不會吧不會吧！世界上怎么會有如此“古怪”的實驗室？！
它有嚴重的“潔癖”，要求一塵不染，連空氣中的微粒濃度都要嚴格把控；
它鐘愛無金屬裝潢，明明“高端精細有內涵”，卻偏偏“樸實低調不起眼”；
它里面還有一群永遠穿著“白大褂”和“防護服”的“醫生”研究員，不過他們要面對的“病人”卻是海洋。
它到底長什么樣？
用于做什么研究？
別著急，我帶你一探究竟！
這個不太一般的實驗室，就是廈門大學痕量元素與同位素潔凈采樣與分析技術平臺。
更換鞋服、穿戴手套，控制室內空氣潔凈度，多次潤洗、清潔實驗器材，使用超純水、高純酸、囊式過濾器等潔凈器材，在潔凈臺上進行實驗操作……這個實驗室的“潔癖”嚴重到很難不被我們注意。研究人員們“全副武裝”，盡可能地減少可能的污染源，例如塵埃等，進入實驗室，避免對整個實驗環境和樣品造成污染。
此外，因研究痕量級別的金屬元素，整個實驗室的操作臺、實驗器材、甚至是高端的實驗設備上都盡量使用非金屬材質或鈦合金，避免外界的金屬對測定結果造成影響。
痕量金屬到底是何方神圣？
為什么痕量金屬的研究對實驗室的要求如此之高？
痕量金屬是海洋中含量極少的金屬元素，如鐵、錳、鋅、銅等，每升海水中這些金屬的含量僅在10-9g量級水平上。痕量金屬就像大海這個龐大機器里極其微小的零部件，看上去毫無存在感，實則影響整個海洋生態系統的運作。
事實上，痕量金屬在海洋生命過程中的出場頻率基本相當于張三在羅翔老師口中的出場頻率。它們是許多海洋生物蛋白質或酶的重要組成成分，是海洋生物體內生化反應的重要催化劑，在海洋生物地球化學循環過程中起重要作用……因此，痕量金屬雖然含量少，但堪稱海洋生態系統中的“六邊形戰士”，研究它對于了解海洋生態系統的結構和功能具有重要價值。
生物體內含有痕量金屬元素的一些重要物質
(圖源：谷歌)
正因如此，科學家們踏上了痕量金屬的研究之路，比如鐵施肥實驗，就是期望通過在中尺度海洋表層施加鐵來促進浮游植物生長，從而吸收更多的大氣二氧化碳，緩解全球變暖。但在我國，關于海洋痕量金屬的研究起步較晚，相對滯后于國際，主要原因在于痕量金屬濃度極低，對于分析條件和實驗平臺的要求非常嚴苛。
為了更加透徹地研究痕量金屬，實現相關領域研究從“跟跑”到“并跑”，乃至“領跑”的“彎道超車”，廈大的研究者們打造了這款研究痕量金屬的“神器”。
痕量金屬研究是一場海上采樣與實驗室分析相結合的“水陸兩棲戰”。作為全國首個海洋痕量元素與同位素潔凈采樣與分析技術平臺，廈門大學痕量金屬研究平臺依托近海海洋環境國家重點實驗室與“嘉庚號”科考船，建立起了一條采樣-預處理-分析測量全程“超潔凈”的“戰線”
在采樣環節，廈大科考船“嘉庚號”憑借著可搭載潔凈CTD采水系統和原位大體積過濾系統的優勢一馬當先。潔凈CTD采水系統用于溶解態痕量金屬采樣，原位大體積過濾系統用于顆粒態痕量金屬采樣，兩者配合無間，使“嘉庚號”成為國內首個具備痕量金屬、潔凈海水大體積采集能力的科考船。
潔凈CTD采水器（水下視頻來源：余小龍博士）
（照片來源：https://ships.xmu.edu.cn/）
與常規CTD采水器不同，潔凈CTD采水器采用特殊的材料制成，并配備痕量金屬潔凈采樣專用的Niskin-X采水瓶。在正式使用前，研究小組需要眾星拱月般地圍繞著裝置，一遍遍地擦拭，并利用海水進行潤洗兩遍，最大程度地避免對樣品的污染。
原位大體積過濾系統
（圖源：https://ships.xmu.edu.cn/）
對于顆粒態痕量金屬來說，若要從懸浮顆粒物中收集足夠分析的量，必須過濾高達數百升至數千升海水，遠超常規的船載設備采樣能力。為解決這一問題，科學家們對原位大體積過濾系統進行了改造，使裝置的效率與潔凈度得到了提升，在“嘉庚號”上實現了國內科考船首次顆粒懸浮物痕量金屬樣品的采集。
好不容易采集到這些珍貴的樣品，它們該如何保存？
