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      做中國人的質譜儀:從0到6%!突破國外技術封鎖
      來源:科普中國
      發布時間:2023-10-09
      瀏覽次數:965

      近日,國際知名分析儀器智庫SDI公司研究報告顯示,位于羊城東部的廣州禾信儀器股份有限公司(以下簡稱“禾信”)是國內唯一得到國際關注的國產質譜公司,在國際便攜質譜市場份額占比為6%。

      “這意味著在國際質譜儀研發領域,有了中國企業的一席之地?!?/p>

      禾信自主研發的質譜儀產品。

      一、質譜儀的來歷

      19世紀末,物理學家E.Goldstein在一次低壓放電實驗中發現了正電荷粒子,隨后W.Wein觀察到帶電粒子束會在磁場中發生偏轉,也就是物理學中電磁偏轉問題的前身,這些觀察結果為質譜提供了充足的準備。1912年,世界上第一臺質譜儀由英國物理學家約瑟夫· 約翰·湯姆遜研制成功。后來質譜儀被廣泛應用于各行各業,由于質譜儀種類非常多,工作原理和應用范圍也有很大的不同。目前主要用于進行物質分析,尤其是生物質譜,已經成為現代科學前沿的熱點之一。


      二、質譜技術的原理

      質譜技術是建立在原子、分子電離以及離子光學理論基礎之上的應用技術,通過質譜分析可以獲得無機、有機和生物分子的分子量和分子結構,能對多種復雜混合物的各種成分進行定量或者定性分析。


      質譜技術其實就是高中物理課本上經典的“帶電粒子在磁場中的運動”問題的應用。簡單來說,就是把復雜的混合物放在質譜體系中,將其分解為原子、分子,然后將電離注入到電磁場中。由于不同的帶電粒子的質量和電荷比例不同,偏轉時間也不同,質譜儀可以將這些時間、位置信息轉換為光學數據,以質譜圖的形式展現出來,復雜混合物的各種組分就得以被直觀地觀察到。


      氣體原子和分子受陰極射線電子的激烈撞擊后,會形成陽離子,幾乎所有原子,甚至包括惰性氣體,都可以利用低壓放電方式變為氣態陽離子,這些陽離子組成了陽射線。具有特定運動初速度的陽離子射線經兩個狹縫進入電場中,不同速度的陽離子在電場中的偏轉程度不同,速度小的偏轉程度大,反之,速度大的偏轉程度??;陽離子射出電場進入磁場后也會發生偏轉,所以偏轉程度由運動的陽離子的質量和電荷比共同決定,即質荷比。質荷比相同的陽離子聚集在照相底片上形成一條短直線影像,不同質荷比陽離子在底片的不同位置留下短直線影像,類似光譜線。又因為這些影像與它們的質量有關,所以被稱為質譜,這種檢測儀器就叫質譜儀。


      三、質譜儀的用途

      隨著質譜技術的不斷發展,如今功能更加強大的質譜儀已經是涉及數學、電子、光學、化學、納米、物理、環境等十幾門學科的綜合儀器。


      質譜儀之所以能在“藍天保衛戰”中大顯身手,主要是它被用作環境監測領域的在線單顆粒氣溶膠質譜儀,能夠在幾秒內測量出空氣中的幾百種污染物,幾小時便可獲得某監測點PM2.5中的汽車尾氣占比。如果將這種質譜儀放在一輛車上進行巡航,就能快速繪制出城市污染情況的“地圖”。


      質譜儀的使用,為人類生活帶來了積極的影響,并且隨著該領域的不斷發展進步,在不久的將來,質譜儀一定會進一步走入人們的視野,為人類做貢獻。


      四、“做中國人的質譜儀”

      科學儀器行業是典型的高附加值、技術密集型產業,涵蓋光譜儀、質譜儀、材料測試儀等。其中,質譜儀作為實驗分析儀器的重要分支,是測量物質原子量、分子量的唯一工具,被譽為“科學儀器皇冠上的明珠”。


      要制造質譜儀,涉及多項技術和多個學科,難度大、周期長、投入多。以前,質譜儀研發是一個“無人區”,國產化更是一場“持久戰”。


      2000年代初,我國質譜儀幾乎全依賴進口,年進口額達上百億元人民幣。


      經過多年攻關,2013年,禾信迎來突破性一刻,打磨了近10年的PM2.5在線源解析質譜監測系統產品面世。


      這套系統在全球首次實現PM2.5在線源解析,解決了快速弄清PM2.5污染物來源這一業界難題,它能把解析PM2.5來源的時間從3個多月縮至1小時內。目前,該監測系統已技術迭代4次,在我國200多個城市應用。


      2017年,禾信研發的在線揮發性有機物質譜儀及單顆粒氣溶膠質譜儀,分別于7月和11月參與南北極地科考,是“雪龍”號上唯一的大型國產高端科學儀器。


      “在整個航程觀測期間,儀器性能穩定,檢測靈敏度高,操作便捷,數據還可以自動處理和存儲。根據獲取數據所形成的研究成果,已在多個國際學術期刊上發表?!钡?4次南極科學考察隊對儀器予以極高評價。

      更令人振奮的是,“中國制造”高端科學儀器首次實現出口歐美。2017年,一家美國科研機構想采購在線單顆粒氣溶膠質譜儀。全球僅有3家企業研制出該儀器,而實現批量生產的只有禾信。憑借卓越性能,禾信拿下了訂單。

      6年前,禾信內部實施了“揭榜掛帥”制,組建起核心技術攻關小組。

      四極桿飛行時間串級質譜聯用儀,是生命科學、生物制藥等領域不可或缺的分析儀器,但此前其國產化率為0。

      這款儀器的研發極其復雜,涉及機械、電子、軟件、真空等多學科,零部件數上千,且加工精度要控制在0.03毫米以內、裝配精度要控制在0.05毫米以內,還要編寫上百萬行的代碼,才可實現整機高效控制與采集。


      禾信研制出“中國人的質譜儀”。

      “攔路虎”不斷出現,團隊逐一化解。歷經多個版本迭代、上萬次數據測試,團隊成功實現整機關鍵核心部件全部自主可控。今年5月,首臺自主研發的四極桿飛行時間液質聯用儀LC-QTOF 7000面世。


      該儀器是研究生物系統與生命萬象結構、功能的物質基礎——蛋白質組的重要利器。

      從最初研發兩三款產品,到如今每年在研產品多達10余款,涉及環境監測、生物醫藥、食品安全等領域,禾信的高端科技儀器設備國產化之路越走越寬。

      從0提高到6%,打破了依賴進口的局面。但要推動國產質譜儀器行業良性發展,需要幾代人努力。

      來源:科普中國綜合科技日報


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