质谱仪有何用处？拒绝葬送中国高尖端科技未来，国产质谱仪的崛起

大家应该深有感触，在医院里做一次CT检查，动不动就是几百块，要是做一些更专业的检查甚至会花费到成千上万元 ，并且关于仪器类的医院项目检查只能自费，无法报销 。

这让多少中国百姓吃了看病的苦头，甚至有人怀疑是不是医院收大价钱赚得盆满钵满。其实还真不是这样，由于这些仪器都是进口产品，主要原因还是由于欧美一些国家的要价太高 。

不仅如此，在科研领域中，北京大学的一台核磁共振仪器出了故障，学校方面向国外的厂家请求保修时，对方的态度非常的大爷：想修行啊，先预支人工费23万人民币 ，至于什么时候修，能不能修好，看厂家的心情 。

核磁共振仪

狮子大开口式的要价，傲慢无礼的态度，就连中国最高学府北大都受过这种气。

但是这种情况已经屡见不鲜了。中国是继英国之后的世界工厂，但是我们的工厂大多数是中国制造 ，而不是中国创造 。

只要是高端科研仪器类，我们都需要进口。不仅仅是科研仪器，就连软件类都没有逃过这种情况。这些高端的隐形行业养活了一堆外国公司 ，我们长期依赖进口 ，处处受制于人 ，很可能葬送的就是我们的明天 。

中国芯片领域发展也曾处处受限

受制于人的高端科技

之前网络上有这么一个新闻，美国拒签了500多名去美国攻读博士和硕士学位的研究生 。他们大多数是学习计算机、机械、电子工程、材料科学以及生物学的高精尖专业。

都说美国学府聚集了最高端的人才，但这对于中国来说似乎意料之中。最严重的时候，由于国际关系紧张，甚至研制我国了“两弹一星”的钱学森都遭到了美国的非法囚禁。

打压中国学术的目的就是防止我国的理工教育向西方学习，最怕大量的留学生像钱学森一样在美国学成后 ，一心一意要回来建设祖国 ，却被扣留在海外。

两弹元勋钱学森

而这些留学生的学成与否，也关系着我国科研仪器的研发。尤其是基础原材料、高端芯片、工业软件、医疗科技、化学试剂等等科研仪器都有着相当重要的联系。这些仪器可以让我国的科研过程更加方便快捷 。

但是我们国家面对科研仪器方面，却偏偏需要依赖进口，科研仪器这种似不重要的隐形行业，限制了我国很多的科研发展 。

根据一些数据统计，在2007年我国科研仪器进口消耗费用是500亿美元 ，而到了2019年就已经到达520亿美元 了。五百多亿的数字触目惊心，可见我国多么缺少高端科研仪器。

我国在高端科研仪器方面十分受限

比如在医院里的核磁共振仪、X光机等等高端的医疗器械，都是依赖于西门子、飞利浦等国外厂家进口。而像用于药物开发、液体质联用仪、还有环境检测的仪器国产占有比例都极其低下，甚至化学化工仪器、工程材料还有石油领域等方面的仪器我国占有比例更是惨淡，仅仅是1.32% 。

在大型高端科研仪器研发 方面，世界排行榜上我国根本就排不上名号 。最可怕的是，这些仪器的资料被保护得特别好，我们想仿制出来个山寨版本的都仿制不出来。

在这其中就有一种叫质谱仪 的仪器，它在环境监测、药物分析、生命科学以及食品安全 等方面都占据着非常大的作用。

质谱仪

但是之前质谱仪一直在依赖进口，在2003年之不易进口了300多台，到了2005年以及进口了950台，而在2007年就变成了进口1700台，简直是接近二倍的进口量，而到了2010年我国进口质谱仪直接飙升到了4000多台 ……这就让我国陷入了非常严重的科学仪器依赖困境 。

隐形行业质谱仪

质谱仪又可以叫做质谱计 ，可以分离和检测不同同位素的仪器 。

就是可以根据带着电粒子在电磁场中也能够偏转 的原理，将分子、原子或者一些碎片的质量差异进行分离和检测物质成分 的一种仪器。

质谱仪工作流程图

质谱仪能够用高能电子流量对样品分子进行轰击 ，最后让这个分子丢失掉了电子变成带着正电荷的分子离子和碎片离子。这些个不同种类的离子也具有不同的质量 ，而不同的质量的离子在磁场的作用下达到检测器的时间也各不相同，这个就是质谱图 。

