當前高分辨質譜的技術概況與需求
01目前高分辨質譜的技術發展概況
業內通常把分辨率在10000（FWHM）以上的質譜稱為高分辨質譜，主要包括雙聚焦磁質譜、飛行時間質譜、軌道阱質譜及傅里葉變換離子回旋共振質譜。
圖：用于高分辨質譜的四種質量分析器
①雙聚焦磁質譜
同位素定量能力最準。正向雙聚焦磁質譜最高分辨率可以達到40,000（FWHM），反向雙聚焦磁質譜最高分辨率可達到100,000（FWHM）。
②飛行時間質譜
檢測速度最快。隨著多次/圈離子反射技術的引入，飛行時間質譜的最高分辨率已經突破600,000（FWHM）。
③傅里葉變換離子回旋共振質譜
質量測量精度最高。分辨率可達數百萬甚至更高，價格昂貴，同時傅里葉變換離子回旋共振質譜需要在液氦低溫環境中運行，液氦價格高昂，操作維護成本高。
④軌道阱質譜
靜電場軌道阱是一種全新商品化的質量分析器，最高分辨率可達1,000,000（FWHM），比FTICR稍遜一些，但無需復雜的冷卻裝置。
02我國高分辨質譜的應用需求情況
月球研究、地質科學、生命科學、核工業、材料科學等領域對高分辨質譜的需求日益旺盛，并且還在不斷提出更多的新要求。
嫦娥五號月球樣品研究揭示月球演化奧秘
①月球研究
我國規劃2030年前建立國際月球科研站，需要把質譜儀送到月球上探測地外生命，希望質譜儀的分辨率更高、靈敏度更高、體積更小、質量更輕。
月球樣品中元素含量與地球的不一樣，某些元素含量變高，干擾峰變強，希望二次離子質譜的分辨率進一步提升。
②地質礦產
地質礦產中的伴生元素比較復雜，而且含量比較低，伴生元素及痕量元素的檢測特別需要高分辨質譜。
③生命科學
目前生命科學研究已經發展到了干細胞范疇，軌道阱質譜也成為了蛋白質組學、代謝組學、脂質組學研究的必備利器，生命科學、藥物開發、臨床質譜的未來發展，必然離不開高分辨質譜。
④核工業
核工業必需的磁質譜一直遭受國外禁運和技術封鎖，而核工業的高質量發展急需發展自主高分辨磁質譜。
⑤材料科學
“上天入地”科技的飛速發展，地礦、半導體、高溫合金等領域對材料純凈度的高精度檢測需求增多，因材料基體比較復雜，某些痕量或超痕量元素的測量需要高分辨質譜。
03當前高分辨質譜的市場壟斷格局
近年來，我國質譜儀器市場需求日漸旺盛，同時，多個國產質譜機種實現了商品化，并有了小批量生產和銷售。然而，國產高端質譜儀的發展仍處于起步期，特別是高技術含量的高分辨質譜產品至今空白，國內市場長期依賴進口。
圖：2020年中國質譜儀器市場需求情況
①全球最大質譜市場在中國
我國是全球最大的質譜市場，卻也是國產占比最低的分析儀器市場。2020年我國進口質譜儀器13889臺/套，銷售總額約105億元，占比92%，國產質譜銷售額僅占8%。
②磁質譜受國外禁運嚴重
磁質譜市場規模不大，但受國外禁運最為嚴重，就目前數據來看，國外禁運的80%高分辨質譜都是磁質譜。
③FTICR獨家供應商：布魯克
傅里葉變換離子回旋共振質譜（FTICR MS）的最高售價超過1000萬，是目前最貴的高分辨質譜，并且全球只有一家生產商——美國布魯克·道爾頓。
④賽默飛獨家專利：Orbitrap
靜電場軌道阱技術是美國賽默飛世爾的獨家專利，并推出了商品化的高分辨質譜Orbitrap。目前Orbitrap幾乎成了軌道阱質譜的代名詞，并對FTICR、TOF等高分辨質譜產生了替代或刺激作用，市場存在一定壟斷態勢。
⑤二次離子質譜開啟國產化之路
原來全球只有法國CAMECA和澳大利亞ASI生產大型二次離子質譜。后來美國AMETEK收購了法國CAMECA，儀器售價從原來2000萬元漲到4500萬元，形成了技術壟斷。
ASI是澳大利亞國立大學的校辦企業，2018年劉敦一教授創辦的敦儀科技與澳大利亞國立大學及ASI簽署技術轉讓協議，因此獲得部分核心技術。
目前全球大型二次離子質譜裝機量約50臺，今年我國預計安裝3-4臺，還有2-3臺在咨詢階段。
我國研制高分辨質譜面臨的挑戰
01從硬件到軟件，技術層面的挑戰
高分辨質譜研發難度非常大，不止是硬件、軟件和數據庫，儀器的整體設計、加工工藝的精度也會增加攻關的難度。
①核心部件
