转自：中国质量报

□ 原国际计量委员会委员、中国计量科学研究院原党委书记 段宇宁

国际计量委员会委员、中国计量科学研究院副院长 屈继峰

2025年是《米制公约》签署150周年，也是中国计量科学研究院（NIM）建院70周年。1977年，中国正式签署《米制公约》，NIM代表中国参加国际米制公约组织的技术活动。建院70年以来，NIM为发展计量学和应对全球性挑战作出了历史性贡献。2018年国际单位制（SI）重新定义之后，国际计量发展迈入新的历史阶段，国际计量委员会（CIPM）正在制定面向2030年代的发展战略。从国际层面看，一方面，SI单位持续量子化演进。分布式系统、传感器网络、人工智能等新技术广泛应用，对计量学如何支撑数据可靠性、可比性、溯源性提出了新挑战；另一方面，气候变化与环境、健康与生命科学、食品安全、能源、先进制造等全球性挑战对计量界提出了新需求。从国内层面看，计量如何促进发展新质生产力、助力高质量发展，是摆在中国计量人面前的时代之问。本文聚焦时间频率、长度、温度、电磁、化学等计量学科，以及气候变化与环境、食品安全、健康与生命科学等全球性挑战，简要回顾NIM作出的贡献。

研制基准原子钟，参与国际原子时合作

20世纪60年代，原子钟已表现出巨大潜力。在时间频率计量领域，其计时准确度超越天文时这一事实，已得到广泛公认。NIM研制的第一台铯原子钟NIM1，可以追溯至1965年。1997年，NIM开始研制基于激光冷却技术的铯原子喷泉钟NIM4，到2003年研制完成时，其不确定度达到了8.5×10-15，并在国际上最早开展了喷泉钟驾驭本地时标的研究。第二台铯喷泉钟NIM5的不确定度达到1.4×10-15，该钟后来成为国家秒长基准。自2014年起，NIM5开始向国际计量局（BIPM）时间部门报送数据，参与校准国际原子时（TAI），成为第一台为国际时频界作出贡献的中国基准钟，也是国际上第七台参与驾驭TAI的喷泉钟。新研制的NIM6铯喷泉钟不确定度达到了2.3×10-16，成为国际上最好的喷泉钟之一，并且即将向TAI报送校准数据。

为建立下一代频率基准，NIM自2006年开始研制锶原子光晶格钟。第一台锶光钟NIM-Sr1于2015年进行了第一次系统频移评估和绝对频率测量，测量结果参与了锶原子跃迁频率的国际推荐值计算，中国成为国际上第五个成功研制锶原子光晶格钟的国家。这是NIM首次为秒的次级表示作出贡献。2024年，第二台锶光钟NIM-Sr2的系统频移不确定度达到6.5×10-18，是国际上第三台达到该指标精度（10-18量级）的锶光钟。通过光纤链路将NIM-Sr2与NIM-Sr1进行频率比对，结果表明，两台钟的频率在测量不确定度范围内一致。

1980年，NIM建立原子时标，参与TAI合作，为TAI的产生作出了贡献。同时，利用国际数据驾驭本地原子时标实现了我国标准时间与国际同步。此后，原子时标UIC（NIM）的性能稳步提升。2024年，相对于协调世界时（UTC）的时间偏差，长期（年）优于±3ns，短期（月）优于±1ns，达到国际领先水平。

研究激光新谱线，支撑SI米新定义

1960年，科学家发明了世界上第一台激光器。由于激光单色性好、能量大、方向性好，在长度测量领域得到了广泛应用。国际上开始研究基于真空中光速的新一代米定义，国际计量局（BIPM）和各国开始研究不同波长激光器获得真空中光速的一致性，并组织国际比对。NIM在20世纪60年代开始研制甲烷稳频3.39μm激光器和碘稳频633nm激光器。1980年，NIM携带相关设备赴BIPM参加了国际比对，取得了理想结果，甲烷稳频3.39μm激光器的频率值在6×10-12以内，与BIPM的甲烷稳频激光器一致。这一比对结果对1983年国际计量大会（CGPM）通过基于真空中光速的米定义起到了促进作用。

