质谱仪原理

p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em " strong span style=" text-indent: 2em " 仪器信息网讯 /span /strong span style=" text-indent: 2em " 2019年10月24日，BCEIA2019在京开幕的第二天。同期，由中国分析测试协会仪器评议办公室主办的分析测试仪器与评议活动顺利举办。作为本次评议活动的一部分，质谱仪器评议活动在24日下午召开，该活动旨在构建国内外仪器技术的交流平台，为质谱业内的仪器研发者、应用从业者以及仪器厂商跟踪国内外质谱仪器技术的发展与趋势以及市场需求服务，为国家科学仪器技术发展决策提供参考。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em " span style=" text-indent: 2em " 本次活动由军事医学研究院生命组学研究所/蛋白质药物国家工程研究中心魏开华主持，质谱评议组中石化石油化工科学研究院苏焕华、中国农业大学李重九、国家生物医学分析中心医学工程室赵晓光，中国分析测试协会汪正范、国家生物医学分析中心杨松成出席本次会议。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em " span style=" text-indent: 2em " /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/9027b3f6-6b4d-4070-bf21-ab3178e54014.jpg" title=" 现场.jpg" alt=" 现场.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 会议现场 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/a7350b68-796b-4fa7-8100-75f129a221a3.jpg" title=" 魏开华.jpg" alt=" 魏开华.jpg" / /p p style=" text-align: center " 军事医学研究院生命组学研究所/蛋白质药物国家工程研究中心 魏开华主持会议 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em " 本次评议活动安排了6位质谱仪器研发和应用的专家们分享了精彩的报告，并且强化了报告嘉宾与听众间的互动交流，促进业内学者及仪器厂商的思想碰撞与交流合作。而且报告内容上既涉及了质谱离子源、分析器的研发，也包含利用MALDI-TOF质谱技术进行临床检验分析的进展，还有近年颇有成果的国产质谱仪器厂商的研究进展分享。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/f819de45-4e86-41d7-a7f0-716760e4aabc.jpg" title=" 朱一心.jpg" alt=" 朱一心.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告人：浙江好创生物技术有限公司 朱一心 /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告题目《电喷雾离子源机理的补充及应用》 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告主要对电喷雾离子源的机理提出补充。朱一心提出电喷雾离子化存在的三个问题：1.质子氢的来源，2.为什么只有电喷雾离子化才可产生多电荷分子离，3.为何会产生离子抑制现象？问题的抛出引发了现场专家听众与报告专家的热烈互动与讨论。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/054d1f7b-123e-4fa5-8a06-77b5cf1751eb.jpg" title=" 互动2.jpg" alt=" 互动2.jpg" style=" text-align: center max-width: 100% max-height: 100% " / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 现场互动 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/c98370dc-710a-4582-b258-6344ac7d47d0.jpg" title=" 周晓光.jpg" alt=" 周晓光.