近20年，現代地球科學面臨兩個重大的變革：從“平衡、封閉、靜態(tài)”轉向“非平衡、開放、動力學”研究；由地表樣品的“冷鑒定”轉向“高溫高壓原位”直接觀測，認識地球深內部。當前，探索地球內部物質和極端條件下物質性質奧秘是一個處于重要發(fā)展時刻的新領域。地球地殼以下的物質多處于高溫高壓、流動、非平衡的反應動力學狀態(tài)。為探索極端條件下物質性質，發(fā)展這一新學科領域，需要發(fā)明創(chuàng)造新儀器。正如，一位諾貝爾獲得者所言：沒有實驗儀器的發(fā)明創(chuàng)造，不可能有真正的科學發(fā)現。值得注意的是許多國際著名實驗室都在自己研制實驗裝置。

　　為了實現兩個科學觀念轉變，1992年起我們開始自籌經費研制儀器，發(fā)展高溫高壓流體和反應動力學新領域。到1996年已經研制成功新型超臨界流體裝置和安置了3支傳感器的高壓釜。2001年后，有了“863”項目支持。

　　20多年來我們不斷研制發(fā)明各種高溫高壓開放流動體系反應裝置、相分離裝置和高溫高壓化學傳感器及檢測標定實驗平臺。創(chuàng)造能模擬由地幔到地表條件的礦物與流體反應裝置，開創(chuàng)了地球化學動力學實驗新領域。同時，發(fā)展了高溫高壓原位直測裝置，研制了有窗口反應腔，實現了對高溫高壓下物質的原位譜學直接測量。

　　國際科學界關于高溫高壓下原位直測方法有兩大方向：高溫高壓傳感器（尤其化學傳感器）和高壓高溫的窗口觀測。我們在這兩方面均作出了很有意義的發(fā)明，并且發(fā)明了高溫高壓流體和流動反應原位觀測裝置、方法和整合技術。已經獲得6項國家發(fā)明專利，2項實用新型專利，另申請一項美國發(fā)明專利（已經受理），另外還有許多儀器方法發(fā)明沒有申報專利。發(fā)明儀器帶來了新的科學發(fā)現，使整體的極端條件實驗和理論研究取得重大進展。艱苦創(chuàng)業(yè)，建立了我國第一個地球化學動力學實驗室和高溫高壓流體實驗室。

　　一、高溫高壓原位直測

　　發(fā)明新的高溫高壓化學傳感器

　　我們發(fā)明的化學傳感器適于0~400 ，40MPa（更高溫壓）原位測量流體的酸度、氫濃度、硫化氫。氧化還原電位（pH，H2，H22S，Eh ）等參數。包括，1）由Zr/ZrO2電極為核心組成集成化高溫高壓化學傳感器。Zr/ZrO2電極是國際第一次作為高溫高壓傳感器使用。Zr/ZrO2電極結構新穎；2）pH化學傳感器：用Zr/ZrO2做測量電極。Ag/AgCl為參比電極，它是由硅酸鹽水泥-Ag/AgCl-水泥的三層結構構成，一次加熱成型新工藝。3）金電極的H2化學傳感器：發(fā)明金電極新制備方法，把金絲燒結石英棒內，電極露在外面。其結構耐高溫600 。還可做Eh化學傳感器。優(yōu)于國際界鉑電極，鉑與含硫溶液接觸易形成硫化物。4）H2S化學傳感器：電極是電極水泥- Ag /Ag2S -水泥的三層結構，也是一次燒結新工藝（授權號CN 100419416C；CN 100507543C；CN 100575940C；CN 100575941C）

　　這些傳感器發(fā)明難點是新制作工藝。它們都可在大溫度壓力范圍連續(xù)使用，體積小，穩(wěn)定性好，高壓密封結構簡化。密封結構耐高壓高溫，適于直接投入極端環(huán)境下使用。這些是國際傳感器發(fā)展的新方向。如Zr/ZrO2電極，在0~400 下（或更高溫度壓力）連續(xù)使用，鋯具化學穩(wěn)定性，使用壽命長。國際使用陶瓷YSZ/HgO/Hg傳感器（YSZ是含釔的氧化鋯陶瓷，管內裝HgO/Hg）做測量電極，體積大，低于200 時不靈敏。密封結構復雜，有外加冷水套等，不適于直接投放。國際使用的其他電極也多以陶瓷管為基礎，同樣有體積大，結構復雜等弱點。

