（中科院上海原子核研究所SMCAMS实验室）

1. 传统的质谱方法

自传统的质谱计（MS，Mass Spectrometer，或称质谱仪）问世以来，质谱技术已经为科学发展作出了不可磨灭的贡献。传统质谱计依靠磁场、电场或它们的交叉使用，通过对带电离子的动量、能量或速度进行选择，达到分离鉴别粒子的目的。最常见的就是由分析磁铁为主体构成的动量分析器。传统质谱计至今仍在发展当中，并已达到很高的分辨率和分析精度，以及很好的实用性能。

传统质谱计在丰度灵敏度（最低相对含量）的提高上采取了许多措施，并利用了不同原子的特殊化学性质来提高灵敏度，但仍很难达到10_9以上。无法分离天然低丰度长寿命放射性同位素（或低丰度稳定同位素）和它们的同量异位素。如¹⁴C和¹³CH，需分辨率1800，丰度灵敏度＜10^-12。

对半衰期较短的放射性同位素，使用高效率的射线探测手段，如液体闪烁计数器，可以对含量很少的放射性同位素进行计数测量，这种方法业已成熟。然而随着半衰期的增加，衰变的几率大为减少，计数时间将大为延长，唯一的缓解办法就是增加被测样品量。例如¹⁴C，半衰期为5730年，现代自然丰度比约为10^-12，每克现代生物样品中的¹⁴C原子有6.5x10¹⁰个，而β衰变却只有每分钟15个。可见这种方法对这些离子的探测效率极低。

2. 现代加速器质谱计技术

随着加速器技术的发展，利用加速器作为质谱计的加速器质谱计（AMS，Accelerator Mass Spectrometer）技术应运而生。AMS的历史可追溯到1939年对3H的测量。一些现有的大型回旋加速器利用回旋共振加速所固有的超高质量分辨本领，进行了一些加速器质谱工作，但由于大型回旋加速器作为质谱计存在着只能加速正离子，切换被加速粒子种类困难等固有缺点，影响了它的发展。AMS技术的蓬勃发展是从本世纪70年代末，以串列型AMS出现而开始的。现代AMS可测量长寿命放射性同位素的丰度，并可达到好于10^-15的丰度灵敏度。故可称之为超灵敏加速器质谱计。

建立在能量为兆电子伏特量级的串列加速器上的AMS是目前国际上流行的串列型加速器质谱计。它的主要思想是:利用某些原子或分子的同量异位素负离子不稳定的特征，采用负离子原，以消除某些同量异位素的干扰（如¹⁴C测量时的¹⁴N原子）；利用串列加速器特有的电荷剥离过程，破坏分子离子以消除分子离子的干扰（如¹³CH、¹²CH₂分子）；并采用核物理中常用的探测器甄别和计数单个的被加速离子。

目前全世界有超过40家实验室进行AMS测量研究，并有商品化的串列型AMS装置可供销售。采用不同的辅助技术，在串列AMS上实现了如³H、¹⁰Be、¹⁴C、²⁶Al、³⁶Cl、⁴⁰Ca等多种长寿命放射性同位素的测量。

3. 加速器质谱计的传统应用领域

以超灵敏加速器质谱计为依托的加速器质谱学（Accelerator Mass Spectrometry）是加速器技术的一个正在迅速发展着的应用领域，是离子束分析的一门新技术。它已广泛应用于考古、天文和地球诸学科，作为年代测定的一种准确有效的手段。近年来，它的应用范围也已扩展到生命科学、环境科学和材料科学。国际上每三年就举行一次国际性AMS学术交流会议。AMS在生命科学方面的应用正逐步增加。

由于宇宙成因（如宇宙射线照射）、生物圈的新陈代谢、气候变化等因素，地表及大气中的¹⁴C含量达到平衡（约为1.2 x 10¹²）。如果含碳的物体被埋入地下，物体中的¹⁴C停止了与周围交换，并由于衰变每隔5730年含量减少一半。通过对物体中¹⁴C丰度的测量，就可以测定物体的年代。这就是¹⁴C断代的基本原理。利用AMS测定¹⁴C，可以断定5万年以内的被测样品年代。著名的“耶稣的裹尸布”经AMS测定，被证明是后来制作的赝品。利用其它更长半衰期的放射性同位素，可使断代年限大为扩展。

由于加速器质谱计具有超高灵敏度（好于10^-12）和超微样品量（mg级），及短测量时间（几十分钟到几小时），AMS已成为一钾不可替代的分析技术。国际上利用AMS已经在断代方面做了大量的工作。国内和¹⁴C断代有关的实验室也有50个左右，其研究领域包括考古、古地质事件、古气候、古地理、古地震、冰川冻土、海洋沉积等等。先进的加速器质谱技术能大大地改进这些研究领域的研究手段。

4. 加速器质谱计在生命科学的应用前景

国际上，AMS也正在生命科学、材料科学和环境科学等领域拓宽它的应用范围。美国加州大学Livermore国家实验室（LLNL）在AMS应用于生物医学领域的研究处于国际领先地位。1996年，在AMS-7国际会议前，专门在LIM举行了AMS应用于生物医学领域的workshop。会议预计在2000年后，AMS的主要应用将转向生命科学。

生命体的构成离不开碳元素C，由于¹⁴C的生物作用和化学作用完全等同于稳定同位素¹²C，可以用¹⁴C作为示踪元素，来进行生命中各种现象的科学研究，以及作为临床检测的有效手段。但由于利用液体闪烁计数器检测¹⁴C衰变的常规检测方法灵敏度非常低，需要使用大剂量¹⁴C标记的化合物，容易造成污染和内照射，因而被许多部门限制使用在人体上。然而利用AMS进行¹⁴C质谱分析，其灵敏度比常规手段提高1000倍以上。可以轻易地检测出比天然水平略高的¹⁴C含量，也为¹⁴C的临床应用扫除了障碍。

