IVD行业研究：小型化的质谱仪器

目录

一、 质谱法概述

    1.1 质谱法定义

    1.2 质谱仪的结构与各部分工作原理

二、小型化质谱仪器热点技术

    2.1 离子迁移谱

    2.2离子阱

    2.3三重四级杆

三、小型化的质谱仪器临床应用

     3.1阿尔兹海默病检测

     3.2急诊毒物检测

     3.3呼气检测

四、质谱仪器市场规模

     4.1国际市场

     4.2国内市场

五、便携式质谱领域竞品分析

     5.1国内企业

     5. 2国外企业

六、结语

1.1质谱法定义

质谱法是一种在高真空系统中对样品离子进行分离测定的方法，核心依据是离子的质荷比（m/z），具体方法为用具有一定能量的电子束或快速原子轰击气化后的样品分子，使气态分子失去电子成为带正电的分子离子，分子离子还可进一步断裂形成碎片离子，然后对所有的正离子进行质荷比测算，将质荷比从小到大依次排列后得到该样品的质谱图，并最终与数据库中标准物质的质谱图分析对比后判断原样品分子的化学组成。质谱法主要作用有两方面：一根据峰强度是测定样品物质的分子量；二是根据峰位置实现样品物质的结构分析。

相比于常用于有机化合物结构分析的核磁共振波谱、红外光谱和紫外-可见光谱，质谱分析法是唯一一个可以确定分子式的方法，其检出限最低可达10-14g，且可以根据 已知化合物分子断裂规律有效推断未知分子的结构信息。

图 质谱图中峰越高反映对应元素含量越多

1.2质谱仪的结构与各部分工作原理

用来检测待测物质的质谱，并进行相对分子质量、分子式、结构分析的仪器称为质谱仪。质谱仪主要由五个部分组成，分别为进样系统（Inlet）、离子源（Ionsource）、质量分析器（Mass Analyzer）、检测器（Detector）以及数据处理系统（Data System），其中离子源、质量分析器、检测器三者为高真空系统（High Vacuum System）。质谱仪采用高真空系统能防止空气中大量氧损坏离子源的灯丝、防止几千伏加速电场意外放电、防止空气中的分子产生额外的裂变反应导至谱图出现干扰。

图 质谱仪由进样系统、离子源、质量分析器、检测器和数据处理系统组成

1）进样系统

进样系统目的为将待测物质送进离子源，根据进样方式不同可分为直接进样与间接进样。直接进样为操作者通过直接进样杆进样或通过注射器经毛细管注入；间接进样常见于装置联用，样本首先经气相色谱或液相色谱等处理后进入到质谱的离子源内。此外随着技术进步，仪器支座可通过气缸控制进样针做定距的移动后准确扎入试管中，实现自动进样。

图 直接进样与间接进样示意

  2）离子源

离子源的目的为将样品分子电离，通过离子光学系统将样品离子汇聚成为具有一定能量的离子束，等待进入质量分析器后被分离。根据样品电离方式的不同，离子源可分为：常见于气相色谱-质谱联用的电子轰击离子源（EI）和化学电离源（CI）、常见于液相谱-质谱联用的电喷雾源（ESI）、大气压化学电离源（APCI）和激光解析电离源（LD）、常见于磁式双聚焦质谱仪的快原子轰击源（FAB）。

3）质量分析器

质量分析器是质谱仪的核心，目的为将离子源生成的样品离子根据质荷比m/z大小进行分离。根据分离原理的不同，质量分析器可分为单聚焦质量分析器、双聚焦质量分析器 、四极杆质量分析器 、离子阱质量分析器、傅立叶变换离子回旋共振以及飞行时间质量分析器等。

图 离子阱质量分析器

4）检测器

检测器目的为检测和记录粒子流的强度，多数质谱仪的离子检测系统中会配备不同的离子信号检测器以适应不同的离子强度，目前常用的检测器主要包括法拉第杯检测器与电子倍增器。前者适合在离子信号强度高时使用，它可以直接收集离子的电荷，但由于二次电子逸出的抑制，其线性动态范围大，灵敏度不高；后者适合在离子信号强度低时使用，它是一个能高倍放大微弱离子信号的检测器件，通过对电子打拿极的反复轰击产生大量二次电子，最后以电子接收器输出所有经放大后的电子信号，反复轰击将使得检测器随着使用时间增长所产生的增益逐渐减小，增益下降显著后需要更换。

