為了中國(guó)質(zhì)譜業(yè)的明天

　　《小型質(zhì)譜儀關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及整機(jī)研制》項(xiàng)目自主研制側(cè)記

　　“中國(guó)儀器的發(fā)展離不開(kāi)質(zhì)譜儀，如果中國(guó)的質(zhì)譜業(yè)能在我們的帶動(dòng)下發(fā)展起來(lái)，如果我們研制生產(chǎn)的質(zhì)譜儀能夠擺在中國(guó)的實(shí)驗(yàn)室里被使用，那我們就算做了一件有意義的事情，這些年的付出就沒(méi)有白費(fèi)�！薄白屩袊�(guó)的實(shí)驗(yàn)室用上自主研制生產(chǎn)的質(zhì)譜儀”，這不僅是中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院質(zhì)譜技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室助理研究員黃澤建的心愿，也是所有《小型質(zhì)譜儀關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及整機(jī)研制》項(xiàng)目組成員共同的心愿。當(dāng)由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院與清華大學(xué)聯(lián)合完成的該項(xiàng)目榮獲2010年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)的喜訊傳來(lái)時(shí)，黃澤建他們知道，屬于中國(guó)質(zhì)譜儀的春天就要來(lái)了!

　　質(zhì)譜儀到底有多重要

　　質(zhì)譜儀是一類(lèi)將物質(zhì)粒子(原子、分子)電離成離子，通過(guò)適當(dāng)電場(chǎng)或磁場(chǎng)將它們分離，并檢測(cè)其強(qiáng)度從而進(jìn)行定性、定量分析的儀器。由于質(zhì)譜儀具有直接測(cè)量的本質(zhì)特征，以及高分辨、高靈敏、大通量和高準(zhǔn)確度的特性，在生命科學(xué)、材料科學(xué)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)家安全及國(guó)際反恐等領(lǐng)域具有不可替代的作用和舉足輕重的地位。特別是在物質(zhì)量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確測(cè)量方面尤為重要，是現(xiàn)代化學(xué)分析、生物分析領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的測(cè)量技術(shù)手段，同位素稀釋質(zhì)譜法則是化學(xué)和生物計(jì)量中適用性最強(qiáng)、測(cè)量準(zhǔn)確性最高的手段和基準(zhǔn)方法之一。

　　蛋白質(zhì)組學(xué)泰斗的John Yates教授曾做出了這樣的評(píng)價(jià)：“質(zhì)譜方法在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中絕對(duì)關(guān)鍵，正因?yàn)橛辛速|(zhì)譜技術(shù)，才能有蛋白質(zhì)組學(xué)的存在。”

　　黃澤建提供的美國(guó)市場(chǎng)研究和調(diào)查公司(SDI)市場(chǎng)分析報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，自2002年以來(lái)，每年以超過(guò)8%――9%的幅度增加。全球市場(chǎng)2005年銷(xiāo)售量為15億美元，2007年達(dá)30.8億美元，2012年預(yù)計(jì)將達(dá)45億美元。

　　無(wú)論從市場(chǎng)份額、市場(chǎng)增長(zhǎng)率還是從技術(shù)更新速度，質(zhì)譜儀在分析儀器領(lǐng)域都擁有了絕對(duì)的霸主地位，質(zhì)譜儀的應(yīng)用水平甚至在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的分析技術(shù)水平，而質(zhì)譜儀的產(chǎn)業(yè)狀況也在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家科學(xué)儀器，尤其是分析儀器的產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r和該國(guó)的創(chuàng)新能力。

　　中國(guó)質(zhì)譜業(yè)面臨窘境

　　SDI的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)進(jìn)口質(zhì)譜儀數(shù)量上升更快，2003年進(jìn)口了300多臺(tái)，而2007年就達(dá)到了1700臺(tái)，2008年上半年已達(dá)1100臺(tái)，每臺(tái)的價(jià)格為10萬(wàn)至80萬(wàn)美元。乳制品中三聚氰胺重大食品安全事件發(fā)生之后，中國(guó)對(duì)于質(zhì)譜儀的需求急劇增加。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家估計(jì)，今后五年中國(guó)質(zhì)譜市場(chǎng)年增長(zhǎng)率會(huì)達(dá)到25%――30%。

　　“然而，當(dāng)你走進(jìn)分布在全國(guó)各地的各大型專(zhuān)業(yè)分析實(shí)驗(yàn)室，看到的卻幾乎全是由國(guó)外生產(chǎn)的質(zhì)譜儀，這些進(jìn)口質(zhì)譜儀少則幾十萬(wàn)，多則幾百萬(wàn)。”讓人遺憾的是，我國(guó)的質(zhì)譜儀市場(chǎng)100%全部被國(guó)外公司壟斷，他們正在迅速吞噬本來(lái)就不大的民族企業(yè)的有限市場(chǎng)空間。

