——张新荣：生命科学应用驱动质谱创新
【导读】 2020-2023年中国质谱学术大会将于2023年6月9-13日在杭州举办，本次大会是中国质谱界的一次盛会，旨在促进学界团结进步、和谐发展、共赢未来，提高学术交流水平，推动质谱技术在各大科技领域的广泛应用。大会由中国物理学会质谱分会联合中国化学会质谱分析专业委员会和中国仪器仪表学会分析仪器分会主办，浙江大学承办。大会将邀请国内外质谱领域的专家学者齐聚一堂，共同探讨交流质谱领域最新的科研进展和前沿技术。本此大会的主题为砥砺奋进四十年，共筑中国质谱梦。
会议主页链接如下：http://www.cmss.org.cn/index.php?r=site%2Fcae-home&mid=19 ，欢迎大家报名参会。
质谱最近一次获得Nobel奖是由于离子化技术，近年来更是质谱仪器进展中最活跃的领域。在国际上知名的敞开式离子源新型新装置中，张新荣教授发明的DBDI代表了中国人的独特贡献，并已在企业成功实现了商品化。除了在质谱仪器方面的创新，张新荣教授还一直在前沿应用领域不断创新。作为上届中国物理学会质谱分会的副理事长，他对质谱行业和质谱学会的发展也有很多真知灼见。恰逢中国质谱学会成立40年，分析测试百科网采访到张新荣教授，请他谈谈质谱分会成立的40年间的中国质谱的发展历程，以及对国产质谱的未来展望等。
清华大学化学系兼中国化学会理事、中国物理学会质谱分会副理事长 张新荣教授
早在博士期间，张新荣教授就与质谱结下了不解之缘。
在比利时根特大学核能研究所攻读分析化学博士时，张新荣教授的论文题目是：液相色谱、原子光谱以及ICP-MS联用进行元素形态分析。1998年回国后，感受到国内在生命科学领域研究的迫切需求，张新荣教授一直致力于将元素分析工具ICP-MS应用到生命科学领域。2001年，他提出用ICP-MS做生物大分子免疫分析。其时在国际前沿研究中，亦是较早用无机质谱进行生物大分子研究的创新工作。
发展至今，ICP-MS在生命科学分析中的应用已经有了长足的发展。除了分析速度快、线性范围宽、灵敏度高等优点，ICP-MS定量和多组分同时分析具有显著优势，促使其在生命科学领域中获得极其广泛的应用。
此前的创新是用ICP-MS分析生命体内的元素，使用的是商品化的ICP-MS，是方法学的创新。而对生物和有机分子分析的进一步追求，促使张新荣教授直接在仪器装置上提出了更大胆的设想。
ICP-MS用于元素分析，其等离子体温度非常高，破坏了生物大分子；而等离子体是产生样品离子化的重要手段。如果降低等离子体的温度，产生低温等离子体，或许可以直接进行有机和生物分子方面的分析。”
2009年张新荣教授发明了一种新型离子源——介质阻挡放电离子源（DBDI），利用介质阻挡条件下的交流高压放电，激发氦气等惰性气体产生等离子体直接离子化样品。凭借其免辅助试剂、可常压使用、样品适用范围广、便于小型化等优点，DBDI成为敞开式离子源中研究热点。DBDI离子源也得到了国际广泛认可，国际上有很多实验室使用。比如，国际常谈到的三种原创型常压敞开式离子源分别是：DESI、DART和DBDI，DBDI代表了中国人对世界质谱科学的独特贡献。
DBDI介质阻挡放电离子源
DBDI的研究分别发表在：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，成果转化后已推出商品化仪器。
采用DBDI离子源的便携式质谱
除此以外，张新荣教授还曾提出稳定同位素标记-质谱多组分同时免疫分析方法，该方法已成为继放射免疫和化学发光免疫之后，受到广泛关注和研究的新一代标记免疫分析方法之一。多个国际同行也紧随其后开展了工作，国际该领域著名学者在他们撰写的综述中多使用了“首先”、“率先”等词汇描述该工作。美加学者按照该一标记策略，研制了一种质谱流式细胞仪（CyTOF），已广泛应用于细胞生物学实验室。
近年来，张新荣教授的主要研究是单细胞质谱分析，与同行学者和企业合作研制了液滴微萃取-皮升电喷雾质谱单细胞分析仪、免标记质谱流式细胞仪以及质谱单细胞成像分析仪等，并将其用于单细胞乃至亚细胞区域代谢组的分析和空间单核代谢组的分析等。
单细胞质谱分析