图 法拉第杯检测器结构示意

图 电子倍增器可分为分离打拿极式与通道式

5）数据处理系统

目前计算机数据处理均为程序化计算过程，主要包括对扫描质谱数据的处理与对离子流累计测量数据的处理。前者实质是峰数据与既有模型匹配的过程，当联系数据均大于设定阈值时可判别为峰数据，其余数据则认为时本底，此外也可采用峰高法、峰面积法对扫描峰离子强度进行计算；后者则将需要采集的质量峰进行扫描，获得多组扫描数据数据后取平均值得到离子流积累数据。

2.1离子迁移谱

2.1.1离子迁移谱技术原理

总体而言，离子迁移谱的技术原理主要包括电离、分离、检测三个过程。其中，电离过程主要发生在迁移管的电离区，分离过程则发生在迁移管的迁移区，两个区域间以离子门分隔，检测过程主要在探测器中进行。在电离过程中，经加热气化后的被测样品与载气一同进入电离区，二者在离子源的作用下发生一系列的电离反应和离子－分子反应，形成各种产物离子；在分离过程中，经电离生产的产物离子在电场作用下通过周期性开启的离子门进入迁移区作定向漂移，同时与逆向流动的中性迁移气体分子碰撞损失能量，影响迁移速率；在分析过程中，由于产物离子质量, 所带电荷, 碰撞截面和空间构型各不相同导至最终迁移速率不同，探测器根据离子到达时间的差异得到分析结果。近年来离子迁移谱技术分辨率不断提高，超高分辨离子迁移谱技术得到长足发展。

图 离子迁移谱工作原理示意

2.1.2离子迁移谱发展简史

离子迁移谱（IMS）从20世纪60年代研发完成至今已经过四个发展阶段，分别为色谱阶段、质谱阶段、色谱检测器阶段和联用质谱阶段。

1）离子迁移谱替代色谱阶段（20世纪60年代）

离子迁移谱在历史上是以分离技术的身份首次出现，出现时被称为等离子色谱，分离效率与气相色谱相媲美，兼具性价比高、分析速度快的优势，主要被应用于气体测量领域。但随着同时期色谱技术进步，色谱技术分辨率大幅提高，离子迁移谱在分离应用方面逐渐落后。

2）离子迁移谱替代质谱阶段（20世纪70年代）

相比于传统的质谱，离子迁移谱不需要昂贵的真空系统便可根据质量数和分子大小的关系估算被测物的质量数，所以离子迁移谱也被视作为一种无需真空、低成本的质谱，在一定程度上取代了质谱的低端市场。

3）离子迁移谱作为色谱检测器阶段（20世纪80年代）

由于具有便携、牢固和适用现场检测等特点，离子迁移谱开始作为色谱仪的检测器使用，应用范围逐步扩展到军工、化学武器的检测等领域。

4）离子迁移谱联用质谱阶段（20世纪90年代）

鉴于离子迁移谱的分离特性，现有质谱仪可以将离子分离谱加在前端，增加一种维度的分离，串联形成离子迁移质谱系统，有助于分离复杂物质，对样品分子异构体进行分离鉴定，提高分辨率和选择性。

联用阶段发展主要体现在离子淌度结构的改进：首先是传统离子迁移谱向行波离子迁移谱(T-Wave)转变，相比之下T-Wave工作气压更低；之后离子迁移谱在 T-wave的基础上逐步向环形淌度转变，以环形结构延长漂移区有效长度，增强分离效果与离子存储能力；对强电场下离子淌度的关注促使差分离子淌度 (FAIMS)的出现，FAIMS采用平板电极而非采用以往的同心圆筒结构，占用体积小，允许离子迁移谱向小型化、便携化发展。

2.1.3离子迁移谱技术优势

离子迁移谱是大气压下的质谱，相比于质谱，技术优势主要体现在以下方面：

1）体积小

离子迁移谱必须要通逆流的气体并控制气体的温度和流速，不需要营造真空环境，所以相比质谱仪装置成本更低、占据空间更小。

2）灵敏度高

质谱一般是微克(ug)量级，而离子迁移谱不通过任何富集手段就可以达到皮克(pg)量级，近年来由于新探测器技术的出现，离子迁移谱的检出限现已能达到(fg)量级，未来仍有发展空间。