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告人：融智生物科技（青岛）有限公司 周晓光 /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告题目《MALDI-TOF质谱宽谱定量与成像技术及其应用》 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告主要介绍了青岛融智MALDI-TOF宽谱定量和质谱成像的相关应用进展。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/031a8cdb-90ee-4d9e-9ece-7bd8ef51a69a.jpg" title=" 季玲.jpg" alt=" 季玲.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告人：北京大学深圳医院检验科 纪玲主任 /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告题目《MALDI-TOF质谱定量检测糖化血红蛋白的临床应用》 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告对新一代宽谱定量飞行时间质谱系统QuanTOF（融智生物）测定糖化血红蛋白HbA1c的分析性能做了系统评价。研究结果显示，批内CV和总CV分别低于1.6％和2.4％，且线性度良好，相关系数为0.999。另外，纪玲也表示，质谱仪的高分辨能力可有效对同时患有异常血红蛋白病的个体进行准确诊断，且抗干扰能力优异，体现了质谱技术在临床检验领域的进一步发展。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/90cbee38-576f-46c3-9339-9ea99ecd3d59.jpg" title=" 盖思齐.jpg" alt=" 盖思齐.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告人：北京市神经外科研究所/首都医科大学 盖思齐博士 /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告题目《中国人群生物年龄的生物标记物研究与应用》 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告介绍了关于发现血浆IgG糖基化水平与“生物年龄”及“身份证年龄”之间的关联，探讨综合糖基化指标能否作为预测“生物年龄”的潜在生物标记物的研究。此研究阐明了多种IgGN-糖基化水平与年龄的相关模式，并建立了基于糖基化水平的年龄预测模型。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/92ba979a-a053-4f67-8dd5-564d2bf9e092.jpg" title=" 丁力.jpg" alt=" 丁力.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告人：岛津欧洲研究所 丁力博士 /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告题目《数字离子阱的发展与MALDI-DIT质谱仪》 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告介绍了数字离子阱质谱的技术发展，对MALDI-DIT质谱技术的创新性进行了阐述。据介绍，MALDI-DIT技术已推出相关的商业化产品，如广州禾信推出了便携式VOC监测线形数字离子阱质谱仪，岛津公司也推出了MALDI-DIT技术的商业化产品MALDI数字离子阱质谱仪mini-1。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/65b17492-441d-47ad-8b3b-a72d49e4fb6a.jpg" title=" TOFWerk.jpg" alt=" TOFWerk.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告人：TOFWerk中国分公司总经理 朱亮博士 /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告题目《Vocus ELF PTR-TOF实时在线VOC监测最小最轻PTR-TOF质谱仪》 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告分享结束后，质谱评议组组长魏开华总结了2019年质谱评议的测试结果。此次质谱评议组现场对2家厂商的仪器进行了评测，在肯定成绩的同时，专家们也提出，未来在准确度与分辨率方面国产质谱仪器的成长值得期待。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/fb9ba38f-ce3e-4ce9-a573-05e28f3aac1b.jpg" title=" 合影.jpg" alt=" 合影.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.5em " 报告专家合影 /p p br/ /p

