大型儀器的資源共享建設及在教學科研中的應用

石變芳， 宋 楠， 常 靜， 陸 馨

(華東理工大學 化工學院， 上海 200237)

0 引 言

大型儀器設備是衡量高校實驗室裝備條件的重要標志，同時也是高校教學科研實力的象征， 是高校開展教學科研不可或缺的技術支撐[1-8]。隨著國家投入的增加和教學科研的需求，大型儀器在源源不斷地增加，為了提高科研資源利用率，共享985平臺建設、“211”學科建設、以及化學工程聯合國家重點實驗室建設中購置的大型儀器，化工學院在整合實驗室和人員的基礎上，于2010年10月成立院級“985”大型儀器公共測試中心。

“985”大型儀器公共測試中心已公開對外服務的大型儀器17臺，正在建設完善中的儀器8臺。中心的特色儀器包括場發射掃描電鏡、電感耦合等離子體質譜、激光拉曼光譜儀、高溫凝膠色譜儀和高溫流變儀等。其中電感耦合等離子體質譜儀在離子濃度檢測方面具有獨特優勢，靈敏度可達ppt～ppb，廣泛應用于環境和生命科學、地質和考古學、醫學和食品、金屬合金和貴金屬、礦物油、核材料、高純物質、反應機理和藥理等領域。同時電感耦合等離子體質譜儀與高效液相色譜聯用(HPLC-ICP-MS)(見圖1)可進行金屬形態的分析，中心利用該聯用技術可提供As元素的價態分析。

圖1 HPLC-ICP-MS儀器照片

另外，中心在在線檢測方面也形成了自己獨特的優勢，如原位X-射線衍射分析儀(in-situ XRD)可在線檢測樣品在不同氣氛和不同溫度的晶型變化，熱重-質譜(TG-MS)聯用儀能夠跟蹤熱分析產物的定性和定量分析，原位紅外光譜儀(DRIFTS)和Operando激光拉曼光譜儀等儀器可在線檢測催化劑表面的結構變化。在高分子材料性能檢測方面，中心具有多臺特色儀器，如高溫/常溫凝膠色譜儀，高溫流變儀、材料萬能試驗機、聚合物微型混合及注塑系統。中心所屬儀器具有較強的化學化工專業特性，可從事有機物組成及結構分析，無機物成分分析，微區形貌，材料性能測試等分析測試項目。

1 “985”大型儀器公共測試中心建設

為充分提高大型儀器的利用率，發揮大型儀器在教學科研中的作用，大型儀器的資源共享顯得尤為必要。在大型儀器共享化建設中，中心目前主要開展了如下三方面的工作:首先建立了責任教師和助管協助管理大型儀器的運行機制，其次是大型儀器的智能化管理體系建設，最后是實驗技術隊伍的專業素質提升。

1.1 中心運行機制和管理制度的建立

中心建立初期，為了充分發揮學院大型儀器設備的作用，拓展大型儀器設備的功能和開發新分析方法，提高大型儀器設備的使用效率，探索大型儀器管理模式，充分發揮儀器在教學科研和對外測試中的作用，“985”大型儀器公共測試中心”在配置固定技術人員的同時，聘請學院部分從事教學和科研的責任教師管理大型儀器。責任教師屬于兼職管理，需要責任心強，工作能力強，對所申請崗位的儀器設備非常熟悉，原則上必須具有豐富的使用經驗，有較完善的科研團隊，能夠勝任分析儀器功能開發和新分析方法開發工作。目前中心人員配置：主管領導1名，固定技術人員3名，聘請責任教師7名(其中教授3名，副教授3名和實驗員1名)。另外每臺儀器聘請1～2名研究生助管，協助責任教師管理儀器和提供對外測試服務。儀器責任教師因長期在科研教學一線，對相關儀器有深入了解，并熟知儀器在科研中的作用，因此更能充分發揮大型儀器的功能，并開發相應的配套技術。如徐晶教授負責管理激光拉曼光譜儀，自主開發了原位反應池，該反應池在高溫高壓下可在線監測催化劑表面結構，并與質譜聯用，動態分析反應過程，從而建立催化劑和性能之間的構效關系。因此采用責任教師和助管協助管理大型儀器的運行機制，在滿足儀器對校內外測試的同時，能更好地將儀器應用于科學研究。據不完全統計，目前中心責任教師利用大型儀器開展科研，申請的科研項目有50余項，發表研究論文170余篇。另外，為保障中心儀器高效有序運轉，中心建立了系列管理制度，如化工學院“985大型儀器分析測試中心”管理辦法、“985大型儀器公共測試中心”責任教師的職責實施辦法和“985大型儀器測試中心安全衛生管理制度”等。另外，針對每臺儀器的特點，由責任教師建立了操作規范說明和應急處理預案等，做到責任明確，規范師生合理使用儀器。通過系列制度和條件的制定和約束，保障了大型儀器平穩、安全、高效地運行。完善的規章制度有效促進大型儀器資源共享，使儀器共享更加規范化，更好地服務于教學科研以及為校內外提供檢測服務。

