质谱仪技术进展、自主创新研发和开放共享使用现状

张丽娜，王 晋，吴爱华，郭振玺，包郁明，黄春娟，张文娟，韩玉刚

(1.中国农业科学院 作物科学研究所， 北京 100081； 2.国家科技基础条件平台中心，北京 100862；3.中国仪器仪表学会 分析仪器分会，北京 100085； 4.北京大学，北京 100871； 5.中国农业科学院 饲料研究所， 北京 100193；6.中国科学院 生物物理研究所，北京 100101;7.中国科学院 分子细胞科学卓越创新中心， 上海 200031)

1912年第一台简易质谱仪诞生以来，质谱分析技术由早期应用于无机化合物分析转向有机物的定性和定量分析，目前已成为生物大分子鉴定的主要研究工具，极大地推动了分子生物学、医药工程、结构化学、环境和食品科学等各个领域的研究和发展.

1 质谱技术进展

质谱仪以离子源、质量分析器和检测器为核心，利用荷质比不同对目标分子进行定性和定量分析，其突出特点是所需样品量少、检测灵敏度高[1].离子源、质量分析器等核心部件的发展极大地推动了质谱分析技术在多个领域的广泛应用.20世纪80年代末，电喷雾电离(ESI)和基质辅助激光解吸电离(MALDI)两种软电离技术的出现，使生物大分子的电离成为可能，开启了质谱分析技术在生物大分子研究领域的应用.基于基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOFMS)和免疫质谱(IMS)技术在蛋白质组学研究中广泛应用.电喷雾离子源串联质谱技术(ESI-MS/MS)在脂质代谢研究中的分子定性定量分析优势显著.此后，更多新离子化方法不断被开发应用，如解析电喷雾离子化(DESI)、低温等离子体大气压电离等.解析电喷雾电离(DESI)技术是一种非破坏性方法，可快速、特异性检测人体组织中药物、脂类和代谢物的分子分布，与飞行时间质谱联用可进一步提高分析能力[2-4].快速蒸发电离质谱技术(REIMS)的发展对于医疗和食品安全研究领域都发挥显著作用，可实时监测致病细菌和食品污染源.相较于离子源的多元化发展，质谱仪的开发基本没有脱离原始的设计路线.从磁质谱的出现，到四级杆、飞行时间和离子阱，再到超高分辨质谱的进一步发展，如傅立叶变换-离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)及轨道阱质谱(orbitrap MS)，使得解析生物蛋白大分子结构成为可能并有效行之，也极大拓展了对于复杂天然有机体系(石油、煤、环境有机质、生物质油)的分子解析.

除了上述技术突破外，质谱技术和其他技术的结合也成为近年来的发展趋势.典型的例子就是离子淌度(IMS)与非变性质谱的结合.离子淌度是继氢氘交换技术后近十几年的发展热点，除了研究蛋白折叠与去折叠外，对糖的异构体，脂质组学的研究也起着很大的推动作用.非变性质谱结合离子淌度为蛋白质等生物大分子的动态结构变化提供了一个新的工具.近年来，原位电离质谱技术(AIMS)发展迅速.原位电离质谱技术无需样品制备，在常温常压条件下可对样品进行直接分析，是质谱分析领域的一次重大变革.质谱成像技术(MSI)是分子成像技术中一个比较尖端的工具，质谱成像使质谱学与医学直接关联，通过质谱的离子强度展示细胞的成像图片，进而可以直观清晰地对比病人和健康者的细胞差异.

总体而言，质谱技术分析手段越来越受各行业研究人员的青睐，尤其是在生命科学研究领域发挥着不可替代的作用.我国质谱在临床研究中的应用虽然处于初级阶段，但持续高速发展，被认为是生物医学分析领域广泛且重要的前沿技术手段之一.在今后的生命科学研究中，可以预计，随着质谱硬件及软件的不断深入研发，基于多组学研究技术和理念，多种质谱技术协同应用将会在整个生命科学及人类健康研究领域发挥越来越重要的作用[5-6].