　　我們還發(fā)明了兩類高溫高壓化學傳感器檢測標定實驗平臺。檢測標定高溫高壓含氣的流體pH，H2，H2S，Eh的傳感器。有安置2~5支不同類型電極高壓釜，可以有氣體和液體兩種輸入裝置，隔絕空氣的取樣裝置。多道數據采集，全部計算機控制（授權號CN 100412539C）。

　　發(fā)明有高溫高壓窗口反應腔

　　可以在高溫高壓下通過窗口觀測反應，結合多種譜儀原位直測，獲得各種不同類型譜信息。目的是獲得高溫高壓下物質的各種譜的信息，然后認識高溫下的物種和物質結構。發(fā)明了高溫高壓窗口的反應腔連接紫外可見譜儀。儀器體積很小，置入紫外可見譜儀。再接流動系統(tǒng)。通過石英窗口在500 50MPa下可準確測量流體成分，溫度和壓力（CN 100392375C）。相反，國際市場的產品的高壓窗口光學池只能測溫度、譜圖。多為 100 的密封腔，不能測量反應腔內的壓力數據。

　　我們還使用石英光纖，把可加熱的金剛石壓砧與紫外可見譜儀連接。能夠在超高壓高溫下測量流體的紫外可見譜。

　　二、高溫高壓反應動力學實驗和原位觀測整合方法

　　我們研制了500 、40~60MPa或更高溫壓下運行的流動反應裝置。包括：安置高溫高壓化學傳感器的高壓釜和流動反應裝置；有觀察窗口反應器的多元氣液混合超臨界流體反應，相分離裝置；實現了有高溫高壓化學傳感器，又有高溫高壓窗口觀測和譜儀連接的流動反應裝置整合技術（CN 100412539C；CN 2294095；CN 2623314）

　　如果只有傳感器，可獲得高溫高壓反應器里流體的電化學參數（如pH，H2，H2S，Eh 等）。但是，高溫高壓下反應后的流體是什么物種？不知道�，F在，同時在反應釜安置窗口，可獲得高壓高溫流體的紫外 可見 紅外譜圖。于是，可以全面認識極端條件下的流體化學參數、物種及分子譜和電子譜結構。解決了高溫高壓反應過程中無法連續(xù)原位檢測、不知道中間產物的技術難題。對于地球深部資源能源探測問題，極端條件下過程分析化學，材料研制，水熱合成等都是重大突破。

　　三、發(fā)明儀器推動科學進步

　　國際刊物《分析化學》，《材料科學通信》，《材料科學》，《火山地熱》等多次發(fā)表論文介紹我們的高溫高壓化學傳感器和高壓儀器使用及其相關的研究成果。在《分析化學》（影響因子5.7）發(fā)表文章2篇。其內容論述了Zr/ZrO2電極、H2的金電極傳感器的制作新方法，結構，高溫高壓標定方法數據。實驗表明：高溫高壓下傳感器的毫伏測量響應與流體的氫離子濃度，氫氣濃度有很好的線性關系，與理論預測完全一致。并且，Zr/ZrO2電極的ZrO2是一個納米膜。發(fā)現納米膜結構的氧含量分層。結晶好、緊密的富氧的ZrO2納米膜決定了傳感器電化學穩(wěn)定性。

　　發(fā)明新的傳感器之后，2004年6月和12月，我們自行研制的具有我國自主知識產權的新型集成化高溫高壓傳感器裝置，兩次搭載“大洋一號”在我國南海3100多米深海試驗成功，獲得深�；瘜W參數數據。

　　發(fā)明的儀器促進了新科學發(fā)現，創(chuàng)造了高溫高壓新數據。已經發(fā)現礦物與流體反應在臨界區(qū)的反應動力學漲落。直接觀測發(fā)現高溫高壓流體在臨界區(qū)的鍵態(tài)變化，如氫鍵減弱和網絡破壞。在國外很少報道高溫（大于300 ）高壓礦物反應動力學數據，較少與水如氫鍵性質聯系。

　　多年來我們堅持發(fā)明研制儀器，推動地球科學新領域發(fā)展，使它走向精確化和定量化的研究，并且促進了地球深部資源能源探測技術進步。實現高溫高壓流體和流動反應原位監(jiān)測，還適用于深部鉆孔，石油井，地熱探查，熱電站，深海，高溫高壓化工過程的監(jiān)測，高溫材料合成，生物工程，極端條件下微生物，環(huán)境工程，食品加工等各類高溫高壓過程直接觀測，有力地促進了國家尖端技術、核心技術、高新技術等領域的發(fā)展。（中國地質科學院礦產資源研究所研究員 張榮華）