基于掃描電鏡的大型儀器管理方法探討

于川茗, 李海霞

(南開大學 化學學院, 天津 300071)

大型儀器作為高校開展科學研究、人才培養(yǎng)和社會服務的重要輔助手段[1],是國家雙一流建設的資源優(yōu)勢,是吸引、引進創(chuàng)新型人才的物質基礎,是獲得高水平創(chuàng)新成果的重要支撐。探究大型儀器的科學管理機制,不僅能優(yōu)化資源配置,還能增強高校學科的自主創(chuàng)新能力,促進創(chuàng)新成果轉化和全社會協(xié)同創(chuàng)新。

冷場發(fā)射掃描電鏡由于具有較細的電子束,理論分辨率較高,在學術研究領域具有獨特的優(yōu)勢。南開大學化學學院的冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡是面向全校師生和社會科研人員開放的大型儀器,每年承擔測試任務約2 500 h,測試樣品數(shù)約一萬個,是全校使用頻率最高的儀器之一。本文分析了目前大型儀器管理中常見的問題,以掃描電鏡現(xiàn)有的管理經(jīng)驗和技巧為例,在基礎操作、使用效率、服務質量、管理制度等方面探討方法、分享經(jīng)驗。

1 目前大型儀器管理中普遍存在的問題

在傳統(tǒng)的大型儀器管理模式下,學生只負責遞送樣品,測試任務由專職教師完成。這樣的形式存在以下幾種弊端：(1) 研究生雖然熟悉樣品的性質,但不懂如何操作大型儀器;專職教師雖然熟知儀器的操作和拍攝技巧,卻不了解樣品的組成和性質,因此在選取拍攝位置和拍攝方法上都存在一定程度上的出入和偏差,影響效率。(2) 研究生的培養(yǎng)目標是以提高其創(chuàng)新能力和開拓知識為具體要求,為高校和科研機構輸送新生力量[2-3]。而研究生儀器操作經(jīng)驗匱乏,對科研中使用的重要儀器的性能、使用和開發(fā)等方面不熟悉,無疑是研究生培養(yǎng)上的一個缺失,有悖于研究生培養(yǎng)的初衷。(3)專職教師每天耗費大量時間和精力測試樣品,缺乏足夠的時間探索理論知識和開發(fā)儀器的拓展功能,缺乏技術指導和交流,成為了測試樣品的機器,不利于儀器最大程度上的開發(fā)使用,也在一定程度上抑制了專職教師的主觀能動性和尋求事業(yè)進步的動力[4]。

此外,很多儀器的測試工作和科研工作脫節(jié),機械式地上機測試、輸出結果,缺少對測試結果的跟蹤和反饋,對測試結果是否符合預期、是否幫助了課題研究、是否被用到科學研究成果中并不知情。這在一定程度上削弱了大型儀器輔助及推動科研工作的作用。

由此可見,整合現(xiàn)有掃描電鏡的測試和管理經(jīng)驗,解決問題,探討大型儀器普適的、行之有效的管理方法至關重要。

2 現(xiàn)有經(jīng)驗和管理方法探討

2.1 夯實理論知識,提升操作技能

扎實的基本知識和過硬的操作技能是大型儀器良好運行的重中之重,探討管理方法要以熟知儀器理論和操作為基礎。對掃描電鏡來講,樣品微觀尺寸范圍廣,其大小可以從幾微米到幾十納米;樣品的種類多,可以是有機物、無機物到高分子材料等;樣品性質復雜,導電性、表面粗糙度、熱穩(wěn)定性以及二次電子產(chǎn)率都直接關系到樣品測試方法的選擇[5-6];樣品制備方法多樣,需根據(jù)樣品的性質選擇導電膠、硅片、導電玻璃、云母片和載玻片等不同的制樣基底。如此復雜的測試條件對專職教師提出了更高的專業(yè)要求。

