面向热点和关键应用 探索中国质谱发展道路
2018年8月18日，第一届质谱仪器研发论坛的第二天，各位报告人继续分享了精彩报告。其中包括禾信公司周振博士对中国质谱发展道路的探索性思考，西北核技术研究所李志明博士分享了核工业必需的磁式同位素质谱仪的研制，4位报告人均分享了便携式质谱仪的研制，包括大气压下进样和真空下进样的两种类型的便携式质谱，中国科学院高能物理研究所刘术林研究员分享了核心部件微通道板检测器的研制进展。会议由复旦大学丁传凡教授主持。
广州禾信仪器股份有限公司董事长、暨南大学质谱仪器与大气环境研究所所长周振博士
广州禾信仪器股份有限公司董事长、暨南大学质谱仪器与大气环境研究所所长周振博士做题为“国产质谱仪器产业化的思考”的报告，他谈到国产质谱的产业形势和对质谱仪器国产化的认识，并介绍了禾信质谱的新进展。从产业形势上看，在1000多个科技领域中，我国与世界先进国家差距极大的有52%，质谱就在其中。从我国质谱进口来看，2004年到2017年进口总额增长CAGR达23.00%，2017年达80亿人民币，而国产质谱是3亿元，市占率不到4%。总体比较来看，无论是质谱种类，年销售额，研发投入，还是公司规模，中国质谱与领先国家的巨大差距不仅是技术，还有认识的差距。目前我国国内主要硬件研发机构包括科学院所和大学约30个，国内质谱产品生产厂家近30家。如果看全球质谱企业，2017年全球质谱市场约300亿人民币，SCIEX、Thermo、Agilent、Waters、Bruker、Shimadzu这前6家的市场占有率达84.3%，年销售额1亿人民币的禾信大概排第13位，全球市场占有率仅0.37%。可见质谱是技术壁垒极高，垄断性极强的品类。中国若想排入全球前5名，大概要达20亿/年的仪器收入和20亿/年的服务收入。禾信多年来一直提“做中国人的质谱仪器”口号当前仍有意义，因为该口号如果过时的前提是：中国涌现出一批本土的专业质谱公司，且至少有一家公司进入世界前5名。
关于什么是国产质谱仪器，周振也希望有至少两个界定标准：（1）中国“关、境内”生产；（2）国内“成分”比例超过50%。当然最好是由中国人设计的。但目前来看，国家对下“国产质谱”的定义还犹豫不决。不过最近鼓舞人心的消息是，2018年7月13日，习近平在中央财经委员会第二次会议上强调，要培育一批尖端科学仪器制造企业。接下来，周振谈到了很多思考，并畅想了构建我国质谱行业生态的愿景。比如，他谈到我国质谱相关企业数量和营业额的模型；企业要利润，但也要谈技术与情怀，眼光应放长远一点。在竞争时要小心“不正当竞争”替代“创新”，强调团结合作；企业要做好技术准备，抓住各自机会而不要抄袭。在人才上，要做到引进与培养相结合，实现人才长期稳定。从中国整个质谱行业来看，要少提弯道超车，小心弯道翻车。
禾信的进展方面，周振谈到，禾信不忘初心，不追求短期利益，坚持做质谱。从团队上看，基本解决飞行时间质谱核心技术；基本解决线形离子阱核心技术； 基本靠质谱技术养活了超过200人的团队。目前禾信在广州科学城正在建设产业化基地，并筹建了质谱博物馆。小结中周振表示，希望通过各位同仁的努力，使中国在质谱仪器领域不受制于人，推动尖端科学仪器领域的民族品牌，培育质谱仪器正向开发的全国领军企业，正确认识质谱行业并制定相适应的政策。
西北核技术研究所李志明研究员