　　“但這還不是最可怕的�！秉S澤建說(shuō)。在世界各國(guó)重要貿(mào)易技術(shù)壁壘――食品安全檢測(cè)中，質(zhì)譜儀是不可或缺的技術(shù)手段，而且隨著技術(shù)貿(mào)易壁壘的升級(jí)，對(duì)質(zhì)譜儀及質(zhì)譜分析技術(shù)的要求越來(lái)越高。黃澤建充滿憂慮地說(shuō)：“由于質(zhì)譜儀器受制于人，我國(guó)在食品安全、環(huán)境保護(hù)、產(chǎn)品質(zhì)量安全等許多領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)方面受制于人;而且，真正的核心技術(shù)是買(mǎi)不到的，代表源頭創(chuàng)新的最先進(jìn)質(zhì)譜儀是不對(duì)我國(guó)出口的。質(zhì)譜儀核心技術(shù)的‘空心化’，使得我國(guó)相關(guān)分析檢測(cè)能力難以實(shí)現(xiàn)整體提升和跨越式發(fā)展，這也限制了我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的原始創(chuàng)新，導(dǎo)致我國(guó)在生命科學(xué)、新藥研制等前沿基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域缺少原始創(chuàng)新。”

　　一面是對(duì)質(zhì)譜技術(shù)和儀器的嚴(yán)重依賴，另一面卻是被進(jìn)口裝備和技術(shù)的完全壟斷，我國(guó)質(zhì)譜技術(shù)自主研發(fā)迫在眉睫。

　　我國(guó)廣大科技專(zhuān)家從未放棄對(duì)質(zhì)譜技術(shù)自主研發(fā)的努力。多次嘗試技術(shù)引進(jìn)與整機(jī)組裝，但由于核心、關(guān)鍵技術(shù)的缺乏，未能如愿取得突破�！笆�五”期間，科技部在老一輩質(zhì)譜技術(shù)專(zhuān)家的建議下，提出了“突破關(guān)鍵技術(shù)，主攻小型質(zhì)譜儀自主研制”的質(zhì)譜儀發(fā)展路線。

　　從“零”開(kāi)始

　　2002年，學(xué)科帶頭人方向研究員，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，率領(lǐng)項(xiàng)目組朝著小型質(zhì)譜儀的方向開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)八年的攻關(guān)。

　　“我們幾乎是在‘零’的基礎(chǔ)上開(kāi)始摸索研究的。”黃澤建回憶起項(xiàng)目最初開(kāi)始時(shí)的情景。沒(méi)有相關(guān)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，項(xiàng)目組成員只能老老實(shí)實(shí)從最基本的理論開(kāi)始學(xué)起;國(guó)內(nèi)沒(méi)有配套設(shè)備生產(chǎn)，項(xiàng)目組只能自己找加工廠加工。一個(gè)導(dǎo)線接口，找了好幾個(gè)廠加工，前前后后做了幾千個(gè)，但能用的只有不到十個(gè);國(guó)內(nèi)機(jī)械加工能力的落后也制約了研究的進(jìn)行。質(zhì)譜儀很多零部件對(duì)精度的要求非常高，有的甚至要求誤差控制在1微米之內(nèi)。普通的機(jī)械加工廠根本做不到，為了加工出符合要求的高精度零件，項(xiàng)目組輾轉(zhuǎn)于國(guó)內(nèi)大大小小的加工廠，尋求最好的合作伙伴。

　　在科研探索的道路上，誰(shuí)也無(wú)法預(yù)測(cè)前面將會(huì)遇到怎樣的困難。用堅(jiān)韌不拔的毅力和勇氣不斷克服這些永遠(yuǎn)未知的困難，這或許正是科研的樂(lè)趣。在這過(guò)程中，既有靈感的突然閃現(xiàn)帶來(lái)的驚喜，又有百思不得其解的煩惱;既需要集體智慧的相互碰撞，又需要每個(gè)成員腳踏實(shí)地的動(dòng)手操作。在中國(guó)質(zhì)譜儀誕生的過(guò)程中，也不缺乏這樣的例子。

