2024年11月16日上午，第九屆中國分析儀器學術大會（ACAIC 2024）——探索未來，下一代質譜技術創(chuàng)新與突破論壇在廣東省深圳市登喜路國際大酒店召開，本次分論壇由廣東省麥思科學儀器創(chuàng)新研究院、寧波大學材料科學與化學工程學院、暨南大學環(huán)境與氣候學院組織，廣州禾信儀器股份有限公司是本次論壇的支持單位。
論壇現(xiàn)場
寧波大學丁傳凡教授、廣州禾信儀器股份有限公司曹昶總監(jiān)為本場論壇分別致辭。
寧波大學丁傳凡教授致辭
廣州禾信儀器股份有限公司曹昶總監(jiān)致辭
質譜技術，作為分析科學的關鍵支柱，正處于一個創(chuàng)新和突破的新時代，在化學、生物、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等各個領域具有不可替代的作用。隨著科技的進步，我們也將面臨前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，下一代的科學儀器必須更加靈敏、準確、快速，同時還將兼?zhèn)洳僮鞯暮啽阈院统杀镜目煽匦浴?span style="text-indent:2em;">新技術和新需求將有力推動傳統(tǒng)應用領域的革新，更將拓展全新的應用前景。該論壇旨在提供一個多維度的交流平臺，探索質譜技術的未來發(fā)展路徑，激發(fā)創(chuàng)新思維，促進技術突破，共同開啟質譜技術的新篇章。
本論壇精心組織8場報告，詳細介紹了質譜技術在燃燒與能源、呼氣代謝組學、超高分辨質量分析器、空間探測等領域的研發(fā)與應用。
報告嘉賓：上海交通大學 周忠岳副教授
報告題目：《基于光電離質譜的燃燒與能源研究》
燃燒仍是當今世界的主要能源來源，超過80%的全球一次能源來自于化石燃料的燃燒，在工業(yè)、交通、國防等領域仍發(fā)揮不可替代的作用。真空紫外光電離質譜技術已發(fā)展有20多年，其在燃燒機能源研究中有廣泛的應用，可以測量火焰中H、O、OH等自由基及烯醇、過氧化物等活潑中間體，應用于燃燒反應動力學模型的發(fā)展。
針對燃燒或能源轉化過程中的均相或非均相多種過程，基于質譜建立在線測量方法，一是基于同步輻射建立分子束質譜技術，在此基礎上拓展了壓力和測量范圍；另外，針對非均相反應，將光電質譜結合進來，進一步結合高分辨質譜提升壓力和測量范圍。考慮下一代質譜技術的發(fā)展，在燃燒方面，以前同步輻射多是在理想條件下進行實驗，實際情況其實很復雜，如航空發(fā)動機中的燃燒是在高壓狀態(tài)下，需要設計不同裝置實現(xiàn)高壓取樣；針對燃燒變化快的問題，需要提高時間分辨和靈敏度。對于液相反應，如有機合成、生物質轉化、煤液化等，需要高分辨質譜，這些都給質譜技術技術的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。
報告嘉賓：中國科學院化學研究所 何圣貴研究員
報告題目：《離子分子反應質譜研制與應用》
離子分子反應研究對認識化學反應機制、實現(xiàn)痕量物種檢測等具有重要意義。質譜是研究離子分子反應的核心技術。何圣貴課題組在中科院項目支持下研制了可制備團簇（如氧化物團簇）并研究其與小分子反應的儀器--納米尺寸團簇質量分析器。用飛行時間質譜測量質量，在質譜的二級聚焦點讓團簇與光相互作用，產生電子可測光電能譜，發(fā)生光反應解離可測中性產物質量。在設計中，使用大口徑離子光學系統(tǒng)解決了大質量傳統(tǒng)機制豐度低的問題，該儀器獲得領域專家的認可。
