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张卓勇:七彩光谱信息的解码者(上)

   日期:2020-05-12     来源:互联网    作者:admin    浏览:4    评论:0    
核心提示:“七彩光谱 万象更新”主题系列访首都师范大学张卓勇教授  光谱技术已迈过百年历史长河,中国的光谱分析技术亦可追溯到上个世

“七彩光谱 万象更新”主题系列访首都师范大学张卓勇教授

  光谱技术已迈过百年历史长河,中国的光谱分析技术亦可追溯到上个世纪50年代,今日中国的光谱技术已从国际上“跟跑”跃升到部分领域领跑的地位。在这背后,老中青科学家,克服了严峻的挑战、付出了辛勤的汗水。伴随着将在成都召开的第21届全国分子光谱学学术会议,中国光学学会光谱专业委员会和分析测试百科网联合举办了“七彩光谱 万象更新”主题活动。活动将采访业内的光谱界的一线工作者,探讨光谱近年来的发展、最新技术与应用,展望光谱未来发展的新方向,希望对广大光谱爱好与从业者有更多的启发。

  首都师范大学的张卓勇教授为我们讲述了自己科研之路的变化,不仅刚好印证了“七彩光谱 万象更新”的主题,也记录了在解码“七彩光谱”的过程中,计算机技术、化学计量学、人工神经网络等方法发挥的巨大作用,希望对更多的光谱研究者和应用者有启发。

2004年张卓勇(左)在黄本立先生(中)家的合影

同光谱结缘到作为毕生事业的经历  师从黄本立院士开展ICP-AES研究

  张卓勇教授首先回顾了自己迈入光谱殿堂的早年经历。1982年1月从吉林大学化学系毕业后,张卓勇进入中科院长春应用化学研究所,师从黄本立先生攻读硕士和博士学位,从此开始从事原子光谱分析。众所周知,黄本立院士是我国原子光谱分析领域的泰斗,也是我国原子光谱分析领域的第一位博士研究生导师。

  硕士期间张卓勇的课题是:氢化物发生(Hydride generation)技术结合电感耦合等离子体发射光谱分析(ICP-AES)的研究。彼时,张卓勇对ICP-AES一无所知,完全从头学起。

  回顾ICP-AES的历史,张卓勇说道:把电感耦合等离子体作为发射光谱分析的光源应当是原子光谱分析领域的一个里程碑。20世纪60年代美国的V. A. Fassel 教授和英国的Greenfield分别开展独立研究,不过他们在实现ICP-AES时采用的实验条件有很大的差别。从研究工作发表的时间来看,Greenfield 的文章(1964年发表)比Fassel 的文章(1965年发表)发表早了几个月。“在我开始读硕士时,ICP-AES比较热门,那时候ICP-MS(1978年Houk发明)才刚开始,还没有热起来,而且ICP-MS非常贵,只有欧美等几个国家的少数光谱实验室才有。在20世纪70-80年代,我国的科研条件很差,做科研工作也很辛苦,效率也低,能做出来出色的工作很不容易,其难度是现在的年轻科研工作者难以想象的。”张卓勇回顾说。

  黄先生领导的光谱室早在20世纪70年代就开始了ICP-AES工作,早期用购置的ICP光源与一台摄谱仪搭建构成。“我进入应化所时光谱室刚引进一台美国Baird 公司(后并入赛默飞)的ICP-AES光谱仪。Baird的ICP光谱仪是光电直读型,当时非常先进,其计算机系统采用磁带驱动、没有硬盘,每次启动时要插入一个磁带,在CRT显示出操作菜单,根据选项进行操作。数据不能保存,只能在外设的打印机打印出来,每次做完实验,我们都要捧着一叠打印纸回宿舍处理数据。又过了几年,Baird公司为我们升级了计算机系统,换成了美国DEC公司的PDP 11/23 小型计算机,体积大约有一张桌子大,有了20兆的硬盘。当时我们都很高兴,因为有了硬盘就可以把每次做完实验的数据保存下来,再拷贝到软盘(9寸磁盘)了。据工程师说,大于20兆硬盘的计算机美国政府不允许卖给中国,怕我们用于军事用途。”张卓勇仿佛回到了过去,回忆那段艰苦但快乐的科研生活:“后来我利用这台PDP 11/23小型机学习了FORTRAN 语言编程和部分计算程序的调试与计算操作。”

  张卓勇的硕士学位论文是:做一种进样装置,能使氢化物元素和非氢化物元素同时进行ICP-AES测定。黄先生最早提出创新性的idea设计一个巧妙的装置,张卓勇按照该想法进行装置的制作、优化、和实验测试。在ICP-AES分析中通常采用气动雾化装置,雾化效率很低(3%-5%),这意味着90%以上的样品溶液被排入废液而浪费掉了。该装置的基本设计思路是:在样品引入时,先将样品溶液进行雾化生成样品气溶胶,然后把雾化剩余的废液收集起来进行氢化物元素的氢化物发生反应,使得生成的气态氢化物与雾化后的非氢化物元素的雾化气溶胶一起进入ICP,实现氢化物元素和非氢化物元素的同时测定。

