4.6毫米的色谱柱的流量为1毫升左右,0.2毫米的色谱柱可以减少到它的千分之几,并且灵敏度大大的提高。

世界首台封闭可调气氛电喷雾离子源研制成功

封闭可调气氛电喷雾离子源外观照片

不同的入口边界条件,离子源气流分布的流体力学理论模拟计算图之一

  Instrument:好创生物在研发封闭可调气氛电喷雾离子源方面的技术基础和研发背景如何?对于该项目又是怎样定位的?

  朱一心先生:电喷雾技术已经发展100多年了, John B.Fenn的发明毋庸置疑,没有电喷雾离子源就没有蛋白质组学。但是它的理论解释也有不够完善的地方:ESI为什么会形成多电荷现象?为什么会有离子抑制现象?为什么ESI是浓度决定信号?以上三个问题都没办法解释。

  我是学物理电子学的,起初进入这个行业完全是外行,但是既然决定去做就要思考如何和国内国际上的大佬们抗衡。我们没有重大的技术成果或者理论文章做基础,就必须找出现在离子源存在的问题。一个理论还没办法解释清楚实验现象,往往是有潜力可挖的,尤其是在物理行业,假如理论是成熟的,根本就没必要去研究理论,而是应该去研究制造工艺。我们就是基于这个情况下开始研发工作的。

  大家都以为ESI的氢离子来自于溶液中的水,我就把电离环境封闭起来充上氮气,假如氢离子来自于水,任何气体进入都会有离子出现,但是实验证明充氮气之后的离子信号为零,但将把氮气换成空气之后就会有离子出现。那么,直观的想法就是氢离子来自于空气。接着,我就在离子源中加一些跟氢密切相关的东西,结果灵敏度明显提高。电喷雾离子源很大的缺点就是无法屏蔽周围气氛的干扰,全封闭的概念就是由此而生的。

  当前有很多种离子源可以做,我之所以选择ESI,就是因为ESI具有重大的商业价值。单纯做科研对于学校及科研机构发文章有价值,但对一个公司的发展来说意义不大。一个公司要发展壮大,就必须做有商业价值的东西,当然,如果能把传统性的技术做颠覆性的研究也完全有可能出现一个很大的科研成果。我就是这样去定位我们的离子源研究的。

  Instrument:作为世界首台封闭可调气氛电喷雾离子源,请您介绍一下其主要特点?相对于目前国内外现有商业化离子源的技术水平,其独创性体现在哪些方面?

  朱一心先生:其实很多人已经封闭起来做过实验了,但基本上都失败了。现在也有人用干净的空气来做,但还是没有多少改善,AB SCIEX也曾经做过这方面的论文。所谓干净的空气也是从空气中得来,没办法完全去除其中的杂质,这也是我和别人想法的不同之处。我们在实验过程中发现空气中有一个未知峰,再干净的空气这个峰也存在。那么,如何去除这个峰呢?我们想到全封闭的技术或许能实现。

  离子源必须要有含氢的物质才能工作,全封闭之后如何产生所需要的氢离子?我们加进去一些与氢密切相关的成分,把空气彻底杜绝在外。我们的实验有待进一步验证,假如验证成功将是一个很有意义的发现。可以说我们是首台封闭可调气氛工作的离子源,并且使用方便,即插即用。

  我们离子源的主要特点就是真正达到了封闭可调气氛,而且使离子源的性能得到了改善。这个实验的基础就是之前没办法解释的三个问题以及利用氮气的实验,我认为氢离子来自于气体而不是样品中的液体,样品中的氢离子是永远不可能产生的。

  Instrument:封闭可调气氛电喷雾离子源的具体应用领域有哪些?下一步的发展前景及技术突破会在哪些方面?

  朱一心先生:目前,应用领域主要是蛋白质组学,其实它可以应用于所有液质联用的分析领域。关键问题是一些领域需求的流量太大,而我们的离子源的流量在50微升以下。下一步我们会开发流量为200-250微升,甚至是1毫升的离子源。但我还是希望流量能降下来,因为流量小了具有节能减排等优点,而且离子源的信号也有很大的提高。

  下一步希望我们的离子源能用于食品安全、新药开发、中草药的研究等领域,只要是液质联用分析的领域,我们都想发展。

  我的梦想是通过技术改进,用ESI来取代APCI和APPI,一个离子源就可以完成三个离子源的功能,这也是有可能实现的,而且我认为ESI技术突破也会在这一方面。

好创生物积极推进国产离子源产业化进程 寻战略合作伙伴

  Instrument:对于质谱等高端仪器的研究,国外科研环境相比国内要优越很多,您为什么会选择回国创立好创生物这个科研团队?

