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跨界中国质谱发展的新思路
跨界:
中国质谱发展的新思路
——禾信在线气溶胶飞行时间质谱仪中标记
2011年7月27日,中国科学院过程工程研究所科研仪器设备采购项目中标公告发布,令人特别振奋的一个消息是:
昆山禾信质谱技术有限公司,以320万元中标第6包气溶胶飞行时间质谱仪。
喜讯传来,分析测试百科网记者采访了禾信的董事长周振和研发人员。
昆山禾信质谱技术有限公司董事长周振博士
禾信中标的是个什么产品?
在线气溶胶质谱仪
名称叫做:
在线气溶胶质谱仪(SingleParticleAerosolMassSpectrometer,SPAMS),质谱分析器是飞行时间(TOF)。
如果单看质谱的指标,很多质谱专家估计要跳起来了,这算什么TOF指标?
周振(注:
禾信董事长,归国博士,掌握TOF核心技术),你不是号称“可以做出分辨率100-10000”的TOF质谱么?
这台TOF分辨率、质量范围、采集速度,没一样好啊!
SPAMS的TOF指标:
分辨率:
优于500FWHM;质量范围:
1~500amu;颗粒化学成分全成分检测速度:
最快5谱/秒......
目前进口的高端TOF,最高分辨率:
60,000FWHM,质量范围最高到20,000amu,采集速度:
最快达100谱/秒......
且慢,进口的高端TOF,能对单颗粒进行检测么?
比如:
BrukerDaltonics、ABSCIEX、Agilent、Shimadzu这些做TOF的公司,还有刚进入的PerkinElmer。
对,这些统统不行!
所以,SPAMS是一个跨界产品,一个用户愿意花钱买的产品。
SPAMS=粒径测量+质谱+实时在线!
跨界领域的对手情况
那么,在线气溶胶质谱领域,禾信有没有其它的商业竞争对手?
据笔者了解,目前可以进行粒径和成分分析的商品化仪器有TSI公司的ATOFMS-3800,和美国Aerodyne公司的AMS,其中SPAMS与ATOFMS-3800的原理一样。
对比见下表:
SPAMS
ATOFMS-3800
AMS*
测定颗粒物粒径
200~2000nm,可根据需要调整至100~5000nm
3800-030型:
30~300nm
3800-100型:
100~3000nm
40~1000nm
分析物质
可完成化学成分检测、颗粒物分类、颗粒物粒径分布、颗粒物来源解析、正负离子同时检测、颗粒物化学成分的瞬时变化、颗粒物的混合状态等功能;其中化学成分包括水溶性阳离子、重金属元素、元素碳、有机碳、酸根离子、有机酸、有机胺、PAHs、左旋葡聚糖、尼古丁等。
只能分析熔点低于900℃气溶胶颗粒粒径及化学组分,如硫酸根、硝酸根、铵根、有机物等。
目前按照几大类对有机物进行定量分析,不能具体到单一物种;不能检测金属元素(铁、锌、铅、汞等),炭黑、核素。
质量范围(Da)
1~500,如果做生物气溶胶可达到2000
1~800
1~300
分辨率FWHM
500
500
300
离子化方式
266nm解析激光
266nm解析激光
EI源电离
质量分析器
Z型双极TOF
双极TOF
四极杆,单质量分析器
气体进样流量(mL/min)
标准75,可达100
100
85
软件
采集软件功能强大,可实时在线显示颗粒物浓度变化趋势并添加在线质谱库,采用汉化软件,方便中国用户。
后期数据处理繁琐
售价(RMB)
320万
>400万
300万起
在国内的服务
维护方便,价格便宜,使用成本低,耗材少。
85%以上配件国产,国内用户72小时现场维护。
国内无技术支持,安装和维护要国外工程师来。
国内无技术支持,安装和维护要国外工程师来。
重量
小于300kg
400kg以上
*注:
AMS另有一种基于高分辨TOF的,但测定的物质同样存在上述限制,且售价达550万。
由上表可知,SPAMS的所有性能相当或优于ATOFMS-3800;而使用在线的AMS,若完成同样的检测项目,仍要再购置在线黑碳仪、在线粒径分布测定仪,并配合离线的重金属测定仪器(如ICP-MS),数据统计和处理还会更繁琐。
除此之外,进口仪器不仅价格贵,外国工程师来安装培训要另收高额的费用,到货期长,今后的维护维修和费用都是问题。
禾信的SPAMS对中国用户最有吸引力的是:
到货时间有保障,将来的维护有保障,维护维修费用更低。
仪器的原理用途
这台仪器可以干什么?
