Масс-спектрометрия – дело государственное
Дата: 02/11/2005
Тема: Приборостроение


Л.Н.Галль, д.ф.-м.н., профессор, Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург

Размышления о состоянии и путях возрождения отечественного масс-спектрометрического приборостроения

Что такое масс-спектрометрия? Это, безусловно, знает каждый, столкнувшийся с проблемой аналитических прецизионных измерений изотопного, элементного или молекулярного состава веществ, их смесей, природных образцов или технических материалов. Масс-спектрометрия является универсальным аналитическим измерительным методом высшей категории, обеспечивающим в современных технологиях контроль состава и примесей в любых материалах и сырье. Во многих случаях она является единственным методом прецизионного контроля состава вещества в любых состояниях: газообразном, твердом или жидком.

Воздух, сложные смеси газов и паров легко летучих веществ, включая природный газ и нефтепродукты, металлы, сплавы и конструкционные материалы (проводники, диэлектрики, стекла, органические полимеры и пластмассы), природное сырье и полезные ископаемые, ядерные материалы и ядерное топливо, биополимеры живого организма и лекарства – этот перечень можно продолжать и продолжать… Масс-спектрометрические методы, являющиеся одновременно и высокопрецизионными, и высокочувствительными, позволяют анализировать как собственно состав образца, так и состав примесей в нем, причем чувствительность масс-спектрометрии к примесям превышает возможности любых других аналитических методов. В настоящее время не известно метода анализа, одновременно обладающего признаками наиболее универсального, информативного, высокочувствительного, каким является современная масс-спектрометрия. И хотя этому методу уже более 100 лет, масс-спектрометрия продолжает стремительно развиваться как в направлении создания новых методов и методик анализа, так и в создании современных приборов, отвечающих всем признакам и требованиям технического прогресса нашего времени. В условиях все ускоряющегося развития новых технологий, масс-спектрометрия заняла в мире совершенно особое место, став универсальным методом, стимулирующим современный технический прогресс и в области продвижения в научном поиске и открытиях, и в АСУ технологическими процессами, и в методах контроля готовой продукции, и в экологическом и медицинском обеспечении жизнедеятельности человека.

В мире несколько десятков крупных приборостроительных фирм выпускают сотни наименований масс-спектрометров для решения задач биологии, медицины, экологии, химии, биохимии и биотехнологии, переработки полезных ископаемых, технологических проблем промышленности, таможенного контроля, и т.д. Эти приборы весьма совершенны, разнообразны по возможностям, как правило, имеют высокую стоимость и дoроги в обслуживании. Мировой рынок масс-спектрометрических приборов приближается к миллиарду долларов в год. Россия, как разработчик, в этом рынке участия не принимает. Принимает – только как покупатель. Но только на первый взгляд может казаться, что все недостающие масс-спектрометрические приборы можно не производить у себя, а купить. При бытовом отношении к масс-спектрометрии, безусловно, можно покупать отдельные масс-спектрометрические приборы. Обладание такими приборами престижно, они часто обладают выдающимися параметрами, но опыт показывает, что покупатель прибора становится заложником фирмы-продавца: любой ремонт требует больших средств в валюте, а фирмы ведут себя жестко; купленный прибор быстро устаревает и теряет свою престижность… И почему-то отечественные приборы живут и работают гораздо дольше и гораздо дольше не отстают от мирового уровня. Но главное – не в этом, а в том, что масс-спектрометрия – стратегическое направление приборостроения, и недаром в СССР разработка и производство масс-спектрометрических приборов были приравнены к оборонной технике.

Здесь весьма уместно вспомнить историю. В СССР, как и во всем мире, масс-спектрометрическое приборостроение начало создаваться и затем интенсивно развиваться в 40-х годах прошлого века, стимулируемое работами по «атомному проекту». Россия длительное время была мировым лидером в разработках масс-спектрометров для изотопных анализов, на равных с западными фирмами велись разработки масс-спектрометров для анализа элементного состава образцов и для молекулярных исследований.

Работы по созданию промышленных масс-спектрометров начались в СССР в конце Великой Отечественной войны в Сухумском Физико-техническом институте созданием прототипа масс-спектрометра для изотопного анализа МС-1. Затем работы были продолжены в НИИ Минрадиопрома в пос. Фрязино под Москвой и в Ленинграде.

