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《小型质谱仪关键技术创新及整机研制》自主研制侧记

行业聚焦点中国仪表网2011年02月12日 09:29人气:4955

  “中国仪器的发展离不开质谱仪,如果中国的质谱业能在我们的带动下发展起来,如果我们研制生产的质谱仪能够摆在中国的实验室里被使用,那我们就算做了一件有意义的事情,这些年的付出就没有白费。”“让中国的实验室用上自主研制生产的质谱仪”,这不仅是中国计量科学研究院质谱技术研究实验室助理研究员黄泽建的心愿,也是所有《小型质谱仪关键技术创新及整机研制》项目组成员共同的心愿。当由中国计量科学研究院与清华大学联合完成的该项目荣获2010年度国家科学技术进步二等奖的喜讯传来时,黄泽建他们知道,属于中国质谱仪的春天就要来了!
  
  质谱仪到底有多重要
  
  质谱仪是一类将物质粒子(原子、分子)电离成离子,通过适当电场或磁场将它们分离,并检测其强度从而进行定性、定量分析的仪器。由于质谱仪具有直接测量的本质特征,以及高分辨、高灵敏、大通量和高准确度的特性,在生命科学、材料科学、食品安全、环境监测、医疗卫生、国家安全及国际反恐等领域具有不可替代的作用和举足轻重的地位。特别是在物质量、物质结构的准确测量方面尤为重要,是现代化学分析、生物分析领域应用最广泛的测量技术手段,同位素稀释质谱法则是化学和生物计量中适用性最强、测量准确性最高的手段和基准方法之一。
  
  蛋白质组学泰斗的JohnYates教授曾做出了这样的评价:“质谱方法在蛋白质组学研究中绝对关键,正因为有了质谱技术,才能有蛋白质组学的存在。”
  
  黄泽建提供的美国市场研究和调查公司(SDI)市场分析报告数据显示,自2002年以来,每年以超过8%——9%的幅度增加。全球市场2005年销售量为15亿美元,2007年达30.8亿美元,2012年预计将达45亿美元。
  
  无论从市场份额、市场增长率还是从技术更新速度,质谱仪在分析仪器领域都拥有了绝对的霸主地位,质谱仪的应用水平甚至在一定程度上反映了一个国家的分析技术水平,而质谱仪的产业状况也在一定程度上反映了一个国家科学仪器,尤其是分析仪器的产业发展状况和该国的创新能力。
  
  中国质谱业面临窘境
  
  SDI的数据显示,我国进口质谱仪数量上升更快,2003年进口了300多台,而2007年就达到了1700台,2008年上半年已达1100台,每台的价格为10万至80万美元。乳制品中三聚氰胺重大食品安全事件发生之后,中国对于质谱仪的需求急剧增加。国内专家估计,今后五年中国质谱市场年增长率会达到25%——30%。
  
  “然而,当你走进分布在全国各地的各大型专业分析实验室,看到的却几乎全是由国外生产的质谱仪,这些进口质谱仪少则几十万,多则几百万。”让人遗憾的是,我国的质谱仪市场100%全部被国外公司垄断,他们正在迅速吞噬本来就不大的民族企业的有限市场空间。
  
  “但这还不是最可怕的。”黄泽建说。在世界各国重要贸易技术壁垒——食品安全检测中,质谱仪是不可或缺的技术手段,而且随着技术贸易壁垒的升级,对质谱仪及质谱分析技术的要求越来越高。黄泽建充满忧虑地说:“由于质谱仪器受制于人,我国在食品安全、环境保护、产品质量安全等许多领域的标准、技术方面受制于人;而且,真正的核心技术是买不到的,代表源头创新的最先进质谱仪是不对我国出口的。质谱仪核心技术的‘空心化’,使得我国相关分析检测能力难以实现整体提升和跨越式发展,这也限制了我国相关领域的原始创新,导致我国在生命科学、新药研制等前沿基础科学领域缺少原始创新。”
  
  一面是对质谱技术和仪器的严重依赖,另一面却是被进口装备和技术的完全垄断,我国质谱技术自主研发迫在眉睫。
  
  我国广大科技专家从未放弃对质谱技术自主研发的努力。多次尝试技术引进与整机组装,但由于核心、关键技术的缺乏,未能如愿取得突破。“十五”期间,科技部在老一辈质谱技术专家的建议下,提出了“突破关键技术,主攻小型质谱仪自主研制”的质谱仪发展路线。
  
