為了中國質(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

　　“中國儀器的發(fā)展離不開質(zhì)譜儀，如果中國的質(zhì)譜業(yè)能在我們的帶動(dòng)下發(fā)展起來，如果我們研制生產(chǎn)的質(zhì)譜儀能夠擺在中國的實(shí)驗(yàn)室里被使用，那我們就算做了一件有意義的事情，這些年的付出就沒有白費(fèi)。”“讓中國的實(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年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)的喜訊傳來時(shí)，黃澤建他們知道，屬于中國質(zhì)譜儀的春天就要來了!

　　質(zhì)譜儀到底有多重要

　　質(zhì)譜儀是一類將物質(zhì)粒子(原子、分子)電離成離子，通過適當(dāng)電場或磁場將它們分離，并檢測其強(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、醫(yī)療衛(wèi)生、國家安全及國際反恐等領(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價(jià)：“質(zhì)譜方法在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中絕對關(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。”

　　黃澤建提供的美國市場研究和調(diào)查公司(SDI)市場分析報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，自2002年以來，每年以超過8%――9%的幅度增加。全球市場2005年銷售量為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。

　　無論從市場份額、市場增長率還是從技術(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和該國的創(chuàng)新能力。

　　中國質(zhì)譜業(yè)面臨窘境

　　SDI的數(shù)據(jù)顯示，我國進(jìn)口質(zhì)譜儀數(shù)量上升更快，2003年進(jìn)口了300多臺，而2007年就達(dá)到了1700臺，2008年上半年已達(dá)1100臺，每臺的價(jià)格為10萬至80萬美元。乳制品中三聚氰胺重大食品安全事件發(fā)生之后，中國對于質(zhì)譜儀的需求急劇增加。國內(nèi)專家估計(jì)，今后五年中國質(zhì)譜市場年增長率會(huì)達(dá)到25%――30%。

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

　　“但這還不是最可怕的。”黃澤建說。在世界各國重要貿(mào)易技術(shù)壁壘――食品安全檢測中，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，對質(zhì)譜儀及質(zhì)譜分析技術(shù)的要求越來越高。黃澤建充滿憂慮地說：“由于質(zhì)譜儀器受制于人，我國在食品安全、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)是買不到的，代表源頭創(chuàng)新的最先進(jìn)質(zhì)譜儀是不對我國出口的。質(zhì)譜儀核心技術(shù)的‘空心化’，使得我國相關(guān)分析檢測能力難以實(shí)現(xiàn)整體提升和跨越式發(fā)展，這也限制了我國相關(guān)領(lǐng)域的原始創(chuàng)新，導(dǎo)致我國在生命科學(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，我國質(zhì)譜技術(shù)自主研發(fā)迫在眉睫。

　　我國廣大科技專家從未放棄對質(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。“十五”期間，科技部在老一輩質(zhì)譜技術(shù)專家的建議下，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)譜儀的方向開始了長達(dá)八年的攻關(guān)。

　　“我們幾乎是在‘零’的基礎(chǔ)上開始摸索研究的。”黃澤建回憶起項(xiàng)目最初開始時(shí)的情景。沒有相關(guān)的理論基礎(chǔ)知識，項(xiàng)目組成員只能老老實(shí)實(shí)從最基本的理論開始學(xué)起;國內(nèi)沒有配套設(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，誰也無法預(yù)測前面將會(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趣。在這過程中，既有靈感的突然閃現(xiàn)帶來的驚喜，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。在中國質(zhì)譜儀誕生的過程中，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)間精力卻一直無法解決的難題，竟被偶然發(fā)現(xiàn)原來是由于設(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)拆裝一臺質(zhì)譜儀的次數(shù)都要以“千”來計(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，不僅對關(guān)鍵技術(shù)有原始創(chuàng)新，對質(zhì)譜儀整機(jī)的研制也具有集成創(chuàng)新。

　　針對質(zhì)譜領(lǐng)域發(fā)展的大趨勢，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，他們在國際上首次提出了“用電場分布平衡機(jī)械誤差帶來的高階場”的新思路;在疊型場離子阱質(zhì)量分析器方面，他們又首次提出“用機(jī)械形狀近似來提供更多完美電場”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單;離子阱陣列可以對一個(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成為國際上少數(shù)幾個(gè)質(zhì)譜小型化發(fā)展的國家之一，最新研制的便攜式質(zhì)譜儀使得現(xiàn)場快速檢測、在線和原位檢測成為可能，為應(yīng)對各種突發(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載質(zhì)譜、生物質(zhì)譜、小型便攜式質(zhì)譜，它們將在我國生命科學(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簽署技術(shù)開發(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)品已銷售數(shù)十臺，實(shí)現(xiàn)上千萬的銷售額。一個(gè)讓人欣喜萬分的中國質(zhì)譜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的雛形正在形成。