В 1954 году Совет Министров СССР своим Постановлением от 25 декабря 1954 года в целях дальнейшего развития разработки и производства в СССР масс-спектрометров передал работы по дальнейшему развитию масс-спектрометрического приборостроения в Ленинград, в СКБ аналитического приборостроения Академии наук, где и были разработаны первые отечественные серийные масс-спектрометры для изотопного анализа. Среди них наибольшую известность имели масс-спектрометры МВ2302 для анализа изотопного состава водородно-гелиевых газовых смесей, содержащих мультиплеты масс, с высокой разрешающей способностью – 5000 на 50% высоты пиков с возможностью измерений в диапазоне масс от 1 до 200 а.е.м. Масс-спектрометр МВ2302 был разработан для Научного центра атомной промышленности (впоследствии известного как Арзамас-16) и стал первым в мире магнитным спектрометром со столь высокой разрешающей способностью, достигнутой за счет применения неоднородного магнитного поля и удачной конструкции магнитного анализатора. Приборы МВ2302 до сих пор работают по своему прямому назначению. А в 1960 г. была закончена разработка изотопного масс-спектрометра МИ1306 для анализа твердых проб урана. МИ1306 обладал рекордной по тому времени чувствительностью по урану – 10-12 г. Входивший в его комплект счетчик ионов СИ-01 содержал впервые примененный в масс-спектрометрии вторичный электронный умножитель с открытым входом и обеспечивал измерение ионных токов в интервале 5•10-11 – 2•10-18А, а разработанный для этого прибора трехленточный источник ионов с поверхностной ионизацией до настоящего времени применяется не только в отечественных, но и в зарубежных масс-спектрометрах аналогичного назначения. В 1959 году, после вступления в строй Сумского завода электронных микроскопов и масс-спектрометров, ему был из СКБ передан выпуск изотопного масс-спектрометра МИ1305 и ряда других приборов, разработанных в Ленинграде, а с середины 60-х годов в Сумах по ТЗ комбината УЭХК был разработан первый собственный изотопный масс-спектрометр МИ1201. С тех пор уже более 30 лет в Сумах на основе МИ1201 выпускаются масс-спектрометры различного назначения, специализированные для нужд атомной промышленности. К сожалению, после развала СССР объединение «SELMI» пережило тяжелые времена и только сейчас, после приобретения ФГУП ПО «ЭХЗ» контрольного пакета акций ОАО «SELMI» началось обратное движение по возрождению возможностей этого предприятия.

В Ленинграде же продолжались разработки и изготовление большой номенклатуры изотопных, элементных и молекулярных масс-спектрометров, в том числе – с уникальными параметрами, такие как МИ3301 для Института атомных реакторов, г. Меликесс, или магнитно-резонансный МИ9302 для ФТИ АН СССР, г. Ленинград. С 70-х годов, как и во всем мире, в СКБ АП АН СССР большое внимание начало уделяться развитию масс-спектрометрии органических веществ. К этому времени в СКБ уже была создана целая плеяда замечательных масс-спектрометров для молекулярного анализа, включая МХ1310 – прибор с разрешающей способностью 100000, получивший золотую медаль на Международной приборостроительной выставке в Париже в 1968 году. При этом в СКБ развивалось не только приборостроение: опережающим темпом развивались исследования по созданию новых методов анализа органических и биоорганических веществ. В результате именно в Ленинграде в образованном в 1977 году Институте аналитического приборостроения АН СССР в 1982 году был создан новый метод масс-спектрометрического анализа нелетучих биополимеров – метод экстракции ионов из растворов при атмосферном давлении (ЭРИ АД), повторенный на Западе под именем «электроспрей» и награжденный Нобелевской премией в 2002 году (естественно, Нобелевским лауреатом стал американский профессор Дж. Фенн, а не российские создатели метода).