复现米定义主要利用激光标准谱线。NIM与德国联邦物理技术研究院（PTB）合作，在国际上率先成功研制出碘稳频612nm氦氖激光器。该激光器于1983年第17届CGPM会议上被通过，成为实现新米定义的推荐谱线。此后，NIM又成功研制出640nm氦氖激光器，并利用该激光器在国际上首先观察到碘-127分子15条新超精细结构谱线。1992年，CIPM通过决议，将碘-127稳频640nm氦氖激光器的波长（或频率）值确定为实现米定义的新推荐谱线。至此，CIPM共推荐了8条谱线，其中有2条是NIM首先研究的成果。

研制高温标准铂电阻温度计，为ITS-90国际温标的建立作出不可替代的贡献

在国际温标ITS-90的建立过程中，一项重要改进是将标准铂电阻温度计的测温上限从630℃扩展到962℃。为此，采用高温铂电阻温度计作为内插仪器，替代原有的热电偶，使高温区具有更连续的内插方程。然而，在很长一段时间内，国际上始终无法制作出稳定性良好的高温铂电阻温度计，这成为ITS-90建立过程中亟待解决的全球性难题。

1982年，NIM科研人员在国际专业学术期刊《计量学》（Metrologia）上发表了题为《一种新型高温铂电阻温度计》的研究论文，通过特殊结构设计保证了温度计的优良性能指标，将温度计的长期稳定性从传统的10mK提升至2mK。这一研究结果引起了国际关注，国际温度咨询委员会（CCT）派出专家进行现场考察确认。随后，NIM提供了一批温度计供国际同行进行测量。最终，编号为18222的高温铂电阻温度计由PTB测量分度，并据此建立了高温区国际温标的参考函数，这也是国际温标建立过程中该温区唯一采用的内插仪器。该项研究成果于1987年荣获国家科技进步奖二等奖。

两种独立方法测定玻尔兹曼常数，用于温度单位开尔文重新定义

基于玻尔兹曼常数重新定义温度单位，是温度计量史上的一次重大变革。为避免单一方法可能存在的系统误差，CCT要求使用至少两种独立方法，分别实现不确定度小于3×10-6的玻尔兹曼常数测定。这一要求涉及多个物理量的高精度绝对测量，是对精密测量极限的巨大挑战。

NIM提出了独特的定程圆柱声学原级测温和量子噪声原级测温方法，通过原理创新和技术创新，分别获得了不确定度为2.0×10-6和2.7×10-6的玻尔兹曼常数测量结果，均被国际数据委员会（CODATA）采纳。NIM也是国际上唯一成功实现两种独立方法对玻尔兹曼常数测量结果贡献权重的研究机构，极大提升了我国在国际温度计量领域的话语权和影响力。该项研究是我国首次对SI基本单位定义作出重要贡献，也为原级测温技术服务我国前沿科学和尖端技术奠定了基础。该项研究成果于2018年荣获国家科技进步奖一等奖。

基于核磁共振和计算电容测定物理常数KJ和RK的研究成果为国际权威组织采纳

20世纪70年代，NIM开始研究核磁共振（NMR）在低磁场（0.23mT）和高磁场（0.47T）下测定屏蔽质子的旋磁比γ'p，并实现SI中电流单位安培的绝对复现。同时，研究计算电容法绝对复现电容单位法拉，构建了电学计量单位的SI溯源体系。随后在20世纪80年代，NIM开始研究量子化霍尔电阻和约瑟夫森量子电压，实现了电学单位的量子化复现。

鉴于约瑟夫森效应和量子化霍尔效应对电学量子单位复现的重要性，1986年第17届国际电学咨询委员会（CCE）会议决定在1988年第18届CCE会议上给出约瑟夫森常数KJ和冯·克里青常数RK的推荐值，倡导各国计量院积极开展这两个物理常数的绝对测量和报送工作。NIM基于上述电学计量SI单位的绝对测量基础、电学量子化研究成果以及相关电学基准等精密测定了约瑟夫森常数KJ和冯·克里青常数RK，为1988年第18届CCE会议提交了系列报告，成为14个报送数据的实验室之一。

