当前高分辨质谱的技术概况与需求
01目前高分辨质谱的技术发展概况
业内通常把分辨率在10000（FWHM）以上的质谱称为高分辨质谱，主要包括双聚焦磁质谱、飞行时间质谱、轨道阱质谱及傅里叶变换离子回旋共振质谱。
图：用于高分辨质谱的四种质量分析器
①双聚焦磁质谱
同位素定量能力最准。正向双聚焦磁质谱最高分辨率可以达到40,000（FWHM），反向双聚焦磁质谱最高分辨率可达到100,000（FWHM）。
②飞行时间质谱
检测速度最快。随着多次/圈离子反射技术的引入，飞行时间质谱的最高分辨率已经突破600,000（FWHM）。
③傅里叶变换离子回旋共振质谱
质量测量精度最高。分辨率可达数百万甚至更高，价格昂贵，同时傅里叶变换离子回旋共振质谱需要在液氦低温环境中运行，液氦价格高昂，操作维护成本高。
④轨道阱质谱
静电场轨道阱是一种全新商品化的质量分析器，最高分辨率可达1,000,000（FWHM），比FTICR稍逊一些，但无需复杂的冷却装置。
02我国高分辨质谱的应用需求情况
月球研究、地质科学、生命科学、核工业、材料科学等领域对高分辨质谱的需求日益旺盛，并且还在不断提出更多的新要求。
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①月球研究
我国规划2030年前建立国际月球科研站，需要把质谱仪送到月球上探测地外生命，希望质谱仪的分辨率更高、灵敏度更高、体积更小、质量更轻。
月球样品中元素含量与地球的不一样，某些元素含量变高，干扰峰变强，希望二次离子质谱的分辨率进一步提升。
②地质矿产
地质矿产中的伴生元素比较复杂，而且含量比较低，伴生元素及痕量元素的检测特别需要高分辨质谱。
③生命科学
目前生命科学研究已经发展到了干细胞范畴，轨道阱质谱也成为了蛋白质组学、代谢组学、脂质组学研究的必备利器，生命科学、药物开发、临床质谱的未来发展，必然离不开高分辨质谱。
④核工业
核工业必需的磁质谱一直遭受国外禁运和技术封锁，而核工业的高质量发展急需发展自主高分辨磁质谱。
⑤材料科学
“上天入地”科技的飞速发展，地矿、半导体、高温合金等领域对材料纯净度的高精度检测需求增多，因材料基体比较复杂，某些痕量或超痕量元素的测量需要高分辨质谱。
03当前高分辨质谱的市场垄断格局
近年来，我国质谱仪器市场需求日渐旺盛，同时，多个国产质谱机种实现了商品化，并有了小批量生产和销售。然而，国产高端质谱仪的发展仍处于起步期，特别是高技术含量的高分辨质谱产品至今空白，国内市场长期依赖进口。
图：2020年中国质谱仪器市场需求情况
①全球最大质谱市场在中国
我国是全球最大的质谱市场，却也是国产占比最低的分析仪器市场。2020年我国进口质谱仪器13889台/套，销售总额约105亿元，占比92%，国产质谱销售额仅占8%。
②磁质谱受国外禁运严重
磁质谱市场规模不大，但受国外禁运最为严重，就目前数据来看，国外禁运的80%高分辨质谱都是磁质谱。
③FTICR独家供应商：布鲁克
傅里叶变换离子回旋共振质谱（FTICR MS）的最高售价超过1000万，是目前最贵的高分辨质谱，并且全球只有一家生产商——美国布鲁克·道尔顿。
④赛默飞独家专利：Orbitrap
静电场轨道阱技术是美国赛默飞世尔的独家专利，并推出了商品化的高分辨质谱Orbitrap。目前Orbitrap几乎成了轨道阱质谱的代名词，并对FTICR、TOF等高分辨质谱产生了替代或刺激作用，市场存在一定垄断态势。
⑤二次离子质谱开启国产化之路
原来全球只有法国CAMECA和澳大利亚ASI生产大型二次离子质谱。后来美国AMETEK收购了法国CAMECA，仪器售价从原来2000万元涨到4500万元，形成了技术垄断。
ASI是澳大利亚国立大学的校办企业，2018年刘敦一教授创办的敦仪科技与澳大利亚国立大学及ASI签署技术转让协议，因此获得部分核心技术。
目前全球大型二次离子质谱装机量约50台，今年我国预计安装3-4台，还有2-3台在咨询阶段。
我国研制高分辨质谱面临的挑战
01从硬件到软件，技术层面的挑战
高分辨质谱研发难度非常大，不止是硬件、软件和数据库，仪器的整体设计、加工工艺的精度也会增加攻关的难度。
①核心部件