西北核技术研究所李志明研究员做题为“新时代下我国磁质谱的发展”的报告。他介绍了磁质谱的概念及从1913年开始发展的历史，磁质谱商品化世界上开始于1937年，我国开始于1958年。上世纪60、70年代，我国磁质谱仪整体技术指标与国外仪器相当；产学研团队较为齐备，需求推动仪器性能改进。80、90年代，受引进仪器设备冲击，磁质谱生产厂家陆续转产，人员流失严重；科研院所仅局限于中小型质谱计研发。至今我国仍未有商品磁质谱仪器。西北核技术研究所自1981年开始研发磁质谱，通过引进和改进，消化吸收再创新，研制了NINT3000 型质谱仪，同时兼容激光共振电离和热表面电离。研发新型高效热离子源，实现长寿命核素的高灵敏探测；首次实现磁-电-四极杆级联质谱，将丰度灵敏度提高近1000倍，达到1010以上，高于目前最好商业质谱仪约40倍。自主正向研发激光共振电离质谱仪器LRIMS，它采用磁电双聚焦质量分析器和多接收探测器，具有高的分析灵敏度和分析精度，适合于同位素比值的精密分析和测量。LRIMS与各先进商业高端质谱仪性能比较，研发的磁电双聚焦质谱仪总体性能指标与其处于相当水平，个别指标优势明显。课题自已形成了质谱仪器的正向研发能力，包括理论设计、关键部件研制和集成调试。从磁质谱发展的机遇来看，最振奋人心的是7月13日习近平在《中央财经委员会第二次会议》中提到：必须切实提高我国关键核心技术创新能力。培育一批尖端科学仪器制造企业等。
磁质谱应用领域依然十分广泛，发展机遇包括：（1）极端指标仪器设备需求明显；（2）解决科研和产业核心技术自主可控问题的要求强烈；同位素质谱新的应用热点不断涌现，近5年来，我国购置引进的稳定同位素质谱仪每年近200台。当前国外质谱生产已形成较好的产业链，不仅保证了生产仪器的质量，而且降低了成本。另外，国外磁质谱仪已被少数几家仪器公司垄断，其研发投入大和应用反馈强，其单台仪器利润率极高，已形成良性循环。而我国还面临人才短缺，资金投入少，应用推广难，单台成本高等挑战。李志明最后谈了几点看法如：构建国家级的磁质谱仪器研发和应用示范中心；鼓励和支持构建仪器部件研发和特定工艺研发工作室，打造和完善磁质谱产业链。建议在国家重大计划支持产业中开辟专项支持特种磁质谱仪器研发，并与该产业发展一起推广应用。制定国家仪器采购相关政策，鼓励科研院所购置国产仪器设备。
宁波大学科学仪器创新团队、宁波华仪宁创智能科技有限公司总经理闻路红教授
宁波大学科学仪器创新团队、宁波华仪宁创智能科技有限公司总经理闻路红教授做题为“敞开式大气压快速检测质谱开发与应用进展”的报告。在报告中，他介绍了敞开式大气压质谱的技术背景、研制进展及食品安全领域中的应用情况，并分享了自己关于成果转化的一些思路和想法。质谱分析性能强大，但当前的常规液质联用分析耗时长、分析成本高，无法满足实验室高通量筛查和现场快速检测的需求。2004年，Cooks教授首次开创性地提出敞开式大气压质谱分析技术（Science, 2004, 306, 471），是最近14年质谱技术研究的热点和前沿之一。介质阻挡放电离子源（DBDI）具有免试剂、结构简单、灵敏、高效等特点，经过大量的学术研究证明成为最受欢迎的敞开式离子源技术之一，是中国人在质谱领域居于国际前沿的原创技术。宁波大学、清华大学和华仪宁创通过产学研合作成功研制国际上第一台基于介质阻挡放电的敞开式大气压质谱离子源DBDI-100，并于2017年又研制发布了AMS-100移动式现场检测质谱仪。
闻路红也从该项目谈到了对大学到产业界技术转化的思考。他表示，清华大学张新荣教授团队开展基础研究，发表了高水平论文与ZL，并形成原理样机；宁波大学科学仪器创新团队进行工程化和二次创新，实现DBDI工程样机研制，华仪宁创的产业化队伍可解决工艺、质量和应用问题，实现DBDI离子源的量产和推广。他欢迎与有一定研究基础的科研团队开展产学研合作，共同解决成果转化“最后一公里”问题，实现我国自主创新成果的工程化和产业化。
