杭州質譜大會系列專訪——張新榮教授

——張新榮：生命科學應用驅動質譜創新

　　【導讀】 2020-2023年中國質譜學術大會將于2023年6月9-13日在杭州舉辦，本次大會是中國質譜界的一次盛會，旨在促進學界團結進步、和諧發展、共贏未來，提高學術交流水平，推動質譜技術在各大科技領域的廣泛應用。大會由中國物理學會質譜分會聯合中國化學會質譜分析專業委員會和中國儀器儀表學會分析儀器分會主辦，浙江大學承辦。大會將邀請國內外質譜領域的專家學者齊聚一堂，共同探討交流質譜領域最新的科研進展和前沿技術。本此大會的主題為砥礪奮進四十年，共筑中國質譜夢。

　　會議主頁鏈接如下：http://www.cmss.org.cn/index.php?r=site%2Fcae-home&mid=19 ，歡迎大家報名參會。

　　質譜最近一次獲得Nobel獎是由于離子化技術，近年來更是質譜儀器進展中最活躍的領域。在國際上知名的敞開式離子源新型新裝置中，張新榮教授發明的DBDI代表了中國人的獨特貢獻，并已在企業成功實現了商品化。除了在質譜儀器方面的創新，張新榮教授還一直在前沿應用領域不斷創新。作為上屆中國物理學會質譜分會的副理事長，他對質譜行業和質譜學會的發展也有很多真知灼見。恰逢中國質譜學會成立40年，分析測試百科網采訪到張新榮教授，請他談談質譜分會成立的40年間的中國質譜的發展歷程，以及對國產質譜的未來展望等。

清華大學化學系兼中國化學會理事、中國物理學會質譜分會副理事長 張新榮教授

　　生命科學質譜分析創新：從方法到儀器

　　早在博士期間，張新榮教授就與質譜結下了不解之緣。

　　在比利時根特大學核能研究所攻讀分析化學博士時，張新榮教授的論文題目是：液相色譜、原子光譜以及ICP-MS聯用進行元素形態分析。1998年回國后，感受到國內在生命科學領域研究的迫切需求，張新榮教授一直致力于將元素分析工具ICP-MS應用到生命科學領域。2001年，他提出用ICP-MS做生物大分子免疫分析。其時在國際前沿研究中，亦是較早用無機質譜進行生物大分子研究的創新工作。

　　發展至今，ICP-MS在生命科學分析中的應用已經有了長足的發展。除了分析速度快、線性范圍寬、靈敏度高等優點，ICP-MS定量和多組分同時分析具有顯著優勢，促使其在生命科學領域中獲得極其廣泛的應用。

　　此前的創新是用ICP-MS分析生命體內的元素，使用的是商品化的ICP-MS，是方法學的創新。而對生物和有機分子分析的進一步追求，促使張新榮教授直接在儀器裝置上提出了更大膽的設想。

　　ICP-MS用于元素分析，其等離子體溫度非常高，破壞了生物大分子；而等離子體是產生樣品離子化的重要手段。如果降低等離子體的溫度，產生低溫等離子體，或許可以直接進行有機和生物分子方面的分析。”

　　2009年張新榮教授發明了一種新型離子源——介質阻擋放電離子源（DBDI），利用介質阻擋條件下的交流高壓放電，激發氦氣等惰性氣體產生等離子體直接離子化樣品。憑借其免輔助試劑、可常壓使用、樣品適用范圍廣、便于小型化等優點，DBDI成為敞開式離子源中研究熱點。DBDI離子源也得到了國際廣泛認可，國際上有很多實驗室使用。比如，國際常談到的三種原創型常壓敞開式離子源分別是：DESI、DART和DBDI，DBDI代表了中國人對世界質譜科學的獨特貢獻。

DBDI介質阻擋放電離子源

　　DBDI的研究分別發表在：Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 2017； Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 4435； Anal. Chem., 2010, 82:5872； Anal. Chem, 2008, 80: 8622； JMS, 2007, 42:1079； RCM, 2010, 24:742上，成果轉化后已推出商品化儀器。

采用DBDI離子源的便攜式質譜

　　除此以外，張新榮教授還曾提出穩定同位素標記-質譜多組分同時免疫分析方法，該方法已成為繼放射免疫和化學發光免疫之后，受到廣泛關注和研究的新一代標記免疫分析方法之一。多個國際同行也緊隨其后開展了工作，國際該領域著名學者在他們撰寫的綜述中多使用了“首先”、“率先”等詞匯描述該工作。美加學者按照該一標記策略，研制了一種質譜流式細胞儀（CyTOF），已廣泛應用于細胞生物學實驗室。

　　單細胞質譜分析

　　近年來，張新榮教授的主要研究是單細胞質譜分析，與同行學者和企業合作研制了液滴微萃取-皮升電噴霧質譜單細胞分析儀、免標記質譜流式細胞儀以及質譜單細胞成像分析儀等，并將其用于單細胞乃至亞細胞區域代謝組的分析和空間單核代謝組的分析等。

