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2023年质谱技术亮点，国家重大突破与革新有哪些

2024.1.25

　　在2023年，仪器行业整体呈现出一片繁荣的景象。质谱类仪器在这一年中取得了令人瞩目的成果，进一步巩固了其在分析仪器领域的核心地位。质谱仪的国产化问题一直备受关注，而在这一年里，我们国家在质谱仪器的研制方面取得了重大突破。

　　在具体的研发成果方面，华仪宁创发布业界首台单细胞代谢分析质谱仪；近代物理所推出了“磁刚度识别的等时性质谱术”，大连化物所李海洋团队则发展出了常压负离子质谱方法；合肥物质院则建立了一套水中VOCs走航监测的船载质谱系统，成功填补了相关领域的空白。此外，我国首套深海质谱仪成功海试，进一步提升了我国在深海探测领域的实力。国产热表面电离质谱仪顺利通过仪器性能鉴定，标志着我国质谱仪器的技术水平再上新台阶。国内首台紧凑型加速器质谱仪（AMS）研制成功，为相关领域的研究提供了强有力的工具。510所工程产品替代项目“气体质谱仪”通过验收，进一步推动了我国质谱仪器在实际应用中的普及。我国首套自研天然气在线气质分析装备的发布，为天然气行业的质量控制和分析提供了新的解决方案。

华仪宁创研制发布业界首套单细胞代谢物分析质谱仪

2023年9月6日，宁波华仪宁创智能科技有限公司在第二〸届北京分析测试学术报告会暨展览会（BCEIA）开幕式当天隆重发布了自主创新的单细胞代谢物分析质谱仪（SinCell-100）。

单细胞代谢物分析质谱仪（SinCell-100）

在国家基金委“重大科研仪器研制项目”和国家科技部“重大科学仪器设备研发”等重大科技专项支持下,华仪宁创与清华大学张新荣教授团队、宁波大学闻路红教授团队合作，突破了皮升液滴萃取技术、皮升电喷雾质谱技术、单细胞显微操控技术、单细胞代谢组学数据分析算法等核心关键技术，成功研制出业界首套基于萃取法的单细胞代谢物分析质谱仪。2023年2月国家基金委“质谱单细胞分析系统研制”重大项目顺利通过国家基金委结题验收，被专家考核为“优秀”执行项目。

华仪宁创自主创新单细胞代谢物分析质谱仪（SinCell-100）是一款从“0-1”原创技术产品，可全自动完成单细胞的定位、萃取、电离、质谱分析，为生命科学前沿探索——单细胞代谢组学研究提供了一种全新的技术手段，对生命科学和精准医学意义重大，未来在重大疾病早期筛查、个性化治疗赖药监测和肿瘤药物筛选等领域具有潜在应用价值。

2023年9月6日张玉奎院士、张新荣教授为单细胞代谢物分析质谱仪揭幕

近代物理所研发“磁刚度识别的等时性质谱术”

左图：更换质量数据前（黑）后（红），X射线光度曲线与反应灰烬质量占比的对比。右图：第一性原理计算得到的质子中子相互作用能与实验数值的比较。其中蓝线数值包含两体力，红线数值包含两体力和三体力。

　　基于兰州重离子冷却储存环，中国科学院近代物理研究所质量测量团队成功研发了“磁刚度识别等时性质谱术”。新型质谱术具有高精度、高效率、单离子灵敏、测量时间短、无测量本底等特点，在极短寿命与极低产额原子核的质量测量上，是目前最先进的技术和方法之一。相关工作发表在《Physical Review C letter》与《The European Physical Journal A》上。

　　利用新型质谱术，首次精确测量了锗-62、砷-64、硒-66、氪-70的质量，并且提高了锌-58等七个核素的质量精度。利用新测得质量，团队研究了中子星表面的X射线暴。研究发现，快速质子俘获过程发生了变化，X射线暴光度曲线峰值增加、尾部持续时间延长。对比目前天文观测数据最丰富的、代号为GS 1826-24中子星的X射线暴，团队发现该中子星与地球之间的距离更远（需增加6.5%）、中子星表面引力红移系数需要降低4.8%。中子星表面引力红移系数的上述变化意味着中子星内部结构更加疏松，而X射线暴后中子星表面的温度会比通常认为的更高。从新的原子核质量数据中，研究团队提取了N=Z偶偶核质子-中子相互作用，发现其变化趋势与奇奇核中的趋势相反，存在奇特的分叉现象。现有的核质量模型无法再现这一现象。研究团队基于第一性原理对相关物理量进行了计算，发现只有引入三体力，理论才能较好地描述这一现象。相关结果分别发表在《Nature Physics》与《Physical Review Letters》上。