1.2 智能化管理體系的建設

為了方便送樣檢測和統計儀器的運行數據，在資源共享的軟硬件建設中，“985”大型儀器公共測試中心借鑒學校分析測試中心和其他二級測試單位共享化建設的經驗，結合現有資源和實際情況，于2013年6月完成了智能化管理系統建設。該系統與學校信息辦進行對接，通過網絡和硬件支持，可實現多個功能：① 每間實驗室門口安裝智能數據采集終端機和自動控制的智能鎖。只有被授權的用戶才能在約定時間內刷卡出入被預約的實驗室，確保實驗室的設備安全。② 在有電腦控制的儀器設備上安裝終端管控軟件，保證儀器使用人員都是被授權的合法用戶，即使用戶進入的實驗室內放置多臺儀器，用戶只能打開自己所預約的儀器，而無法使用其余設備。③ 通過該系統，可發布儀器培訓信息，學生自主報名，考核通過者方可開通開放上機權限。④ 校內師生可直接登錄預約送樣檢測和開放上機預約，校外用戶注冊成為用戶之后，可進行預約送樣。另外，為了避免數據拷貝對資源的浪費和外來儲存設備對電腦的侵害，在本地建立局域網，為每位師生配置網絡儲存空間，測試數據上傳至個人儲存空間，然后自行下載。⑤ 該智能化系統與校實驗室與裝備處相連，相應儀器的運行數據可直接進行上報，同時該系統可統計儀器的外接樣品數、使用機時等信息。⑥ 可實時記錄實驗室的使用情況，監控儀器安全正常使用。目前該智能化管理系統投入使用已4年，為大型儀器共享提供了充分的硬件基礎保障。

1.3 實驗技術隊伍建設

除從課題組聘請的責任教師外，中心目前有3名固定技術人員(其中博士2人，在職博士1人)，負責中心的日常管理、部分儀器的責任教師和對外測試服務。儀器管理人員除了要有專業基礎理論知識，還要具備使用相關大型儀器設備的技術能力及對實驗數據的分析能力，這樣才能解決學生在使用大型儀器中碰到的問題。因此，提高儀器技術管理人員的專業素質，不僅是保證大型儀器設備正常運轉的基本要求，而且是大型儀器資源共享的重要保障。中心主管領導不斷提升儀器管理人員的專業素養：① 鼓勵技術人員參加儀器公司的專業儀器培訓和相關儀器專題的研討會。中心人員分別去FEI公司、Bruker公司和PerkinElmer公司參加儀器技術和應用培訓，并邀請資深電鏡應用工程師來中心進行現場培訓等。② 鼓勵技術人員積極申報項目，進行技術開發研究。目前中心技術人員分別承擔1項國家自然科學基金青年項目、1項上海市科技“啟明星”計劃和1項上海市高校實驗技術隊伍建設計劃項目。

2 “985”大型儀器公共測試中心在學院發展中的作用

“985”大型儀器公共測試中心自建立至今，在學院的教學科研和各項活動中起到了舉足輕重的作用。

2.1 提供檢測服務

自2012年中心試運營以來，本著開放共享，對外服務的宗旨，積極為校內外提供檢測服務。建立了中心網站http://hgceshi.ecust.edu.cn/，申請加入上海市公共研發服務平臺和牽翼網，積極推廣中心的大型儀器，為其他高校、科研院所和企業提供檢測服務。在中心網站上連接智能化管理系統，與信息辦和實驗室與裝備處對接，方便校內外送樣檢測。從試運行至今，中心為校內外測試的樣品數、機時數逐年增加。據2016年的運行機時統計，大部分儀器的運行機時數高于1 500 h/年，部分儀器(如場發射掃描電鏡和X-射線衍射儀等)的對外服務率達到90%以上。

2.2 研究生開放上機培訓

在大型儀器的應用中，研究生占主導地位，因此針對研究生，中心開放了上機培訓。通過培訓，學生不僅掌握儀器基本操作，還能針對自己的測試結果進行合理的分析，發掘更多有價值的信息。從2012年至今，“985”大型儀器公共測試中心培訓研究生70名，部分研究生被聘用為儀器助管，和責任教師共同承擔相應儀器的管理，部分研究生可獨立進行開放上機操作。在研究生的培訓過程中，不僅立足于鍛煉研究生的動手操作能力，還注重借助現有儀器軟件深入培訓學生分析測試結果的能力，從而獲取更多測試信息。