2 质谱仪自主研发概况

我国的质谱仪发展起始于20世纪50年代中期，当时由杨承宗教授领导的科研小组开始了尼尔型质谱计的研制，测出了氖的三个同位素[7].为了配合国内核工业的发展，在朱良漪的主持下，中国第一台同位素质谱仪(ZhT-1301)于1963年在北京分析仪器厂研制成功[8].该仪器测量的准确度与精度达到了苏联Mu-1305和德国CH4水平.但是，由于历史原因，自1965年到20世纪80年代左右，我国质谱市场基本被外国仪器所垄断.改革开放以后，我国开始从国外引进质谱等相关技术，但通过引进发现，中国质谱与世界先进国家差距已经拉开很大距离.

80年代中期，厦门大学季欧团体研发出了我国最早的飞行时间质谱仪[9].90年代后，清华大学、天津大学等单位相继研制出飞行时间质谱仪.中国科学院大连化学物理研究所张玉奎院士团队[10]针对飞行时间与离子淌度谱的研究为后续研究积累了大量经验.

21世纪初，“十五”后期，科技部启动了国家科技支撑计划重大项目《科学仪器研制与开发》，提出了“突破关键技术，主攻小型质谱仪自主研制”的质谱技术发展路线.2004年，贾韦韬等[11]掌握了垂直引入式飞行时间质谱仪的核心技术.谭国斌等[12]研制了国内首台宽离子能量检测范围飞行时间质谱仪，仪器单离子信号半峰宽约2 ns，分辨率达到1 600，理论质量检测上限优于800 u.2004～2009年，中国计量科学研究院联合清华大学、复旦大学等单位开展 “质谱联用仪器的研制与开发”，解决了小型四级杆、离子阱质谱仪自主研制的技术问题，在线性离子阱质量分析器、离子源等核心部件上突破了国外专利封锁.除涡轮分子泵和光电倍增器外的所有关键部件均有课题组自主攻关、设计和加工.他们研制出四级杆GC-MS、线性离子阱GC-MS和线性离子阱LC-ESI-MS三种质谱联用仪整机，其中四级杆GC-MS质量范围为10～1 100 Th，具有单位分辨能力，1 pg八氟萘信噪比大于100∶1.这三台整机及一系列关键技术、关键部件的自主研制成功标志着我国质谱仪及质谱技术的研究及产业化有了一个很好的开端，对中国的质谱事业具有开创性的意义[13].2009年，该团队将单四级杆质谱仪转化公司产业化，公司在此基础上，技术进一步改进，1 pg八氟萘信噪比大于400∶1.

2007～2011年，中国地质科学院联合中国计量科学研究院、复旦大学、中国科学院大连化学物理研究所等单位，在国家科技支撑计划重大项目《科学仪器谁被研制与开发》的支持下，开展“二次离子质谱核心技术及关键部件研究与开发”，形成了有关二次离子质谱和飞行时间串联质谱的新技术、新产品、新装置和计算机软件等共19项成果，其中5项已在相关领域成功应用，冷阴极双等离子气体源工艺研究等具有创新性，新建和完善了5个质谱仪器关键部件研发基地和10多个研究试验平台，为大型高端质谱仪器的自主研发奠定了基础[14].

2016年，由中国工程物理研究院承担的“高精度四极质量分析器的工程化研制与应用”项目研制完成了四级杆质量分析关键核心部件200个，样品处理设备2台，数据库与操作软件[15].刘敦一、李海洋团队开发用于高精度同位素丰度分析的TOF-SIMS(飞行时间二次离子质谱)新技术，研制两台分别用于稳定同位素分析和稀土元素分析的TOF-SIMS-SI和TOF-SIMS-REE仪器高分辨多次反射二次离子质谱SIMS-TOF[16].丁传凡团队[17]研制出了静电场离子阱.西北核技术研究所研制出两台高精密双聚焦磁质谱仪器，一台是高分辨激光共振电离质谱，一台是高分辨弱电离磁质谱，绝对灵敏度可以实现105的原子探测[18].2021年9月，杭州谱育科技发展有限公司攻克高温气体流场控制、多级梯度真空、高灵敏的离子接口、分布式碰撞反应池、耐温湿变化的四极杆质量分析器、垂直引入反射式飞行时间适量分析器等质谱核心技术难点的基础上，研发了质谱流式细胞仪，并进行产业化[19].