自从上个世纪八十年代以来，因为国外的质谱仪器市场价吸引了很多中国人购买质谱仪，所以这也间接导致了质谱仪产品团队研发的覆灭 。所以在国内质谱仪的厂商中，基本上进入了二十多年的研发真空时期。

也正是因为研发机器的厂商没有传承核心技术，导致导致了研制工作停顿，因此引发的质谱技术人才断档 也是必然的趋势。

质谱仪

所以中国的科学技术部门从“十五”开始投入了大量的资金来支持质谱技术以及产品的研发和生产。中国计量科学研究院也承担了质谱仪研究的计划和发展 。可以看得出质谱仪研究的科研计划，中国人势在必行 。

国外质谱仪的发展历程

国外质谱仪最初诞生于1871年，一位叫做亨利·卡文迪许 的科学家设计了最初质谱仪的原型，他被认为是继承牛顿之后最伟大的科学家之一。

这个可以追溯到19世界的物理学界，在欧洲一直有着这样一个问题。因为放电实验室中正对着阴极的玻璃管上面有绿光 ，有一位德国的物理学家说这些绿光的产生就是由于一种射线 ，但是谁也不知道这个射线的具体来源和构成是什么。

亨利·卡文迪许发现这种东西就是电子，因此制作出了一台能够测量氢原子核质荷比 的仪器，这种仪器让阴极和阳极产生射线，射线可以经过外加磁场，这样就可以让只有速度达到特殊要求的粒子才能到达终点 ，这种仪器就是最初质谱仪的原有雏形。

亨利·卡文迪许

直到1910年，弗朗西斯·阿斯顿 也去研究这种射线，他也想要开发出利用磁场来测试原子的方法，但是他在此基础上又有了新收获 。

他发现氖元素中还有很多和和它一样的化学组成，但是质量却又不一样，这就是后来人们都了解到的物质——同位素 。

一战后，弗朗西斯·阿斯顿终于研究出了第一台高精密的质谱仪，不仅仅可以观测，还可以测量。这样就让这位科学家发现了212种同位素。因此这位科学家也获得了诺贝尔的物理学奖项 。

弗朗西斯·阿斯顿

这就是国外最初对质谱仪的研究。而到了现在，美国 研制的质谱仪能够占世界生产和销售的80%以上 ，日本则占到了10%左右。在我国国内，进口质谱仪几乎垄断了所有的市场，这种情况不仅让人胆寒，我们再研发不出新的科研仪器，会不会就像清朝的闭关锁国没有科技发展一样，葬送掉明天？

拒绝葬送： 我国质谱仪崛起

110多年来，多少诺贝尔物理学奖和诺贝尔化学奖给了发展和拥有科研仪器的科学家们，面对这一情况，在20世纪九十年代，周振 就决心要研究出属于中国人的质谱仪 。

在20多年前的今天，周振从厦门大学毕业去德国吉森大学 深造，攻读物理学博士 以此学习技术，发展中国的科研仪器。”

周振在检查质谱仪配件

但是当时科研仪器更是全都依赖于进口，所有人都觉得周振简直是异想天开 ，那时只有傅家谟，但是有了一个人支持就相当于有了勇气。周振一点也不气馁，坚定自己的想法，最终走上研发质谱仪的道路 。

研发的第一步是筹集资金 ，光是筹集就耗费了周振不少腿脚和嘴皮子，所有人一听说研发质谱仪觉得不太可能直接拒绝。一个研究项目至少要投资个几千万，小企业实在是做不到这种投资。直到后来广东的一家科技风投控股批给了周振500万 的项目资金，终于周振有了启动资金了。

而光有资金还不行，还需要技术人员 。但是左右凑集周振的科研团队人数依然相当可怜，两个学生和一个助理，还有一位老技工 。但是就是在这样缺兵少将又资金匮乏的情况下，在2000年 ，周振成功的研制出了分辨率高达20000的垂直型引入式飞行时间质谱仪 。