国外在AMS上已经开展的应用主要有：DNA加合物的研究；异生物、基因毒素学研究；药物动力学及临床应用；采用¹⁴C稀释方法提高探测灵敏度；生物分子间的相互作用研究；人类主题的AMS研究；其他放射性核素在生命科学中的应用等等。

例如，化学物质跟DNA形成共价键（DNA加合物）对生物具有严重的影响，将引起染色体重组、突变、细胞死亡、癌变及丧失生育能力。加合物的数量跟致癌物（化学毒素）的剂量关系曲线在较高剂量范围内的动物实验上已经确定，但在较低剂量特别是环境剂量下却因无法用传统的测量手段得到。用AMS方法可测量极低剂量下的DNA加合物，灵敏度达到每10¹¹个核苷酸1个加合物以上。

由于AMS的高灵敏度，允许在低剂量（环境剂量）下精确研究化学物质跟人类主题直接相关的课题。如药物代谢的研究和临睡床上应用的“呼吸测试法”，就是直接以人类作为研究对象的实例。

5. 我国首次研制成功的超灵敏小型回旋加速器质谱计

20年来，串列型AMS已趋成熟，积累了相当丰富的实践经验。综上所述，串列AMS的质谱分析主要是通过串列加速器尾部的各种分析设备实现的，由于加速器和后接分析设备体积大，造价昂贵，运行费用高，难于普及应用，以至各应用单位只能“望器兴叹”。

中科院上海原子核所研制成功的超灵敏小型回旋加速器质谱计（SMCAMS）则具有体积小、造价低、无辐射和便于实地和临床应用等优点，开辟了加速器质谱计的新的应用前景。

众所周知，普通的质谱计都是让被分析的样品粒子在均匀磁场内回转不到一圈。如果被分析的核素粒子能在磁场中回转100圈，并和高频加速电压同步（共振），那么质谱计的质量分辨本领就会大大增加。超灵敏小型回旋加速器质谱计就是利用回旋加速器共振加速原理来分析放射性同位素¹⁴C的。共振加速分析是真正意义下的质量，它的优点是本底拖尾极小，故能在有同质量数的分子离子干扰中直接分析出含量不到10^-12的¹⁴C粒子。

80年代初，美国伯克利实验室首先提出研制小回旋AMS，10多年来，他们先后采用过三个技术方案，都未获成功，现在已销声匿迹，退出了AMS领域。伯克利的失败在于，他们简单地把普通回旋加速器缩小尺寸来作为AMS，没有掌握小型回旋加速器质谱计固有的技术特性，也没有采取一专门有效的技术措施。

超灵敏小型回旋加速器质谱计SMCAMS扬串列AMS的优点，抑大回旋AMS的固有缺点。它同样地加速负的被探测离子（也可加速正离子），而且可以直接引出负离子，无需串列加速器中的电荷剥离过程；它具有一般回旋的共振分析功能，而又可以不变磁场，只改变电参数即可实现快速交替加速；特别是，它的结构小、能量低（50 KeV）、造价低、运行费用省（耗电十几千瓦）、不需要专门的土建和防护设备，因而可以安放在任何需要AMS的场地使用。因此，SMCAMS还具有潜在的开发前景。

经过13年的艰苦奋斗，SMCAMS项目组终于完成了研制，胜利建成了世界上首台超灵敏小型回旋加速器质谱计。并于98年9、10月份顺利测试了一批包括马王堆样品在内的考古样品和古代地质样品，其测量精度分别为1%和3%左右；中国糖碳标准样品的¹⁴C计数率达每秒20~25个，已达到当前国际串列加速器型质谱计日常测量精度的较好水平。五个属马王堆的未知样品的测量平均值是2150年左右，与其他实验室的结果符合得相当好。

6. 大步走向生命科学应用的AMS技术

预计在2000年后，AMS的主要应用将转向生命科学。但在我国生物界和医学界知道应用AMS技术的目前还很少，大都未意识到AMS对改进他们目前的分析手段的重大意义。可以说在我国生物医学界AMS还是一种“超前意识的产品”。因此我们应该尽可能创造条件，开展实际的应用研究，以迎接必将到来的AMS在生命科学中的应用高潮。

SMCAMS的进展引起了国外专家学者极大的兴趣，正如许多外国AMS专家指出，小型回旋加速器比串列加速器更适合于作为生命科学应用的加速器质谱计。市场调查表明，地球学科应用单位大多把样品送到几个AMS中心去分析，很少会自购一台AMS装置，面AMS在生物医学上的应用若能发展到医院临床应用，那它的前途就可观了。因此，我们确立了以生命科学应用为主，兼顾其他学科应用的应用目标。

在1996年AMS-7会议上，由AMS两位元老Purser和Litherland领导的美国和加拿大两个公司（HVEE和Newton Scientific Inc）分别提出了专门应用于生命科学领域的端电压IMV的小串列AMS。其预定的性能指标为；¹⁴C计数率为25cps；本底2 cps；精确度2-3%。我们建成的SMCAMS第一台样机性能已达到上述指标。如果重新建造一台，那么其性能指标完全可以超过正在研制的IMV小串列AMS。而且能够兼顾考古、地球学科的应用的独特技术优势，使小回旋AMS具有更大的应用潜力。