　　大连化物所李海洋团队发展出常压负离子质谱方法

　　2023年5月4日，中国科学院大连化学物理研究所仪器分析化学研究室快速分析与检测研究组研究员李海洋团队基于自主研发的大气压负离子飞行时间质谱仪器，提出了检测呼出气中氢氰酸（HCN）的气流辅助光电离质谱方法。该方法显著提升了呼出气中HCN直接测量的灵敏度和时间分辨能力，可实时跟踪志愿者单次呼气中HCN浓度水平，有望为肺纤维化病人早期筛查提供有效手段。

　　HCN是化工生产和化学战剂中常见的有毒有害气体，具有高挥发性、高吸附性。人体呼出气中也含有痕量的HCN。临床发现，肺部囊性纤维化（CF）患者呼出气体中HCN浓度较高，这与患者被铜绿假单胞菌感染有关。因此，发展高灵敏的在线呼出气中HCN测量方法，有望实现CF疾病的快速筛查。由于HCN易溶于水、极易吸附于装置表面，直接测量高湿度呼出气中HCN面临灵敏度和响应速度的挑战。

　　该团队在前期工作的基础上，提出了在质谱电离源内，采用氦气反吹方法，降低高湿度样品气对电离的影响，同时提高离子传输效率，增强了HCN检测的灵敏度。该团队在采样系统中进一步增加动态吹扫，有效减小了HCN的吸附残留，提升了该方法的时间分辨。该方法将HCN的检测灵敏度提升了150倍，检测限达到0.3ppbv，时间分辨达到0.5s。该团队将这一技术用于跟踪监测志愿者漱口前后单次呼出气中HCN轮廓变化，可以区分出单次呼出气中HCN显著的“尖峰”和“平台”区间，分别反映了口腔和肺泡释放源的浓度水平，表明了该方法的抗干扰能力和HCN定量的准确性。

　　相关研究成果以Online Detection of HCN in Humid Exhaled Air by Gas Flow Assisted Negative Photoionization Mass Spectrometry为题，发表在《分析化学》（Analytical Chemistry）上。研究工作得到大连化物所科研创新基金等的支持。

　　合肥物质院建立水中VOCs走航监测的船载质谱系统

　　2023年7月，中国科学院合肥物质科学研究院健康与医学技术研究所医用光谱质谱研究团队建立了水中挥发性有机物（VOCs）走航监测的船载质谱系统，可快速获取水中VOCs的时空分布图像。相关研究成果发表在《清洁生产杂志》（Journal of Cleaner Production）期刊上。

　　水中挥发性有机物（VOCs）会影响水中微生物的生长，并会随着水汽蒸发进入大气，参与大气化学反应，生成臭氧和细颗粒物等次生污染物，加剧空气污染问题，对人类健康造成危害。因此，快速获取水中VOCs时空分布，对于调查水域污染，促进江海湖泊管理，提升健康环境具有重要意义。

　　传统的水中VOCs检测技术和方法因前处理和检测时间长，难以快速获得水中VOCs的时空分布特征和排放源位置。因此，该团队开发了水中VOCs走航监测的船载质谱系统，可通过喷雾提取-质子转移反应质谱技术，对水中VOCs进行快速在线提取和质谱实时监测，并将其组分和浓度信息与地理信息系统（GIS）融合，实时展示水中VOCs的空间分布，实现水中VOCs分布的快速成像和污染溯源。

　　通过在合肥南淝河下游和巢湖部分水域进行的现场试验，该团队已验证该系统对于环保执法和水环境保护具有潜在的应用价值。该系统除了船载安装用于大面积水域VOCs分布调查和河道VOCs排放溯源外，也可以定点安装用于对管道、河流等水中VOCs的实时监测预警。