  经过反复改进、优化和实验,得到的结果是:对于非氢化物元素检出限基本不改变,而对于氢化物元素,检出限改善20多倍。该装置在1987年获批了国家实用新型专利,是我国在专利制度刚建立的早期少有的分析仪器专利。该工作也发表在当时原子光谱分析最高水平的杂志Spectro chimica Acta, Part B上:“A new nebulizer-hydride generator system for simultaneous multielement inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry”。

  氢化物发生器如下图所示:

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1987年发表在SAB上的文章中的装置示意图

  “我的博士学位论文继续做氢化物发生-ICP-AES方面的研究工作,主要侧重对氢化物发生过程中干扰机理的研究。比如:在氢化物发生过程中共存金属生成硼化物及其吸附作用,以及共存金属离子氧化还原电位对氢化物发生过程机制的影响等,在国际和国内期刊发表,得到了国内外同行们的好评。时过20多年后,还有学者来函表示对我们的工作很感兴趣并与我们讨论氢化物发生中干扰机制的问题。”张卓勇说。

  留学:计算机编程和化学计量学

  1988年获得博士学位后的张卓勇,先留在长春应化所工作,后到加拿大滑铁卢大学做博士后工作,继续从事ICP-AES方面的工作,同时开始学习计算机编程和化学计量学方法。他陆续学习了QBasic,VBasic,MathCad和Matlab等,借助这些计算工具利用化学计量学方法进行光谱干扰的校正研究。例如,论文“Application of factor analysis to correction of spectral overlap interference in inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy”发表在Spectrochimica Acta, Part B (1993).

  结合自己光谱数据分析特长进入分子光谱领域

  1995年回国后,张卓勇到东北师范大学任教,从此开始从事分子光谱研究。谈到为何转向分子光谱,张卓勇谈了两个主要原因:“一是因为ICP-AES当时很昂贵,新到的单位没有合适的ICP-AES可用,我必须利用当时现有的条件开展工作。而采用化学计量学方法对UV-Vis 光谱数据或其它的光谱数据进行计算是一项成本较低的工作。第二个因素是我当时思考一个问题:即原子光谱分析一般是获得关于样本元素组成及含量的信息,这些信息对于环境科学、生命科学等领域都属于间接信息,如果要深入研究生命科学和环境科学等问题,仅得到元素组成和含量的信息是受到一定制约的。而分子光谱技术有可能得到分子形态、分子间作用等分子水平的相关信息,可能对生命科学、环境问题的研究更有帮助。”

  1997年,张卓勇发表自己“转型”分子光谱的第一篇近红外光谱文章:“Quality control of pharmaceutical aspirin powder by near-infrared reflectance spectra and multivariate analysis”,发表在Spectroscopy Letters 上。而使用化学计量学方法还可用于ICP-AES的数据解析,如1997年在Talanta上发表的“Diagnosis of lung cancer based on metal contents in serum and hair using multivariate statistical methods”,根据人血清和毛发中元素含量对肺癌进行辅助诊断判别研究。

  2001年,张卓勇调入首都师范大学工作,继续从事化学计量学和光谱分析方面的科研与教学工作,主要是近红外光谱分析方面的工作。张卓勇表示:“后来我虽然主要做分子光谱方面的工作,但是我仍然有一种原子光谱情怀,经常关注原子光谱分析领域的发展和动态,经常浏览原子光谱相关的文章。”

  2004年全国分子光谱学术会议在厦门举行,参会期间张卓勇到黄先生家做客。

2004年张卓勇(左)与黄本立先生(中)和张佩环老师(右)的合影

  参加国际光谱大会CSI

  在光谱分析领域,有个很重要的国际会议,即国际光谱大会Colloquium Spectroscopicum Internationale(CSI)。该会议于1950年在法国举行第一届,当时只有13个欧洲国家的代表参加,后来会议延续下来,并发展成为国际上重要的光谱学会议之一,会议名称一直沿用法语的名称。张卓勇说:“读研究生时,我就知道国际知名的CSI会议,我国几位光谱分析方面的前辈都很重视并多次参加CSI,如黄本立先生,单孝全先生,倪哲明先生等。”

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2019年,张卓勇参加墨西哥举办的第41届CSI

  2007年,第35届国际光谱大会(CSI)在厦门举行,是迄今唯一一次在中国举行,黄本立先生担任大会主席。张卓勇还参加了最近两期的CSI,如2017年第40届(意大利比萨),2019年第41届(墨西哥的墨西哥城),并应邀在会上作了特邀报告,题目是:Identification of cancer tissues by using near infrared and terahertz time-domain spectroscopy combined with chemometrics(近红外和太赫兹时域光谱结合化学计量学对肿瘤组织的鉴定)。

  师从黄本立院士的张卓勇老师为我国的光谱发展奉献了毕生精力,在他的科研生涯中还对我国的光谱分析发展做出了哪些贡献?敬请关注分析测试百科网为您带来“张卓勇:七彩光谱信息的解码者(下)”......

 
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