分析化學(xué)中的“超痕量”是指物質(zhì)含量在10-9g/g及以下的極微小量。單細(xì)胞成分量、早期腫瘤診斷標(biāo)志物含量、高純標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中雜質(zhì)含量等往往都在超痕量級(jí)。檢出并準(zhǔn)確量化這些超痕量物質(zhì)往往有著“見(jiàn)微知著”的效果。例如，單細(xì)胞成分量間的超痕量差異很可能是區(qū)別細(xì)胞功能、判斷細(xì)胞是否病變的依據(jù);血液中超痕量的診斷標(biāo)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(cè)試方法的檢出極限，更難以在樣品量極少、基質(zhì)復(fù)雜的情況下保障超痕量成分測(cè)量的可靠和穩(wěn)定。

　　為此，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(簡(jiǎn)稱“中國(guó)計(jì)量院”)針對(duì)超痕量物質(zhì)精密測(cè)量的系統(tǒng)解決方案、核心技術(shù)和關(guān)鍵部件，與復(fù)旦大學(xué)等單位聯(lián)合展開技術(shù)攻關(guān)。經(jīng)近六年的努力，項(xiàng)目組成功開辟了超痕量物質(zhì)精密測(cè)量的新途徑，破解了關(guān)鍵測(cè)量環(huán)節(jié)的世界技術(shù)難題，將目標(biāo)分析物的檢出限下拓至主流方法的千分之一。項(xiàng)目組自主研發(fā)的核心器件和測(cè)量系統(tǒng)，成功將我國(guó)相關(guān)儀器的自主研制能力提升至國(guó)際領(lǐng)先水平，為我國(guó)物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)重大研究的突破提供了有力支撐。日前，中國(guó)計(jì)量院領(lǐng)銜的“超痕量物質(zhì)精密測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得了2017年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

圖1 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人方向研究員在國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)

　　據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國(guó)計(jì)量院院長(zhǎng)方向研究員介紹，對(duì)全技術(shù)鏈條的系統(tǒng)創(chuàng)新和對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的重點(diǎn)攻關(guān)是項(xiàng)目取得突破的兩大核心。項(xiàng)目組首先從主流色譜-質(zhì)譜技術(shù)路線各個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)，分析了制約測(cè)量精度的根本原因，提出了以氣相離子為研究對(duì)象、基于離子精確測(cè)量技術(shù)的全新測(cè)量系統(tǒng)模型。與此同時(shí)，項(xiàng)目建立了基于超算的多物理場(chǎng)離子運(yùn)動(dòng)模擬仿真系統(tǒng)，促進(jìn)了全研發(fā)過(guò)程多種新技術(shù)、新方法的快速驗(yàn)證、優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目聚焦系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，成功構(gòu)建了可精確調(diào)控的多物理場(chǎng)，發(fā)明了新場(chǎng)型調(diào)控離子操控新技術(shù)，研制出系列關(guān)鍵部件和三類基于不同原理的科學(xué)裝置，實(shí)現(xiàn)了離子選擇性高效傳輸、富集和精準(zhǔn)分離，最高離子富集效率可達(dá)10000倍。

　　項(xiàng)目還針對(duì)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(shí)現(xiàn)了純物質(zhì)中全雜質(zhì)的精確扣除，大幅提升了我國(guó)基準(zhǔn)純物質(zhì)的自主研制水平，2種生命科學(xué)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值方法被國(guó)際發(fā)布為參考方法，彰顯了我國(guó)化學(xué)計(jì)量的國(guó)際地位和水平。項(xiàng)目針對(duì)單細(xì)胞分析中樣品量極少、基質(zhì)復(fù)雜等難題，開發(fā)出基于電場(chǎng)誘導(dǎo)解析電離離子化的獨(dú)特科學(xué)裝置，成功實(shí)現(xiàn)了pL(10-12L)級(jí)單細(xì)胞中基質(zhì)和待測(cè)分子的分離，檢測(cè)限達(dá)fmol(10-15mol)以下，可同時(shí)觀測(cè)到單細(xì)胞中上千種代謝物含量的極微小變化，為我國(guó)生命科學(xué)前沿和尖端研究提供了可靠支撐。

圖2 三類科學(xué)裝置國(guó)際首創(chuàng)、核心技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先

　　除支撐計(jì)量科學(xué)、生命科學(xué)等前沿尖端研究外，項(xiàng)目組與相關(guān)科研單位和企業(yè)合作，聚焦質(zhì)譜儀器新產(chǎn)品自主研發(fā)、技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)化，依靠創(chuàng)新引領(lǐng)我國(guó)基礎(chǔ)前沿研究自主裝備能力和原始創(chuàng)新水平，形成的關(guān)鍵技術(shù)和部件應(yīng)用于多個(gè)企業(yè)和多種質(zhì)譜儀的研制，在一些重要領(lǐng)域打破國(guó)外壟斷，增強(qiáng)了國(guó)產(chǎn)質(zhì)譜儀器的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。