北京理工大学坐落在北三环西路，与中国人民大学与中国农业科学院彼此相邻。在一个深秋的下午，蝌蚪君来到了北京理工大学。　　徐伟老师的实验室就在这个狭长的校园里，这是一个位于延园餐厅附近的小平房，蝌蚪君进入实验室，发现里面宽敞明亮，有研究生正在电脑前做质谱仪中的离子飞行轨迹的模拟计算。徐伟老师在自己搭建的质谱仪器前　　徐伟博士毕业于美国的普渡大学——中国的原子弹之父邓稼先也是这个学校毕业的。徐老师的实验室主要是研究开发小型的质谱仪器。　　但质谱仪究竟长什么样?是用来干嘛的?可能很多人还不太清楚。　　什么是质谱仪?　　质谱仪，顾名思义就是用来检测原子或者分子质量的一种科学仪器，这种仪器通俗的说就好像是体重称——称的是微观世界里的粒子的体重。但是，微观世界里发生的事情比宏观世界要复杂一些。　　在宏观世界里，如果一个女生想要知道自己的体重，她可以直接站在体重秤上，就会得到她的受到的重力(其实是质量)。这里面其实是利用的是地球的万有引力，一个50千克的人会受到490牛顿的重力，所以可以通过重力的大小换算出质量来。　　但是，在微观世界，因为原子或者分子的质量很小，万有引力(它的大部分产生重力)又是宇宙中最弱的力，所以人类还无法测出原子受到地球的万有引力的大小(测量误差比较大，而且不容易把微观粒子的重力换算成质量，因为这需要考虑广义相对论效应)，因此，人类不能象女生称体重那样通过重力的方法来测量原子或者分子的质量，而需要另辟蹊径，这就是质谱仪的起源。　　一般流行的质谱仪，其体积都很大，价格也十分昂贵，动辄需要几百万人民币才能买一台。　　质谱仪的种类　　徐伟老师告诉蝌蚪君，质谱仪分为很多种类，都不是利用万有引力，而是利用电磁力或者其他别的物理效应来进行质量测量的。　　一般来说，质谱仪按照它的“称重方式”不同，可以分为磁质谱、四极杆、离子阱、飞行时间质谱与轨道阱等不同的种类。　　磁质谱利用的是磁场对离子的拐弯效果来进行离子质量检测的，不同质量的离子的拐弯半径并不一样。这就好像在学校操场的跑道上，内圈与外圈的拐弯半径是不一样的，不同不同的跑道可以对应不同的赛跑选手。　　四极杆质谱利用的是射频电场对离子的参数共振的作用来挑选出各种不同质量的离子，有点象是在荡秋千的过程中把人从秋千上振下来。　　离子阱质谱的原理与四极秆是一样的，只不过离子阱可以在空间体积上做得更小一些。　　飞行时间质谱是通过在同一电场中，不同质量的离子跑动速度不一样来分辨出各个不同的离子——这就好像汽车与飞机的速度是不一样的，所以我们可以从速度上分辨出汽车与飞机的质量是不同的。　　轨道阱利用的原理是不同质量的离子在轨道阱的电场中振动的频率不一样，这就好像是不同摆长的单摆，通过单摆的频率不同，我们可以反推出各个不同的单摆。　　在中国已经有一些大学与企业正在研究开发各种类型的质谱仪，都是一群年轻人奋战在第一线。徐伟老师的实验室主要是集中精力研究开发离子阱质谱仪。　　离子阱质谱仪的内部结构是由四块相对放置的带电电极组成，就好像是一个小房子，离子在那个小房子里不断运动，其质量被测出来——有点象是一个监狱里的囚徒，不断在牢笼里跑来跑去的样子。离子阱质谱仪示意图　　离子阱质谱仪的应用范围很广。　　徐伟说：“它的应用场合很多，比如医院的新生儿筛查，就可以用 比如一个地方发生了炸药爆炸，用质谱仪可以分析出这个炸药是什么种类的，是怎么合成出来的，从而确定这个炸药的来源 再比如瘦肉精的检测这些，与食品安全相关的，质谱仪都是可以做的。”　　目前正在做放在空间站上的质谱仪　　在上个世纪60年代，美国航天局与欧洲航天局开始把质谱仪放到了太空的卫星里用来检测太空中的各种有机物。在中国，徐伟老师也正在与中国科学院某个研究所合作放在空间站的质谱仪器。　　对于放在太空中的质谱仪，蝌蚪君也是非常好奇。　　蝌蚪君：“我们国家目前有把质谱仪放到卫星上吗?”　　徐伟：“有一个，放在环绕月球的卫星上了，是一个磁质谱。目前我们正在合作做小型的离子阱质谱，将来也会放到空间站上去。”　　蝌蚪君：“您提到的那个放到绕月卫星上质谱仪主要是用来测什么?”　　徐伟：“它主要用来测氦3，这是一种核聚变的原料。月球上的氦3比较丰富，在月球表面扬起的灰尘中也有氦3，可以用质谱仪测出它的含量有多少。”　　还有测神经毒气的质谱仪　　徐伟教授还提到，在纽约的地铁站有测神经毒气的质谱仪，这对于反恐是很重要的设备。但目前在北京的地铁站，还没有测神经毒气一类的质谱装置，在中国的地铁安检中多数采用的是灵敏度低一些的光谱仪或者离子迁移谱的方法。　　为什么质谱仪没有在地铁安检中大规模推广开来呢?