За время «перестройки» в России масс-спектрометрическое приборостроение, как и другие, требующие значительных финансовых вложений, направления науки в России, пришло почти к полной кончине, потеряв, практически, все основные кадры и темп развития. В 90-х годах в России был выпущен всего один серийный масс-спектрометр МСД-650 (ЭЗНП РАН, п. Черноголовка Моск. обл.), хотя, по сохранившейся еще научной традиции, этот прибор превышал по своим параметрам современные ему масс-спектрометры аналогичного класса, и на сегодняшний день он остается весьма перспективным отечественным прибором. В конце 90-х годов казалось, что наша страна окончательно утратила не только свои лидирующие функции, но и реальные возможности продолжать отечественные масс-спектрометрические разработки. Обращения к чиновникам от науки не давали никаких результатов. В то же время, оценивая причины, затрудняющие выход на международный рынок для многих российских технологий в самых различных областях, можно с уверенностью утверждать, что:

• отсутствие масс-спектрометрического контроля в значительной степени определяет отставание как уровня, так и темпов развития большинства российских технологий;

• отсутствие масс-спектрометрического контроля снижает качество материалов и комплектующих изделий, используемых в оборонных технологиях;

• отсутствие масс-спектрометрических методик исследований поддерживает отставание российской медицины и фармакологии;

• отсутствие в России масс-спектрометрической сертификации готовой продукции ведет к снижению ее стоимости на внешних рынках;

• отсутствие масс-спектрометрического таможенного контроля ведет к попаданию на внутренний рынок продукции низкого качества.

Однако вряд ли следует винить только чиновников в отсутствии необходимых знаний и прозорливости в отношении необходимости развития именно масс-спектрометрических методов и масс-спектрометрического приборостроения среди многих других аналитических методов. Серьезное отставание отечественного приборостроения в предперестроечные годы, связанное с низким уровнем комплектующих, и совокупность различных человеческих факторов, характерных, к сожалению, для выходцев из бывшей советской науки, привыкших любыми приемами соперничать за бюджетное финансирование, бороться за комиссионные зарубежных фирм и за зарубежные поездки, привели к объективной неспособности современных аналитиков от науки выделять главные направления, реально определяющие возможности возрождения России как великой технической державы. Самой же по себе отечественной масс-спектрометрии не возродиться: для этого нужны слишком большие финансовые средства, отсутствующие у малого бизнеса, где в какой-то мере гнездятся представители науки. А богатый бизнес, разбогатевший на высасывании из страны ее природных ресурсов, возглавляется, как правило, людьми, далекими от науки и недальновидными, которые и слова-то такого «масс-спектрометрия» никогда не слыхали!

И я думаю, что через пару десятков лет научно-техническая Россия будет радоваться тому, что в 1999 году в Минатоме РФ создалась сложная ситуация с парком масс-спектрометрических приборов: существующий парк устарел морально и технически, поставки масс-спектрометров МИ1201 из Украины оказались завязаны с политикой, а импортные приборы были очень дороги. В результате Минатом РФ принял исторически правильное решение о разработке целевой отраслевой программы «Разработка специализированного масс-спектрометрического оборудования, организация его выпуска для оснащения предприятий отрасли приборами нового поколения и создание импортозамещающего производства масс-спектрометров в Российской Федерации» и создал Координационный научно-технический совет для руководства этой программой.

Для выполнения Программы была созвана команда из всех имевшихся в наличии масс-спектрометристов России, имевших опыт разработки приборов для изотопного анализа: Института аналитического приборостроения РАН и ЗАО «СКБ «СПЕКТРОН-АНАЛИТ» из Санкт-Петербурга, ВНИИ ТФА Минатома РФ и ЭЗНП РАН из Москвы, УЭХК Минатома РФ из Новоуральска. Первый из специализированных масс-спектрометров – МТИ-350Г для изотопного анализа урана в газовой фазе был создан в невиданно короткий срок: через два года после начала разработки были изготовлены и представлены для испытаний два опытных образца. В этот прибор специалисты Академии наук вложили все имеющиеся у нас новые знания в области ионной оптики и расчетов и все старые, сохраненные у специалистов, знания в области конструирования и технологий изготовления масс-спектрометров, а великолепная команда из УЭХК – все свои экспериментальные знания и опыт, оживив созданный прибор и получив на нем рекордные аналитические параметры, превышающие параметры аналогичных приборов ведущих западных фирм. В настоящее время на базе МТИ-350 заканчивается разработка второго, очень сложного прибора для изотопного анализа урана в твердой фазе. Далее на той же базе будут разрабатываться последующие специализированные масс-спектрометры для решения задач отрасли. Но базовая часть МТИ-350 получилась настолько удачной и универсальной, что ее вполне можно использовать и для создания масс-спектрометров других назначений, в том числе – для проведения фундаментальных научных исследований. Сейчас ведутся переговоры с Академией наук и Миннауки РФ о финансировании разработки, на базе МТИ-350, масс-спектрометра для изучения термодинамики испарения многокомпонентных систем: сплавов и окислов, а также масс-спектрометра для прецизионных исследований в геохронологии. По инициативе Минатома РФ ведется проработка возможности модернизации масс-спектрометра МСД-650 для анализа водородно-гелиевых смесей. Однако, если для серийного производства специализированных масс-спектрометров МТИ-350 есть база – собственное производство комбинатов Минатома РФ, то кто будет производить масс-спектрометры общенаучного назначения – не ясно. Необходимо создавать специализированные фирмы, а для этого, как уже говорилось, нужны большие деньги. Ведь стоимость одного масс-спектрометра такого класса (и не при разработке, а в серии!) составляет сотни тысяч долларов.