3 质谱仪自主研发存在的问题

虽然近年来我国质谱技术和质谱仪发展迅速，但还存在诸多问题，主要有几下几点：

(1) 技术薄弱.质谱仪属于高端仪器，是一个系统工程，需要整合光学、机械、电子、计算等多领域科技的系统工程.从核心部件和加工工艺来看，离子源、质量分析器、涡轮分子泵等关键零部件具有很高的技术含量，无论研发还是生产都有难度.从质谱软件来看，Cytobank、FlowJo等100多种专业软件多为国外开发.软件开发涉及算法、架构、数据挖掘等，国内企业并不具备足够的软件人才.此外，组学用户更看重质谱检测后的数据分析结果，而国产质谱刚推出，没有足够案例建立庞大的数据库，数据库不能满足科研需求等问题.

(2) 人才缺乏.人才是科学仪器自主创新的关键要素.在质谱行业一直都急需高端人才，但由于中国质谱领域出现了较长的空白期，科研成果和人才培养产生了断档.此外，高校一些与仪器制造相关的专业也出现萎缩，导致基础研究非常薄弱.

(3)研发资金不足.质谱仪的研发需要长期的投入，国外制造商每年投入销售额的10%用于研发基金[20]，根据中国仪器仪表学会分析仪器分会的报告显示，我国的企业一般会投入销售额的5%～10%用于研发，但由于市场份额少，销售总额无法与国外制造商相比，因此可用于研发的资金有限，限制了研发水平.

(4)产学研结合不紧密.据国内权威部门统计，“863”计划与“九五”“十五”科技攻关计划共安排科学仪器设备研发课题1251项，但只有100多项课题完成了将科研成果转化为市场终端产品[21].而国外仪器研发大多是企业和高校合作，工程师长期跟踪科学家的科研过程并持续开发对接，周期虽然较长但确有实效.目前，我国高校和质谱企业之间的产学研合作不够深入和广泛，高校做出样机后无法完成成果转化.

4 质谱仪使用和开放共享情况

按照《国务院关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》和中央改革办督察组的要求，2019年5月至9月，科技部、财政部会同有关部门，委托国家科技基础条件平台中心，组织开展了中央级高等学校和科研院所等单位科研设施与仪器开放共享评价考核工作[22].根据重大科研基础设施和大型科研仪器国家网络管理平台统计数据显示，其中中央级高校和科研院所共有2 888台质谱仪参加了考核，总运行机时为5 821 686.58 h，平均运行机时为2 015.82 h，明显高于参评的科研仪器年平均有效工作机时(1 440 h).其中1 597台质谱对外开放共享服务，总服务机时为1 097 476.32 h，平均对外服务机时为687.21 h，明显高于参评的科研仪器年平均对外服务工作机时(240 h).

5 结论与展望

随着科技快速发展，2011年以来我国质谱仪市场需求明显增加，据中国仪器仪表学会分析仪器分会的统计数据显示，2020年中国高校、科研院所和企业购置质谱仪及相关设备共支出114.6亿元，其中购置进口质谱仪占比92%，国产质谱仪仅占比8%，进口设备明显处于垄断地位.最近几年，国产中高分辨率电感耦合等离子体质谱仪、气相/液相色谱-三重四极杆质谱联用仪、气相/液相色谱-飞行时间质谱联用仪和微生物鉴定质谱仪技术和产品均取得了很大突破，已经得到多家高校和科研院所用户的一致认可，因此，建议用户优先购买国产质谱仪.国家有关部门应加大设备购置查重评议力度，严格把关设备进口论证程序，全力支持国产质谱仪“政产学研用”协同发展，共同实现我国科技高水平的自立自强.