在高氣壓船閘式離子漏斗阱研制方面，對質譜來說在真空中實現(xiàn) 1000 帕有較大難度，因為質譜分析器氣壓低，反應區(qū)氣壓高的話會使離子損耗變大。此前離子分子反應器氣壓低，離子從低壓區(qū)到高壓區(qū)再到低壓區(qū)的過程中離子易損失，提高氣壓離子可能都無法穿過。受到三峽船閘渡船方式的啟發(fā)，設計船閘式離子分子反應器，離子在低壓（如 10 帕）注入，通過快速閥關門后注入脈沖氣體使氣壓達 1000 帕，反應后釋放氣體再將離子從下游釋放，實現(xiàn)高氣壓反應、低氣壓拋出和注入，整個過程脈沖式氣體用量少，對質譜負載較小。
在大氣污染檢測中，空氣中活性自由基、含氧有機物等濃度低且隨光照變化，檢測靈敏度要求較高。該課題組利用質譜技術實現(xiàn)了優(yōu)于傳統(tǒng)商用質子轉移反應質譜的電子貼附電離方法，可對乙二醛、甲基氧醛等產生的負離子進行檢測，檢測線好于 100ppt且有實際的應用潛力。
在離子分子反應構效關系研究方面，此前質譜獲取數(shù)據(jù)量少，但通過機器學習認識大量離子的反應，可使儀器每天獲得較多數(shù)據(jù)，目前已獲得 6000 多個反應數(shù)據(jù)，通過機器學習找到影響反應的關鍵因素，建立模型預測反應速率。后續(xù)還會加入更多的模型特征來獲得大量數(shù)據(jù)。
報告嘉賓：廣州禾信儀器股份有限公司 王斌高級工程師
報告題目：《高分辨大氣壓電離快檢質譜的應用探索》
質譜儀器是測量物質的關鍵工具，堪稱分析儀器的 “皇冠”，其結構包括樣品引入、核心結構（離子化、傳輸分辨分析、檢測和軟件分析）等部分，離子源對分析影響重大。大氣壓電離技術應用廣泛，有快速、對樣品前處理要求低且能與多種質量分析器聯(lián)用的特點，可分為電噴霧、低溫等離子體、激光電離三類。質量分析器主流技術多樣，基于低溫等離子體大氣壓電離技術和高分辨飛行時間技術等，我們開發(fā)了快檢質譜產品——快速篩查質譜儀，它由熱輔助低溫等離子體源、全自動計量系統(tǒng)、樣品前處理系統(tǒng)和軟件工作站等構成，還有專用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，涵蓋 300 多種化合物（如農藥殘留、毒品毒物）信息，支持本地擴展，產品具有流程簡單、成本低、抗震可車載等特點。
在實際應用中，該產品在食品安全農殘快檢方面表現(xiàn)出色，可同次進樣多次分析不同化合物，結合高分辨質譜能快速給出精準結果?；谵r殘快檢流程開發(fā)的系統(tǒng)分析時間短，在 6000 批次樣品檢測中能有效篩查出陽性樣品。此外，產品在毒品現(xiàn)場快檢、藥物非法添加成分和有效成分分析等方面也有廣泛應用。
對于下一代分析儀器，在自主技術層面，高性能是永恒追求，該公司開發(fā)了國內首款商用四極桿飛行時間質譜儀，在高分辨或超高分辨設備方面也有諸多成果。在應用層面，我們致力于創(chuàng)新性集成和自動化解決方案，包括快檢質譜儀、水中有機物監(jiān)測系統(tǒng)，也關注如羅氏臨床一體機系統(tǒng)這樣的質譜集成和自動化產品。
報告嘉賓：復旦大學 屠秉晟副教授
報告題目：《基于潘寧離子阱的質譜分析技術》
