3D打印助力质谱核心器件研制及创新——访朱良漪奖获得者中科院生态环境中心王丁一助理研究员

　　2023年初，备受业界关注的2022年“朱良漪分析仪器创新奖”颁奖典礼在京隆重举行，评选出“创新成果奖”3项，“青年创新奖”5名。中国仪器仪表学会分析仪器分会与仪器信息网联合采访了“朱良漪分析仪器创新奖”获得者，倾听了解他们的获奖感受、研发过程以及今后的研究方向。

　　中科院生态环境中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室环境分析与毒理研究组的王丁一助理研究员获得2022年“朱良漪分析仪器创新奖”之“青年创新奖”，获奖成果是“用于单颗粒/单细胞电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析的进样系统关键组件研制”。基于此，仪器信息网与王丁一助理研究员就其研制成果及对质谱仪器研发技术、产业化等方面的看法进行了深入交流。

　　仪器信息网：首先恭喜您获得“2022年朱良漪分析仪器创新奖”，请向广大网友介绍一下您自己，以及您所在的单位?

　　王丁一：各位网友大家好，感谢仪器信息网的采访，我是来自中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室环境分析与毒理研究组的王丁一，本科毕业于大连理工大学环境工程专业，之后来到中科院生态环境研究中心师从江桂斌院士进行硕博连读，毕业后留组工作至今。我本人主要从事利用3D打印技术研制小型分析器件和分析装置的研究，目前主要关注质谱核心器件的研制与3D打印材料的功能化及其在环境分析领域的应用。

　　我所在的中科院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室瞄准国际学科发展前沿和国家环境与健康研究的重大需求，在持久性有毒污染物的分析方法、环境化学行为、毒理与健康效应方面开展了深入系统的研究，取得了一系列原创性成果，形成了鲜明的研究特色。实验室自主研发了包括高通量多功能成组毒理学分析仪、全自动甲基汞分析仪、基于中空纤维流场流分离技术的纳/微米材料分离仪器在内的多种新仪器和新装置，近年来承担基金委国家重大科学仪器3项，研究成果曾多次获得国家自然科学二等奖、国家科技进步二等奖和中国分析测试学会(CAIA)特等奖等荣誉。

　　仪器信息网：2022年度“青年创新奖”的五项获奖成果多与质谱技术相关，与往年相比有很大不同。对于这一情况，您最大的感受是什么?您认为这将给从事质谱仪器及应用相关研究工作的青年人带来怎样的影响?

　　王丁一：质谱仪器是目前应用范围最广的分析仪器之一，随着国内质谱仪器市场需求的迅速扩大，政府部门、科研院校和仪器生产企业等都在加大仪器研发投入，加速推动国产质谱仪和质谱核心零部件的研发，由此取得了很多创新性的研究成果，也不断涌现出大量从事质谱研制及应用相关工作的优秀青年人才，能得到“朱良漪奖”的认可，对于我自己和其他从事质谱研制的同仁来说是很好的激励和肯定。类似的情况今后很有可能还会出现，并且不只是“朱良漪奖”，国内其他机构在人才培养、科研项目申请、经费支持力度以及成果奖励等方面都越来越重视仪器研制及应用相关的工作，这对于从事相关工作的研究人员来说是很好的机遇，也希望今后能有更多人能够参与到质谱等分析仪器的研发与应用。

　　仪器信息网：您如何看待中国质谱自主技术创新、质谱产业的发展?

　　王丁一：随着我国经济的快速发展，面临的环境污染、食品安全和医疗健康等问题日益突出，质谱仪器需求和相应的市场规模也急剧增长。尽管如此，我国的质谱仪器尤其是高端质谱仪器却长期被国外公司垄断，国产质谱仪器还难以满足各方面的需求，特别在一些核心器件的研制方面存在“卡脖子”难题，国产质谱分析器件无论技术、质量和产品应用，在市场上都缺乏足够竞争力。因此，发展高质量和具有自主知识产权的分析仪器和核心器件仍然是我们要长期面临的重大挑战。

　　幸运的是，近年来国家不断加大对科学仪器自主研发的支持力度，将科学仪器创新列为优先发展的战略领域，相关部门设立了仪器设备开发专项资金，有力推动了国产科学仪器的创新发展。在“十四五”规划中也明确提出要加强高端科研仪器设备研发制造，前不久习总书记又再次强调，“要打好科技仪器设备、操作系统和基础软件国产化攻坚战，鼓励科研机构、高校同企业开展联合攻关，提升国产化替代水平和应用规模，争取早日实现用我国自主的研究平台、仪器设备来解决重大基础研究问题。”相信我国的质谱产业一定会迎来跨越式发展。

　　仪器信息网：请介绍下您与仪器研发的机缘?

