質(zhì)譜儀技術(shù)進(jìn)展、自主創(chuàng)新研發(fā)和開放共享使用現(xiàn)狀

張麗娜，王 晉，吳愛華，郭振璽，包郁明，黃春娟，張文娟，韓玉剛

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物科學(xué)研究所， 北京 100081； 2.國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)中心，北京 100862；3.中國儀器儀表學(xué)會(huì) 分析儀器分會(huì)，北京 100085； 4.北京大學(xué)，北京 100871； 5.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 飼料研究所， 北京 100193；6.中國科學(xué)院 生物物理研究所，北京 100101;7.中國科學(xué)院 分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心， 上海 200031)

1912年第一臺(tái)簡易質(zhì)譜儀誕生以來，質(zhì)譜分析技術(shù)由早期應(yīng)用于無機(jī)化合物分析轉(zhuǎn)向有機(jī)物的定性和定量分析，目前已成為生物大分子鑒定的主要研究工具，極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)、醫(yī)藥工程、結(jié)構(gòu)化學(xué)、環(huán)境和食品科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的研究和發(fā)展.

1 質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)展

質(zhì)譜儀以離子源、質(zhì)量分析器和檢測器為核心，利用荷質(zhì)比不同對(duì)目標(biāo)分子進(jìn)行定性和定量分析，其突出特點(diǎn)是所需樣品量少、檢測靈敏度高[1].離子源、質(zhì)量分析器等核心部件的發(fā)展極大地推動(dòng)了質(zhì)譜分析技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用.20世紀(jì)80年代末，電噴霧電離(ESI)和基質(zhì)輔助激光解吸電離(MALDI)兩種軟電離技術(shù)的出現(xiàn)，使生物大分子的電離成為可能，開啟了質(zhì)譜分析技術(shù)在生物大分子研究領(lǐng)域的應(yīng)用.基于基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOFMS)和免疫質(zhì)譜(IMS)技術(shù)在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中廣泛應(yīng)用.電噴霧離子源串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)(ESI-MS/MS)在脂質(zhì)代謝研究中的分子定性定量分析優(yōu)勢(shì)顯著.此后，更多新離子化方法不斷被開發(fā)應(yīng)用，如解析電噴霧離子化(DESI)、低溫等離子體大氣壓電離等.解析電噴霧電離(DESI)技術(shù)是一種非破壞性方法，可快速、特異性檢測人體組織中藥物、脂類和代謝物的分子分布，與飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用可進(jìn)一步提高分析能力[2-4].快速蒸發(fā)電離質(zhì)譜技術(shù)(REIMS)的發(fā)展對(duì)于醫(yī)療和食品安全研究領(lǐng)域都發(fā)揮顯著作用，可實(shí)時(shí)監(jiān)測致病細(xì)菌和食品污染源.相較于離子源的多元化發(fā)展，質(zhì)譜儀的開發(fā)基本沒有脫離原始的設(shè)計(jì)路線.從磁質(zhì)譜的出現(xiàn)，到四級(jí)桿、飛行時(shí)間和離子阱，再到超高分辨質(zhì)譜的進(jìn)一步發(fā)展，如傅立葉變換-離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR MS)及軌道阱質(zhì)譜(orbitrap MS)，使得解析生物蛋白大分子結(jié)構(gòu)成為可能并有效行之，也極大拓展了對(duì)于復(fù)雜天然有機(jī)體系(石油、煤、環(huán)境有機(jī)質(zhì)、生物質(zhì)油)的分子解析.

除了上述技術(shù)突破外，質(zhì)譜技術(shù)和其他技術(shù)的結(jié)合也成為近年來的發(fā)展趨勢(shì).典型的例子就是離子淌度(IMS)與非變性質(zhì)譜的結(jié)合.離子淌度是繼氫氘交換技術(shù)后近十幾年的發(fā)展熱點(diǎn)，除了研究蛋白折疊與去折疊外，對(duì)糖的異構(gòu)體，脂質(zhì)組學(xué)的研究也起著很大的推動(dòng)作用.非變性質(zhì)譜結(jié)合離子淌度為蛋白質(zhì)等生物大分子的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化提供了一個(gè)新的工具.近年來，原位電離質(zhì)譜技術(shù)(AIMS)發(fā)展迅速.原位電離質(zhì)譜技術(shù)無需樣品制備，在常溫常壓條件下可對(duì)樣品進(jìn)行直接分析，是質(zhì)譜分析領(lǐng)域的一次重大變革.質(zhì)譜成像技術(shù)(MSI)是分子成像技術(shù)中一個(gè)比較尖端的工具，質(zhì)譜成像使質(zhì)譜學(xué)與醫(yī)學(xué)直接關(guān)聯(lián)，通過質(zhì)譜的離子強(qiáng)度展示細(xì)胞的成像圖片，進(jìn)而可以直觀清晰地對(duì)比病人和健康者的細(xì)胞差異.