生命科学研究发展中，单分子、单细胞的分析逐渐成为非常重要的研究领域；但长期以来，由于细胞的体积太小，质谱检测存在相当大的困难。
张新荣教授课题组和宁波大学闻路红教授共同研究，并同宁波华仪宁创公司合作，研制出液滴微萃取-皮升电喷雾质谱单细胞代谢物分析仪，能够提取细胞内数百种代谢物并利用多级质谱对潜在的标志物成分进行分子确认。“下一步，我们要争取将单细胞质谱产业化。”张新荣教授表示。
通过将质谱的代谢物检测能力和流式细胞系统的高通量特点相结合，张新荣教授课题组建立了免标记单细胞质谱流式平台，能够对一些正常细胞和癌细胞进行高通量区分，也能够区分乳腺癌细胞的不同亚型 (Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52:11025； Anal. Chem. 2015, 87:11242； Anal. Chem. 2017, 89:2275； Anal. Chem. 2019, 91:9777)。该方法受到国际同行的高度关注，被邀请在国际质谱领域有影响的学术会议“第21届国际质谱大会 (加拿大多伦多，2016)” 上做大会特邀报告。
随着精准医学的发展，特别是癌症免疫治疗发展，单细胞质谱成像需求也越来越高。
近期，张新荣教授课题组与清华大学北京信息国家研究中心/医学院张奇伟教授合作，在Nature Methods上发文，提出一种在单核分辨率下进行空间代谢异质性分析的新方法(SEAM)。SEAM方法采用高空间分辨质谱成像结合大数据算法，实现了组织原位代谢异质性可视化、单细胞核图像识别、代谢特征信息提取以及单细胞的聚类、差异化分析等。
张新荣教授谈到中国质谱仪器的发展历程时说：“中国质谱研制的历史远不止40年。”现代质谱仪器的发展源自1910年，英国剑桥卡文迪许实验室的汤姆逊研制出第一台现代意义上的质谱仪，这台质谱仪的诞生开创了一个新的科研领域——质谱学。上世纪50-60年代是质谱技术飞速发展的一个时代，质量分析器性能进一步提高，先后出现了串联质谱仪、气相色谱和质谱联用等，质谱分析应用愈加广泛。这个时期也是中国质谱的起步时期。
“相较于电化学分析、原子光谱分析而言，中国质谱的起步稍晚。据文献记载，从上世纪50年代我国就着手质谱仪器的研究，60年代已经有质谱仪器产品。”张新荣教授表示，“国内改革开放后引进了一大批国外先进的质谱仪器，对我国的质谱产业带来了一定冲击和影响。2000年后，在国家科技部、自然科学基金委等设立的重大仪器专项等大力支持下，我国的仪器产业得到了突飞猛进的发展。现在，我国国产质谱仪器，如气相色谱质谱仪（GC-MS），电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等质谱仪器的国产化占有率已达到相当高的水平。”
我国质谱仪器的研究从技术壁垒较低的气质联用仪器开始，近几年有两类仪器发展很快首先是ICP-MS，国内已有多个仪器厂家能自主研发ICP-MS；其次串联质谱近几年也发展迅猛，包括GC-MS/MS，LC-MS/MS，ICP-MS/MS。非常欣喜的是，国内高分辨质谱也有了长足的发展。此外，中国还有些特色质谱仪，如针对环境领域的气溶胶环境质谱的发展，近几年便携式小质谱在毒品、爆炸物及现场检测方面亦有很大进步，目前有多家企业在生产此类产品。
张新荣教授感慨说：“这些年，中国质谱仪器的发展取得了长足的进步。但我们依然要清楚地认识到现在大多数的质谱产品还是以仿制为主。比如ICP-MS、串联质谱都是在已有国外成熟仪器后，我国在此基础上进行的仿制。虽然我们也会在一些关键部件上改进，但总体上我们目前国内质谱仪器的发展在创新方面还不够。”
张新荣教授指出，我国质谱研制的下一步，要争取从仿制走向创新。实现这一步，一方面需要科技工作者、质谱的专家同行等更多关注创新性研究；另一方面仪器企业应研发出具有自身特色的创新型仪器。而国家政府，如科技部门在设计资助项目时应更多调整资助方向，争取从仿制过渡到创新模式上。
最后，张新荣教授送上了对中国质谱的衷心祝愿：祝愿中国质谱的发展，能实现从仿制到创新的飞跃，让中国质谱仪能在国际质谱仪器的市场上占据一席之地。
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