o 研制高分辨質譜需要攻克的難點很多，包括高精密質量分析器、離子源、檢測器等。
o 儀器行業帶不動半導體器件，受制約最大的應該是高壓、高速采集卡、低噪聲放大器等電子器件。
o 國內的分子泵能否實現大流量？小流量的分子泵能否實現產業化？這些都是實實在在亟待解決的問題
②加工工藝
o 國內質譜研發多處于逆向開發階段，整機工程化能力不足，而高分辨質譜對機加工工藝的要求非常高。
③工業設計
o 高分辨質譜的整體設計經驗不足，受限的加工精度可以通過良好的光學系統一體化設計補償。
④質譜軟件
o 質譜數據解析與挖掘較為復雜，Cytobank、FlowJo等100多種專業軟件多為國外開發。軟件開發涉及算法、架構、數據挖掘等，國內企業并不具備足夠的軟件人才及研發資金。
⑤高分辨質譜數據庫
o 相比高分辨質譜，組學用戶更看重質譜檢測后的數據分析結果。進口企業為用戶提供龐大的數據庫服務，而國產質譜軟件剛推出，面臨應用功能不豐富、數據庫積累不足等問題。
02基礎層面面臨的問題
①產學研用合作不夠
o 國外高端儀器研發大多是企業和大學合作，工程師長期跟蹤科學家的科研過程并持續開發對接，周期長但確實有效。目前國內大學和質譜企業之間的產學研合作不夠深入和廣泛。
o 產學研合作會涉及到知識產權的授權、轉讓，如果合作深入還會涉及到股權問題，國內相關的政策法規需要梳理清楚，否則會影響雙方合作的積極性。
②基礎研究薄弱
o 逆向模仿絕對研發不出高分辨質譜，我們應加強數學物理的基礎理論研究，例如帶電粒子在電磁場作用下的運動等。但國內可能只有一兩所仍在開設電子光學專業的高校。
③質譜研發人才短缺
o 國內質譜應用型人才很多，但真正的質譜研發人才可能還不到100人。企業給不起華為級別的高薪，吸引不來優秀人才。
高分辨質譜研發攻關的可行性及對策建議
01關于高分辨質譜國產化的一些好消息
近年來，在國家扶持與業內努力之下，我國在高分辨磁質譜、質譜流式細胞儀、二次離子質譜以及高精密質量分析器等方面取得了一些新突破：
①西北核技術研究所
為消除核工業的同質異位素干擾問題，該所已經研制出兩臺高精密雙聚焦磁質譜儀器，一臺高靈敏度的激光共振電離質譜儀，一臺高豐度靈敏度熱表面電離質譜儀，絕對靈敏度可以實現105的原子探測。
②杭州譜育科技發展有限公司
2021年9月，譜育科技推出了基于ICP-QTOF技術的質譜流式細胞儀新產品，并在今年2月份啟動了浙江省重點研發計劃——“尖兵”研發攻關計劃項目“流式質譜細胞分析技術”。
③中國地質科學院地質研究所
為降低地質樣品微量元素分析干擾問題，該所研制了多次反射飛行時間二次離子質譜；對標法國CAMECA最新型號，正參與研制國產第一臺大型高分辨雙聚焦二次離子質譜儀，涉及磁分析器、離子源和多接收器等關鍵部件。
④寧波大學質譜技術與應用研究院
有基礎研制出靜電場離子阱，也在研究靜電場與磁場雜合的全新質量分析器，分辨率可達20萬+，最高能到30萬。
02我國高分辨質譜的研發思路及建議
①研發方向
o 結合1-2個高端應用研制專用高分辨質譜，在某些領域替代Orbitrap，占據專用市場，也為研制通用質譜積累經驗。
o 基于現有成果開發通用型高分辨質譜，如軌道離子阱質譜、雙聚焦磁質譜、大型雙聚焦二次離子質譜等。
o 不考慮市場導向進行前瞻性研發，如基于靜電場與磁場雜合的原創方法研發全新的高分辨質譜儀器。
②政策建議
o 高分辨質譜研發難度大，以現有基礎，兩三年內研制出8級就緒度的儀器較難，項目扶持需要給予更長時間。
o 高分辨質譜項目立項應該扶優扶強，綁定幾支強有力的科研團隊，集中定點研發，政府予以持續支持。
o 關鍵部件及軟件、數據庫屬于質譜產業基礎設施，須重視，需重點投入。
o 從產業鏈角度布局，提升關鍵部件供給能力，提升工程化和產業化能力。
③更多好建議
o 高分辨質譜的研發必須產學研用結合，特別是要有高端科研用戶的反饋指引。
o 人才輸出數量遠不能滿足行業需要，希望學術界多培養質譜研發、制造人才，對基礎理論相關課程的開設有所傾向。
o 發揮行業學會/協會的作用，推動建立國產質譜文化自信，加強宣傳和推廣國產儀器。
手機圖頁網