總體而言，質(zhì)譜技術(shù)分析手段越來越受各行業(yè)研究人員的青睞，尤其是在生命科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用.我國質(zhì)譜在臨床研究中的應(yīng)用雖然處于初級(jí)階段，但持續(xù)高速發(fā)展，被認(rèn)為是生物醫(yī)學(xué)分析領(lǐng)域廣泛且重要的前沿技術(shù)手段之一.在今后的生命科學(xué)研究中，可以預(yù)計(jì)，隨著質(zhì)譜硬件及軟件的不斷深入研發(fā)，基于多組學(xué)研究技術(shù)和理念，多種質(zhì)譜技術(shù)協(xié)同應(yīng)用將會(huì)在整個(gè)生命科學(xué)及人類健康研究領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用[5-6].

2 質(zhì)譜儀自主研發(fā)概況

我國的質(zhì)譜儀發(fā)展起始于20世紀(jì)50年代中期，當(dāng)時(shí)由楊承宗教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組開始了尼爾型質(zhì)譜計(jì)的研制，測出了氖的三個(gè)同位素[7].為了配合國內(nèi)核工業(yè)的發(fā)展，在朱良漪的主持下，中國第一臺(tái)同位素質(zhì)譜儀(ZhT-1301)于1963年在北京分析儀器廠研制成功[8].該儀器測量的準(zhǔn)確度與精度達(dá)到了蘇聯(lián)Mu-1305和德國CH4水平.但是，由于歷史原因，自1965年到20世紀(jì)80年代左右，我國質(zhì)譜市場基本被外國儀器所壟斷.改革開放以后，我國開始從國外引進(jìn)質(zhì)譜等相關(guān)技術(shù)，但通過引進(jìn)發(fā)現(xiàn)，中國質(zhì)譜與世界先進(jìn)國家差距已經(jīng)拉開很大距離.

80年代中期，廈門大學(xué)季歐團(tuán)體研發(fā)出了我國最早的飛行時(shí)間質(zhì)譜儀[9].90年代后，清華大學(xué)、天津大學(xué)等單位相繼研制出飛行時(shí)間質(zhì)譜儀.中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所張玉奎院士團(tuán)隊(duì)[10]針對(duì)飛行時(shí)間與離子淌度譜的研究為后續(xù)研究積累了大量經(jīng)驗(yàn).

21世紀(jì)初，“十五”后期，科技部啟動(dòng)了國家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目《科學(xué)儀器研制與開發(fā)》，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)譜技術(shù)發(fā)展路線.2004年，賈韋韜等[11]掌握了垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的核心技術(shù).譚國斌等[12]研制了國內(nèi)首臺(tái)寬離子能量檢測范圍飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，儀器單離子信號(hào)半峰寬約2 ns，分辨率達(dá)到1 600，理論質(zhì)量檢測上限優(yōu)于800 u.2004～2009年，中國計(jì)量科學(xué)研究院聯(lián)合清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等單位開展 “質(zhì)譜聯(lián)用儀器的研制與開發(fā)”，解決了小型四級(jí)桿、離子阱質(zhì)譜儀自主研制的技術(shù)問題，在線性離子阱質(zhì)量分析器、離子源等核心部件上突破了國外專利封鎖.除渦輪分子泵和光電倍增器外的所有關(guān)鍵部件均有課題組自主攻關(guān)、設(shè)計(jì)和加工.他們研制出四級(jí)桿GC-MS、線性離子阱GC-MS和線性離子阱LC-ESI-MS三種質(zhì)譜聯(lián)用儀整機(jī)，其中四級(jí)桿GC-MS質(zhì)量范圍為10～1 100 Th，具有單位分辨能力，1 pg八氟萘信噪比大于100∶1.這三臺(tái)整機(jī)及一系列關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵部件的自主研制成功標(biāo)志著我國質(zhì)譜儀及質(zhì)譜技術(shù)的研究及產(chǎn)業(yè)化有了一個(gè)很好的開端，對(duì)中國的質(zhì)譜事業(yè)具有開創(chuàng)性的意義[13].2009年，該團(tuán)隊(duì)將單四級(jí)桿質(zhì)譜儀轉(zhuǎn)化公司產(chǎn)業(yè)化，公司在此基礎(chǔ)上，技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)，1 pg八氟萘信噪比大于400∶1.

