突破超痕量物質測量極限引領質譜科學儀器自主創新

　　 分析化學中的“超痕量”是指物質含量在10-9g/g及以下的極微小量。單細胞成分量、早期腫瘤診斷標志物含量、高純標準物質中雜質含量等往往都在超痕量級。檢出并準確量化這些超痕量物質往往有著“見微知著”的效果。例如，單細胞成分量間的超痕量差異很可能是區別細胞功能、判斷細胞是否病變的依據；血液中超痕量的診斷標志物則可能是腫瘤和心腦血管疾病等早期診斷的最有效途徑。然而，“超痕量”已接近主流分析測試方法的檢出極限，更難以在樣品量極少、基質復雜的情況下保障超痕量成分測量的可靠和穩定。

　　 為此，中國計量科學研究院（簡稱“中國計量院”）針對超痕量物質精密測量的系統解決方案、核心技術和關鍵部件，與復旦大學等單位聯合展開技術攻關。經近六年的努力，項目組成功開辟了超痕量物質精密測量的新途徑，破解了關鍵測量環節的世界技術難題，將目標分析物的檢出限下拓至主流方法的千分之一。項目組自主研發的核心器件和測量系統，成功將我國相關儀器的自主研制能力提升至國際領先水平，為我國物質科學、生命科學重大研究的突破提供了有力支撐。日前，中國計量院領銜的“超痕量物質精密測量關鍵技術及應用”項目獲得了2017年度國家科技進步二等獎。

　　圖1 項目負責人方向研究員在國家科學技術獎勵大會現場

　　 據項目負責人、中國計量院院長方向研究員介紹，對全技術鏈條的系統創新和對關鍵環節的重點攻關是項目取得突破的兩大核心。項目組首先從主流色譜-質譜技術路線各個環節出發，分析了制約測量精度的根本原因，提出了以氣相離子為研究對象、基于離子精確測量技術的全新測量系統模型。與此同時，項目建立了基于超算的多物理場離子運動模擬仿真系統，促進了全研發過程多種新技術、新方法的快速驗證、優化和實現。在此基礎上，項目聚焦系統關鍵環節，成功構建了可精確調控的多物理場，發明了新場型調控離子操控新技術，研制出系列關鍵部件和三類基于不同原理的科學裝置，實現了離子選擇性高效傳輸、富集和精準分離，最高離子富集效率可達10000倍。項目還針對弱極性、易降解化合物，研制出高效的輝光放電離子化裝置，實現了純物質中全雜質的精確扣除，大幅提升了我國基準純物質的自主研制水平，2種生命科學領域標準物質定值方法被國際發布為參考方法，彰顯了我國化學計量的國際地位和水平。項目針對單細胞分析中樣品量極少、基質復雜等難題，開發出基于電場誘導解析電離離子化的獨特科學裝置，成功實現了pL(10-12L)級單細胞中基質和待測分子的分離，檢測限達fmol(10-15mol)以下，可同時觀測到單細胞中上千種代謝物含量的極微小變化，為我國生命科學前沿和尖端研究提供了可靠支撐。

圖2 三類科學裝置國際首創、核心技術國際領先

　　 除支撐計量科學、生命科學等前沿尖端研究外，項目組與相關科研單位和企業合作，聚焦質譜儀器新產品自主研發、技術升級和產業化，依靠創新引領我國基礎前沿研究自主裝備能力和原始創新水平，形成的關鍵技術和部件應用于多個企業和多種質譜儀的研制，在一些重要領域打破國外壟斷，增強了國產質譜儀器的國際競爭力。