目前商品化DBDI-100介质阻挡放电质谱离子源具有如下特点：应用范围广（支持气体、液体和固体样品原位离子化）、分析通量高（实现10个以上样品的连续自动进样）、分析速度快（免样品预处理，比传统质谱快30倍以上）、检测成本低（免试剂，操作简便，极大节省人力物力成本）的特点，DBDI-100产品获中国仪器仪表学会分析仪器分会“分析仪器创新奖”。AMS-100移动式现场检测质谱仪荣获2017 BCEIA“金奖”。闻路红接下来分享了该两项产品在食品安全领域中的应用。目前，产品已经实现了对饲料、肉、蛋、乳制品等食品中246种农残、119种兽残、15种抗生素、70种非法添加剂等物质含量的快速高效测定和食品安全快速检测行业整体解决方案，符合国标检出限要求。
最后闻路红表示，团队和公司主要定位于从事敞开式大气压快速检测质谱相关工作，做好10年、20年长期坚持的准备，期望与大家一起共建国产质谱行业命运共同体。
苏州安益谱精密仪器有限公司张小华总经理
苏州安益谱精密仪器有限公司张小华总经理做题为“便携式连续大气压接口质谱仪的研发”的报告，该项目的原理创新主要来源于北京理工大学的徐伟教授。项目的设计目标是“携带方便、操作简单、高性能、高可靠”的便携式质谱仪。具有开放式的便携式连续大气压接口质谱仪平台；可搭载多种离子源，应对不同的现场分析；高稳定性、高灵敏度和高鲁棒性的质谱仪；友好的人机界面，操作简单。张小华分享了MINI2000产品设计与迭代的进展。项目组研究了相位离子漏斗技术，开发了LSI激光喷雾离子源，优化仪器各部件设计和工程化开发，开展了在固体药物、血液、尿液、生物组织等样品中的初步应用研究。MINI2000采用连续大气压接口微型化技术，结合高气压离子阱技术开发连续大气压接口便携质谱仪，将连续、高效的大气压离子进样方式实现于便携质谱仪。仪器采用二级腔体设计，一级腔体内设置有微型离子漏斗，提高离子传输效率5倍以上。仪器具有15kg 的轻量型机身，定量性能 RSD < 5%；质量范围扩展可超过2,500u；检测限低至 0.01 μg/mL，1ppb~10ppm的4个数量级动态范围区间。最后，张小华还分享了该公司的7600四极杆型气相色谱质谱联用仪产品，该产品与国产气相色谱公司合作形成的GCMS已可每年稳定出货数十台，达到和进口产品可媲美的稳定性能，质量范围：1.5u ～ 1050u，质量稳定性：±0.1u/48h，灵敏度：1pg八氟萘S/N优于200:1，最大扫描速度达10,000 u/秒。公司还生产X706在线单四极杆质谱仪，目前已应用于环境领域。
苏州大学质谱科学与技术研究实验室的李晓旭博士
由于台风影响，张小华还代表苏州大学质谱科学与技术研究实验室的李晓旭博士做题为“小型化离子阱质谱研究进展”的报告。首先他回顾了小型化质谱的技术路线，第一种是真空内电离的质谱，使用EI、CI、PI（紫外光电离）、GDI（辉光放电电离）、场致电离（FI）等，样品气态进入，主要针对挥发性和半挥发性物质。另一种是大气压电离的质谱，使用ESI、NanoESI、APCI、原位电离，MALDI等，应用范围更广。在质谱进样及真空系统方面，可分别设计为“封闭式”（包括膜进样、色谱进样、毛细管直接进样）和“开放式”真空系统。在质量分析器方面，可采用离子阱、四极杆、飞行时间等。接下来主要介绍了课题组研发的半圆弧电极线形离子阱，非对称线形离子阱，非对称施压-PCB分压离子阱等。接下来他介绍了课题组开发的两种仪器，第一个是膜（色谱）进样-小型化离子阱质谱仪，它采用半圆弧电极线形离子阱，外部EI源，PDMS膜进样系统并配备自动气体采样装置，采用微型化真空系统设计、仪器整机小型化设计技术。目前的性能指标：质量范围15-550 amu，单位质量分辨，<5ppb（甲苯）检测限，重量<10kg，平均功耗<90W。