　　一個(gè)困擾項(xiàng)目組整整半年、投入了大批資金、科研人員花費(fèi)大量時(shí)間精力卻一直無(wú)法解決的難題，竟被偶然發(fā)現(xiàn)原來(lái)是由于設(shè)備接觸不好而導(dǎo)致。在稍加調(diào)整后，設(shè)備從此運(yùn)轉(zhuǎn)正常;

　　為了找尋到最適合制造核心部件――離子阱的材質(zhì)，項(xiàng)目組依次嘗試了多種不同材料，并設(shè)計(jì)研制出了各種不同結(jié)構(gòu)和形狀的離子阱，最終在六代離子阱中選擇了性能最優(yōu)的一款;

　　為了不斷地調(diào)試設(shè)備，每名研究人員反反復(fù)復(fù)拆裝一臺(tái)質(zhì)譜儀的次數(shù)都要以“千”來(lái)計(jì)算……

　　核心領(lǐng)域取得突破

　　多年的努力，項(xiàng)目組從理論和技術(shù)上解決了一系列質(zhì)譜儀自主研制的技術(shù)難題，不僅對(duì)關(guān)鍵技術(shù)有原始創(chuàng)新，對(duì)質(zhì)譜儀整機(jī)的研制也具有集成創(chuàng)新。

　　針對(duì)質(zhì)譜領(lǐng)域發(fā)展的大趨勢(shì)，項(xiàng)目組在其關(guān)鍵的兩個(gè)核心領(lǐng)域，即質(zhì)量分析器和離子源方面提出了3項(xiàng)重要的發(fā)明，占領(lǐng)了國(guó)際質(zhì)譜研究的一席之地、奠定了可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。在多電極離子阱和離子光學(xué)方面，他們?cè)趪?guó)際上首次提出了“用電場(chǎng)分布平衡機(jī)械誤差帶來(lái)的高階場(chǎng)”的新思路;在疊型場(chǎng)離子阱質(zhì)量分析器方面，他們又首次提出“用機(jī)械形狀近似來(lái)提供更多完美電場(chǎng)”的新思路。這兩種新的發(fā)明為離子阱、線性離子阱的發(fā)展開(kāi)辟了新的、更廣闊的道路。項(xiàng)目組還首次提出介質(zhì)阻擋放電離子源的實(shí)現(xiàn)方法，介質(zhì)阻擋放電離子源和自主研制的便攜式質(zhì)譜儀首次成功結(jié)合，將為國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活水平的提高貢獻(xiàn)重要力量。

　　項(xiàng)目組還建立了一系列自主有特色的專(zhuān)利技術(shù)。例如：阱內(nèi)光電離技術(shù)使得復(fù)雜揮發(fā)性有機(jī)氣體的定性和定量分析變得簡(jiǎn)單;離子阱陣列可以對(duì)一個(gè)或者多個(gè)樣品進(jìn)行同時(shí)分析，大大提高了質(zhì)譜分析的效率，同時(shí)，信號(hào)累加的方式還可以使得在進(jìn)行痕量分析的時(shí)候，獲得更高的靈敏度;便攜式質(zhì)譜儀研制的成功使得我國(guó)成為國(guó)際上少數(shù)幾個(gè)質(zhì)譜小型化發(fā)展的國(guó)家之一，最新研制的便攜式質(zhì)譜儀使得現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)、在線和原位檢測(cè)成為可能，為應(yīng)對(duì)各種突發(fā)性事件、公共安全事件等提供了很好的解決方案……

　　現(xiàn)在，項(xiàng)目組已成功研制出車(chē)載質(zhì)譜、生物質(zhì)譜、小型便攜式質(zhì)譜，它們將在我國(guó)生命科學(xué)、生物安全、航天科技等領(lǐng)域發(fā)揮支撐作用。

　　更可貴的是，項(xiàng)目組把產(chǎn)業(yè)化作為成果應(yīng)用推廣的首要任務(wù)，在帶動(dòng)我國(guó)質(zhì)譜儀產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展方面做出了突出貢獻(xiàn)。黃澤建介紹，由他們自主研制的3種型號(hào)質(zhì)譜聯(lián)用儀工藝樣機(jī)，已進(jìn)入產(chǎn)品工藝化階段。他們已與普析通用公司通過(guò)簽署技術(shù)開(kāi)發(fā)服務(wù)的模式，成功實(shí)現(xiàn)了四極桿質(zhì)譜儀的產(chǎn)業(yè)化。到2010年底，該產(chǎn)品已銷(xiāo)售數(shù)十臺(tái)，實(shí)現(xiàn)上千萬(wàn)的銷(xiāo)售額。一個(gè)讓人欣喜萬(wàn)分的中國(guó)質(zhì)譜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的雛形正在形成。