2007～2011年，中國地質(zhì)科學(xué)院聯(lián)合中國計(jì)量科學(xué)研究院、復(fù)旦大學(xué)、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等單位，在國家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目《科學(xué)儀器誰被研制與開發(fā)》的支持下，開展“二次離子質(zhì)譜核心技術(shù)及關(guān)鍵部件研究與開發(fā)”，形成了有關(guān)二次離子質(zhì)譜和飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝置和計(jì)算機(jī)軟件等共19項(xiàng)成果，其中5項(xiàng)已在相關(guān)領(lǐng)域成功應(yīng)用，冷陰極雙等離子氣體源工藝研究等具有創(chuàng)新性，新建和完善了5個(gè)質(zhì)譜儀器關(guān)鍵部件研發(fā)基地和10多個(gè)研究試驗(yàn)平臺(tái)，為大型高端質(zhì)譜儀器的自主研發(fā)奠定了基礎(chǔ)[14].

2016年，由中國工程物理研究院承擔(dān)的“高精度四極質(zhì)量分析器的工程化研制與應(yīng)用”項(xiàng)目研制完成了四級(jí)桿質(zhì)量分析關(guān)鍵核心部件200個(gè)，樣品處理設(shè)備2臺(tái)，數(shù)據(jù)庫與操作軟件[15].劉敦一、李海洋團(tuán)隊(duì)開發(fā)用于高精度同位素豐度分析的TOF-SIMS(飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜)新技術(shù)，研制兩臺(tái)分別用于穩(wěn)定同位素分析和稀土元素分析的TOF-SIMS-SI和TOF-SIMS-REE儀器高分辨多次反射二次離子質(zhì)譜SIMS-TOF[16].丁傳凡團(tuán)隊(duì)[17]研制出了靜電場離子阱.西北核技術(shù)研究所研制出兩臺(tái)高精密雙聚焦磁質(zhì)譜儀器，一臺(tái)是高分辨激光共振電離質(zhì)譜，一臺(tái)是高分辨弱電離磁質(zhì)譜，絕對(duì)靈敏度可以實(shí)現(xiàn)105的原子探測[18].2021年9月，杭州譜育科技發(fā)展有限公司攻克高溫氣體流場控制、多級(jí)梯度真空、高靈敏的離子接口、分布式碰撞反應(yīng)池、耐溫濕變化的四極桿質(zhì)量分析器、垂直引入反射式飛行時(shí)間適量分析器等質(zhì)譜核心技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了質(zhì)譜流式細(xì)胞儀，并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化[19].

3 質(zhì)譜儀自主研發(fā)存在的問題

雖然近年來我國質(zhì)譜技術(shù)和質(zhì)譜儀發(fā)展迅速，但還存在諸多問題，主要有幾下幾點(diǎn)：

(1) 技術(shù)薄弱.質(zhì)譜儀屬于高端儀器，是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要整合光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算等多領(lǐng)域科技的系統(tǒng)工程.從核心部件和加工工藝來看，離子源、質(zhì)量分析器、渦輪分子泵等關(guān)鍵零部件具有很高的技術(shù)含量，無論研發(fā)還是生產(chǎn)都有難度.從質(zhì)譜軟件來看，Cytobank、FlowJo等100多種專業(yè)軟件多為國外開發(fā).軟件開發(fā)涉及算法、架構(gòu)、數(shù)據(jù)挖掘等，國內(nèi)企業(yè)并不具備足夠的軟件人才.此外，組學(xué)用戶更看重質(zhì)譜檢測后的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，而國產(chǎn)質(zhì)譜剛推出，沒有足夠案例建立龐大的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫不能滿足科研需求等問題.

