□ 原國際計量委員會委員、中國計量科學研究院原黨委書記 段宇寧

國際計量委員會委員、中國計量科學研究院副院長 屈繼峰

2025年是《米制公約》簽署150周年，也是中國計量科學研究院（NIM）建院70周年。1977年，中國正式簽署《米制公約》，NIM代表中國參加國際米制公約組織的技術活動。建院70年以來，NIM為發展計量學和應對全球性挑戰作出了歷史性貢獻。2018年國際單位制（SI）重新定義之后，國際計量發展邁入新的歷史階段，國際計量委員會（CIPM）正在制定面向2030年代的發展戰略。從國際層面看，一方面，SI單位持續量子化演進。分布式系統、傳感器網絡、人工智能等新技術廣泛應用，對計量學如何支撐數據可靠性、可比性、溯源性提出了新挑戰；另一方面，氣候變化與環境、健康與生命科學、食品安全、能源、先進制造等全球性挑戰對計量界提出了新需求。從國內層面看，計量如何促進發展新質生產力、助力高質量發展，是擺在中國計量人面前的時代之問。本文聚焦時間頻率、長度、溫度、電磁、化學等計量學科，以及氣候變化與環境、食品安全、健康與生命科學等全球性挑戰，簡要回顧NIM作出的貢獻。

研制基準原子鐘，參與國際原子時合作

20世紀60年代，原子鐘已表現出巨大潛力。在時間頻率計量領域，其計時準確度超越天文時這一事實，已得到廣泛公認。NIM研制的第一臺銫原子鐘NIM1，可以追溯至1965年。1997年，NIM開始研制基于激光冷卻技術的銫原子噴泉鐘NIM4，到2003年研制完成時，其不確定度達到了8.5×10-15，并在國際上最早開展了噴泉鐘駕馭本地時標的研究。第二臺銫噴泉鐘NIM5的不確定度達到1.4×10-15，該鐘后來成為國家秒長基準。自2014年起，NIM5開始向國際計量局（BIPM）時間部門報送數據，參與校準國際原子時（TAI），成為第一臺為國際時頻界作出貢獻的中國基準鐘，也是國際上第七臺參與駕馭TAI的噴泉鐘。新研制的NIM6銫噴泉鐘不確定度達到了2.3×10-16，成為國際上最好的噴泉鐘之一，并且即將向TAI報送校準數據。

為建立下一代頻率基準，NIM自2006年開始研制鍶原子光晶格鐘。第一臺鍶光鐘NIM-Sr1于2015年進行了第一次系統頻移評估和絕對頻率測量，測量結果參與了鍶原子躍遷頻率的國際推薦值計算，中國成為國際上第五個成功研制鍶原子光晶格鐘的國家。這是NIM首次為秒的次級表示作出貢獻。2024年，第二臺鍶光鐘NIM-Sr2的系統頻移不確定度達到6.5×10-18，是國際上第三臺達到該指標精度（10-18量級）的鍶光鐘。通過光纖鏈路將NIM-Sr2與NIM-Sr1進行頻率比對，結果表明，兩臺鐘的頻率在測量不確定度范圍內一致。

1980年，NIM建立原子時標，參與TAI合作，為TAI的產生作出了貢獻。同時，利用國際數據駕馭本地原子時標實現了我國標準時間與國際同步。此后，原子時標UIC（NIM）的性能穩步提升。2024年，相對于協調世界時（UTC）的時間偏差，長期（年）優于±3ns，短期（月）優于±1ns，達到國際領先水平。

研究激光新譜線，支撐SI米新定義

1960年，科學家發明了世界上第一臺激光器。由于激光單色性好、能量大、方向性好，在長度測量領域得到了廣泛應用。國際上開始研究基于真空中光速的新一代米定義，國際計量局（BIPM）和各國開始研究不同波長激光器獲得真空中光速的一致性，并組織國際比對。NIM在20世紀60年代開始研制甲烷穩頻3.39μm激光器和碘穩頻633nm激光器。1980年，NIM攜帶相關設備赴BIPM參加了國際比對，取得了理想結果，甲烷穩頻3.39μm激光器的頻率值在6×10-12以內，與BIPM的甲烷穩頻激光器一致。這一比對結果對1983年國際計量大會（CGPM）通過基于真空中光速的米定義起到了促進作用。