最大的应用就是在线环境监测,包括大气里面气溶胶颗粒的成分、粒径、所包含的重金属等。
除此之外,还可以用于烟草、军工、医药等领域。
这次的买主中科院过程工程所,希望使用SPAMS来在线研究气溶胶的物理化学性质。
过程工程所用户先是打听了进口仪器的代理商,到货时间、维护、成本都有问题,而后来打听到的禾信,完全解决了他的问题。
据了解,国内已有几家著名单位采购了SPAMS,比如中科院广州地球化学研究所,用SPAMS做珠三角地区的环境监测及珠三角地区的大气研究;广东省环境监测站,做大气监测;复旦大学,世博会期间用SPAMS做上海的空气质量监测、污染物监测;在广州亚运会期间监测广东周边地区的空气质量。
在复旦大学、北京大学等单位以前购置的进口仪器进行比对后,事实证明SPAMS数据可靠、性能稳定、适合长期室外大气环境监测。
原理
利用空气动力学透镜作为颗粒物接口;利用双光束测径原理进行单颗粒气溶胶计数;激光电离,利用双极有网飞行时间质谱测定气溶胶颗粒的分子量,从而确定其化学成分;利用Art-2a方法进行颗粒物分类;实现了单颗粒气溶胶化学成分和粒径的同步检测。
(注:
其中用了两个飞行时间质量分析器)
在线功能的实现
仪器采样口直接连接采样管道,采样管道伸到外界大气环境中,以100ml/min的流速进入SPAMS,SPAMS每秒可检测10个颗粒物,并同时获得其正、负谱图信息和粒径信息;每五分钟获得一个有效的统计数据,同时包含该时间点检测到的总颗粒物数目、分类、粒径分布情况等;不必像离线采样那样,需通过采样膜长时间收集颗粒物(12或24小时),经过预处理之后再利用离子色谱、气质联用仪、液质联用仪等仪器进行颗粒物的成分测定。
市场和应用前景:
国际上当前先进的测试方法中国刚起步
测定大气气溶胶物理和化学性质的必要性
我们先来看看SPAMS的主要应用:
大气污染监测。
在所有的环境污染(大气、水、土壤等)中,对人类威胁最大的就是大气污染。
大气污染监测的目的在于识别大气中的污染物质,掌握其分布与扩散规律,监视大气污染源的排放和控制情况。
大气污染物一种是气溶胶状态的污染物,另一种是气体状态的污染物(相对容易测定),大气污染监测必检气溶胶。
气溶胶是指固体和液体悬浮在空气中形成的多相分散体系,其粒径范围从10nm~10um以上,化学组成非常复杂;气溶胶的来源广泛,并在空气中发生各种复杂的反应,导致单个颗粒之间的物理、化学性质相差很大。
而大气过程中的这种气溶胶反应非常迅速,导致气溶胶颗粒的物理化学性质发生变化。
研究表明,气溶胶对气候、环境、人类健康等方面有非常重要的影响,所以要研究它的物理和化学性质。
实时在线vs离线法:
一台SPAMS顶多台仪器测定更准确提高分析速度
以前研究气溶胶的物理化学性质,都是离线法来做。
下面来对比两种方法:
离线法:
通过采样膜长时间收集颗粒物(12或24小时),经过预处理之后再利用离子色谱、气质联用仪、液质联用仪等仪器进行颗粒物的成分测定。
离线法采样时间长,气溶胶样品在采集、储存、运输等过程中还会发生反应,所以不能还原大气的真实状况。
SPAMS在线法:
实时在线,完成化学成分检测、颗粒物分类、颗粒物粒径分布、颗粒物来源解析、正负离子同时检测、颗粒物化学成分的瞬时变化、颗粒物的混合状态等功能;其中化学成分包括水溶性阳离子、重金属元素、元素碳、有机碳、酸根离子、有机酸、有机胺、PAHs、左旋葡聚糖、尼古丁等。
另外,在实时在线分析气溶胶中重金属、矿尘、和黑炭方面,SPAMS是目前市场上唯一的解决方案。
1)重金属分析:
目前国际上通用的方法是离线分析,颗粒物经过消化之后利用原子吸收光谱法、电感耦合等离子-质谱法(ICP-MS)及电感耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)、原子荧光法、极谱法等离线方法进行质量浓度的测定,但每种方法多需要连续采集12小时以上才能检测到重金属。
这些方法不仅时间分辨率低,而且样品前处理步骤繁琐,分析费用高,以ICP-MS为例,每个样品分析费用1000元,以每四小时采集一个样品计,每天采集六个样品,仅分析费用就高达6000元。
对于粒径的测定可结合粒径谱仪进行在线分析,或者利用SEM和X射线进行离线分析,但SEM和X射线不具有统计意义;
2)水溶性离子分析:
目前国际上有离线和在线两种方法。
其中在线方法采用的仪器有aerodyen公司的AMS、瑞士万通公司的Marga和美国戴安公司的URG。
Marga和URG只能检测水溶性离子的质量浓度,每台仪器价格要200多万人民币,但也没法实现对水溶性离子粒径分布情况的测定,需借助粒径谱仪或其它仪器。
那家AMS可同时检测水溶性离子的浓度和粒径分布,但检测离子种类少,仅能检测NH4+,Cl-,SO42-,NO3-,且粒径范围仅能到1.0μm,且分辨率仅为300(四极杆)的就要300多万人民币,分辨率为2000(TOF式)的则价格更贵,要550万人民币。
3)黑炭气溶胶:
美国Magee公司的在线黑碳仪,只能对颗粒物中黑炭气溶胶的质量浓度进行在线分析,无法分析黑炭颗粒物粒径分布情况,仍需借助其他仪器。
以上所有测定,一台SPAMS全搞定!