(2) 人才缺乏.人才是科學(xué)儀器自主創(chuàng)新的關(guān)鍵要素.在質(zhì)譜行業(yè)一直都急需高端人才，但由于中國質(zhì)譜領(lǐng)域出現(xiàn)了較長的空白期，科研成果和人才培養(yǎng)產(chǎn)生了斷檔.此外，高校一些與儀器制造相關(guān)的專業(yè)也出現(xiàn)萎縮，導(dǎo)致基礎(chǔ)研究非常薄弱.

(3)研發(fā)資金不足.質(zhì)譜儀的研發(fā)需要長期的投入，國外制造商每年投入銷售額的10%用于研發(fā)基金[20]，根據(jù)中國儀器儀表學(xué)會(huì)分析儀器分會(huì)的報(bào)告顯示，我國的企業(yè)一般會(huì)投入銷售額的5%～10%用于研發(fā)，但由于市場份額少，銷售總額無法與國外制造商相比，因此可用于研發(fā)的資金有限，限制了研發(fā)水平.

(4)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不緊密.據(jù)國內(nèi)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，“863”計(jì)劃與“九五”“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃共安排科學(xué)儀器設(shè)備研發(fā)課題1251項(xiàng)，但只有100多項(xiàng)課題完成了將科研成果轉(zhuǎn)化為市場終端產(chǎn)品[21].而國外儀器研發(fā)大多是企業(yè)和高校合作，工程師長期跟蹤科學(xué)家的科研過程并持續(xù)開發(fā)對(duì)接，周期雖然較長但確有實(shí)效.目前，我國高校和質(zhì)譜企業(yè)之間的產(chǎn)學(xué)研合作不夠深入和廣泛，高校做出樣機(jī)后無法完成成果轉(zhuǎn)化.

4 質(zhì)譜儀使用和開放共享情況

按照《國務(wù)院關(guān)于國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器向社會(huì)開放的意見》和中央改革辦督察組的要求，2019年5月至9月，科技部、財(cái)政部會(huì)同有關(guān)部門，委托國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)中心，組織開展了中央級(jí)高等學(xué)校和科研院所等單位科研設(shè)施與儀器開放共享評(píng)價(jià)考核工作[22].根據(jù)重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器國家網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，其中中央級(jí)高校和科研院所共有2 888臺(tái)質(zhì)譜儀參加了考核，總運(yùn)行機(jī)時(shí)為5 821 686.58 h，平均運(yùn)行機(jī)時(shí)為2 015.82 h，明顯高于參評(píng)的科研儀器年平均有效工作機(jī)時(shí)(1 440 h).其中1 597臺(tái)質(zhì)譜對(duì)外開放共享服務(wù)，總服務(wù)機(jī)時(shí)為1 097 476.32 h，平均對(duì)外服務(wù)機(jī)時(shí)為687.21 h，明顯高于參評(píng)的科研儀器年平均對(duì)外服務(wù)工作機(jī)時(shí)(240 h).

5 結(jié)論與展望

隨著科技快速發(fā)展，2011年以來我國質(zhì)譜儀市場需求明顯增加，據(jù)中國儀器儀表學(xué)會(huì)分析儀器分會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年中國高校、科研院所和企業(yè)購置質(zhì)譜儀及相關(guān)設(shè)備共支出114.6億元，其中購置進(jìn)口質(zhì)譜儀占比92%，國產(chǎn)質(zhì)譜儀僅占比8%，進(jìn)口設(shè)備明顯處于壟斷地位.最近幾年，國產(chǎn)中高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、氣相/液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀、氣相/液相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用儀和微生物鑒定質(zhì)譜儀技術(shù)和產(chǎn)品均取得了很大突破，已經(jīng)得到多家高校和科研院所用戶的一致認(rèn)可，因此，建議用戶優(yōu)先購買國產(chǎn)質(zhì)譜儀.國家有關(guān)部門應(yīng)加大設(shè)備購置查重評(píng)議力度，嚴(yán)格把關(guān)設(shè)備進(jìn)口論證程序，全力支持國產(chǎn)質(zhì)譜儀“政產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同發(fā)展，共同實(shí)現(xiàn)我國科技高水平的自立自強(qiáng).