NIM提供的KJ和RK测量结果全部被CCE采纳，成为4个双常数被采纳的实验室之一（其他3个来自美国、英国、澳大利亚）。其中，KJ和RK测量结果与国际推荐值差值分别只有4×10-8和6×10-8，具有很好的一致性。NIM的工作为RK-90和KJ-90国际推荐值的确定作出了贡献，也为1990年1月1日国际上正式启用电学量子基准以及我国实现电学单位的量子化复现作出了贡献。此后，NIM在1995年参加了CCE组织的KJ和RK测定比对，其结果被CODATA1998采纳。

研究建立能量天平装置，独立复现SI千克新定义

20世纪70年代起，为实现质量单位千克的量子化复现，国际上陆续提出了功率天平方案和硅球方案并开展了相关研究。2005年，CIPM建议采用普朗克常数重新定义千克，并号召各国釆用不同原理的方案开展研究，NIM于2006年提出了能量天平方案开展普朗克常数精密测量研究。能量天平和功率天平方案均采用电学方法测量普朗克常数，二者主要区别在于：能量天平方案采用积分法测量，在同一段磁场均匀区内对力和感应电压进行积分测量，进而建立质量与普朗克常数的联系，属于准静态测量方案；而功率天平需要测量瞬时速度和感应电压，属于微分测量和动态测量方案。

经过10余年的研究，NIM已成功研制NIM-1原型验证装置和NIM-2真空测量装置。2019年，NIM-2参加了BIPM组织的首次千克复现国际关键比对（CCM.M-K8.2019），测量1kg砝码的相对标准不确定度为4.5×10-8，在电学方案中处于国际第三的水平（位于加拿大和美国之后），并为首个国际质量共识值的确定贡献了权重。2021年，NIM-2参加了第二次关键比对（CCM.M-K8.2021），测量1kg砝码的相对标准不确定度降低到4.0×10-8，目前仍在持续改进研究中。此项研究成果为建立具有我国独立知识产权的千克单位实现装置和新的质量量值传递系统奠定了重要基础。

精准测定原子量并采纳为国际标准值

原子量是指某种原子的质量与碳-12原子质量的1/12（约1.66×10-27kg）的比值，又称相对原子量。在同位素被发现之后，质谱测量方法逐渐取代了化学法，即通过测量元素的同位素丰度及其原子质量来确定元素的原子量。据统计，近二十年原子量标准值修定涉及约30种元素。随着同位素测量技术的进步，科学家观测到自然界部分元素的同位素丰度在不同地域或物质中存在细微差异，这改变了原子量是“自然常数”的传统观念。自2009年起，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）对碳、氧、硅、铅等14种元素的原子量标准值采用了给出范围的新表达方式，开启了原子量“个体化”定值进程，同时也对同位素精准测量能力提出了新的要求。利用高精密质谱仪测量同位素组成进而获得元素原子量，是当前国际公认的最准确的测量方法。

NIM自20世纪80年代起便开展了元素原子量的测量研究工作，先后建立了锑、锌、硒、镱等多种元素原子量的绝对质谱测量方法，测量的同位素丰度及原子量准确度高、不确定度小，均被IUPAC评为最佳测量结果，其中10种元素的原子量被采纳为国际新标准值。特别是近十年来，NIM结合测量校正理论创新与技术突破，构建了同位素组成精准测量系统，具备了多类型复杂基体样品中元素原子量的准确定值能力，在同位素及摩尔质量的国际比对中取得了理想成绩，在相关计量溯源技术方面已进入了国际第一梯队。

突破碳排放精准测量技术，保障碳数据质量

实现“双碳”目标需要国际互认的碳数据作为支撑。为确保各国碳排放核算方法的合理性与数据的准确性，2019年，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第49次全会通过了《IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版》，首次系统性地提出了基于测量反演温室气体排放量，进而验证和修正传统清单的方法。欧美等发达国家已在多个城市开展了基于监测的碳清单反演核算试点工程，验证了该方法的有效性。2018年，NIM在郑州市建立了国内首个城市尺度高时空分辨碳排放量监测反演系统和示范工程，提升了碳排放清单的有效性和准确性，支撑构建我国碳排放量计量体系，相关技术已在广东、山东等地区应用推广。

