质谱方寸间 青年守国器 在百万分之一里寻找“中国精度”

（来源：中国共青团网）

转自：中国共青团网

　　苗凯的工作和一个国家在微观尺度上的观测能力息息相关。

　　作为四川红华实业有限公司分析计量室的一名工程师，今年29岁的他是国内高端磁质谱仪自主可控浪潮里最年轻的拓路人之一。他参与研制了中国第一款指标完整对标国际顶尖水平的专用气体同位素质谱仪。

　　质谱仪是一种通过离子化样品并按质荷比分离和检测离子，从而分析物质组成和结构的精密仪器。它的工作原理基于一个概念：不同物质电离后形成的离子往往具备特征性的质荷比，如同物质的化学指纹。依托这一特征，质谱仪可以实现对样品组分的“称量”与识别。

　　高端质谱仪如同微观世界的高精度标尺，可实现低至百万分之一量级的同位素比值测量精度，是现代科学研究中不可或缺的“超级侦探”，在生物医药、环境监测、食品安全乃至太空探索等领域扮演重要角色。

　　然而，长期以来，质谱仪市场被国际巨头公司垄断，这些公司占据了全球90%以上的市场份额。

　　2019年，苗凯一头扎进长期被海外品牌技术“锁死”的精密分析仪器赛道，从参与部分高端磁质谱仪的研发，到和团队一起在国产质谱仪研制领域取得一系列突破性成果。外人眼中冰冷的电磁铁、离子源、法拉第接收器，在苗凯眼中，都是破解“卡脖子”问题、托举国内工业根基不可或缺的拼图。

做“大国重器”上的螺丝钉

　　苗凯生在甘肃，大学读原子物理专业。他的同学毕业后大多去往高校或科研院所从事基础理论研究工作。

　　“基础研究非常重要，但我更倾向于做‘大国重器’上的螺丝钉。”苗凯觉得如果真的能解决“卡脖子”问题最好，但即使是一颗普通“螺丝钉”，看着“大国重器”也会有实实在在的成就感。

　　2019年春季，苗凯进入四川红华。刚入职时，他被分配到主工艺生产线。仅1个月后，属于他的人生拐点来了。

　　长期以来，我国在高端分析仪器等领域高度依赖进口。2019年，四川红华筹备成立成都分析仪器研发中心，集中力量攻坚磁质谱设备。筹备组面向同期新入职大学生选拔4名青年研发人员，苗凯凭借专业背景，被研发负责人选中。

　　此后，有人退出，有人加入，苗凯一直在。质谱仪丈量着这名青年工程师7年未曾停歇的攻坚路。

“卡脖子”的记忆

　　外人很难理解，一台质谱仪研发究竟要耗费多少心力。

　　质谱仪素有分析仪器“皇冠明珠”的称号，其研发横跨电子电路、精密机械、离子光学等多个学科，从纸面理论落地为成熟工程设备，中间更是横亘着一道难以跨越的鸿沟。

　　苗凯介绍，每台仪器的背后，都依靠离子源、电磁铁、法拉第接收器三大核心部件极致精密的协同，任意一处微小的结构偏差、电压参数失衡，都会造成离子束大范围发散，质谱峰变形，百万分之一级别的超高测量精度便无从谈起。

　　20世纪80年代末，国内行业急需专用气体同位素质谱仪分析设备。当时一台进口的气体质谱仪标价260万元——在那个普通人的工资仅有几十元的年代，这无异于天文数字。更令人无奈的是售后，仪器一旦发生故障，“国外厂商要么漫天要价，要么拒绝派遣工程师上门”，进口设备常年瘫痪在实验室无法使用。

　　“还是得靠自己。”苗凯说，老一辈工程师从零开始，先是零部件，然后是整机。没有精密机床，就用普通车床一点点磨；没有现成线包，就靠老师傅一匝一匝地手绕铜丝。

　　那是真正的“手搓”时代。一双双布满老茧的手，硬是搓出了中国第一台专用气体同位素质谱仪——BFQT-5型质谱仪，紧接着BFQT-6型研发成功。这两种机器后来陆续装备到行业内的各家单位。“那时候大家苦不堪言，我们的机器一到，相当于解决了整个行业的困境。”苗凯说。

　　如今距离那段历史已经过去多年，但那种被“卡脖子”的记忆依然清晰。

从“1”到“N”

　　“前人走完0到1，我们要攻克1到N，从‘能用’做到‘好用、耐用’。”苗凯说，当时的质谱仪解决了“有无”的问题，但仪器采用老旧对称型结构，测量精度与稳定性和当下最新的国际一流产品存在代差。

　　成都分析仪器研发中心承载的正是这份使命。研发起步阶段，国内可参考的公开资料寥寥无几，成熟的工程设计文献近乎空白，前沿学术论文碎片化，苗凯只能不断翻阅专业典籍，一点点拼凑基础设计思路。