潘寧離子阱是通過靜態(tài)電磁場囚禁帶電粒子進而開展精密質譜分析的先進實驗裝置。近年來，潘寧阱的質量(電荷質量比)測量精度已經可以達到10-11。在此基礎上，可以開展基本粒子質量標定、量子電動力學檢驗、正反物質對稱性研究、搜索暗物質等，是基礎科學領域的重要研究課題。
質譜的分辨率和質量精度不同，分辨率高不意味著質量精度高，掃描速度、動態(tài)范圍、成本也是質譜的重要指標，不同類型質譜各有優(yōu)劣，如四極桿質譜、飛行時間質譜、磁質譜。潘寧阱由漢斯·德默爾特教授研發(fā)，原理源于潘寧設計，用于囚禁帶電離子，其與離子阱、四極桿質譜儀驅動離子方式不同，通過靜磁場和靜電場囚禁離子，離子在電磁場疊加場下有多種運動形式，可據(jù)此計算質荷比。
潘寧阱與 FT - ICR 原理相同但應用方向不同，不同研究領域對質量精度要求各異，潘寧阱是精度最高的質量分析裝置，更關注單次測量精度，其精度高是因可單粒子測量，且在高精度潘寧阱中有低溫、高均勻磁場和高真空環(huán)境，避免了干擾。潘寧阱測量方法包括基于定向電荷測量，通過超導諧振器等處理信號，還有引出法和測相位法用于特殊情況的測量。儀器研發(fā)方面，22 年開始，因國外禁運所以便開始國內制作，已完成小型潘寧阱測試結構，正合作制作高精度磁場體系及配套系統(tǒng)，2025 年上半年完成設備建設，多種關鍵部件是課題組自主研發(fā)制造。未來還將計劃做橫置型潘寧阱用于核科學實驗和光譜質譜聯(lián)動實驗。
報告嘉賓：暨南大學環(huán)境與氣候學院 李雪研究員/副處長
報告題目：《高性能呼氣質譜實時檢測技術及應用》
呼氣樣本具有基質簡單、采樣無創(chuàng)的顯著優(yōu)點，但受分析技術所限，呼氣代謝組學相比血、尿代謝組學仍在起步階段，極大限制了呼氣樣本的實際應用。李雪研究員課題組十余年聚焦二次電噴霧電離技術，突破了“氣動-電動”力學復合聚焦進樣及高效離子化技術、高壓微弱電噴霧電流信號高精度采樣技術、高精度硅烷化鍍膜金屬表面惰性處理工藝等關鍵技術與工藝，實現(xiàn)了高靈敏度、低背景噪音的呼氣質譜離子源。通過與暨南大學附屬第一醫(yī)院、中山大學附屬第一醫(yī)院、巴塞爾大學附屬兒童醫(yī)院等國內外高水平醫(yī)院合作，開展疾病無創(chuàng)診斷、治療藥物無創(chuàng)監(jiān)測的概念驗證研究；通過蘇炳添速度研究與訓練中心合作，開展訓練、康復等過程呼氣生物標志物發(fā)現(xiàn)、違禁藥物監(jiān)測等轉化研究。
報告嘉賓：廣東省麥思科學儀器創(chuàng)新研究院 李磊副院長
報告題目：《超高分辨質量分析儀器的現(xiàn)狀與發(fā)展》
超高分辨質譜儀是精確測定分子和離子質量的關鍵工具，在科研和工業(yè)中至關重要。2022年全球超高分辨質譜市場規(guī)模約58.3億元，占全球質譜市場的14.6%，比20219年提升1.5%；2023年中國超高分辨質譜市場規(guī)模14.3億元，比2020年翻番，占整體市場的份額從2020年的8.6%提升至12%。超高分辨質譜市場規(guī)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，國內增速更快。