一方面,專職教師要熟知儀器的精密原理,能熟練地掌握測試技能和技巧,不斷在實踐中總結一手經(jīng)驗,適時地參加儀器交流與培訓;同時還要深入到科研領域,對本學科的前沿和方向有所了解,以便能在測試樣品時快速定位,敏銳捕獲目標區(qū)域,達到事半功倍的效果。切忌僅以完成基本的測試任務為目標,固步自封;另一方面,專職教師要加強學生的獨立操作培訓,學生要經(jīng)過嚴格的培訓流程才能獲得上機測試的資格。本臺掃描電鏡目前擁有一套完整的培訓考核辦法,培訓流程如圖1所示,學生從開始培訓到獨立上機需要經(jīng)過理論知識PPT授課和筆試考試、上機操作培訓,非獨立上機操作考核以及最終的獨立上機操作考核,全部通過后才能獨立測試。獨立測試時需對測試條件、儀器狀態(tài)、上機時間做完整且規(guī)范的記錄。

圖1 掃描電鏡獨立操作培訓流程

2.2 建立全時段開放體系,擴大開放服務范圍

在以往的管理模式下,掃描電鏡由專職教師上機測試。由于電鏡類儀器使用頻率高,樣品數(shù)量多,測試速度有限,即便在白天8 h工作期間連續(xù)不斷地測試,也難免會造成樣品積壓,測試延后。新形勢下引進科研人才數(shù)量的增多,造成儀器需求度增大,科研院校對教輔工作質量提出了更高要求,顯然傳統(tǒng)管理模式下儀器的使用率不能滿足新形勢的要求,甚至阻滯了科研項目的順利開展[7]。

延長開放時間是提高大型儀器使用效益的重要途徑之一,因此全時段開放模式應運而生。全時段開放模式是指培訓合格的研究生可以在包括夜間、周末等非工作時間在內的所有時間段預約使用儀器。在這種模式下,掃描電鏡的測試時間不用局限在工作時間,有效緩解了預約時段不夠用、排長隊測試的狀況。我們將2017年掃描電鏡的使用機時做了統(tǒng)計和對比,如表1所示。全時段開放模式下的使用機時比僅在上班時間使用儀器的半開放模式的使用機時提高了1 065 h,掃描電鏡的使用率提高了80%,測試樣品數(shù)增加了2 572個。

表1 2017年半開放模式和全開放模式下有效機時及測試樣品數(shù)

在全時段開放模式下,測試任務由專職教師和培訓合格的學生共同承擔,專職教師不用將全部的工作時間花在測試工作上,一方面避免了長時間持續(xù)測試導致眼睛和身體的過度疲勞,另一方面也可以有更多的精力投入到儀器的維護、開發(fā)和管理工作中,保障儀器的良好運行。經(jīng)過培訓的研究生能自主操作儀器,擁有更多獨立發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的機會,他們對需要測試的內容非常明確,能夠快速、準確地定位感興趣的區(qū)域和信息,有充分的時間找尋、發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象,能更好地推動自己的科研工作,極大地提高了科研效率,同時也營造出一種自主研學、自主創(chuàng)新、自主探究的良好氛圍,實現(xiàn)了從“授人以魚”到“授人以漁”的培養(yǎng)內容的轉變,符合當代研究生的培養(yǎng)方向,對研究生日后的求學及就業(yè)大有裨益。

另外,為了規(guī)避大型儀器常有的單位專屬性和使用范圍的局限性[8-9], 借助學校大型儀器平臺和國家科技部平臺,我們積極向全校所有學院以及社會機構和單位提供測試服務,在共享管理平臺上公布儀器設備信息,便于用戶查詢設備性能參數(shù)和運行狀態(tài),協(xié)調好校內常規(guī)測試和校外社會服務的關系,每周固定開放一個時段給校外用戶。2017年度掃描電鏡共服務社會單位和團體15個,外校測試費收入占總收入的10.2%,開放程度高,服務范圍廣。

2.3 跟蹤測試結果,反饋測試服務質量

目前絕大多數(shù)高校在儀器管理中缺乏對測試結果的跟蹤和反饋,測試人以完成測試為主要任務,不清楚測試結果的去向,不了解測試結果是否被用于科研成果中;同時對于樣品的表征情況是否符合預期,測試人的服務質量如何，也缺乏一個有效的反饋方式,造成測試人的服務意識不強,缺乏成就感。

