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当前高分辨质谱的技术概况与需求

来源:中仪学会分析仪器分会        时间:2022-04-15




       导读: 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 


       为了积极响应国家支持科学仪器自主创新政策,详细了解我国高分辨质谱的应用现状与发展瓶颈,探讨我国高分辨质谱研发攻关的可行性及相关对策,中国仪器仪表学会分析仪器分会、中国科学仪器自主创新应用示范基地及中科院生物物理研究所等特别组织举办了第十五期科学仪器发展高层沙龙—— “加快高分辨质谱攻关与布局”,近20位政、产、学、研、用方面的相关代表出席活动。 



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 活动现场 



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。 



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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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嫦娥五号月球样品研究揭示月球演化奥秘 



       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。 



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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。 


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