科學家們想到了一個聰明的辦法——把實驗室搬到船上！研究小組將幾個集裝箱改造成了“行走的”潔凈實驗室，使得樣品的“分裝”工作能在出海時就地進行，確保樣品保存“超潔凈”。同時，在分析集裝箱內同步對采得的樣品進行測定，確保樣品無沾污。
結束了“水戰”，痕量金屬樣品的進一步分析與測量在近海海洋環境國家重點實驗室質譜中心內的千級潔凈室進行。為了確保分析測量過程“超潔凈”，痕量平臺的“后方基地”容不下一點“雜質”，每立方英尺（約0.03m3）空間內≥0.5μm的顆粒物被嚴格控制在1000個以內。假如在操作過程中不小心接觸到空氣中的一顆顆粒，實驗都可能面臨前功盡棄的風險。
為了保證實驗的順利進行，實驗室里還住著 “兩員大將”。SeaFAST預富集系統負責“水中淘金”，它能夠在17分鐘之內將樣品濃縮10倍，高效地富集痕量金屬并去除海水基底。Element XR ICP-MS（高分辨扇形磁場電感耦合等離子質譜儀）則具有高靈敏度與高分辨率，能夠精確測量樣品中痕量金屬的濃度。
Element XR
（高分辨扇形磁場電感耦合等離子質譜儀）
如此高精度、嚴要求的實驗室，究竟能發揮什么作用？
借用廈門大學教科書《化學海洋學》中的話，“有關海洋痕量金屬的了解始于1970年（GEOSECS計劃），在此之前，由于儀器靈敏度不足以及采樣與分析過程的污染問題等，所報道的濃度數據存在較大問題……各實驗室都獲得其認為重現性不錯的數據，但在不同實驗室的結果相差高達20~30倍。”但現在，我們有了更加先進的科技與實驗方法，海洋痕量金屬的畫像就可以在科學家們眼中清晰顯現。
科考隊員在海洋顆粒物TEIs潔凈集裝箱實驗室
（圖源：課題組）
近些年來，基于痕量平臺的研究成果已凝集成40多篇SCI論文和多項國家發明專利。實驗室研發的分析系統也獲得了廣泛認可和正面評價，為國內外多家科研單位試用、定制或購置。
依托痕量平臺和“嘉庚”號，廈門大學對痕量金屬的研究橫跨化學、生物、環境等領域，均取得了許多令人矚目的成績。2019年，陳敏教授等人編寫的《營養物質對海灣生態環境影響的過程與機理》出版，探尋海灣常量、微量營養物質與海灣生物群結構、海灣生態環境之間的奇妙鏈接。2020年，“嘉庚”號KK2003和KK2007航次在北太平洋副熱帶流渦區采得痕量金屬水樣，并進行測定，嘗試揭開“海洋荒漠”的神秘面紗。2022年，史大林教授團隊揭示了鐵和氮供給比率是調控熱帶和亞熱帶西北太平洋生物固氮的重要因子，為全球海洋尺度上認識海洋生物固氮的時空格局及其調控機理提供了重要的觀測和理論依據。
“嘉庚號”KK2003航次出航采樣 （圖源：課題組）
得益于“嘉庚”號的助力，痕量金屬實驗平臺擁有了“漂洋過海”，進行原位測定的能力。可以驕傲地說，廈門大學擁有著目前世界上最豐富的西太平洋低緯度鐵含量的數據。
痕量金屬實驗平臺更具有跨學科的科研意義。1991年，美國海洋學家約翰·馬丁就許下了“給我半船鐵，我就能創造一個冰河世紀”的豪言壯志，可見海洋科學與氣候環境的密切聯系。隨著全球氣候問題頻發，科學家正嘗試構造出一個可以預測氣候變化的未來地球模型。鐵假說和鐵施肥實驗雖具有一定爭議，但從理論上來說，海水中的痕量元素的確對全球氣候有著環環相扣的重要影響。而廈門大學所擁有的痕量金屬研究平臺，或對未來地球模型的構建給予強有力的支持。
海洋與大氣，自然與人類，科技與社會彼此依存，織成一張密密的網。人工智能的出現極大地降低了痕量金屬取樣、分析的復雜程度，借助大數據進行模擬，海洋似乎也變得“可視化”起來。從“看不見”到“看得見”，從“智慧海洋”到“未來地球模型”，這條道路很難，但我們正在路上，正用人類智慧的力量，為地球尋覓一個可期的未來。
文中未標注圖片均來源于
廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室
科學指導：蔡毅華教授、曹知勉教授
撰文：劉思琦、張凱帆、唐松盈
于世豪、何詩凡、梁明珊
劉若婷、張明哲、張翹楚、單敬蘅
視頻文案：張凱帆
排版：吳思揚
編審：楊俊波、葉幼亭
責編：甘少敏
總編：70.8海洋媒體實驗室
