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1、 Analysis aNd Test encycloPEDIA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（Single Particle Aerosol Mass Spectrometer，SPAMS )，质谱分析器是飞行时间（TOF
2、）。 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500 FWHM；质量范围：1500amu；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：60,000 FWHM，质量范围最高到20,000 amu，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：Bruker Daltonics、AB SCIEX、Ag
3、ilent、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：SPAMSATOFMS-3800AMS*测定颗粒物粒径200 2000 nm，可根据需要调整至100 5000 nm3800-030型：30
4、 300 nm3800-100型：100 3000 nm40 1000 nm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20001 8001 30
5、0分辨率FWHM500500300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10010085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300kg400kg以上*注：AMS另有一种基于高
6、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
7、。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
8、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100 ml/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
9、，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
10、10nm 10 um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
11、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-A
12、ES)、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
13、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1.0 m，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，
14、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
15、，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