实时、在线、真实反映大气中颗粒物的物理和化学性质。
事实上,查阅近两年的论文可以了解到,北京大学环境学院、复旦大学环境学院等国内著名的学者,正在从事大气中在线气溶胶物理和化学性质的研究,来探索气溶胶的迁移转化规律。
所以,在线气溶胶质谱仪未来的市场将非常广阔,据禾信研发人员估计,中国市场将至少有100套的需求量。
而且,在线气溶胶质谱仪还可用在烟草、国防安全、制药等行业……
禾信网址:
【记者观察】
禾信公司规模不大,几年前回国的周振是国内目前有名的、专注于质谱制造的研究人员。
用专注和执着来形容周振再合适不过。
回国后,他把几乎所有的时间都花在质谱相关的研发制造上,不管是在学校里科研授课,还是创办运营禾信公司,研发制造并把质谱产业化,是他唯一做的事。
大家平时见到的周振,跟其它的董事长和教授完全不同,好像没有见到他轻松的时刻。
用一般研究人员的眼光看来,周振似乎把自己已经逼到了没有退路。
因为凭他的学识,他可以发表更多研究级的文章,拓展更多的应用领域,争取更多的国家科研经费。
但是他只是一门心思要做出产业化、让用户真正能用起来的质谱。
国内做质谱研究制造产业化的,算下来也只有周振能这样“置之死地而后生”。
有理由相信,周振已经把所有TOF相关的应用领域和市场想了一溜遍,最后做出来的这些跨界产品都是“用户真正需要的、愿意花钱买的产品”。
事实上,2009年禾信和纳克公司已经联合推出基于TOF质谱的金属原位分析仪,不仅获得了当年的BCEIA金奖,还在钢铁领域得到了应用。
在有了技术,有了用户之后,希望周振的团队能快速地培育和打开这种跨界质谱的应用市场。
因为:
自己培育的市场,才更可能是自己的。
【多写一点感想:
中国质谱发展的困境】
先来看看背景:
国家支持7年、多家国内名企大笔投入的质谱项目,目前的产业化要么处于“正在进行时”,要么处于“客户不买账”的状态。
国家很多部门在呼吁用国产的仪器,但在到了客户那里时,归根结底买的不是“民族情结”而是性价比。
比如大家熟知的一个业内故事是,第一个生产出国产四极杆气质联用的东西分析仪器,到某公安部门投标一个十几台气质联用的项目,本想以“唤起客户的民族情结”以及“价格更优惠”来赢单,不料进口仪器投标价更低,而且显然其性能经多年验证、远比国产的可靠。
如果您是客户,您选哪家?
这一场出师之战,是建立在东西分析仪器已经投了上千万的基础上;它把当时很多国产质谱厂家的心都浇得有点儿冷(以至后来推出商品化仪器变得异常谨慎)。
虽然中国有人工便宜、场地便宜、政府支持等等优势,但是质谱核心的很多技术(比如四极杆的精密加工和装配等)绕不过去,自己做不了;而买进口的结果,就是整机成本比进口的还高!
要知道,这还是几十万人民币量级的初级产品。
放眼望去,质谱发展道路的前方还有各种应用于生物、药物、食品安全的高端质谱,每台售价几百万到上千万,那些研发几十年质谱技术的外企们正虎视眈眈,加紧研发和专利保护;并且有理由相信,他们手中已经掌握的,不仅仅是当下推出的产品,他们将一年一年慢慢地推出自己的储备型产品。
有些原来不生产高端质谱的跨国企业,也通过收购等各种方式来获取专利,并跻身质谱市场。
听闻中国厂家还试过和国外质谱工厂谈收购,最后铩羽而归;因为国外那些行业巨鳄们早已设立专门的收购部门,对只要拥有专利或新技术的公司,不管上不上市,一律来轮番跟你谈收购。
中国厂家去的时候,估计根本就入不了围。
所有这些,归因为近年来质谱技术发展得太快,并向各个领域快速渗透。
中国每年购置价值几十亿人民币的进口质谱,近年来还有越买越多的趋势;国际上质谱也被热捧,很多科学家预言并正努力着,争取在几年内让质谱技术广泛进入医院临床诊断领域,届时质谱的需求市场将会更快地增长。
前景如此美好,但目前的中国,按照国际质谱大鳄已经规定好的发展路线,初级产品还完全没有竞争力;将来更会遭遇各种质谱相关的专利大山、高精尖技术的壁垒,投入多少才可能赢利?