　　王丁一：我们课题组一直长期开展新仪器的研制和新方法的开发，在大约十年前，课题组长江桂斌院士关注到3D打印在其他领域的发展及其在环境分析领域的潜力，并购买了实验室第一台3D打印机，那时我刚进入课题组学习，还没有确定研究方向，正好我又对3D打印和模型设计很感兴趣，于是主动向老师申请从事3D打印相关的研究工作，江老师非常鼓励和支持我探索各种可能的研究方向和可能性，当时课题组胡立刚研究员正在建立凝胶电泳与ICP-MS联用的方法用于金属蛋白的分析，通过3D打印我们得以在实验室内自行设计和加工制造大部分关键的凝胶电泳组件，大大提高了研发效率和仪器的性能。后来我们又利用3D打印陆续开展了更多的仪器研制相关工作，一直延续至今。在江老师和国重室的大力支持下，目前我们已成立了专门的3D打印工作室用于个性化分析器件的研制和提供相关加工服务，形成了从设计、加工到性能测试的完整技术链条，也欢迎仪器信息网的同行联系我们开展合作。

　　仪器信息网：您在质谱相关技术的研制和产业化方面开展了哪些工作，取得了怎样的创新成果?其潜在用户主要是哪些，将解决用户哪些实际问题?成果的市场前景如何?

　　王丁一：我和所在团队在质谱器件研制和产业化方面开展的主要工作包括：

　　1. 单颗粒/单细胞电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析进样系统;利用3D打印研制了针对单细胞和单颗粒等非均一样品ICP-MS分析的高通量微量进样系统、进样雾化室以及雾化器等，可在低进样流速下实现非均一样品的长时间、稳定高效进样及分析，相关成果申请国家专利7项，已获得授权4项，目前已实现成果转化1项，并且已形成产品进行销售。现有ICP-MS进样系统主要针对样品量大、高度均一的溶液态样品设计，其样品传输效率通常不到10%，无法保证单颗粒/单细胞样品检测的准确性。为此，我们研制了一种针对单颗粒/单细胞ICP-MS分析的全耗型进样雾化室，使得ICP-MS能够在低进样流速下具备高传输效率，当样品进样流速低于20 μL/min时，我们研制的进样系统对纳米颗粒的传输效率可超过60%，可用于单颗粒/单细胞等非均一样品的高效检测，进一步拓展了ICP-MS的应用范围。现有ICP-MS进样雾化室和雾化器等核心器件高度依赖进口，价格高昂，而我们通过借助3D打印技术，大幅降低了成本和制造周期，解决了目前国内研究人员难以针对ICP-MS和IPC-OES相关器件进行快速、高效研制的问题，打破了ICP-MS进样系统核心组件仅由少数几家国外公司能提供的局面，填补了我国在该领域的技术和产品空白。

　　2. 金属蛋白分析系统;利用3D打印技术建立了基于ICP-MS联用的金属蛋白质组学分析平台及技术，可同时实现金属蛋白的分离和所含金属元素的定性、定量分析，相关成果申请国家专利7项，已获得授权5项，发表SCI论文4篇，于2021年获中国分析测试协会CAIA奖特等奖。

　　3. 基质辅助激光解吸-串联飞行时间质谱仪(MALDI-TOF-MS)分析前处理装置及分析器件;利用3D打印研制了可实现“免基质”LDI-TOF-MS分析的高性能靶板，以及配套的多功能模块化微量样品前处理系统，相关成果申请国家发明专利2项，已获得授权2项，在Environ. Sci. Technol.、Chem. Commun.等国际期刊发表SCI论文3篇。

　　仪器信息网：后续您还将开展哪些创新工作?

　　王丁一：后续我们将继续围绕质谱核心器件的研制开展相关研究工作，计划与国内主要质谱生产商一起合作，聚焦质谱在环境分析、生物检测、医疗健康等领域应用面临的实际需求和“卡脖子”难题，从前端走向后端，针对质谱的离子源、质量分析器和检测器等核心器件的研制开展相关研究，努力推动高质量质谱仪器和核心器件国产化。