3）结构区分性高

离子迁移谱的产物离子与逆向流动的中性迁移气体分子碰撞损失能量，由于所带不同离子电荷, 碰撞截面和空间构型各不相同，最终离子迁移速率不同。相比于质谱，离子迁移谱的碰撞与迁移过程允许该技术对同分异构体进行判别，结构区分性高。

4）减小基质效应

基质指的是样品中被分析物以外的组分，溶液的离子强度会对分析物活度系数有影响，这些影响和干扰被称为基质效应，离子迁移谱能减小基质效应。

5）处理时间短

2.1.4离子迁移谱难点及发展方向

传统的离子迁移谱分析基于气相分子、离子在迁移管中的迁移反应，这一性能特点决定改技术具有以下痛点：一是离子利用效率不够高，电离生成的产物离子在电场作用下周期性通过离子门进入迁移区，若产物离子未能在离子门开启期间进入迁移区，则会受到离子门的阻挡导至产物离子发生中和而被消耗，离子利用率低，导至物质检测限抬高；二是分辨率不足，产物离子沿半径方向的扩散作用导至的速度差距将会使原本不同速度的产物离子在某一极短的时间段内共同抵达检测器，导至不同产物离子难以区分；三是仪器检验谱较为狭窄，虽然离子迁移谱仪具有响应速度快、便携性等优点，但由于目前仅支持气相物质分析，检测范围仍局限于炸药探测、化学战剂预警。四是在不使用真空泵的条件下保证常压分离效率，即解除传统质谱对于真空泵的依赖；五是联用质谱仪后连接效率有待提高，才能使离子迁移谱分离出来的离子都能被检测到。

基于上述难点研究，未来潜在发展方向如下：

1）更高的离子利用效率

目前离子迁移谱常采用的离子门开放周期每20 ms周期内开启200μs的离子门，用以向离子迁移管中注入离子，这种工作模式的离子利用效率仅为1%。2015年中科院大连化物所陈创、李海洋等人通过在离子源和离子门之间的电极上施加一个与离子门开门脉冲同步的高压脉冲，使电离区的电场强度在离子门开启的时间间隔内快速提高10到20倍，驱动其间的离子全部进入到离子迁移管中，结果显示离子的利用效率提高到20%左右，灵敏度约提高25倍。

2）更高的分辨率

分辨率和灵敏度常相互制约。以下图为例，当分辨率较高时，即两峰区别较大时对应峰面积较大，灵敏度较低；而当分辨率较低时，即两峰区别较小时对应峰面积较小，灵敏度较高。因此，如何在保证灵敏度的情况下如何增强分辨率是离子迁移谱技术的研发难点。近年来中科院合肥物质研究院的储焰南等人通过将Hadamard变换技术和正向/反向IMS技术相结合，发展出正-反双向Hadamard变换离子迁移谱技术，该技术通过哈达玛变换正常离子迁移谱减去哈达玛变换反向离子迁移谱得到差值离子迁移谱，实现消除假离子峰的同时增强真实离子峰信号，最终在保持原有灵敏度基础上，检测四氯化碳和三氯甲烷时分辨率分别提高了65%和44%，远胜于传统离子迁移谱。

图 分辨率与灵敏度示意图

3）更宽的检测谱

传统离子迁移谱是基于物质气相状态进行的检测，需采用电子轰击或化学电离等常规技术对分析物进行加热气化操作，这在难挥发性物质检测方面具有一定的局限性。但是，将离子迁移谱与电喷雾电离源联用可以解决这个问题：电喷雾电离源采用的是软电离技术可以直接对溶液样品进行分析，这为难挥发性物质与热不稳定物质的快速检测提供新的思路。

2.2离子阱 

2.2.1离子阱技术原理

离子阱质谱仪包括用于产生离子的离子源、用于收集并根据质量顺序释放的质量检测器离子阱、用于检测离子获取数据的检测器、维持真空环境的真空泵与电子控制系统。离子阱进行质谱分析的基本工作原理为通过电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子的运动，将带电粒子局限在某个小范围内，随后逐步扩大频射工作电压最低值使得质荷比由小到大的离子逐步从预留的圆孔或窄缝中射出到达检测器，最终得到相应的质谱分析图。