復現米定義主要利用激光標準譜線。NIM與德國聯邦物理技術研究院（PTB）合作，在國際上率先成功研制出碘穩頻612nm氦氖激光器。該激光器于1983年第17屆CGPM會議上被通過，成為實現新米定義的推薦譜線。此后，NIM又成功研制出640nm氦氖激光器，并利用該激光器在國際上首先觀察到碘-127分子15條新超精細結構譜線。1992年，CIPM通過決議，將碘-127穩頻640nm氦氖激光器的波長（或頻率）值確定為實現米定義的新推薦譜線。至此，CIPM共推薦了8條譜線，其中有2條是NIM首先研究的成果。

研制高溫標準鉑電阻溫度計，為ITS-90國際溫標的建立作出不可替代的貢獻

在國際溫標ITS-90的建立過程中，一項重要改進是將標準鉑電阻溫度計的測溫上限從630℃擴展到962℃。為此，采用高溫鉑電阻溫度計作為內插儀器，替代原有的熱電偶，使高溫區具有更連續的內插方程。然而，在很長一段時間內，國際上始終無法制作出穩定性良好的高溫鉑電阻溫度計，這成為ITS-90建立過程中亟待解決的全球性難題。

1982年，NIM科研人員在國際專業學術期刊《計量學》（Metrologia）上發表了題為《一種新型高溫鉑電阻溫度計》的研究論文，通過特殊結構設計保證了溫度計的優良性能指標，將溫度計的長期穩定性從傳統的10mK提升至2mK。這一研究結果引起了國際關注，國際溫度咨詢委員會（CCT）派出專家進行現場考察確認。隨后，NIM提供了一批溫度計供國際同行進行測量。最終，編號為18222的高溫鉑電阻溫度計由PTB測量分度，并據此建立了高溫區國際溫標的參考函數，這也是國際溫標建立過程中該溫區唯一采用的內插儀器。該項研究成果于1987年榮獲國家科技進步獎二等獎。

兩種獨立方法測定玻爾茲曼常數，用于溫度單位開爾文重新定義

基于玻爾茲曼常數重新定義溫度單位，是溫度計量史上的一次重大變革。為避免單一方法可能存在的系統誤差，CCT要求使用至少兩種獨立方法，分別實現不確定度小于3×10-6的玻爾茲曼常數測定。這一要求涉及多個物理量的高精度絕對測量，是對精密測量極限的巨大挑戰。

NIM提出了獨特的定程圓柱聲學原級測溫和量子噪聲原級測溫方法，通過原理創新和技術創新，分別獲得了不確定度為2.0×10-6和2.7×10-6的玻爾茲曼常數測量結果，均被國際數據委員會（CODATA）采納。NIM也是國際上唯一成功實現兩種獨立方法對玻爾茲曼常數測量結果貢獻權重的研究機構，極大提升了我國在國際溫度計量領域的話語權和影響力。該項研究是我國首次對SI基本單位定義作出重要貢獻，也為原級測溫技術服務我國前沿科學和尖端技術奠定了基礎。該項研究成果于2018年榮獲國家科技進步獎一等獎。

基于核磁共振和計算電容測定物理常數KJ和RK的研究成果為國際權威組織采納

20世紀70年代，NIM開始研究核磁共振（NMR）在低磁場（0.23mT）和高磁場（0.47T）下測定屏蔽質子的旋磁比γ'p，并實現SI中電流單位安培的絕對復現。同時，研究計算電容法絕對復現電容單位法拉，構建了電學計量單位的SI溯源體系。隨后在20世紀80年代，NIM開始研究量子化霍爾電阻和約瑟夫森量子電壓，實現了電學單位的量子化復現。

鑒于約瑟夫森效應和量子化霍爾效應對電學量子單位復現的重要性，1986年第17屆國際電學咨詢委員會（CCE）會議決定在1988年第18屆CCE會議上給出約瑟夫森常數KJ和馮·克里青常數RK的推薦值，倡導各國計量院積極開展這兩個物理常數的絕對測量和報送工作。NIM基于上述電學計量SI單位的絕對測量基礎、電學量子化研究成果以及相關電學基準等精密測定了約瑟夫森常數KJ和馮·克里青常數RK，為1988年第18屆CCE會議提交了系列報告，成為14個報送數據的實驗室之一。