NIM自2012年起布局温室气体精准测量和量值溯源技术，结合自主研究和国际合作，于2017年建成国内唯一的大口径烟道流量计量标准装置，装置实验室流量测量范围达到19万m3/h，流量测量不确定度仅为4.4‰。同时，NIM创新性建立从“实验室烟道流量计量标准装置”到“现场烟道流量校准仪”再到“烟道CEMS”的国内首个完整烟道流量两级量传体系，将国内现场烟道流量测量不确定度从最初的50%以上大幅降低至5%以内，真正实现了“报告的一吨即排放的一吨”。目前，该技术已应用于100多家企业，显著提升了碳数据质量，为保障碳交易公平提供了有力支撑。

开展真菌毒素联合研究与知识传播，守卫全球食品安全

真菌毒素是食品安全的重要威胁。2016年，BIPM与NIM合作启动了“真菌毒素计量能力建设与知识传播联合技术项目”，旨在促进各国计量院加强真菌毒素计量基础能力建设，通过开展针对性性培训，提升计量技术人员在真菌毒素纯度溶液标准物质、基体标准物质及能力验证样品制备方面的能力，从而支持各国检测实验室的工作。

在项目研究中，科研团队通过比较不同溶剂中黄曲霉毒素、玉米赤霉烯酮类、展青霉素等的稳定性，探讨了溶液标准物质的制备方法。利用高分辨率质谱技术评估了黄曲霉毒素B1溶液的稳定性，研究了玉米赤霉烯酮溶液中主要成分及相关杂质的光异构化与降解过程，为溶液标准物质的生产、储存和运输提供技术指导。采用乙腈为溶剂，重量—容量法研制出GBW10160、GBW10161、GBW10173、GBW10174、GBW（E）100674、GBW（E）100675等溶液标准物质。釆用质量平衡法和定量核磁技术对真菌毒素纯度进行定值，发布了GBW10157、GBW10177、GBW10172、GBW10257等纯度标准物质。此外，项目还发展了相关前处理方法和基体标准物质定值技术。

该研究为建立全球真菌毒素计量溯源体系作出了积极贡献，由BIPM和NIM共同组织的真菌毒素标准物质研制培训活动，有效促进了全球计量技术能力的提升，实现了跨国知识传播。NIM发布的一系列标准物质，为检测实验室提供了可靠的溯源标准，有力保障了不同国家检测实验室结果的一致性和可比性。

开展新冠病毒计量应急研究，助力全球疫情防控

2019年底，新冠病毒（COVID-19）的突然暴发，给全世界人民的生命健康带来了重大威胁。在新冠病毒大流行期间，NIM针对病毒的3个特征基因（ORF1ab、E和N），在国际上率先建立了基于单分子扩增的数字聚合酶链式反应（PCR）参考测量方法，该方法可准确检测到2个病毒核酸分子，目前已被国际检验医学溯源联合委员会（JCTLM）收录为国际参考测量程序，同时也是新冠病毒核酸测量当前唯一的参考测量程序。

在国际物质的量：化学和生物计量咨询委员会（CCQM）框架下，NIM率先提出并联合英国政府化学实验室（LGC）、英国国家生物制品检定所（NIBSC）和美国国家标准与技术研究院（NIST），共同主导了2项新冠病毒核酸测量比对（CCQM-P199B、CCQM-K181）。此外，NIM还联合BIPM和加拿大国家研究委员会（NRC）共同主导了新冠病毒单抗国际比对（CCQM-P216）。这些比对工作为促进新冠病毒测量结果的全球互认和等效一致奠定了基础。

在此基础上，NIM共研制了18种新冠病毒核酸和蛋白国家有证标准物质，其中新冠病毒体外转录核糖核酸（RNA）标准物质已作为首个高等级标准物质被JCTLM收录，用于支持全球新冠病毒核酸检测计量溯源性的建立。截至目前，这些标准物质已被中国34个省级行政区的1000多家机构以及全球20个国家广泛应用。

在后疫情时代，NIM持续支持中国疾控系统开展全国范围内包括162家的新冠病毒污水定量检测实验室比对工作，为新冠病毒动态监测数据的准确可比提供了有力的计量保障。

致 谢

特别感谢李进源、林弋戈、吴金杰、张金涛、冯晓娟、邵海明、鲁云峰、李正坤、任同祥、任歌、李秀琴、李晓敏、李先江、董莲华、牛春艳、张永卓对本文作出的贡献（按对应学科领域在文中的出现顺序排列）。

（原载于《中国计量》杂志2025年5期 本文略有修改）