国产质谱仪

并且研究出来的就要是最好的，最优秀的，在当时的科技领域，周振研制出来的质谱仪就是世界上同类仪器的最高水平，充分打破了我国没有科研仪器的尴尬境地 。

而在2013年，周振又成功推出了一款PM2.5飞行时间在线源解析质谱监测产品 ，这款用于环境监测的质谱仪一研发就是十年的时间。直到2017年，他们又研制出生物领域的质谱仪，这一款质谱仪可以用来分析蛋白质组学、基因学、代谢领域、药物以及聚合物等各种生物领域 。

基因链

从环境监测到生物医药科学，周振研发的质谱仪在多个领域广泛应用，为我国的科技仪器研发打开了新的大门，我国质谱仪技术领域就此崛起 。

周振从最开始的5人团队，到现在的240多名员工 ，他的成功发展就是我国科研仪器行业的成功发展。科研仪器这个隐形行业需要更多的人才去补充和积累，这样我们才能填补这一曾经不受重视的隐形行业的空白，避免葬送我国高尖端科技的明天。

结语

没有属于自己的高精尖科研仪器研发，就会很难产生创新性研究成果，就更难去发现别人没有发现的问题，来弥补我国的科研领域缺陷 。

科研技术水平也是综合国力的一部分

这个道理就是没有属于自己科研仪器的情况下，我国的科研成果做得再好，把文章发送到国际的学术期刊上也不过就是对成果的补充，而不是创新，这也说明会让我国的科研始终处于跟踪和模仿的尴尬阶段 。

就像我们国家的核磁共振仪出了故障，我们想要到国外检修却要看人脸色处处受气；还有我们都熟知的华为手机，也是因为早先依赖美国进口芯片 ，最后美国芯片停止供应让华为陷入两难的境地，最后这个问题虽然解决了，但是足够引起我们的重视 。只有自己拥有，才是最好的，这也是我国一定要走科研独立道路，不在关键技术上被人“卡脖子”的原因。

“中国芯”

质谱仪为何需要真空？简述质谱仪中真空设备的特点与应用

质谱仪，称量离子质荷比的高精尖仪器。因灵敏度高、分辨率高、分析范围广、分析速度快等特点，质谱仪如今已成为各国基础研究、科学突破和产业创新不可或缺的工具，被誉为 “科学仪器的皇冠”。

近年来，随着人类对食品、环境、生命科学、医药、新能源、新材料、地质学、环境监测、核反应研究等领域的关注，质谱仪的市场需求也稳步增长。根据 Transparency Market Research 的测算，2018-2026年全球质谱仪市场规模复合年增长率为7.7% ，预计到2025年全球质谱仪市场将超过百亿美元 ，在下游应用领域需求的拉动下，全球质谱仪市场将保持稳健增长的态势。

▲ 图1 质谱全球市场预测（单位：亿美元） 来源：仪器信息网

就国内而言，质谱仪市场增速更加明显。据统计，2022年中国质谱仪行业市场规模达到137.75 亿元，同比增长12.64 %，增速快于全球。市场供需方面（如图2），2022年中国质谱仪产量和需求量分别为1.07、2.31万台，分别同比增长7.7%、6.8%。

▲ 图2 2014-2022年中国质谱仪行业市场规模及供需现状 来源：智研咨询

虽然国内质谱仪市场增速明显，但目前国内质谱仪产量很大程度上来源于海外企业的国内工厂，整体市场的主要参与者仍是海外头部品牌。以2022年为例，数据显示（如图3）国内本土品牌 市场份额占比仅有15.0% ，进口品牌 市场份额占比超过85% 。

▲ 图3 2014-2022年中国质谱仪行业国产及进口品牌市场销售份额占比 来源：智研咨询

随着科学技术的创新，质谱仪也在升级迭代，向着高特异性、高精准性、高通量的方向发展，成为关键领域科学研究的必备条件。质谱仪的应用场景涵盖了我国约60% 以上的国民经济领域，属国家战略性产业。我国质谱仪整体仍以进口为主，实现质谱仪国产替代和自主可控 ，已经成为我国仪器创新发展的重要内容之一。

本文介绍了质谱仪的原理与分类 ，以产品为例说明质谱仪中的真空系统的应用 ，让大家对这颗“仪器皇冠上的明珠”有更深的认识。

质谱仪的工作原理与分类

质谱仪器一般由进样系统 （Inlet System）、离子源 （Ion Source）、质量分析器 （Mass Analyzer）、检测器 （Ion Detector）、计算机系统 （Computer）五部分构成（如图4所示）。其中，离子源、质量分析器是整台仪器的核心部件。