　　整个研发周期里，最耗费心力的两项攻关，分别是离子源电极片优化与非对称曲面电磁铁的设计。

　　离子源相当于整机的“心脏”，样品电离产生的离子本是四散飞溅的无序粒子，多层电极片施加梯度高压，收拢、矫正杂乱离子，最终形成笔直均匀的离子束。一旦束流发散偏移，大量离子会撞击腔体管壁损耗，无法抵达后端接收器，直接失去有效检测信号。苗凯打了个比方，离子如同四散奔跑的人群，离子源负责收拢成单列直行队伍，磁场再依据质量轻重分道，接收器精准捕捉每一组粒子。

　　电极片的形状、层数、片间间距、适配电压没有标准答案。苗凯说：“科研从不是一拍脑袋就出成果，上百次迭代失败都是必经之路。”

　　研发团队迭代数十版结构方案，在专业离子光学仿真软件中反复建模测算；白天在厂房装配实体样机，开展调试实验；深夜返回办公室修改三维图纸，重新开展仿真验证，常常凌晨一两点，研发办公室的电脑屏幕依旧亮着。

　　“仿真软件构建的是理想真空环境，可落地到实体设备，电子学部件的微弱波动、真空管路微量杂质、零部件微米级加工公差，都会打乱全部预设参数。”苗凯坦言，无数次仿真构建的完美结构，装机后可能只能得到扁平、拖尾、无平整峰顶的不合格质谱峰。很长一段时间，实验室屏幕上始终出不来合格峰形，下班路上他复盘每一处结构参数，夜里躺在床上，脑海里全是散乱偏移的离子轨迹，浓重的自我怀疑一度将他困住。但当最终调试完成，屏幕上出现陡峭、棱角干净、平顶完整的标准质谱峰时，连日的疲惫与迷茫便瞬间消散。

　　另一项颠覆性技术突破，是非对称曲面电磁铁的自主研发。

　　在质谱仪的设计中，有一个看似简单却极其关键的问题：电磁铁的形状。

　　早期的国产质谱仪采用的是对称结构，这种设计容易实现，粒子飞入后的轨迹也相对确定。但它的性能存在局限：离子束在分离时不够彻底，不同质量的离子之间会有叠加和干涉，导致测量精度下降。

　　解决问题的关键在于非对称设计。苗凯解释，非对称的电磁铁边缘呈凸凹的弧度，这让离子在后端飞行路径更长，分离得更彻底。哪怕初始阶段有微小重叠，经过长距离飞行后也能完全分开，测量精度大幅提升。

　　但是非对称电磁铁的特性也意味着每一个离子的入射位置不同，飞行轨迹就会“天翻地覆”，导致离子光学的计算难度呈几何级数增加。“原来直边的时候，从哪里射进去，偏转情况基本确定。现在是弧边，打上去的位置不一样，相当于入射角就不一样，整个轨迹全变了。”苗凯说。

　　在不断坚持下，他们成功研发出G900大型专用气体质谱仪，这款仪器也成为国内首款指标完整对标国际顶尖水平的自研专用气体同位素质谱仪。

　　“一台造价数百万元的精密仪器，支撑起几十亿元规模的国家重点工程，最终输出的检测结果直接决定产品是否合格，这份重量压在身上，再烦琐、再艰苦的工作都有意义。”苗凯说。

找到属于自己的人生价值坐标

　　长期扎根研发岗位，这几年，苗凯身边同龄朋友的聚餐、出游邀约越来越少，逛街、旅行的松弛日常，对他而言是稀缺的体验。

　　很多时候，苗凯就像一个“工作狂”。他工作日白天泡在厂房装配调试、对接零部件加工厂商，夜晚复盘整机故障、迭代结构图纸、撰写各级科研项目申报材料；周末大半时间依旧守在实验室，开展仿真建模、零部件性能测试，几乎每天凌晨之后才休息。

　　同期不少年轻同事选择离开质谱仪研发赛道，理由直白而现实：常年无休的高强度加班、漫长的职业晋升周期、技术攻关很难看到即时回报……苗凯却拥有极强的内在驱动力，从不满足于完成基础工作，主动申报省部级、国家级科研项目，深耕专利撰写、技术成果转化。

　　苗凯说，自己并非万众瞩目的科研大家，只是国产突围路上一名平凡的青年工匠。没有波澜壮阔的传奇轶事，只有日复一日沉下心的打磨、取舍与坚守。比很多人幸运的是，他在百万分之一精度的质谱峰之间，找到了属于自己的人生价值坐标。

　　还有很多未知的挑战在等着他。在这个追求极致精度的领域，苗凯和同事们就像那些在磁场中偏转的离子，虽然微小，却有着确定的轨迹和方向。

　　他们用百万分之一的精度，丈量着中国核工业自主可控的深度，也丈量着一代青年工程师内心的广度，在精密仪器的方寸之间，书写属于中国高端装备自主可控的“万里山河”。

　　中青报·中青网记者 张均斌 见习记者 杨蕾 来源：中国青年报

　　2026年10月07日 01版