  朱一心先生:国外的研究环境肯定比国内好,但我是中国人,我认为要有发展,必须回国,而且我也从来没有想到过要离开中国。另外,从大的方面来说,我们中国人在质谱领域还没有像样的产品,而我认为国内完全有能力做质谱。

  由于文化及语言的差异,要在国外组织一个团队很困难。做一个产品、创建一个企业要有很多的关系,要成功就需要有更多的关系,回国之后这方面相对会容易一些。还有一个原因就是我起先以为回国之后能把信息行业的人招进来,但是目前看来也非常困难,但是不管怎样,肯定比国外要容易的多。

  我们国内的博士生、研究生、本科生都是非常优秀的,除了外语,并不比国外的差,只是对仪器接触的少一些,需要有人来引导。对于国内质谱的研究我还是很有信心的,而且国家也非常重视仪器的研发,我想不远的将来,中国质谱研究应该会有突破性的进展。

  Instrument:封闭可调气氛电喷雾离子源产业化前景及进程如何?您认为需要克服那些困难?

  朱一心先生:产业化前景很好,我们和赛默飞,AB SCIEX等公司都有联络,国外的仪器厂家都非常需要这个技术。非常遗憾的是国内没有现成的质谱仪厂家能够用得上我们的产品。

  现在来看,产业化的进程应该没有很大的困难,从另一层面来说,我们的离子源已经产业化了。只是现在外观不是很好看,外观经设计之后,大约5月份就会有成品出来,而且今年我们会在美国质谱年会上设展台,这也可能是第一个中国公司的展台。

  在价格方面,我们的离子源只会比进口的贵,不会便宜。既然我们的产品比国外的好,为什么要卖得便宜?能让外国人赚钱,为什么不让中国人赚钱?这是我必须要坚持的底线,要为中国人争气。

  Instrument:科学仪器行业是属于投入大、研发周期长、需要大量高端人才的行业,好创生物作为一个新加入者,未来一段时间将如何规划?好创生物受到哪些当地政策的支持?是否会与国内的科研单位或仪器公司进行合作?

  朱一心先生:我认为仪器行业需要的高端人才并不多,而对于我们的离子源来说,研发周期也不长,我们只用了大约一年的时间。

  回国创业一方面要了解国内的行情,另一方面要做好自己的定位,要明确做什么。我没有选择做质谱,就是因为做质谱周期太长,对我们初创公司,条件不允许。但这并不意味着我就不做质谱了,我完全有可能冲入质谱这个行业。

  对于我们的工作,当地政府给了很大的支持,杭州未来科技城(浙江省海外高层次人才创新园)由浙江省政府牵头,各类配套政策都比较到位:研发仪器的投入有至少20%以上的补贴;200平米的场地三年免房租;对于符合条件的人才住房免费等。

  目前,在国内还没有进行合作,虽然有几家公司已经谈过,但都没有最终签订协议,问题是大家都认为ESI很简单。

朱一心先生简析质谱未来技术突破及发展前景

  Instrument:质谱是近年来发展最快的分析仪器,您认为质谱未来的重大突破会体现在哪些方面?其核心技术离子源未来的技术创新在哪些方面?离子源的技术革新会不会引导质谱仪器革命性的突破?

  朱一心先生:质谱是近年来发展最快的分析仪器,越来越多的分析测试领域将质谱作为检测器,这是肯定的。但是质谱技术非常成熟,发展速度并不是最快的。

  我们国内要在质谱领域有所突破的话,就必须在成熟的理论中寻找“偏门”,必须要有与别人完全不一样的设计方法或者设计思想。现在还没有看到某一个新的理论能用在质谱仪上,虽然听说有用飞行时间质谱仪的结构来做傅里叶变换的,假如成功的话,就可以把orbitrap取代了,但是很有难度。也许随着技术的革新会有所突破,但是目前还没有看到一个全新的质谱。我个人认为在质谱仪结构方面也许会有所突破。

  每一个质谱都有不同的用途,Orbitrap还在专利保护期内,我们没办法去逾越。其实飞行时间质谱也很好,而且飞行时间质谱的所有专利一定程度上全都作废了,所以国内如果谁能把飞行时间质谱做好,做到高分辨将是非常大的贡献。