▲ 图4 质谱仪的主要结构组成

质谱仪的工作原理可以分为以下几个关键步骤：

❶ 样品制备： 将待分析的样品制备成气态或液态，以便进行离子化。

❷ 离子化： 通过电离法或化学离子法在真空环境下将样品中的分子转化为带电荷的离子。

❸ 分离： 利用电场和磁场使不同质荷比m/e的离子在空间或时间上分离。

❹ 探测： 进入质量分析器按照质荷比依次到达离子检测器进行检测并转化为电信号，通过计算机处理绘制成质谱图，从而确定离子的质量、结构和相对含量。

质谱仪具有多种分类标准，包括应用角度、质量分析器类型和离子源类型等，图5为常用质谱仪的分类情况。

▲ 图5 质谱仪分类

质谱仪与真空技术

虽然质谱仪器发展至今已有十多种子类，但它们有一个共同特点：必须在良好的真空条件下才能正常工作 。为何质谱仪器离不开高真空环境呢？主要原因如下：

❶ 离子源电离试样分子需要在高真空条件下进行。

❷ 离子的平均自由程必须大于离子源到收集器的飞行路程。如果仪器内部不是真空环境，离子在运动过程中就会与气体分子频繁碰撞，导致离子飞行的路径改变或者发生碎裂，分析器无法分析和检测到离子。而如果真空度不足，离子同样会和真空室内的残留气体分子相撞，显著降低仪器的分析灵敏度，导致分析误差增大。

▲ 图6 FT-ICR质谱仪的离子传输过程示意动图 所需真空度约为10-4 Pa

❸ 真空度不足时，会引起系统内电极之间相互放电或对地放电，使分析无法进行，严重时会损坏仪器的离子光学及电子学部件。

除此之外，仪器内氧气分压过高会影响电子轰击离子源中灯丝的寿命，电离盒内的高气压也会干扰轰击电子束的正常调节。一般来说，要求离子源的真空度在10-3～10-4 Pa ，质量分析器和检测器的真空度在10-4～10-5 Pa 。

真空环境不仅能够直接影响到质谱仪的灵敏度、分析精度和质谱图样，还会间接影响到仪器的使用寿命。所以，真空系统对于质谱仪至关重要。

质谱仪中的真空设备

质谱仪真空系统通常包括以下组件：真空室、真空泵、各种阀门和真空计 。

其中真空泵将真空室中的气体抽出，使压力逐渐下降；阀门可以控制气体的流动方向和速度，以实现对真空系统的控制；真空计可以实时监测真空室的压力变化，并将其转换为电信号，用于控制和报警。常用的真空计有热电偶、热阻和离子真空计等。

上述组件中，真空泵 作为真空获得设备，其作用不言而喻。质谱仪真空系统一般由两级真空组成，低真空和高真空。前级真空泵 一般为干式真空泵或油封泵，近年来已经出现更新换代的趋势，大量的油封泵被干式真空泵所替代；高真空泵 目前主要应用的是涡轮分子泵。设计质谱仪的真空系统，真空泵的选择是关键所在。

目前，先进分析仪器对于真空技术的需求非常复杂，主要体现在真空泵产品性能 及空间优化 两个方面。我们将以 EDWARDS 部分真空泵产品为例说明质谱仪器对于真空泵产品的要求。

1 产品性能

想要质谱仪器达到更高的灵敏度、分辨率及样品通量，真空泵不仅要确保系统真空度达标，还需快速抽空以应对大通量检测，同时满足特定真空度下的抽速要求。EDWARDS 适用于质谱仪的前级真空泵以 nXDS 干式涡旋泵、mXDS3紧凑型干式涡旋泵、nXRi 多级干式罗茨泵 及 XDD1 真空隔膜泵 为主。

其中 nXDS 系列产品在其他涡旋泵的基础上进行更新，具备出色的抽气能力，涡盘设计的优化使其极限压力更低；nXRi 多级干式罗茨泵有较好的极限真空和较高的可靠性，而新型 mXDS3 干式涡旋泵的峰值抽速更大，以上前级真空泵优良的产品性能保证了质谱仪分析结果的准确性。

