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刘汉彬:抓住稳定同位素的“踪迹”

发布者:核工业北京地质研究院分析测试研究中心     发布时间:2017-2-9     浏览量:160次

刘汉彬:抓住稳定同位素的“踪迹”

2017-1-16 11:23 来源: 分析测试百科


  分析测试百科网讯 本次采访,过程比较特殊,特殊之处在于采访不断被打断,或是有人前来请教技术难点,或是有电话咨询技术问题。这显示出被采访者平时的工作有多么忙碌。

  本次,分析测试百科网采访的是核工业北京地质研究院分析测试研究所(以下简称“核地分析”)稳定同位素实验室负责人刘汉彬研究员。

  核工业北京地质研究院(以下简称“核地研院”)是国内知名的无机分析领域研究院所,也是为数不多的、拥有稳定同位素分析能力的研究机构。稳定同位素分析已成为核地分析的特色优势项目之一,近两年飞速发展,稳定同位素测试研究为诸多领域提供了应用支持。作为核地分析稳定同位素实验室负责人,刘汉彬怎么进入这个领域的?稳定同位素分析如何支持各行业研究人员的科研与应用?核地分析在这个领域是如何取得领先的?让我们来听一下刘汉彬的介绍。

核工业北京地质研究院分析测试研究所稳定同位素实验室负责人 刘汉彬研究员

从一台质谱“起家”

  1992年,毕业于中国地质大学(武汉)地球化学系的刘汉彬进入核地研院。从工作到上学,一晃二十五年,刘汉彬不但在核地研院获得了矿产普查与勘探的硕士学位,还在中国地质科学院获得了地球化学理学博士学位。2003年,刘汉彬开始接手核地研院的稳定同位素实验室工作。

  核地研院早在1959年就从前苏联引进了型号为МИ1301的国内第一台同位素质谱计,并于1984年成立了稳定同位素实验室,当时是国内为数不多的能够开展同位素检测的单位之一。但在刘汉彬接手的时候,条件略显简陋。

  “当时稳定同位素实验室只有一台引进近20年的MAT 251型气体同位素质谱仪。”刘汉彬说,2003年,发生了一场突如其来的SARS疫情,北京是重灾区。

  “人心惶惶。”刘汉彬如此形容当时的北京,就在人心惶惶的状态下,刘汉彬却要尽快开展稳定同位素实验室的工作,而他的“家底”仅是一台老旧的气体同位素质谱仪。

  北京卫生系统在抗击非典,他也在四处奔波,为接手创建稳定同位素实验室而努力。到了9月,北京的非典疫情已基本被控制,各行业恢复生机,此时,刘汉彬的努力也有了成效。MAT 251恢复了生命,仪器重新开机,技术指标可满足测试要求,而且自主研发了基于windows系统的仪器操作软件,使仪器操作变得直观、简便、可视化。

  恢复并运行仪器只是万里长征的第一步,接下来,在“一穷二白”的基础实验条件下,刘汉彬开始花费大量精力开发稳定同位素的分析方法和研制相关的制样装置。

  在“十一五”的仪器综合改造项目中,刘汉彬根据科研发展的需要,有针对性地提出仪器购置立项申请,通过收集资料并走访国内各家用户,对比各种仪器的指标性能,积极配合有关部门做好仪器的选型引进工作。“十一五”期间,稳定同位素组成功引进了稳定同位素质谱仪和惰性气体同位素质谱仪,其中,惰性气体质谱仪是国内引进的该型号的第一台仪器。

  之后,刘汉彬带领相关的科研人员一道,自主研发了与仪器主机相配套应用的矿物包裹体压碎制样装置和惰性气体低温冷凝分离装置,为开展惰性气体同位素测试实验,进行科学研究应用奠定了坚实基础。同时,稳定同位素组又不断引进人才、培养学生以解决人员管理和设备运行的不足问题。从2003年开始的一个人,到现在已拥有11人团队,拥有5台主力质谱系统,团队为全国广大客户提供了大量稳定同位素分析数据。如今稳定同位素实验室由11人组成,其中高级工程师职称4人,工程师4人,技师3人,硕士及博士学位6人,主要从事H、C、N、O、S、Si等稳定同位素组成及稀有气体同位素组成、K-Ar及Ar-Ar定年等分析测试研究。实验室具有MAT 253型稳定同位素质谱仪、Delta v plus型硫稳定同位素质谱仪、Delta v advantage型氧稳定同位素质谱仪。连续流制样装置:GC/C/TC型气相色谱及转化装置、GasbenchⅡ型碳酸盐C、O同位素组成分析附设、Flash EA型元素分析仪、Precon型气体预浓缩装置、激光器加热装置。Helix SFT型和Argus VI型两台惰性气体同位素质谱仪。另有样品预处理:各种离线真空样品预处理装置8台套。