NIM提供的KJ和RK測量結果全部被CCE采納，成為4個雙常數被采納的實驗室之一（其他3個來自美國、英國、澳大利亞）。其中，KJ和RK測量結果與國際推薦值差值分別只有4×10-8和6×10-8，具有很好的一致性。NIM的工作為RK-90和KJ-90國際推薦值的確定作出了貢獻，也為1990年1月1日國際上正式啟用電學量子基準以及我國實現電學單位的量子化復現作出了貢獻。此后，NIM在1995年參加了CCE組織的KJ和RK測定比對，其結果被CODATA1998采納。

研究建立能量天平裝置，獨立復現SI千克新定義

20世紀70年代起，為實現質量單位千克的量子化復現，國際上陸續提出了功率天平方案和硅球方案并開展了相關研究。2005年，CIPM建議采用普朗克常數重新定義千克，并號召各國釆用不同原理的方案開展研究，NIM于2006年提出了能量天平方案開展普朗克常數精密測量研究。能量天平和功率天平方案均采用電學方法測量普朗克常數，二者主要區別在于：能量天平方案采用積分法測量，在同一段磁場均勻區內對力和感應電壓進行積分測量，進而建立質量與普朗克常數的聯系，屬于準靜態測量方案；而功率天平需要測量瞬時速度和感應電壓，屬于微分測量和動態測量方案。

經過10余年的研究，NIM已成功研制NIM-1原型驗證裝置和NIM-2真空測量裝置。2019年，NIM-2參加了BIPM組織的首次千克復現國際關鍵比對（CCM.M-K8.2019），測量1kg砝碼的相對標準不確定度為4.5×10-8，在電學方案中處于國際第三的水平（位于加拿大和美國之后），并為首個國際質量共識值的確定貢獻了權重。2021年，NIM-2參加了第二次關鍵比對（CCM.M-K8.2021），測量1kg砝碼的相對標準不確定度降低到4.0×10-8，目前仍在持續改進研究中。此項研究成果為建立具有我國獨立知識產權的千克單位實現裝置和新的質量量值傳遞系統奠定了重要基礎。

精準測定原子量并采納為國際標準值

原子量是指某種原子的質量與碳-12原子質量的1/12（約1.66×10-27kg）的比值，又稱相對原子量。在同位素被發現之后，質譜測量方法逐漸取代了化學法，即通過測量元素的同位素豐度及其原子質量來確定元素的原子量。據統計，近二十年原子量標準值修定涉及約30種元素。隨著同位素測量技術的進步，科學家觀測到自然界部分元素的同位素豐度在不同地域或物質中存在細微差異，這改變了原子量是“自然常數”的傳統觀念。自2009年起，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）對碳、氧、硅、鉛等14種元素的原子量標準值采用了給出范圍的新表達方式，開啟了原子量“個體化”定值進程，同時也對同位素精準測量能力提出了新的要求。利用高精密質譜儀測量同位素組成進而獲得元素原子量，是當前國際公認的最準確的測量方法。

NIM自20世紀80年代起便開展了元素原子量的測量研究工作，先后建立了銻、鋅、硒、鐿等多種元素原子量的絕對質譜測量方法，測量的同位素豐度及原子量準確度高、不確定度小，均被IUPAC評為最佳測量結果，其中10種元素的原子量被采納為國際新標準值。特別是近十年來，NIM結合測量校正理論創新與技術突破，構建了同位素組成精準測量系統，具備了多類型復雜基體樣品中元素原子量的準確定值能力，在同位素及摩爾質量的國際比對中取得了理想成績，在相關計量溯源技術方面已進入了國際第一梯隊。

突破碳排放精準測量技術，保障碳數據質量

實現“雙碳”目標需要國際互認的碳數據作為支撐。為確保各國碳排放核算方法的合理性與數據的準確性，2019年，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第49次全會通過了《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南2019修訂版》，首次系統性地提出了基于測量反演溫室氣體排放量，進而驗證和修正傳統清單的方法。歐美等發達國家已在多個城市開展了基于監測的碳清單反演核算試點工程，驗證了該方法的有效性。2018年，NIM在鄭州市建立了國內首個城市尺度高時空分辨碳排放量監測反演系統和示范工程，提升了碳排放清單的有效性和準確性，支撐構建我國碳排放量計量體系，相關技術已在廣東、山東等地區應用推廣。