接下来介绍了在有毒气体测试、化学战剂模拟测试、爆炸物测试、医用麻醉剂丙泊酚检测、与便携色谱联用检测VOC方面的应用。第二个是大气压接口-小型化离子阱质谱仪，采用小型化差分真空系统设计，微型化离子漏斗，高精度线形离子阱，和原味电离技术。目前的分析性能为：质量范围：100-1,000 amu，检测限<100ppb，单位质量分辨，25 kg重，采用三级差分真空系统。应用上，与纳升喷雾电离源联用后分析100ppb浓度的5286号药品，与纸喷雾电离源联用后分析茶叶中氨基酸，与低温等离子体LTP联用后分析1ppm的病毒样品。在总结与思考中他分享了几点：小型化质谱仪因必然带来分析性能的降低，应以满足特定领域的需求为导向做成专用型仪器。单人携带，推车移动和车载都属于小型化质谱仪范畴，不要一味追求“更小、更轻、功耗更低”。要注重稳定性和环境适应性。操作要简单，软件要智能化，让非专业人员也可得心应手地操作。
暨南大学质谱仪器与大气环境研究所、广州禾信仪器股份有限公司谭国斌博士
暨南大学质谱仪器与大气环境研究所、广州禾信仪器股份有限公司谭国斌博士做题为“小型化质谱仪的研制与应用”的报告。他从分析VOC的背景与趋势谈起，VOCs检测技术包括光谱、传感器、质谱等，针对环境污染问题，需要原位、快速、在线多组分同时检测的诊断技术。禾信提供VOCs检测的整体解决方案，包括：SPIMS-2000高时空分辨VOCs走航系统，ACGCMS-1000环境空气VOCs在线监测系统，DT-100便携式VOCs监测系统，以及GC*GC-TOFMS复杂体系VOCs监测系统。他主要分享了DT-100便携式VOCs监测系统，它采用PDMS膜进样系统、真空紫外灯离子源，线形离子阱质量分析器，主控电路系统，定制化系统软件的功能，以及溯源软件+气象五参数的功能。DT-100型商品化数字线形离子阱质谱仪重量13kg，采用锂离子电池，可连续工作超过2小时，待机超过5小时，冷启动时间5分钟，扫描速率10,000 u/s，质量范围20-650 u，可提供MS2， 3-5个数量级的动态范围，检测限优于0.03 ug/L(5ppb二甲苯）。接下来分享了分析苯系物、100ppb的PAMS标准气体、应用串级质谱分析风油精的分析数据，以及分析办公区域VOCs分布检测，区域性污染分布调查、末端治理效果评估、多路进样泄露预警预报等应用实例。
中国科学院高能物理研究所刘术林研究员
中国科学院高能物理研究所刘术林研究员做题为“5μm微通道板组件性能及其应用到低真空环境条件下检测离子的可行性”的报告。他介绍了微通道板的发展趋势，课题组研制的5 μmMCP主要技术指标，如未处理前的电阻和增益，均匀性，由两块MCP构成的组件的电阻和增益、脉冲性能。ALD技术制作高二次电子发射材料，ALD技术制作Al2O3薄膜后组件的电阻、组件的增益、组件的PHD、增益、P/V和脉冲分辨率等。展示了课题组研制的MCP组件用于MCP-PMT中的性能。2005年，Raymond等人在超低真空度环境条件下，比较了质谱探测器的性能，包括：单通道电子倍增器CEMs（Channeltron) ，Spiraltron CEM技术，多通道板检测器，离散打拿倍增器，比较它们的噪声（暗计数率）随工作环境压力的变化关系。Spiraltron操作在最高压2×10-2 Torr时具有1×106增益，被推荐用于做高压下点检测器；Chevron检测器操作在1.5×10-2 Torr压力下；5μm孔MCP检测器被推荐用于要求快速，两维或大尺寸面积的检测，或低谱检测设计。低噪音，高增益和高压下操作检测器依赖于正确的硬件设计。最后，刘术林分析了滨松新型三级结构MCP，解决小质谱仪低真空度难题的例子。