　　我国首套深海质谱仪成功海试填补相关领域空白

深海质谱仪

　　2023年7月，中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所制出国内首台深海质谱仪，并完成多次海试。相关研究成果以《用于深海气体原位检测的水下质谱仪的研制与应用》为题，发表在《中国分析化学》上。该工作推进了国内在深海质谱仪研制领域的研究进展，为我国深海、深渊探测战略提供更多技术支持和保障，并为后续探寻海底油气和矿产资源、探究生命起源和早期演化以及研究全球气候变化等奠定了原位质谱探测基础。

　　深海极端环境塑造了特殊的生命过程，蕴藏着丰富的矿产资源，对其探测是国际地球科学研究的前沿问题。深海原位探测技术可在时间和空间维度上连续获取深海样品的组分、含量及其变化信息，因而被广泛应用于深海极端环境的研究。智能所陈池来研究团队长期致力于新型MEMS质谱关键技术及应用研究。作为深海智能感知技术联合实验室共建单位成员，该团队先后突破质谱小型化设计集成、质谱关键器件MEMS制造、水下膜进样快速定量标定等关键技术，经过多年攻关，研制出国内首套深海质谱仪。这一深海质谱仪可在原位实现深海中N2、O2、Ar、CO2、CH4等小分子溶解气以及烷烃、芳香烃等挥发性有机物溶解气的定性及定量检测。

　　2022年至今，团队成员携带深海质谱仪参加了多次专项海试，验证了其工作原理及工程应用的可行性，完成了设备功能性验证实验、海底定点在线检测实验及深度扫描试验；实现了深海冷泉区域溶解气的长时间（25.8h）原位检测及海平面至海底（-1388m-0m）溶解气的在线检测；获取了深海海底小分子溶解气浓度随时间的变化曲线及纵向浓度分布轮廓线等关键科学数据。

　　该技术可用于深海探测，也可用于内河、湖泊、近海水下溶解气信息获取，为水体环境污染和生态评估提供重要数据。研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项（A类）“深海/深渊智能技术及海底原位科学实验站”中“深海智能感知及决策技术”的支持。

　　国产热表面电离质谱仪顺利通过仪器性能鉴定

　　2023年9月18日，西安交通大学组织专家在西安对西安交通大学、西北核技术研究院等联合研制的国产热表面电离质谱仪进行仪器性能鉴定。鉴定委员会一致认为：该仪器主要技术指标与国外先进商业仪器相当，其中峰形系数、系统稳定性和丰度灵敏度（带阻滞过滤器）指标优于国外仪器；突破了多工位热离子源、磁-电双聚焦离子光学设计、高稳定磁场控制、多接收离子探测等关键技术，在仪器设计与关键部件研制方面有多项创新，实现了同位素丰度高精密测量；自主开发了点样仪、样品带成型及焊接装置、样品带去气装置等全套辅助设备，可满足日常分析要求。

　　国产热表面电离质谱仪成功通过鉴定，将推动我国高端磁质谱仪器向国产化替代迈进，打破关键领域仪器设备“受制于人”的被动局面。

　　国内首台紧凑型加速器质谱仪（AMS）研制成功

　　2023年11月，中核集团中国原子能科学研究院核物理研究所成功研制出国内首台紧凑型加速器质谱仪（AMS）。其中，串列加速器长度仅为1米，大小为传统串列加速器1/3；整套系统占地面积约30平米，较传统AMS装置缩小2～3倍；可实现碳-14、铝-26、碘-129、铀-236等十余种核素的高效与高灵敏分析，相关技术指标达到国际领先水平。这标志着我国在高端核分析设备研制方面取得重要进展，为加速器质谱的高灵敏分析应用奠定了坚实基础。