NIM自2012年起布局溫室氣體精準測量和量值溯源技術，結合自主研究和國際合作，于2017年建成國內唯一的大口徑煙道流量計量標準裝置，裝置實驗室流量測量范圍達到19萬m3/h，流量測量不確定度僅為4.4‰。同時，NIM創新性建立從“實驗室煙道流量計量標準裝置”到“現場煙道流量校準儀”再到“煙道CEMS”的國內首個完整煙道流量兩級量傳體系，將國內現場煙道流量測量不確定度從最初的50%以上大幅降低至5%以內，真正實現了“報告的一噸即排放的一噸”。目前，該技術已應用于100多家企業，顯著提升了碳數據質量，為保障碳交易公平提供了有力支撐。

開展真菌毒素聯合研究與知識傳播，守衛全球食品安全

真菌毒素是食品安全的重要威脅。2016年，BIPM與NIM合作啟動了“真菌毒素計量能力建設與知識傳播聯合技術項目”，旨在促進各國計量院加強真菌毒素計量基礎能力建設，通過開展針對性性培訓，提升計量技術人員在真菌毒素純度溶液標準物質、基體標準物質及能力驗證樣品制備方面的能力，從而支持各國檢測實驗室的工作。

在項目研究中，科研團隊通過比較不同溶劑中黃曲霉毒素、玉米赤霉烯酮類、展青霉素等的穩定性，探討了溶液標準物質的制備方法。利用高分辨率質譜技術評估了黃曲霉毒素B1溶液的穩定性，研究了玉米赤霉烯酮溶液中主要成分及相關雜質的光異構化與降解過程，為溶液標準物質的生產、儲存和運輸提供技術指導。采用乙腈為溶劑，重量—容量法研制出GBW10160、GBW10161、GBW10173、GBW10174、GBW（E）100674、GBW（E）100675等溶液標準物質。釆用質量平衡法和定量核磁技術對真菌毒素純度進行定值，發布了GBW10157、GBW10177、GBW10172、GBW10257等純度標準物質。此外，項目還發展了相關前處理方法和基體標準物質定值技術。

該研究為建立全球真菌毒素計量溯源體系作出了積極貢獻，由BIPM和NIM共同組織的真菌毒素標準物質研制培訓活動，有效促進了全球計量技術能力的提升，實現了跨國知識傳播。NIM發布的一系列標準物質，為檢測實驗室提供了可靠的溯源標準，有力保障了不同國家檢測實驗室結果的一致性和可比性。

開展新冠病毒計量應急研究，助力全球疫情防控

2019年底，新冠病毒（COVID-19）的突然暴發，給全世界人民的生命健康帶來了重大威脅。在新冠病毒大流行期間，NIM針對病毒的3個特征基因（ORF1ab、E和N），在國際上率先建立了基于單分子擴增的數字聚合酶鏈式反應（PCR）參考測量方法，該方法可準確檢測到2個病毒核酸分子，目前已被國際檢驗醫學溯源聯合委員會（JCTLM）收錄為國際參考測量程序，同時也是新冠病毒核酸測量當前唯一的參考測量程序。

在國際物質的量：化學和生物計量咨詢委員會（CCQM）框架下，NIM率先提出并聯合英國政府化學實驗室（LGC）、英國國家生物制品檢定所（NIBSC）和美國國家標準與技術研究院（NIST），共同主導了2項新冠病毒核酸測量比對（CCQM-P199B、CCQM-K181）。此外，NIM還聯合BIPM和加拿大國家研究委員會（NRC）共同主導了新冠病毒單抗國際比對（CCQM-P216）。這些比對工作為促進新冠病毒測量結果的全球互認和等效一致奠定了基礎。

在此基礎上，NIM共研制了18種新冠病毒核酸和蛋白國家有證標準物質，其中新冠病毒體外轉錄核糖核酸（RNA）標準物質已作為首個高等級標準物質被JCTLM收錄，用于支持全球新冠病毒核酸檢測計量溯源性的建立。截至目前，這些標準物質已被中國34個省級行政區的1000多家機構以及全球20個國家廣泛應用。

在后疫情時代，NIM持續支持中國疾控系統開展全國范圍內包括162家的新冠病毒污水定量檢測實驗室比對工作，為新冠病毒動態監測數據的準確可比提供了有力的計量保障。

致 謝

特別感謝李進源、林弋戈、吳金杰、張金濤、馮曉娟、邵海明、魯云峰、李正坤、任同祥、任歌、李秀琴、李曉敏、李先江、董蓮華、牛春艷、張永卓對本文作出的貢獻（按對應學科領域在文中的出現順序排列）。

（原載于《中國計量》雜志2025年5期 本文略有修改）