o 研制高分辨质谱需要攻克的难点很多，包括高精密质量分析器、离子源、检测器等。
o 仪器行业带不动半导体器件，受制约最大的应该是高压、高速采集卡、低噪声放大器等电子器件。
o 国内的分子泵能否实现大流量？小流量的分子泵能否实现产业化？这些都是实实在在亟待解决的问题
②加工工艺
o 国内质谱研发多处于逆向开发阶段，整机工程化能力不足，而高分辨质谱对机加工工艺的要求非常高。
③工业设计
o 高分辨质谱的整体设计经验不足，受限的加工精度可以通过良好的光学系统一体化设计补偿。
④质谱软件
o 质谱数据解析与挖掘较为复杂，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及研发资金。
⑤高分辨质谱数据库
o 相比高分辨质谱，组学用户更看重质谱检测后的数据分析结果。进口企业为用户提供庞大的数据库服务，而国产质谱软件刚推出，面临应用功能不丰富、数据库积累不足等问题。
02基础层面面临的问题
①产学研用合作不够
o 国外高端仪器研发大多是企业和大学合作，工程师长期跟踪科学家的科研过程并持续开发对接，周期长但确实有效。目前国内大学和质谱企业之间的产学研合作不够深入和广泛。
o 产学研合作会涉及到知识产权的授权、转让，如果合作深入还会涉及到股权问题，国内相关的政策法规需要梳理清楚，否则会影响双方合作的积极性。
②基础研究薄弱
o 逆向模仿绝对研发不出高分辨质谱，我们应加强数学物理的基础理论研究，例如带电粒子在电磁场作用下的运动等。但国内可能只有一两所仍在开设电子光学专业的高校。
③质谱研发人才短缺
o 国内质谱应用型人才很多，但真正的质谱研发人才可能还不到100人。企业给不起华为级别的高薪，吸引不来优秀人才。
高分辨质谱研发攻关的可行性及对策建议
01关于高分辨质谱国产化的一些好消息
近年来，在国家扶持与业内努力之下，我国在高分辨磁质谱、质谱流式细胞仪、二次离子质谱以及高精密质量分析器等方面取得了一些新突破：
①西北核技术研究所
为消除核工业的同质异位素干扰问题，该所已经研制出两台高精密双聚焦磁质谱仪器，一台高灵敏度的激光共振电离质谱仪，一台高丰度灵敏度热表面电离质谱仪，绝对灵敏度可以实现105的原子探测。
②杭州谱育科技发展有限公司
2021年9月，谱育科技推出了基于ICP-QTOF技术的质谱流式细胞仪新产品，并在今年2月份启动了浙江省重点研发计划——“尖兵”研发攻关计划项目“流式质谱细胞分析技术”。
③中国地质科学院地质研究所
为降低地质样品微量元素分析干扰问题，该所研制了多次反射飞行时间二次离子质谱；对标法国CAMECA最新型号，正参与研制国产第一台大型高分辨双聚焦二次离子质谱仪，涉及磁分析器、离子源和多接收器等关键部件。
④宁波大学质谱技术与应用研究院
有基础研制出静电场离子阱，也在研究静电场与磁场杂合的全新质量分析器，分辨率可达20万+，最高能到30万。
02我国高分辨质谱的研发思路及建议
①研发方向
o 结合1-2个高端应用研制专用高分辨质谱，在某些领域替代Orbitrap，占据专用市场，也为研制通用质谱积累经验。
o 基于现有成果开发通用型高分辨质谱，如轨道离子阱质谱、双聚焦磁质谱、大型双聚焦二次离子质谱等。
o 不考虑市场导向进行前瞻性研发，如基于静电场与磁场杂合的原创方法研发全新的高分辨质谱仪器。
②政策建议
o 高分辨质谱研发难度大，以现有基础，两三年内研制出8级就绪度的仪器较难，项目扶持需要给予更长时间。
o 高分辨质谱项目立项应该扶优扶强，绑定几支强有力的科研团队，集中定点研发，政府予以持续支持。
o 关键部件及软件、数据库属于质谱产业基础设施，须重视，需重点投入。
o 从产业链角度布局，提升关键部件供给能力，提升工程化和产业化能力。
③更多好建议
o 高分辨质谱的研发必须产学研用结合，特别是要有高端科研用户的反馈指引。
o 人才输出数量远不能满足行业需要，希望学术界多培养质谱研发、制造人才，对基础理论相关课程的开设有所倾向。
o 发挥行业学会/协会的作用，推动建立国产质谱文化自信，加强宣传和推广国产仪器。
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