　　加速器质谱小型化、紧凑化是当前国内外加速器质谱研究的热点领域。经过近四年的努力探索，原子能院加速器质谱研究团队对紧凑型加速器质谱仪的核心难点——加速器紧凑化进行了创新研究，并突破高压馈入、气体输入、高压绝缘、间隙加速、气阻分布等系列关键技术，成功研制出国内首台紧凑型串列加速器。该加速器综合了单极型、大气绝缘型加速器质谱仪的优点，具有结构更紧凑、性能更佳、可开展多核素测量等优势。同时，团队根据加速器质谱系统小型化和多核素高效、高灵敏分析的需求，对加速器质谱系统进行了物理与束流光学方面的优化设计，建成了紧凑型串列加速器质谱仪，有力提升了装置经济性。目前，该加速器质谱仪的传输效率和测量灵敏度均通过实验验证，可广泛应用于大气雾霾、海洋污染、生物医药、天体物理等研究领域。

　　项目团队将继续深入开展加速器质谱仪的新装置、新技术研究，进一步推进我国高端加速器质谱的国产化进程，并基于该装置开展多核素高灵敏分析与应用研究，积极拓展其在环境、物理、地质、生物、药学、天体等领域的应用。

　　510所工程产品替代项目“气体质谱仪”通过验收

　　2023年3月，由中国航天科技集团有限公司五院510所承担的一工程产品替代研制科研项目“气体质谱仪”顺利通过项目鉴定验收。项目组历时2年，克服了研制周期短、项目技术难度大等不利因素影响，高效完成了关键技术攻关、初样机和正样机研制，并通过了第三方环境适应性、可靠性、电磁兼容性、安全性等各项试验。

　　气体质谱仪产品由分析器、控制器、射频电源升压模块和上位机应用软件等部分组成。在验收中，鉴定验收委员会在对产品审查项目研制总结报告、验收测试意见、鉴定资料审查意见和用户使用结论意见审查后，一致认为：项目提交的技术文件和设计图纸资料齐全规范，能够指导生产，同意该项目通过鉴定验收。

　　气体质谱仪产品不仅可以满足航天器等领域宽质量数气体成分探测需求，还可广泛应用于半导体制造、大科学工程等众多领域。

　　我国首套自研天然气在线气质分析装备发布

　　2023年10月30日，我国首套自主设计研发的天然气气质分析装备完成全部工业性试验正式发布，填补了该类产品国产化空白，标志着我国天然气检测关键技术获突破。

　　天然气气质分析仪是保障长输天然气管道安全高效运行的关键设备。本次发布的国产化天然气气质分析仪装备，包括在线气相色谱分析仪、冷镜面法水烃露点仪、激光法热值仪、水露点仪、硫含量测定仪等5类6种成套仪器及相关配套设备。仅需30微升的天然气样品，5分钟内即可快速检测14种组分，实现了对天然气热值、水含量、硫含量等关键参数的在线准确测量。装备通过对天然气气质组分、发热量、水烃露点和硫含量等参数进行在线精确分析，为生产、输送、使用等环节提供重要依据，确保输送的天然气既能保持有效可燃成分，又能避免腐蚀管道和污染环境。此次发布的产品已在西气东输管道、陕京管道、中贵线等多个站场完成了4000小时工业性试验。装备突破了微型进样器和传感器芯片、多维激光探头等关键核心技术，自主研发了在线气相色谱分析仪等5类6种核心关键设备，各项性能指标均达到国际先进水平。

　　随着我国传统产业持续转型升级、新兴产业加快发展，重大工程、工业装备、智能制造、新能源、海洋工程等领域对仪器仪表的需求将进一步扩大，我国仪器仪表行业加速发展。

　　仪器仪表行业虽然只是制造业的一个细分领域，但它却在高端产业、科学研究等方面有着举足轻重的地位，世界发达国家高度重视和支持本国仪器仪表产业的发展。受益于中国经济的持续增长，我国已成为世界发展中国家中，仪器仪表产业规模最大、产品品种最齐全的国家。但我国仪器仪表产业在中低端产品具备较强竞争力。

　　随着各行各业整体仪器仪表种类需求持续增长，叠加政策和下游需求推动行业高端国产化替代加速，我国仪器仪表企业数量持续增长。数据显示，截至2022年末我国仪器仪表企业数量达6132家。日前发布的《关于计量促进仪器仪表产业高质量发展的指导意见》提出，到2035年，国产仪器仪表的计量性能和技术指标达到国际先进水平，部分国产仪器仪表的计量性能和技术指标达到国际领先水平。