Блестящая стремительная разработка МТИ-350 разрушила позицию тех ученых и чиновников, которые уже с десяток лет заявляли, что «масс-спектрометрия в России умерла». Тот бесспорный факт, что масс-спектрометрия жива, побудил и Миннауки РФ выделить уже в новом веке два гранта на разработки приборов в наиболее популярных в мире направлениях: универсальный хроматомасс-спектрометр с квадрупольным масс-анализатором для анализа сложных смесей газов и паров легколетучих жидкостей в интересах медицины, экологии, фармакологии, промышленных технологий, и времяпролетный масс-рефлектрон с поперечным вводом для анализа нелетучих биополимеров методом «электроспрей» (ЭРИ АД) в интересах биологии, медицины, фармакологии и др. Эти приборы, несомненно, уже очень скоро пополнят арсенал российской науки и технологии.

Большой научный потенциал разработчиков, безусловно, уже сейчас позволяет разрабатывать и выпускать в России масс-спектрометры самых разных типов и назначений, так необходимые для всей номенклатуры их применений. Дело за организацией производства приборов, без которой все наши новые остаются подвешенными в воздухе. Масс-спектрометристы же готовы внести в дело обеспечения российской промышленности, технологии и науки новыми современными масс-спектрометрами все свои знания, способности, бескорыстный труд и энтузиазм.

И потому я хочу закончить свою статью вот таким нестандартным образом: обращением к тем, от кого, на мой взгляд, зависит решение поставленной проблемы.

– Господа чиновники! Проанализируйте мировые тенденции и создайте, наконец, Государственную программу развития масс-спектрометрического приборостроения в России. Этим вы не только прославитесь как мудрые и дальновидные технические специалисты, но поспособствуете массовому возвращению в Россию специалистов – масс-спектрометристов, уехавших от отчаяния за рубеж, жадно высасывающий все наши, так ценимые у них, научные и технические кадры. Этим же вы, наконец, послужите скорейшему возрождению будущей процветающей России. Масс-спектрометрия – не рядовое направление приборостроения, а дело государственное!

Господа очень богатые люди (олигархи)! Вложите деньги в создание отечественных фирм масс-спектрометрического приборостроения. Этим вы не только получите большие доходы в весьма уважаемой высокоинтеллектуальной области промышленного производства, но и реально послужите своей стране-кормилице. Господа политики! Заучивая новые технические термины, необходимые вам в политических выступлениях, наряду со словами «информатика» и «нанотехнология», пожалуйста, заучите слова «масс-спектрометрическое приборостроение», поскольку без этого приборостроения в стране не будет ни информатики, ни нанотехнологии, ни современной биотехнологии и медицины.

Дорогие коллеги – масс-спектрометристы! Я очень надеюсь на то, что здравый смысл в нашей стране возобладает над временно правящей недальновидностью, и мы еще успеем увидеть свою страну ничуть не уступающей Западу ни в науке, ни в новейших технологиях.

Дорогие читатели, научная, техническая, медицинская, журналистская и вся другая общественность, – все, кому попадется на глаза эта статья! Прошу вас прочитать ее, не обижаясь на неудачные, по вашему мнению, высказывания и формулировки, но по существу, и поддержать идею быстрейшего возрождения отечественной масс-спектрометрии. Этим вы окажете своей стране неоценимую услугу!

Журнал «Атомная стратегия» № 9, январь 2004 г.





Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=181