單細胞質譜分析

　　單細胞質譜產業化

　　生命科學研究發展中，單分子、單細胞的分析逐漸成為非常重要的研究領域；但長期以來，由于細胞的體積太小，質譜檢測存在相當大的困難。

　　張新榮教授課題組和寧波大學聞路紅教授共同研究，并同寧波華儀寧創公司合作，研制出液滴微萃取-皮升電噴霧質譜單細胞代謝物分析儀，能夠提取細胞內數百種代謝物并利用多級質譜對潛在的標志物成分進行分子確認。“下一步，我們要爭取將單細胞質譜產業化。”張新榮教授表示。

　　免標記單細胞質譜流式平臺

　　通過將質譜的代謝物檢測能力和流式細胞系統的高通量特點相結合，張新榮教授課題組建立了免標記單細胞質譜流式平臺，能夠對一些正常細胞和癌細胞進行高通量區分，也能夠區分乳腺癌細胞的不同亞型 (Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52:11025； Anal. Chem. 2015, 87:11242； Anal. Chem. 2017, 89:2275； Anal. Chem. 2019, 91:9777)。該方法受到國際同行的高度關注，被邀請在國際質譜領域有影響的學術會議“第21屆國際質譜大會 (加拿大多倫多，2016)” 上做大會特邀報告。

　　單細胞質譜成像

　　隨著精準醫學的發展，特別是癌癥免疫治療發展，單細胞質譜成像需求也越來越高。

　　近期，張新榮教授課題組與清華大學北京信息國家研究中心/醫學院張奇偉教授合作，在Nature Methods上發文，提出一種在單核分辨率下進行空間代謝異質性分析的新方法(SEAM)。SEAM方法采用高空間分辨質譜成像結合大數據算法，實現了組織原位代謝異質性可視化、單細胞核圖像識別、代謝特征信息提取以及單細胞的聚類、差異化分析等。

　　中國質譜研制遠不止40年

　　張新榮教授談到中國質譜儀器的發展歷程時說：“中國質譜研制的歷史遠不止40年。”現代質譜儀器的發展源自1910年，英國劍橋卡文迪許實驗室的湯姆遜研制出第一臺現代意義上的質譜儀，這臺質譜儀的誕生開創了一個新的科研領域——質譜學。上世紀50-60年代是質譜技術飛速發展的一個時代，質量分析器性能進一步提高，先后出現了串聯質譜儀、氣相色譜和質譜聯用等，質譜分析應用愈加廣泛。這個時期也是中國質譜的起步時期。

　　“相較于電化學分析、原子光譜分析而言，中國質譜的起步稍晚。據文獻記載，從上世紀50年代我國就著手質譜儀器的研究，60年代已經有質譜儀器產品。”張新榮教授表示，“國內改革開放后引進了一大批國外先進的質譜儀器，對我國的質譜產業帶來了一定沖擊和影響。2000年后，在國家科技部、自然科學基金委等設立的重大儀器專項等大力支持下，我國的儀器產業得到了突飛猛進的發展。現在，我國國產質譜儀器，如氣相色譜質譜儀（GC-MS），電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）等質譜儀器的國產化占有率已達到相當高的水平。”

　　我國質譜儀器的研究從技術壁壘較低的氣質聯用儀器開始，近幾年有兩類儀器發展很快首先是ICP-MS，國內已有多個儀器廠家能自主研發ICP-MS；其次串聯質譜近幾年也發展迅猛，包括GC-MS/MS，LC-MS/MS，ICP-MS/MS。非常欣喜的是，國內高分辨質譜也有了長足的發展。此外，中國還有些特色質譜儀，如針對環境領域的氣溶膠環境質譜的發展，近幾年便攜式小質譜在毒品、爆炸物及現場檢測方面亦有很大進步，目前有多家企業在生產此類產品。

　　張新榮教授感慨說：“這些年，中國質譜儀器的發展取得了長足的進步。但我們依然要清楚地認識到現在大多數的質譜產品還是以仿制為主。比如ICP-MS、串聯質譜都是在已有國外成熟儀器后，我國在此基礎上進行的仿制。雖然我們也會在一些關鍵部件上改進，但總體上我們目前國內質譜儀器的發展在創新方面還不夠。”

　　張新榮教授指出，我國質譜研制的下一步，要爭取從仿制走向創新。實現這一步，一方面需要科技工作者、質譜的專家同行等更多關注創新性研究；另一方面儀器企業應研發出具有自身特色的創新型儀器。而國家政府，如科技部門在設計資助項目時應更多調整資助方向，爭取從仿制過渡到創新模式上。

　　對中國質譜的祝福

　　最后，張新榮教授送上了對中國質譜的衷心祝愿：祝愿中國質譜的發展，能實現從仿制到創新的飛躍，讓中國質譜儀能在國際質譜儀器的市場上占據一席之地。