▲ 图7 EDWARDS nXDS 干式涡旋泵（左） mXDS3 紧凑型干式涡旋泵（右） 图片来源：EDWARDS

针对质谱仪器的高真空段， EDWARDS 研发了 nEXT SplitFlow 分流真空泵。 nEXT SplitFlow 拥有不同的转子盘及真空端口，每个端口都可以通过编程独立运行，如同将多个涡轮分子泵“融为一体”。正因为其独特的结构，nEXT SplitFlow 涵盖了高真空 (HV) 到超高真空 (UHV)，广泛适用于多种分析仪器的应用场合。产品的高压缩比是分流真空泵达到并保持所需真空度的关键指标。

▲ 图8 EDWARDS nEXT SplitFlow 分流真空泵内部结构：1.多个牵引级；2.泵内直接测温；3.轴承系统；4.可由客户自行更换的油盒；5.排气口；6.永磁轴承；7.手动排气阀；8.泵控制器 图片来源：EDWARDS

2 空间优化

对于质谱仪器来说，在体积、重量、成本、功耗等诸多方面，真空泵都是“主力担当”。近年来，质谱仪器向着小型化、便携式 的方向发展，真空泵的设计更要迎合全球市场所需。

国外许多团队也致力于质谱仪器的微型真空泵研究。真空泵的紧凑设计，能够让质谱仪器更好地适应各种室内外应用场景，完成跨部门研究协作及不同工艺的研究测试等工作。

▲ 图9 从左到右分别为密歇根大学、麻省理工大学和霍尼韦尔公司开发的芯片级微型MEMS真空泵

如今，紧凑型真空泵也成为 EDWARDS 的主力产品，解决了仪器空间限制的问题。通过将多个离散的真空泵组合到单个分流真空泵中，nEXT SplitFlow 分流泵系列产品相比同等性能的独立式涡轮分子泵则更加紧凑，这使其更易于安装在空间受限的环境中。在节省空间的同时，还可以降低产品能耗。

▲ 图10 EDWARDS nEXT SplitFlow 分流真空泵 图片来源：EDWARDS

分析仪器也可以轻松将紧凑型 nXRi 多级干式罗茨泵及总重不到8kg的 mXDS3 紧凑型干式涡旋泵集成到大多数真空系统中，更好地利用实验室环境，适用于质谱、电子显微镜和检漏等应用。

▲ 图11 EDWARDS nXRi 多级干式罗茨泵图片来源：EDWARDS

除了产品性能和空间优化之外，振动小、耐腐蚀性、清洁安静、成本低、维护服务好等因素也是用户选择 EDWARDS 真空泵的原因之一。比如 EDWARDS 专利轴承系统可降低振动，减小噪音，nXDS 干式涡旋泵最小噪声仅52dB(A)；改进型 nXDS-C 适用于耐腐蚀的环境，nXDS-R 版本则适用于稀有气体的在循环或者气体回收；nXRi 多级罗茨泵的新电机技术可节约能耗55%左右；nEXT 产品提供专业的保养维修服务，且拥有灵活的配置选项和定制服务， 以满足不同应用场景下的多样需求。

EDWARDS 拥有数十年与主流分析仪器制造商合作的经验，产品涉及前级泵（XDS 系列涡旋干泵、RV 和 EM 系列旋片泵、nXRi 多级罗茨真空泵）、nEXT SplitFlow 分流泵、离子泵、将离子泵和吸气剂泵结合的 Hytan 、真空计 （皮拉尼、阴冷极、热阴极和全量程复合规），为质谱仪器乃至分析仪器市场提供高效、可靠的真空解决方案。

结 语

近年来，针对质谱类典型仪器技术发展及应用研究层出不穷。我国作为全球质谱市场增长速度最快的国家之一，未来将持续扩大在质谱技术方面的投入与应用，进一步促进该技术在医药和生物科技等领域的蓬勃发展。

▲ 图片来源于网络

真空作为质谱分析的必要条件，两者相辅相承。真空技术的进步推动了质谱仪器的发展，同样的，质谱仪器的发展也促进了真空技术的进步。随着质谱技术应用领域的不断拓展，真空组件市场竞争也会日趋激烈，各企业需不断提升自身技术水平和创新能力以应对质谱仪器的市场变化。

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