主流的超高分辨質量分析器技術主要有傅里葉變換質譜（FT-MS）和多次反射飛行時間質譜（MR-TOFMS）。FT-MS儀器已有多款商業(yè)化產品，特別是賽默飛的軌道阱超高分辨質譜儀在全世界范圍廣泛應用。但FT-MS的整體分析速度較慢，難以滿足一些超快速檢測的應用需求。MR-TOFMS具備快速分析能力，但離子容量普遍較低。近年來，隨著技術的不斷進步，更高水平的FT-MS和MR-TOFMS產品相繼出現(xiàn)，促進了相關應用領域的發(fā)展。麥思研究院專注于高端質譜儀研發(fā)，已研制出基質輔助激光解吸電離靜電離子阱質譜儀（MADLI-HHT）和大氣壓電離多次反射飛行時間質譜儀（API-MRTOF），實現(xiàn)了國產高端質譜技術新突破。
報告嘉賓：衡昇質譜（北京）儀器有限公司市場總監(jiān) 馮旭
報告題目：《開啟創(chuàng)新引擎，從消解到ICPMS的全自動元素分析系統(tǒng)》
在實驗室元素分析領域，衡昇質譜的iQuad 2300P全自動元素分析系統(tǒng)自動化程度達到了新的高度，改變了元素分析的整個工作流程，實現(xiàn)了全流程控制，全自動分析。通過緊湊一體化的設計，實驗員僅需稱樣，iQuad 2300P即可完成樣品從消解到ICP-MS進樣分析的全流程自動化分析。包括樣品加酸、混勻，加蓋、微波消解、降溫、開蓋、定容樣品，以及自動進行ICP-MS分析。無論是通量還是自動化程度，都邁了一大步。解決了傳統(tǒng)元素分析高污染的風險，避免了人為誤差，提升了檢測效率。
報告嘉賓：中國航天科技集團航天五院 任正宜高級工程師
報告題目：《空間探測質譜計及應用》
質譜計是用于直接獲取物質成分信息的儀器，各形態(tài)樣品利用不同原理的電離方式形成帶電離子，之后借助不同類型的質量分析器，按照質荷比的不同區(qū)分不同的離子，從而得到被測樣品的成分信息。
近年來，隨著技術的發(fā)展，質譜計在小型化、環(huán)境適應性、性能指標三個方面取得了突破，使得質譜計實現(xiàn)了空間應用。自20世紀50年代末，質譜計首次應用到空間探測任務中以來，質譜計在空間探測工程中得到了廣泛應用，尤其在深空探測任務中成為不可或缺的科學載荷。磁偏轉質譜計在“鳳凰”號火星探測器、“羅塞塔”彗星探測器上得到應用。其中，憑借雙聚焦磁偏轉質譜計高同位素分辨本領，羅塞塔測量出67P彗星上水中的D/H比是地球上水D/H比的兩倍，表明地球上的水主要來源不是木星族彗星。搭載在美國好奇號探測器上的雙曲面型四極桿檢測到火星上有復雜有機化合物；美國月球大氣月塵環(huán)境探測器上的四極桿質譜計在月球大氣中檢測到質量數(shù)為12和28的物質。離子阱質譜計、飛行時間質譜計也在空間探測中發(fā)揮作用。
未來兩年，美國和俄羅斯還將計劃采用質譜計對月球水冰及資源分布開展探測。而截止目前，我國應用于空間探測的質譜計只有科學院空間中心研制的四極質譜計和510所研制的小型磁偏轉質譜計。510所自1964年研制了我國第一臺高靈敏磁偏轉質譜檢漏儀以來，對質譜計的研發(fā)從未停止。2012年研制完成小型磁偏轉質譜計，并實現(xiàn)了空間探測，2021年完成了CE-7水分子分析儀立項，2024年完成正樣件的研制及交付。
MEMS技術、質譜聯(lián)用儀器開發(fā)將是空間質譜計的未來發(fā)展趨勢。小型化是航天產品永恒的主題，使用MEMS技術可以對質譜計進行大幅小型化，但這項工作現(xiàn)階段主要集中在高校和研究機構，還沒有工業(yè)品。色譜-質譜、光譜-質譜、質譜-質譜聯(lián)用已在空間探測中廣泛應用，但通常是兩臺儀器獨立工作，為了小型化需求，質譜聯(lián)用儀器開發(fā)是未來空間探測載荷研發(fā)的趨勢。
