微型质谱仪的艰难探索之路

风云

质谱法是确定样品中所含分子的一种重要方法。但如果安保人员遇到一种未知、接触可能会有危险的物质，那么他们恐怕不会愿意浪费时间将样品送到实验室并耐心等待质谱分析结果。他们更希望有一种便携式的质谱仪能够带入现场以帮助快速分析样品。对质谱仪进行小型化研究并不是什么新鲜事。数十年来，研究人员一直致力于将这种重要的仪器进行小型化封装。尽管研究人员已经成功地制造了一些小型质谱仪系统并拥有对应的应用程序，但是这些产品并没能成功接触到更多的用户。
      普渡大学化学教授R. Graham Cooks是该领域的领导者，他认为，微型质谱仪所面临的问题是用户的“错误预期”。 如果人们期望微型质谱仪提供的数据能够和实验室里所用的高端质谱仪一样，那他们会感到失望。一直致力于研究发展微型离子阱超过15年的杨百翰大学化学教授Daniel E. Austin说：“当我们在为小型化努力的时候，往往需要牺牲某些方面的性能。”与台式计算机大小接近的微型质谱仪，和实验室里那些更大的质谱仪相比，是不会“获胜”的，欧阳证如是说。他是清华大学的教授同时也是Purspec Technologies公司的创始人兼总裁。该公司专注于将微型质谱仪商业化。微型质谱仪相比于实验室里一般的质谱仪，分辨率会更差，检测限制更多，检测的质量精度也会更差。
      但科学家们不一定需要一个性能超过一般规格的微型质谱仪，因为制造微型化的质谱仪是因为对快速和便携性的需求。Austin说：“如果便携设备可以实现现场进行分析工作，那么就会产生新的应用场景。”“比如，当出现以下情况时：你需要快速得到答案或作出决定；样品很容易变质；或者待检测样品的量很大并且寄回实验室很麻烦。那么微型质谱仪就是一个很不错的选择。”这种微型质谱仪很适合在运输系统中检测有毒气体或是在现场进行环境检测。
       在小型化的质谱仪中，最常见的质量分析部件（分离和分类分子碎片的仪器组件）就是离子阱。在离子阱中，需要将各种不同电压和频率的电流施加到电极上以设置离子运动的电场。设备越小，捕获离子所需的电流频率就越高。“与其他质量分析部件相比，它们已经相当紧凑。”Austin说。小型化的一个好处是它们可以在比其他同类设备更高的压力下运行，所以仪器对真空泵系统要求会降低。缩小了庞大的真空泵，就为整机小型化提供了条件。其他类型的质谱仪通常需要将系统内部的压力通过真空泵降低到0.001 Pa甚至更低，以便离子可以轻松在内部穿行到达检测器。这种真空状态通常需要多级泵送来实现。相比之下，离子阱通常可以在0.1 Pa以下的压力下运行。
       美国北卡罗来纳大学教堂山分校的化学教授J. Michael Ramsey是开发微型质谱仪的另一位先驱，他成功地放宽了离子阱的压力要求。通过使用高频率电流驱动的微米级离子阱，微型质谱仪可以在133 Pa甚至更高的压力下运行。他称之为高压质谱法。“这就为我们在真空系统中节省了很多体积、重量和功率，”Ramsey说。Ramsey把自己的技术授权给了波士顿的908 Devices进行开发。该公司销售的微型质谱仪重量约为2-4 kg（含泵和电池）。真空系统是仪器中最大的组件，如果可以减少对真空的需求，就可以产生一个更小的仪器。但是对真空的妥协会影响仪器性能。
       微型质谱仪的另一个改进领域是它们的灵敏度。较小的离子阱只能保持较小的离子流，因此一次可以检测到的质量范围较窄，并且可能会降低灵敏度。Ramsey和908的仪器通过使用离子阱阵列克服了这些问题，离子阱阵列提高了捕获离子的能力。Austin说，另一种方法是使用一维扩展的陷阱，如线性或环形陷阱。Ramsey和908也使用了这个技巧，拉伸了离子阱的长度。Austin还制造了微型陶瓷板上的线性离子阱。PerkinElmer公司对Austin的技术感兴趣。它已经出售了一种重17 kg的手提箱大学的气相色谱/微型质谱系统，该系统使用了一种名为Torion T-9的环形离子阱。Austin希望将PerkinElmer的系统缩小两到四倍。他的团队只关注质量分析部件，但PerkinElmer拥有更多工程支持，可以使系统整体变得更小。
       Purspec公司的欧阳证，希望开发一个系统，让人们更容易从样品中获得答案。欧阳证认为微型质谱仪可以用于个性化的精准药物治疗。许多强效药物的治疗窗口非常狭窄，并且高度依赖于人体的新陈代谢。他希望该仪器可以及时分析血液或尿液样本，以获取个体的药代动力学和药效学信息。那么医务人员就可以用合适的剂量开出药方。
       Ramsey和908同样关注生命科学方面的应用。Ramsey说可以有一台专门的分析仪用于收集代谢物相关的信息。他们已经尝试通过测量尿液中的苯丙氨酸来诊断苯丙酮尿症。Ramsey和908将微型质谱仪与基于芯片的毛细管电泳装置以及在Ramsey实验室开发的集成纳米电喷雾发射器进行结合。该设备被称为ZipChip，可将样品分离并通过电喷雾进入质谱仪内。目前该设备的商业版本可以使用全尺寸质谱，并已成功与高压质谱联用。它可以分析从氨基酸到完整单克隆抗体的分析物。908首席技术官Christopher D. Brown说：“我们有一个积极的心态来开发一个小型系统，该系统可以将毛细管电泳芯片与微型质谱仪一起用于生命科学应用。”
       在生命科学领域，也许生物学家会是潜在的用户，因为他们对质谱不太了解，也不太想知道质谱的全部内容，但他们想得到他们正在寻找的答案。欧阳证表示，微型质谱仪需要公司努力去寻找对应的垂直市场。这个市场与传统质谱仪不同。一般的质谱仪通常需要经验丰富、训练有素的人员来操作。而微型质谱仪必须保证在无专业操作人员情况下运行万无一失。

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