做中国人的质谱仪：从0到6%！突破国外技术封锁

近日，国际知名分析仪器智库SDI公司研究报告显示，位于羊城东部的广州禾信仪器股份有限公司（以下简称“禾信”）是国内唯一得到国际关注的国产质谱公司，在国际便携质谱市场份额占比为6%。

“这意味着在国际质谱仪研发领域，有了中国企业的一席之地。”

一、质谱仪的来历

19世纪末，物理学家E.Goldstein在一次低压放电实验中发现了正电荷粒子，随后W.Wein观察到带电粒子束会在磁场中发生偏转，也就是物理学中电磁偏转问题的前身，这些观察结果为质谱提供了充足的准备。1912年，世界上第一台质谱仪由英国物理学家约瑟夫· 约翰·汤姆逊研制成功。后来质谱仪被广泛应用于各行各业，由于质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。目前主要用于进行物质分析，尤其是生物质谱，已经成为现代科学前沿的热点之一。

二、质谱技术的原理

质谱技术是建立在原子、分子电离以及离子光学理论基础之上的应用技术，通过质谱分析可以获得无机、有机和生物分子的分子量和分子结构，能对多种复杂混合物的各种成分进行定量或者定性分析。

质谱技术其实就是高中物理课本上经典的“带电粒子在磁场中的运动”问题的应用。简单来说，就是把复杂的混合物放在质谱体系中，将其分解为原子、分子，然后将电离注入到电磁场中。由于不同的带电粒子的质量和电荷比例不同，偏转时间也不同，质谱仪可以将这些时间、位置信息转换为光学数据，以质谱图的形式展现出来，复杂混合物的各种组分就得以被直观地观察到。

气体原子和分子受阴极射线电子的激烈撞击后，会形成阳离子，几乎所有原子，甚至包括惰性气体，都可以利用低压放电方式变为气态阳离子，这些阳离子组成了阳射线。具有特定运动初速度的阳离子射线经两个狭缝进入电场中，不同速度的阳离子在电场中的偏转程度不同，速度小的偏转程度大，反之，速度大的偏转程度小；阳离子射出电场进入磁场后也会发生偏转，所以偏转程度由运动的阳离子的质量和电荷比共同决定，即质荷比。质荷比相同的阳离子聚集在照相底片上形成一条短直线影像，不同质荷比阳离子在底片的不同位置留下短直线影像，类似光谱线。又因为这些影像与它们的质量有关，所以被称为质谱，这种检测仪器就叫质谱仪。

三、质谱仪的用途

随着质谱技术的不断发展，如今功能更加强大的质谱仪已经是涉及数学、电子、光学、化学、纳米、物理、环境等十几门学科的综合仪器。

质谱仪之所以能在“蓝天保卫战”中大显身手，主要是它被用作环境监测领域的在线单颗粒气溶胶质谱仪，能够在几秒内测量出空气中的几百种污染物，几小时便可获得某监测点PM2.5中的汽车尾气占比。如果将这种质谱仪放在一辆车上进行巡航，就能快速绘制出城市污染情况的“地图”。

质谱仪的使用，为人类生活带来了积极的影响，并且随着该领域的不断发展进步，在不久的将来，质谱仪一定会进一步走入人们的视野，为人类做贡献。

四、“做中国人的质谱仪”

科学仪器行业是典型的高附加值、技术密集型产业，涵盖光谱仪、质谱仪、材料测试仪等。其中，质谱仪作为实验分析仪器的重要分支，是测量物质原子量、分子量的唯一工具，被誉为“科学仪器皇冠上的明珠”。

要制造质谱仪，涉及多项技术和多个学科，难度大、周期长、投入多。以前，质谱仪研发是一个“无人区”，国产化更是一场“持久战”。

2000年代初，我国质谱仪几乎全依赖进口，年进口额达上百亿元人民币。

经过多年攻关，2013年，禾信迎来突破性一刻，打磨了近10年的PM2.5在线源解析质谱监测系统产品面世。

这套系统在全球首次实现PM2.5在线源解析，解决了快速弄清PM2.5污染物来源这一业界难题，它能把解析PM2.5来源的时间从3个多月缩至1小时内。目前，该监测系统已技术迭代4次，在我国200多个城市应用。

2017年，禾信研发的在线挥发性有机物质谱仪及单颗粒气溶胶质谱仪，分别于7月和11月参与南北极地科考，是“雪龙”号上唯一的大型国产高端科学仪器。

“在整个航程观测期间，仪器性能稳定，检测灵敏度高，操作便捷，数据还可以自动处理和存储。根据获取数据所形成的研究成果，已在多个国际学术期刊上发表。”第34次南极科学考察队对仪器予以极高评价。

更令人振奋的是，“中国制造”高端科学仪器首次实现出口欧美。2017年，一家美国科研机构想采购在线单颗粒气溶胶质谱仪。全球仅有3家企业研制出该仪器，而实现批量生产的只有禾信。凭借卓越性能，禾信拿下了订单。

6年前，禾信内部实施了“揭榜挂帅”制，组建起核心技术攻关小组。

四极杆飞行时间串级质谱联用仪，是生命科学、生物制药等领域不可或缺的分析仪器，但此前其国产化率为0。

这款仪器的研发极其复杂，涉及机械、电子、软件、真空等多学科，零部件数上千，且加工精度要控制在0.03毫米以内、装配精度要控制在0.05毫米以内，还要编写上百万行的代码，才可实现整机高效控制与采集。

“拦路虎”不断出现，团队逐一化解。历经多个版本迭代、上万次数据测试，团队成功实现整机关键核心部件全部自主可控。今年5月，首台自主研发的四极杆飞行时间液质联用仪LC-QTOF 7000面世。

该仪器是研究生物系统与生命万象结构、功能的物质基础——蛋白质组的重要利器。

从最初研发两三款产品，到如今每年在研产品多达10余款，涉及环境监测、生物医药、食品安全等领域，禾信的高端科技仪器设备国产化之路越走越宽。

从0提高到6%，打破了依赖进口的局面。但要推动国产质谱仪器行业良性发展，需要几代人努力。

来源：科普中国综合科技日报