丰富的测试经验为各行业应用甘作“嫁衣”

  核地研院的历史特点决定了其做稳定同位素分析的初衷与国家级的项目研究与建设密不可分。但随着稳定同位素分析在各行业应用的加深,到如今,其不但可用于传统的地质年代测试,食品、环境溯源等诸多领域都对稳定同位素分析有大量的需求。在多年的工作经历中,刘汉彬接触到了各行各业的测试需求,在这些应用需求中锻炼队伍,提升能力。讲到这里,一则则事例体现出刘汉彬所接触的稳定同位素应用之广。

  丰富的测试经验

  “稳定同位素是不发生衰变、没有放射性的同位素,可以进行样品溯源。稳定同位素分析中,常用的有传统同位素H、O、S、C、N,以及非传统同位素Si、Cu、Fe、B、Zn等。目前,我们常用的是传统同位素以及稀有气体同位素。”刘汉彬说。

  比较经典的用途是地球化学示踪,“比如在地质上,可以测定一个矿床流体中氧的稳定同位素组成比值δ18O/16O。根据这个比值在大气水中或地壳、地幔热液中的比值不同,就能判断这个矿床热液来源是地表水,还是地壳、地幔的热液,从而确定矿脉物质来源和成因。”刘汉彬说。

  在食品领域,应用则更广泛。“在农业方面,用稳定同位素检测来进行食品产地跟踪溯源,比如对N同位素进行分析,判断食品中肥料的来源,可以确定其使用了有机肥还是无机肥。”刘汉彬介绍,“通过测定葡萄酒中13C/12C的比值,可以判断葡萄酒的来源。”

  不仅在是食品的来源鉴定方面进行应用,在食品真假鉴定方面,稳定同位素分析同样大显身手。“蜂蜜中的糖分,其13C/12C的比值是确定的,如果其中掺假,比如掺了蔗糖,通过稳定同位素分析能检测出来。至于真假白酒测定、水样品来源分析等需求,我们都曾经用稳定同位素分析的方法帮助用户解决了问题。”刘汉彬说。

  在环境方面,稳定同位素的示踪作用同样得到了发挥,“比如工厂偷排污水到河里,通过取水样,测S的同位素比值,可以判断其来源是工厂还是自然界,从而判定污水来源。”刘汉彬表示,“在大气检测中,我们也做过雾霾成分的稳定同位素组成分析,经过对雾霾的采样,分析雾霾颗粒中硫的同位素,结果发现,大部分颗粒物来自于煤的燃烧,因此我们认为雾霾的组成与煤的燃烧具有一定的关系。”

  仪器、方法、验证,一个都不能少

  稳定同位素分析是靠质谱仪完成的。核地分析稳定同位素实验室的主力质谱仪除了前面提到的那台1985年引进但现已退休的MAT 251,还有三台稳定同位素质谱仪MAT253、Delta V Advantage、Delta V Plus,以及两台惰性气体质谱仪Helix SFT和Argus VI。5台质谱仪,为各种稳定同位素检测提供了基础设备条件。

MAT253型稳定同位素质谱仪

 

DeltaⅤplus型硫稳定同位素质谱仪

Helix SFT型惰性气体同位素质谱仪

  但基础设备条件不是全部。“近几年,国内拥有同位素质谱的机构渐渐多了,许多大学也有采购,但是,同位素测试的要求很高,一些科研机构因为某个科研项目而采购了仪器,项目结束,仪器的管理和应用可能就跟不上了。所以,目前在国内,稳定同位素测试方法齐全、测试水平比较高的单位还比较有限。”刘汉彬说,“要用好一台仪器,需要一个稳定的专业技术团队不断地使用、维修、维护等,另外,要保证所出数据的准确性,就需要参加各种比对,像我们,参加了国际、国内的各种比对,单位内部也有自己的比对实验,这些保证了我们检测数据的可靠性,让我们在业内渐渐有了一定的影响力。”

