访《小型质谱仪关键技术创新及整机研制》项目组

绿色的希望

——访《小型质谱仪关键技术创新及整机研制》项目组

   这是一个脚踏实地、不畏艰难的团队，用长达八年的时间攻关，取得了累累硕果；这也是一个勇于开创、团结进取的团队，用坚定的信念攀登科技高峰，以智慧碰撞出创新的火花——他们就是荣获2010年度国家科技进步奖二等奖的《小型质谱仪关键技术创新及整机研制》项目组组员们。

   “这是我们的事业啊！”当听到由中国计量科学研究院与清华大学等联合完成的《小型质谱仪关键技术创新及整机研制》项目荣获国家科技进步奖时，仍然“蹲”在质谱技术研究实验室里跟“质谱仪好友们”做伴的项目组成员黄泽建感慨万分地说。在他身边，有小巧如鞋盒大小的便携式质谱仪，也有形态材质各异的部件，有的仪器被拆装了上千遍……这些“好友”记录了他和同伴们长达八年的辛勤历程，也如同一枚枚正在萌芽的种子，预示着中国质谱业春天的到来。

    从“零”起步

   “中国的分析仪器要发展，必须要靠质谱。如果中国的质谱业能在我们的带动下发展起来，我们做的这些努力就真的有意义。”项目组负责人方向满怀感慨地说，这也是项目组成员们的心愿。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。它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。统计数据显示，质谱仪是近10年来全球增长最快的分析仪器，其应用水平在一定程度上反映了一个国家的分析技术水平，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。

   方向介绍说，在我国，近年来进口质谱仪数量上升很快，2003年进口了300多台，而2008年上半年已达1100台，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%。据了解，现在大型专业分析实验室几乎全是进口质谱仪，每台的价格少则几十万元，多则上百万元。少数国外企业的垄断迅速吞噬着本来就不大的民族企业的有限市场空间，检测技术空心化使我们丧失了许多领域国际标准、贸易壁垒和技术话语权，核心技术制高点的旁落使得生物技术、新材料等战略性新兴产业的技术创新难以跨入领先行列。

   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完全垄断，质谱技术自主研发的需求鼓舞着我国广大科技专家不断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。2002年，学科带头人方向研究员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，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，改变了国内质谱仪器研制落后的状况，开创了中国质谱事业新局面。

   心里有了努力的方向，但一切都得从“零”起步，项目组成员熊行创回忆说，大家从最基础的理论学起，自己动手摸索，来克服各种困难。他们发现国内没有配套的设备生产，只有自己找加工厂做，哪怕是一个小小的接头，他们都找了好几个加工厂，尝试做过几千个。同时，由于部件的加工精度要求很高，有的甚至要求误差在1微米以内，他们只有到处奔波，寻找合适的厂家。“我们就是这样从无到有，把没有的东西自己做出来。”

   在实验室里，光是核心部件离子阱，他们就有着很多版本，有用陶瓷固定的、有用聚碳酸酯固定的……每个版本的材质、结构有很大的不同。“这里至少有六代离子阱，有的是成功的，有的是失败的。我们不断地设计和改变它的结构，现在选择的是性能最优的一款，装配也容易多了。”项目组成员江游如数家珍般地介绍道。一个个完美或不完美的作品，在研究人员眼中，都记载着在攀登科技高峰之路上的苦与乐，坚持的汗水，智慧的火花。

    突破难关

   “我们不仅要把没有的东西自己做出来，还要创新，在关键的地方有我们自己的专利。”项目组成员黄泽建充满信心地说。随着项目组的不断攻关和深入研究，为我国的质谱仪自主研制带来了核心技术和应用技术的原始创新，以及关键技术和整机技术的集成创新。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三项重要的发明，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。

   他们首次提出了介质阻挡放电离子源的实现方法，采用介质阻挡放电技术，在大气环境下，对目标物进行解析电离，并导入质量分析器，从而实现了气、液、固三态目标物的直接检测和原位分析。介质阻挡放电离子源和自主研制的便携式质谱仪在项目组的努力下首次成功结合，将为国民经济生活水平的提高贡献重要力量。

   针对离子阱和离子阱阵列机械加工难度大、由于非理想形状降低其性能的问题，他们提出将离子阱的单个射频电极用多个电极组合、在每个电极上施加不同的直流和交流，用容易控制电场的分布来抵消机械误差带来的高阶场变化的方法，来提高离子阱的性能，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”这种新思路，为离子阱的发展开辟了一条新的、广阔的道路。

   被组员们称为“加了个小台阶”的“叠型场离子阱质量分析器”，针对平板离子阱非完美场的缺陷、理想双曲面离子阱加工难度大的问题，提出将离子阱关键的射频电极加工成阶梯状，既满足了加工简单的需求，又因含有更多的理想场分布而具有较好的性能，在国际上首次提出了“用机械形状近似来提供更多完美电场”这种新思路。这种离子阱有着更高的质量分辨，更适于便携式小型质谱仪，实现现场原位快速检测。而为了加好这些“小台阶”，在设计过程中，他们曾进行过无数的模拟和调节。

   项目组还建立了一系列自主有特色的专利技术，在国际上处于领先水平。例如：具有专利技术的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。此外，紫外光电离的选择性、以及线性离子阱的大容量存储和质量选择的特性，使得这类物质的检测具有更高的灵敏度；专利技术的离子阱阵列可以对一个或者多个样品进行同时质谱分析，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恒量分析的时候，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，为应对各种化学突发性事件、公共安全事件等提供了很好的解决方案……

   “在科研的过程中，就是要脚踏实地，敢于尝试，能想到的东西都要去想，有了想法后要勤于动手，不能怕辛苦。”这是他们一路走来的经验。

   此外，项目组还从开放式质谱仪研究实验平台、关键技术及关键部件入手，解决长期以来困扰国内质谱仪研究与自主制造的瓶颈问题，实现从无到有的突破，填补国内空白。他们自主研制了3种类型的开放式质谱仪研究实验平台：通用分析仪器实验平台、小型化仪器实验平台、专用仪器实验平台。成功攻克了小型质谱仪研制与开发的一系列关键技术及关键部件，掌握了质谱仪自主研发、生产、创新的技术关键和相关资源。

    带动产业发展

   “我们把目标集中在核心技术和关键部件的突破上，把产业化作为应用推广的首要，研究应用推广、产业推广、关键部件推广等模式。强化社会责任和对产业的贡献远远强过于我们自身的经济利益。”组员们纷纷表示。为了完成最初的心愿，项目组把产业化作为成果应用推广的首要任务，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。他们还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。质谱仪器的国产化进程，将在我国食品安全、环境监测、医疗卫生等急需领域发挥重要作用；采用核心技术和关键部件成功研制出的车载质谱、小型便携式质谱，将在我国生命科学、航天科技等领域发挥支撑作用。

   这群满怀责任感和创新观念的科研人员，用辛勤的汗水浇灌着心愿，也给中国质谱产业的蓬勃发展带来了绿色的希望。

    《中国质量技术监督》