  从“零”开始
  
  2002年,学科带头人方向研究员,作为项目负责人,率领项目组朝着小型质谱仪的方向开始了长达八年的攻关。
  
  “我们几乎是在‘零’的基础上开始摸索研究的。”黄泽建回忆起项目最初开始时的情景。没有相关的理论基础知识,项目组成员只能老老实实从最基本的理论开始学起;国内没有配套设备生产,项目组只能自己找加工厂加工。一个导线接口,找了好几个厂加工,前前后后做了几千个,但能用的只有不到十个;国内机械加工能力的落后也制约了研究的进行。质谱仪很多零部件对精度的要求非常高,有的甚至要求误差控制在1微米之内。普通的机械加工厂根本做不到,为了加工出符合要求的高精度零件,项目组辗转于国内大大小小的加工厂,寻求最好的合作伙伴。
  
  在科研探索的道路上,谁也无法预测前面将会遇到怎样的困难。用坚韧不拔的毅力和勇气不断克服这些永远未知的困难,这或许正是科研的乐趣。在这过程中,既有灵感的突然闪现带来的惊喜,又有百思不得其解的烦恼;既需要集体智慧的相互碰撞,又需要每个成员脚踏实地的动手操作。在中国质谱仪诞生的过程中,也不缺乏这样的例子。
  
  一个困扰项目组整整半年、投入了大批资金、科研人员花费大量时间精力却一直无法解决的难题,竟被偶然发现原来是由于设备接触不好而导致。在稍加调整后,设备从此运转正常;
  
  为了找寻到最适合制造核心部件——离子阱的材质,项目组依次尝试了多种不同材料,并设计研制出了各种不同结构和形状的离子阱,最终在六代离子阱中选择了性能最优的一款;
  
  为了不断地调试设备,每名研究人员反反复复拆装一台质谱仪的次数都要以“千”来计算……
  
  核心领域取得突破
  
  多年的努力,项目组从理论和技术上解决了一系列质谱仪自主研制的技术难题,不仅对关键技术有原始创新,对质谱仪整机的研制也具有集成创新。
  
  针对质谱领域发展的大趋势,项目组在其关键的两个核心领域,即质量分析器和离子源方面提出了3项重要的发明,占领了国际质谱研究的一席之地、奠定了可持续发展的基础。在多电极离子阱和离子光学方面,他们在国际上首次提出了“用电场分布平衡机械误差带来的高阶场”的新思路;在叠型场离子阱质量分析器方面,他们又首次提出“用机械形状近似来提供更多完美电场”的新思路。这两种新的发明为离子阱、线性离子阱的发展开辟了新的、更广阔的道路。项目组还首次提出介质阻挡放电离子源的实现方法,介质阻挡放电离子源和自主研制的便携式质谱仪首次成功结合,将为国民经济生活水平的提高贡献重要力量。
  
  项目组还建立了一系列自主有特色的专利技术。例如:阱内光电离技术使得复杂挥发性有机气体的定性和定量分析变得简单;离子阱阵列可以对一个或者多个样品进行同时分析,大大提高了质谱分析的效率,同时,信号累加的方式还可以使得在进行痕量分析的时候,获得更高的灵敏度;便携式质谱仪研制的成功使得我国成为国际上少数几个质谱小型化发展的国家之一,最新研制的便携式质谱仪使得现场快速检测、在线和原位检测成为可能,为应对各种突发性事件、公共安全事件等提供了很好的解决方案……
  
  现在,项目组已成功研制出车载质谱、生物质谱、小型便携式质谱,它们将在我国生命科学、生物安全、航天科技等领域发挥支撑作用。
  
  更可贵的是,项目组把产业化作为成果应用推广的首要任务,在带动我国质谱仪产业跨越式发展方面做出了突出贡献。黄泽建介绍,由他们自主研制的3种型号质谱联用仪工艺样机,已进入产品工艺化阶段。他们已与普析通用公司通过签署技术开发服务的模式,成功实现了四极杆质谱仪的产业化。到2010年底,该产品已销售数十台,实现上千万的销售额。一个让人欣喜万分的中国质谱产业发展的雏形正在形成。

来源:中国质量报
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