原因有两个，首先是检测的时间稍长，其次是仪器整机太大，价格太昂贵。　　徐伟：“如果我们能把质谱仪做成低成本与小型的，那么也许可以在各个地铁站普及这种小型质谱仪，也可以用来检测各种神经毒气以及其他的危化品。”　　蝌蚪君：“你们目前做的小型质谱仪大概有多大?”　　徐伟：“目前做到的重量是6公斤，体积大概比一个台式电脑的机箱小一些吧。如果质谱仪可以做得象手机那样大，那么一定会有更多人来使用它!”　　研究开发质谱仪有什么困难?　　虽然质谱仪用途很广用处很大，但开发出一款方便实用的仪器并非易事。徐伟老师的在读研究生郭丹给蝌蚪君介绍说，开发一款质谱仪，一般一开始是做理论研究与数值模拟，徐老师的研究组有自己开发的模拟离子在质谱仪中运动的模拟软件，通过模拟以后，再进行机械结构与电路设计，然后就是采购相关的材料进行加工与组装，最后才是进行整机性能的测试。　　而整个流程中，最困难的就是中国国内的材料以及机械加工水平的制约，比如像轨道阱这样的具有不规则几何形状的电极，国内的机床还加工不出来。　　徐老师也提到，他希望国家能继续加大对质谱仪这种高端科学仪器的支持，虽然目前科技部等政府部门有一些重大科学仪器开发专项的支持，但质谱仪的研究与开发还需要更长时间更大力度的支持。中国人在1970-1980年代曾经做过质谱仪，当时国家还不富裕，支持力度不够，最后整个研究队伍还是散了。所以徐老师更期待到了21世纪的今天，“做质谱仪的中国人”这支队伍能在国家的支持下不断取得进步，茁壮成长。

2023年9月18日，西安交通大学组织专家在西安对西安交通大学、西北核技术研究院等联合研制的国产热表面电离质谱仪进行了仪器性能鉴定。鉴定委员会由来自中国核学会、中国计量科学院研究院、中核四〇四有限公司、中国工程物理研究院、中国原子能研究院、中核建中核燃料元件有限公司、中国核动力研究设计院、西北大学、暨南大学、西安交通大学、中国科学院青海盐湖研究所、中国科学院地球环境研究所等单位的14名国内专家组成，其中中国质谱学会原理事长、中国核学会李金英研究员为专家组组长，中国计量科学研究院首席科学家王军研究员为副组长。西安交通大学电气工程学院党委书记梁得亮教授、仪器科学与技术学院党委书记韦学勇教授、仪器科学与技术学院院长赵立波教授、科研院处长陈黎教授及项目组成员等30余人参加会议。科研院陈黎处长主持鉴定会。西安交通大学电气工程学院梁得亮教授首先代表学院感谢各位专家长期以来对国产质谱仪器的关心，质谱仪作为分析仪器皇冠上的“明珠”，国产化问题一直备受关注，希望各位专家多提宝贵建议，对国产仪器客观评价，帮助项目组进一步做好仪器迭代升级。中国质谱学会原理事长、中国核学会李金英研究员在线上主持仪器研制汇报与指标测试汇报环节。项目组技术骨干袁祥龙工程师对国产热表面电离质谱仪的研制目标、关键技术、工程化、未来展望等方面进行了汇报。项目组在国家重大科学仪器设备开发专项、国家重点研发计划等多项重点项目支持下，开展了离子光学理论研究、关键部件研制、测控软件开发、仪器工艺及可靠性迭代等多项工作，取得系列创新成果。中国计量科学研究院王松副研究员在国产热表面电离质谱仪上开展了为期三天的现场测试，会议上介绍了仪器指标测试大纲与测试报告，并分享了个人在国产仪器方面的使用感受。在听取了项目组和第三方测试单位的汇报后，鉴定委员会进行了热烈的讨论，认为国产磁质谱仪器十年磨一剑，取得了令人瞩目的成果、令人振奋，向项目组表示祝贺。专家们结合实际应用场景，就特定核素同时测量、探测器技术方案、微弱信号检测等与项目组进行了深入技术探讨；最后，还对仪器长期稳定性考核、自动化样品处理、知识产权布局等方面提出了具体建议。研究团队学术带头人李志明教授最后总结了团队磁质谱仪器研发历程、目前面临的挑战和未来研发计划，表示研究团队将以本次鉴定会为契机，“咬定青山不放松”，持续做好性能指标先进、“皮实耐用”的国产化质谱仪器。18日下午，鉴定委员会及其他与会专家到现场实地考察了国产热表面电离质谱仪，观看了仪器功能演示、软件操作和关键零部件研制情况，并现场开展样品测试。项目组现场还对在研的高分辨辉光放电质谱仪、高分辨气体质谱仪等仪器的关键部件进行了介绍。鉴定委员会一致认为：该仪器主要技术指标与国外先进商业仪器相当，其中峰形系数、系统稳定性和丰度灵敏度（带阻滞过滤器）指标优于国外仪器；突破了多工位热离子源、磁-电双聚焦离子光学设计、高稳定磁场控制、多接收离子探测等关键技术，在仪器设计与关键部件研制方面有多项创新，实现了同位素丰度高精密测量；自主开发了点样仪、样品带成型及焊接装置、样品带去气装置等全套辅助设备，可满足日常分析要求。热表面电离质谱是被公认为同位素分析最精确的分析方法之一，是一种准确的、可用于校准其他分析方法的参考技术，被广泛应用于核工业、同位素地球化学、计量标准、油气勘探、海洋学等领域。国产热表面电离质谱仪成功通过鉴定将推动我国高端磁质谱仪器向国产化替代迈进，打破关键领域仪器设备“受制于人”的被动局面，具有里程碑意义。