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我国高分辨质谱攻关与布局研究报告
来源:中国仪器仪表学会分析仪器分会2022/05/13

       为了积极响应国家支持科学仪器自主创新政策,详细了解我国高分辨质谱的应用现状与发展瓶颈,探讨我国高分辨质谱研发攻关的可行性及相关对策,2021年10月29日,中国仪器仪表学会分析仪器分会、中国科学仪器自主创新应用示范基地及中科院生物物理研究所等组织举办了第十五期科学仪器发展高层沙龙。本期活动聚焦“加快高分辨质谱攻关与布局”的主题,近20位政、产、学、研、用方面的相关代表出席活动。以下是此次沙龙的纪要:



话题一:当前高分辨质谱的技术概况与需求



       1.1 目前高分辨质谱的技术发展概况


     业内通常把分辨率在10000(FWHM)以上的质谱称为高分辨质谱,主要包括双聚焦磁质谱、飞行时间质谱、轨道阱质谱及傅里叶变换离子回旋共振质谱。

用于高分辨质谱的四种质量分析器

       (1)双聚焦磁质谱

       同位素定量能力最准。正向双聚焦磁质谱最高分辨率可以达到40,000(FWHM),反向双聚焦磁质谱最高分辨率可达到100,000(FWHM)。

       (2)飞行时间质谱

       检测速度最快。随着多次/圈离子反射技术的引入,飞行时间质谱的最高分辨率已经突破600,000(FWHM)。

       (3)傅里叶变换离子回旋共振质谱

       质量测量精度最高。分辨率可达数百万甚至更高,价格昂贵,同时傅里叶变换离子回旋共振质谱需要在液氦低温环境中运行,液氦价格高昂,操作维护成本高。

       (4)轨道阱质谱

       静电场轨道阱是一种全新商品化的质量分析器,最高分辨率可达1,000,000(FWHM),比FTICR稍逊一些,但无需复杂的冷却装置。


       1.2 我国高分辨质谱的应用需求情况


     月球研究、地质科学、生命科学、核工业、材料科学等领域对高分辨质谱的需求日益旺盛,并且还在不断提出更多的新要求。

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       (1)月球研究

       # 我国规划2030年前建立国际月球科研站,需要把质谱仪送到月球上探测地外生命,希望质谱仪的分辨率更高、灵敏度更高、体积更小、质量更轻。

       # 月球样品中元素含量与地球的不一样,某些元素含量变高,干扰峰变强,希望二次离子质谱的分辨率进一步提升。

       (2)地质矿产

       # 地质矿产中的伴生元素比较复杂,且含量较低,伴生元素及痕量元素的检测特别需要高分辨质谱。

       (3)生命科学

       # 目前生命科学研究已经发展到了干细胞范畴,轨道阱质谱也成为了蛋白质组学、代谢组学、脂质组学研究的必备利器,生命科学、药物开发、临床质谱的未来发展,必然离不开高分辨质谱。

       (4)核工业

       # 核工业必需的磁质谱一直遭受国外禁运和技术封锁,发展自主高分辨磁质谱势在必行。

       (5)材料科学

      # “上天入地”科技的飞速发展,地矿、半导体、高温合金等领域对材料纯净度的高精度检测需求增多,因材料基体比较复杂,某些痕量或超痕量元素的测量需要高分辨质谱。


       1.3 当前高分辨质谱的市场垄断格局


      近年来,我国质谱仪器市场需求日渐旺盛,同时,多个国产质谱机种实现了商品化,并有了小批量生产和销售。然而,国产高端质谱仪的发展仍处于起步期,特别是高技术含量的高分辨质谱产品至今空白,国内市场长期依赖进口。

2020年中国质谱仪器市场需求情况

       (1)全球最大质谱市场在中国

       # 我国是全球最大的质谱市场,却也是国产占比最低的分析仪器市场。2020年我国进口质谱仪器13889台/套,销售总额约105亿元,占比92%,国产质谱销售额仅占8%。

       (2)磁质谱受国外禁运严重

       # 磁质谱市场规模不大,但受国外禁运最为严重,就目前来看,国外禁运的80%高分辨质谱都是磁质谱。

       (3)FTICR独家供应商:布鲁克

       # 傅里叶变换离子回旋共振质谱(FTICR MS)的最高售价超过1000万,是目前最贵的高分辨质谱,并且全球只有一家生产商——美国布鲁克·道尔顿。

       (4)赛默飞独家专利:Orbitrap

       # 静电场轨道阱技术是美国赛默飞世尔的独家专利,并推出了商品化的高分辨质谱Orbitrap。目前Orbitrap几乎成了轨道阱质谱的代名词,并对FTICR、TOF等高分辨质谱产生了替代或刺激作用,市场存在一定垄断态势。

       (5)二次离子质谱开启国产化之路

       # 原来全球只有法国CAMECA和澳大利亚ASI生产大型二次离子质谱。后来美国AMETEK收购法国CAMECA,仪器售价从原来2000万元涨到4500万元,形成技术垄断。ASI是澳大利亚国立大学的校办企业,2018年刘敦一教授创办的敦仪科技与澳大利亚国立大学及ASI签署技术转让协议,获得了部分核心技术。

      # 目前全球大型二次离子质谱装机量约50台,今年我国预计安装3-4台,还有2-3台在咨询阶段。



话题二:我国研制高分辨质谱面临的挑战



       2.1 从硬件到软件,技术层面的挑战


        高分辨质谱研发难度非常大,不止是硬件、软件和数据库,仪器的整体设计、加工工艺的精度也会增加攻关的难度。


       2.2 基础层面面临的问题



话题三:高分辨质谱研发攻关的可行性及对策建议



       3.1 关于高分辨质谱国产化的一些好消息


       近年来,在国家扶持与业内努力之下,我国在高分辨磁质谱、质谱流式细胞仪、二次离子质谱以及高精密质量分析器等方面取得了一些新突破:

       西北核技术研究所为消除核工业的同质异位素干扰问题,研制出两台高精密双聚焦磁质谱仪器,一台高灵敏度的激光共振电离质谱仪,一台高丰度灵敏度热表面电离质谱仪,绝对灵敏度可实现105的原子探测。

       杭州谱育科技发展有限公司于2021年9月推出了基于ICP-QTOF技术的质谱流式细胞仪新产品,并在2022年2月份启动了浙江省重点研发计划——“尖兵”研发攻关计划项目“流式质谱细胞分析技术”。

       中国地质科学院地质研究所为降低地质样品微量元素分析干扰问题,研制了多次反射飞行时间二次离子质谱;对标法国CAMECA最新型号,正参与研制国产第一台大型高分辨双聚焦二次离子质谱仪,涉及磁分析器、离子源和多接收器等关键部件。

       宁波大学质谱技术与应用研究院有相关研究基础,已研制出静电场离子阱,也在研究静电场与磁场杂合的全新质量分析器,分辨率可达20万+,最高能到30万。


       3.2 我国高分辨质谱的研发思路及建议



会议共识:我国研发高分辨质谱具有较强必要性!




       关于科学仪器发展高层沙龙:

      由中国仪器仪表学会分析仪器分会发起,通过剖析行业发展中存在的共性问题或前沿问题,为“产学研用政”搭建交流对接平台,为政府的科技决策提供参考。该活动自2012年起开始举办,每年不定期举办1-4期,迄今已成功举办15期,得到了原科技部条财司、北京市科委、企业、高校、科研院所等各界的大力支持。接下来,我们还将结合政府关注点、行业所需,不定期组织举办“科学仪器发展高层沙龙”,持续为大家提供有价值的服务与参考,敬请关注!

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