2.3 服務本科生和研究生教學

隨著大型儀器的普及和應用，學院針對本科生和研究生均有開設大型儀器分析和表征的理論課程，單純的課堂講授會使學生感到“乏味”。因此相關授課教師本著理論與實踐相結合的原則，將“985”大型儀器公共測試中心作為教學的第二課堂，多次帶領學生來中心參觀和觀摩，由儀器責任老師或助管研究生現場講解儀器的原理和使用，讓學生直觀、近距離地了解大型儀器。如韓一帆教授在為本科生講授“納米材料高級表征技術”課程時，使用中心的紅外給學生進行實地上機講解。通過把大型儀器融入到理論課程的教學中，不僅滿足了學生的好奇心和求知欲，而且還增強了他們進行科學探索的熱情。

2.4 構建科研合作平臺

“985”大型儀器公共測試中心為教師提供了堅實的科研平臺，并搭建校企合作平臺，開展國際技術交流。中心每學期接待約20余家企業單位或高校前來參觀交流，其中包括巴斯夫公司，UOP公司、杜邦公司和中石化等著名企業。另外，中心的大型儀器也為學院老師申請國家自然科學等項目提供了堅實的硬件保障，也是很多重大項目和基金的科研基地。通過科研合作，更好地促進學科之間的相互交叉和滲透，發展新興和交叉學科。同時促使專業技術人員提升自己的專業技能，開發更多可服務于教學科研的技術方法。

2.5 展示學院科研硬件條件

化學工程與工藝專業于2013年11月接受了ABET專家的現場考察和認證。“985”大型儀器公共測試中心本著“以人為本，加強風險防范”的原則[9-10]，對中心的實驗室安全建設進一步完善，并作為其中一個站點接受了ABET專家的現場考察。此外，“985”大型儀器公共測試全力配合化學工程聯合國家重點實驗室的驗收工作，按照重點實驗室“大型分析儀器管理辦法”對中心運行管理進行了完善和補充，借鑒校分析測試中心計量認證的標準，對中心的測試和維修記錄等進行了整改。近年來，在國內各大高校中逐漸興起了“暑期夏令營”活動。大學生夏令營除了提前甄別、選拔創新人才和宣傳各學院學科之外，吸引優質研究生生源是夏令營活動的重要目的[11]。2013年暑假至今，“985”大型儀器公共測試中心作為基地之一，參與了4次夏令營活動，儀器管理人員針對中心的儀器，就原理和應用逐一講解，讓學生直觀感受大型儀器的精密和奧秘，既可展示學院充足的科研硬件條件和開放的科研理念，也可提升學生對科研的興趣。

3 中心可持續發展的思考

知識、能力來源于實踐，素質更需要在實踐中養成，實踐對于應用型和創新型人才的成長至關重要。能讓大學生在專業課程的學習中，自主動手操作相應的儀器，也是一種實踐能力的訓練。因此與專業課程相結合，設計系統的本科生實驗課程。化工學院很多課題組都在從事新材料制備及合成相關科研工作。可以利用“985”大型儀器公共測試中心的儀器對材料進行系列表征工作，如利用場發射掃描電鏡觀測材料的形貌、粒徑和孔道結構，利用X-射線衍射儀表征該材料的晶型，利用激光粒度分析儀觀測該材料宏觀粒徑分布，全自動微孔物理吸附儀表征分子篩的比表面積和孔徑分布。通過讓學生整合系列表征，得出材料的結構參數，① 讓學生直觀的感知采用何種儀器可以得到何種信息，② 讓專業技術人員積極參與到本科生的教學中，為培養高素質，善創新的大學生增磚添瓦。同時，實驗技術人員利用平臺現有的資源，積極參與到本科生畢業論文[12-13]和大學生創新實踐活動中[14]。中心目前已經開展了部分儀器的開放上機培訓，可以借鑒學校分析測試和材料測試平臺，將中心的特色儀器的培訓工作設置為研究生的選修課，讓研究生根據自己的課題需要，自發主動學習相關儀器的操作和軟件應用。通過將中心的大型儀器融入研究生和本科生的教學活動，不僅能使學生獲得基本的科研方法、科研能力和科研規范，而且還能達到理論與實踐相結合的教學目的。

4 結 語

化工學科是一門實驗性學科，測試中心的大型儀器對培養高水平研究型人才、提高實驗教學質量及教師科研水平至關重要。通過建立責任教師協助管理的運行機制、智能化管理體系和提升專業技術人員的素質，“985”大型儀器公共測試中心順利實施資源共享，儀器利用率逐年提高，在教學科研和學院發展中起到了舉足輕重的作用，為學院培養創新型、應用型人才發揮了自己的力量。