  “分析方法的建立需要长时间工作,是否可行还需要再反复验证。目前核地研院已经开发、建立了很多稳定、稀有气体同位素测试流程,如:单矿物包裹体中He、Ne、Ar、Kr、Xe同位素组成分析方法、Ar-Ar年龄测试方法、K-Ar年龄测试方法、不含氧矿物包裹体水中氧同位素组成的五氟化溴法测定、石英及硅酸盐氧同位素组成的五氟化溴法测定、水的氢氧同位素组成测定、碳酸盐碳氧同位素组成测定、硫化物/硫酸盐及全岩中S同位素组成的测定方法、水中S同位素组成的测定方法、岩石中有机C同位素组成分析等。”刘汉彬说,在业务承接领域方面,“目前,研地研院传统稳定同位素检测业务量比较饱满。我们承担了大量大学的国家自然科学基金、行业性基金项目中与稳定同位素分析相关的工作,待检测的样品来源非常广。

  多年来,刘汉彬接触了大量不同行业、领域对稳定同位素组成有测试需求的用户,“实验室的工作主要是测量出同位素的比值,与标准物质数值进行比对,用户再具体根据自己的研究目的进一步具体分析、研究。”刘汉彬说。

核工业北京地质研究院

关注新方法开发,未来稳定同位素检测向微区发展

  近十几来,刘汉彬带领稳定同位素分析团队取得了不少成绩,从一台质谱到5台质谱,从1个人到11人团队,不可谓不成功,但在他感觉中,“危机”始终是他在思考的命题。

  “这几年,单位给了我们不少好的条件,让我们探索新方法的开发,尤其是复杂样品的制备技术。”刘汉彬说,“客户提供了样品给我们,我们测不了,那可不行!我们基本上能够实现客户的测试需求,这和我们的方法开发能力密不可分。此外,我也一直在关注各种能力建设的信息,比如十三五立项情况等。”

  分析这些,是居安思危的考虑。“我们要积极跟上当前的形势,要向大家多学习、多交流,不跟上新的形势,不向新的领域发展,我们就会落后。”刘汉彬说。

  刘汉彬介绍,核地研院稳定同位素实验室下一步准备在两个方面开展工作:

  1. 稳定同位素组成分析要向微区方向发展。现在测量的矿物样品量较多,如何降低样品用量,是需要考虑的问题。今年,核地研院引进了高分辨二次离子质谱仪,未来将做一些矿物的微区、原位分析,这样精度更高,有利于帮助客户解决问题。另外,还要加强激光原位稳定同位素分析技术的开发;

  2. 还要开发一些应用较广的新方法,比如矿物包裹体及一些复杂样品的制备方法。

  刘汉彬表示:“稳定同位素分析技术目前仍有很多难题,但只要我们不断学习,不断研究,注重人才、设备以及技术方面的储备工作,就一定能有更多的进步。”

  刘汉彬简介:

  刘汉彬,博士,高级工程师(研究员级),博士研究生导师。中国地质学会同位素地质专业委员会委员,核工业北京地质研究院科技委员会委员,主要研究领域为同位素地球化学与同位素分析,包括铀成矿作用同位素示踪、成岩成矿年代学和稳定同位素、惰性气体同位素组成分析测试等。自1992年以来,主要从事铀矿领域同位素地球化学研究工作,主持或参加完成国际原子能机构、中国核工业地质局、国防科工委核能开发专项、军工预研专项等省部级科研项目20余项,获部级科技进步奖9项。

  关于核工业北京地质研究院分析测试研究所(核地分析)

  核地分析是以核能材料、放射性标准物质、地质矿产和环境分析测试技术研究与服务为主的综合性检测实验室技术机构,也是核工业地质行业的仲裁分析测试实验室,研制和保管着天然放射性成分分析国家最高标准物质,具有国家计量认证资质认定证书和国家实验室认可证书。目前,研究所开展元素分析、同位素分析、核素分析、微区成分鉴定(电子探针)、流体包裹体研究、有机物分析、水质检测、矿物可选性试验等方面的业务;实验室拥有样品加工、样品纯化、复杂样品前处理、样品分析测试等方面的实验设施和仪器设备。多年来,研究所在铀矿地质分析领域取得众多重要科研成果,并成为国家或行业标准推广使用。秉承雄厚的人才和装备优势,研究所实施现代化管理,应用实验室信息管理系统(LIMS),并按照国际标准ISO 17025的要求规范运作,为客户提供优质服务。



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