針對這些問題,一方面,專職教師鼓勵用戶使用表征結果發(fā)表高水平文章,并定期統(tǒng)計匯總。據(jù)統(tǒng)計,在2017年度,掃描電鏡共輔助南開大學57個課題組發(fā)表SCI文章70余篇,其中包括Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Letters、Adv. Funct.Mater.等頂級學術期刊[10-13]。對于有文章發(fā)表的課題組,實驗室每年獎勵一部分的免預約測試時段。專職教師從發(fā)表的文章中可以獲知什么樣的圖片和數(shù)據(jù)是可以使用的,以此來指導測試,提高照片采集的可用性和使用率,減少廢片。而且,專職教師通過閱讀發(fā)表的文章也可以了解掃描電鏡數(shù)據(jù)在具體的科研工作中起到的作用及說明的問題,深入到學科領域前沿,提高專業(yè)素養(yǎng),從而在測試過程中能夠針對不同的樣品和實驗目的選區(qū)拍照,提供數(shù)據(jù)的同時也能夠對實驗給出一些建設性的意見,從儀器的操作者升級為實驗的指導者。

另一方面,我們在測試過程中允許用戶在側觀看,讓用戶直接觀察到自己的樣品情況,隨時指出需要拍攝的位置和適宜的放大倍數(shù)。拍攝結束后用戶填寫服務滿意情況表,及時反饋意見、發(fā)現(xiàn)問題,同時也能激發(fā)測試人員的服務熱情,對測試人員的服務態(tài)度也起到一個約束和監(jiān)督的作用。

2.4 推行規(guī)范化管理模式

對掃描電鏡實行規(guī)范化管理,建立和健全切實可行的儀器管理規(guī)章制度,儀器使用有章可循、有規(guī)可守：儀器旁邊設置儀器操作標準步驟及注意事項(standard operation procedures, SOP),制定了“掃描電鏡日常維護與管理辦法”“掃描電鏡預約規(guī)則和注意事項”“掃描電鏡操作流程”等規(guī)章制度;同時要求測試人員自覺和堅定地執(zhí)行規(guī)定、規(guī)范上機,讓大型儀器的管理清晰化、正規(guī)化。

掃描電鏡的日常管理模型如圖2所示。目前掃描電鏡根據(jù)用戶的不同身份,分別采用平臺預約和電話預約兩種預約方式,用戶需在上機測試前一周進行預約,以便有充分的時間應對突發(fā)情況,調整時段;由于機時有限,為了讓更多的用戶都有測試樣品的機會,我們對預約時長和次數(shù)進行了一定程度上的限制,即同一用戶每周預約次數(shù)不得超過3次,總預約時長不得超過3 h,從而確保儀器資源的均衡分配,避免一部分用戶預約機時富余,而另一部分用戶卻預約不到的極端情況。另外,規(guī)定預約用戶提前一小時來儀器室制備樣品,縮短待機間隙,使測試時段無縫銜接,避免時段浪費,預約時段可以全部用來上機測試,增加了儀器的使用率。

圖2 掃描電鏡預約管理模型圖

由于使用電鏡的人數(shù)較多,預約狀態(tài)長期爆滿,行之有效的預約管理辦法不但能提高掃描電鏡的利用率,更能均衡各方的需求,讓大型儀器這種有限的科研資源得到最優(yōu)化的配置。

3 結語

掃描電鏡是探索微觀世界的眼睛,是進行材料形貌、物質結構及微區(qū)成分分析的有力工具,是基礎研究中最常見和常用的大型儀器之一,它的管理方法和經(jīng)驗對其他的大型儀器具有很強的代表性和可借鑒性。

隨著高校大型儀器數(shù)量和種類的增加,如何進行有效管理和充分利用的問題也相應產(chǎn)生,《國務院關于國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放的意見》明確提出加快推進開放進程,提高科技資源利用率[14]。因此,建立一套完善、高效的大型儀器管理體系,兼顧測試服務和科研服務,是每位實驗工作者面臨的實際問題,是未來科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)的有力保障,也是雙一流建設新形勢下的時代召喚。