比拼速度?
有可能么?
剩下的唯一做法,只能呼吁国家政策干预。
但是质谱是痕量检测和科学研究的工具,这个工具能不能检出那些FDA/欧盟/日本规定的限量,决定着中国几千万家出口企业的命运;这个工具还决定着中国的科学家是不是可以发出高水平的文章!
即使,针对于国内检测的机构,有人建议国家可政策干预;还有人建议,国家给每个买国产质谱的单位,每买一台就补贴一些,不,干脆国家买单,直接“发放”给各个单位。
但风险是,既然进口的更好用,这些单位一定会再找经费花钱买进口的,国产质谱预期只好躺在那里睡大觉。
综上所述,在纯粹的质谱技术和质谱已经发展的应用市场上,近期,中国基本没可能建立竞争力。
技术是人家发明的、并发展了几十年,应用的市场也是人家培育和打开的。
中国人凭什么来争夺人家打开的市场?
技术不领先,成本不占优!
有的朋友们说,科学仪器,还是投资一些目前跨国外企还没发展成熟的领域吧,或许未来会增长。
不过这种预期有点像“撞大运”,据了解,跨国外企很多正在研究那些未发布的、面向未来十年的产品,就算“撞大运”,别人撞上的概率一定会比中国企业大吧。
所以,中国人不做质谱,显然是不可能的;除非发誓永远不做。
早一天做,也许就能早一天找到机会。
目前的关键是:
从哪里寻找突破口?
禾信刚给出了第一种答案。
谁来再给第二种答案?
而中国隐含的最可怕的现象是:
在自己的市场大部分还被外企霸占时,就自己打自己,直到打得完全没利润、打得更没有研发经费、打得把仪器的服务费都减掉了、打得降低仪器成本和性能、打得伤了用户、打得把最后的一点市场又拱手让给了外国企业。
衷心希望,中国的质谱产业界,千万不要再发生类似现象。
参考介绍:
在线气溶胶质谱仪(SingleParticleAerosolMassSpectrometer,SPAMS),融合了国际上气溶胶真空采集、粒径测量及质谱分析检测的最新技术,实现单颗粒气溶胶化学成分和粒径尺寸的同步检测,开拓了一个全新的气溶胶研究方向。
可广泛应用于环境监测、全球气候变化、烟雾箱模拟试验、国防军备、发动机排放、烟草行业、工业过程监测、气溶胶药物释放研究、吸入毒理学研究等多个领域,是功能强大而且精确的新型分析测试工具。
本仪器获国家863专项资金支持,入选“十一五”国家重大科技成就展。
功能包括:
•颗粒分类:
可以分别根据颗粒物质谱特征进行化学组成表征、颗粒物的空气动力学直径对颗粒物进行分类;也可以同时对颗粒的大小与颗粒化学成分组合进行分类;建立主要化学成分和颗粒粒径之间的对应关系;
•数浓度变化:
分析颗粒物数浓度随时间的变化;可以分别分析在检测范围内,不同颗粒直径范围的数浓度随时间变化;
•化学成分分析及随时间变化:
分析某种化学成分随时间的变化,根据其变化趋势可以准确反映出某一时间内发生的特殊变化;特别重要的是可实现颗粒物中重金属的实时在线分析,是目前不可替代的方法。
•源解析:
根据颗粒物的分类及时间变化,判断其可能的来源;
•颗粒物的演变过程及机理研究:
根据不同颗粒物随时间的演变趋势,推断可能的形成机理;
•揭示气溶胶的瞬时变化。
应用领域
∙环境监测:
污染物的在线监测、污染源解析、气溶胶在大气中的混合和转化、特殊污染天气监测及机理研究(灰霾形成机制、沙尘暴长程迁移等)、重金属的在线监测;
∙气候变化:
气溶胶浓度、粒径、光学特性对区域气候的影响;
∙国防军备:
化学战剂在线监测,核工业过程中放射性元素检测;
∙工业生产:
发动机排放测量、烟草行业中颗粒物分析;
∙医药领域:
气溶胶药物-释放研究、吸入毒理学研究。
仪器的稳定性、和长时间运行
1、仪器经过长时间运行的测试验证,包括散热、抗震、防尘等;
2、仪器自动控制系统完善,囊括仪器各部分,包括真空、电子、光学等,提供仪器状态监控、故障保护、报警、记录等;
3、部分功能需要定期校正。
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