  通过离子源研究得到的启发,我认为国内的质谱要发展就得找一些“歪门邪道”,找专家没想到的领域,这是我的中心思想。我们只做他们不想做或者没有做过的事情,再就是专家已经做过,但没有达到理想结果的项目。我们可以尝试去发现有没有需要改善的地方,或者是他们正在想办法解决的问题,我们或许能想到解决的办法,这是我自己认为质谱仪的研究方向。

  总的来说,未来质谱仪的创新我看中三个方面:离子源、检测器(电子转换)、软件(信息技术)。

  离子源的技术革新非常困难,因为离子源也是非常成熟的技术。不过,相对于质量分析器来说,离子源创新的机会还是会多一些,因为离子源的理论还不完善。假如大气压光电离子源可以用于所有的分子(大分子、小分子),就会带来很多的革命创新。

  离子检测器中电子转换部分还是很有潜力的,大家之所以没做这部分的研究,是因为这一部分内容属于电子信息工程的范畴,而电子信息工程领域的人从事质谱仪研发工作的很少。我们这个行业发展速度太慢,交叉学科的人不愿意到这个行业来,这也是分析仪器发展的一个软肋。

  另外,我最看重的是软件(信息技术),如果说离子源的技术会带来质谱仪革命性的突破,还不如说信息技术的突破更会带来质谱仪的革命性创新。现在很多信息可能已经有了,只是质谱仪得到的这些信息还没被充分的挖掘出来,需要开创新的软件。信息学的发展可能会对质谱仪技术有很大的提升,但是目前质谱领域缺少能把IT和质谱结合起来的高手。

  Instrument:在“十二五”规划中,国家对于质谱方面的投入前所未有,对于国产质谱的发展您有哪些想法和建议?

  朱一心先生:包括我在内的大部分海外专家都非常赞同国家的资金投入。

  不过在研究的过程中肯定会有失败,而且失败的几率也是很大的,至少50%以上才是合理的。希望国家不要太注重成功,但拿到钱的重点研究单位,必须给所有的人,至少是行业内的同行有个报告,成功的经验和失败的教训都可以。如果大家可以把阶段性的研究成果发布出来,或许可以搞一个国家仪器重点展示平台,供大家相互探讨和请教。

  在质谱仪的研究方面,对国家来说,要支持原始创新。作为企业来说就要做最简单,普及率最高的的质谱仪。我们不求最好,但求最实用,哪个容易产业化就做哪个。我们首先要介入这个行业,有了积累之后再往高端发展,而且企业赚了钱之后也会投钱去发展高端质谱。

  采访编辑:叶建

  附:个人简介

  朱一心,杭州市第一批“521”计划入选人才、第三代电喷雾离子源的创立者、“液体电喷雾灭菌”技术的发明者。

  1982年,毕业于浙江大学无线电系物理电子学专业,获学士学位。之后,进入电子工业部第48所工作,主要从事聚焦电子、离子束以及液态金属离子源的研究。其中镓及金硅合金液态金属离子源的研究,获得1985年电子工业部科技进步一等奖,是电子工业部有史以来获得这一荣誉的最年轻的科学工作者。1986年,被评为全国500名优秀科学家。

  1989年,于浙江大学无线电系物理电子学专业获得硕士学位。之后,任职于浙江大学技术实业公司。其中从19933月起留职停薪,从事静电喷涂的研究与开发工作,期间发明的荷电喷涂技术,彻底解决了静电喷涂技术中的“法拉第及边缘肥大”效应,并于2002年申请了4项中国专利。

  1997年,任教于浙江大学无线电系物理电子学专业,同时成功开发了浙江省第一台“医学图像处理系统”,并在浙江省内数十家大型医院得到应用;2002年,任职于美国Michrom BioResourcec,Inc.,LC/MS 液质联用部门经理。在美国从事生物质谱技术研发8年,完成小型实用TOF质谱仪开发与生产,期间发明ADVANCE电喷雾离子源,并被迅速应用到蛋白质组学生物质谱系统中,2007年该技术被美国实验室杂志评为当年生物技术领域最伟大发明之一。

  2010年底,回国创业并创立了浙江好创生物技术有限公司。20114月,成功推出“封闭可调气氛电喷雾离子源”,得到中国蛋白质组学研究领域专家的一致好评,并于201219日,通过了由中国分析测试协会组织、张玉奎院士担任组长的专家组鉴定。目前,该离子源已经可以量化生产,并申请了2项中国专利和1项美国专利。与此同时还发明了 “电喷雾灭菌技术”, 并申请了2项中国专利和1项美国专利,这一全新液体灭菌与消毒技术一旦应用于液体食品饮料行业,将在全球食品安全领域中发挥极其重要作用。

[来源:仪器信息网]