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　　分析测试百科网讯 质谱仪的出现，极大地推进了分析化学学科的发展与进步。这种体积和重量庞大、性能优越的分析利器，使科学家们获得了探索未知世界的利器。

这张拍摄于1948年的照片，是一位NIST的科学家在操作古老而庞大的质谱仪

　　科学家对科学工具的需求是贪婪的、无止境的。现有的商品化质谱多集中于实验室，商品化的小型、便携质谱，往往也要较庞大的体积。在需要现场分析、捕捉物质瞬间变化的场境中，实验室质谱或现有的便携质谱往往无法满足要求。况且，随着民用需求的展开，质谱仪这种需要长时间专业训练方可操作的复杂仪器，很难适应基层没有多少专业培训的使用者。

　　随着分析化学研究的发展，更多的研究者把目光集中在了现场分析中。

　　哈佛大学自然科学教授Peter Girguis就是一位有着这样需求的学者。作为微生物生理学家，他的研究兴趣集中于深海生物与地球化学的关系。

　　质谱在理论上可以解决他的问题，研究人员可以分开仅仅通过单一化学修饰而不同的蛋白质和肽；他们可以扫描复杂的生物流体和家中的少数分子，使他们不同；他们可以一次询问数百种化合物的样品。

　　对他而言，绝大多数微生物不能在实验室培养，使其难以进行标准分析。 Girguis试图通过研究这些微生物对海底化学成分的影响来了解这些微生物的作用，并将这些数据与基因表达分析相关联，以确定哪些微生物在做什么。

　　这就需要能够在微生物生存环境中进行现场分析的质谱。普渡大学教授R. Graham Cooks是微型化质谱仪研究的领先者之一，但他的成果几乎总是仅供实验室使用。

　　“台式质谱重数百磅。它们昂贵且耗电，与气体管线和强大的真空吸烟相结合，通常需要前端分离系统。在分析方面，它们产生了令人难以置信的详细谱图，采用专门的软件进行破译。所有这些都使得很难将技术带入可能从中受益的人，比如病床边的医生，面对火灾的的消防员，甚至仓库的食品安全检查员。”Cooks说。

　　1.5万美元的自搭建质谱

　　德克萨斯韦伯斯特第一检测公司总裁兼首席技术官David Rafferty说：“以前，只有大型机构和大型的大学和公司才有电脑，但现在随着个人电脑的到来，这个计算机可以提供给大众。”Rafferty说，“我们想让大型仪器做同样的事情。”

　　来自航空航天工程专业人员的第一检测机构将其MMS-1000用于工业应用，如质量控制和食品安全测试，以及最终的国土安全。相比之下，908设备公司的业务开发和营销副总裁Chris Petty表示，其3.75磅“高压质谱仪”是对安全和安全市场的首要响应者，而位于英国萨里的Microsaic Systems公司，使用4000 MiD以有机化学的药物发现为目标。

　　Girguis的需求要更加独特。他的研究要求量化海底的溶解气体，如甲烷，氢气和氧气。当然，这样做可以通过在船上安装台式质谱仪，深度收集样品，并在甲板上进行分析。但是，水深1公里的水样可以比海面的水样容纳更多的气体，这是压力和温度差异造成的。“甲烷在一个大气中的溶解度为5℃约为2毫摩尔，甲烷在海底的溶解度要高得多。” Girguis说。

　　Girguis决定自己构建一台能满足他需求的小型质谱仪。

　　Girguis在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的高分子质谱研究生获得了他的第一次经验，当时他对热液喷口及其共生体的动物感兴趣。他在压力容器上研究了那些。后来，作为博士后，他想调查微生物对海洋甲烷和氢的含量的影响，但意识到他需要一种特殊的仪器。然而，如何使质量规格足够小，足够强大到足以在水下操作？

　　为了搭建这台质谱仪，他曾与一名Stanford Research Systems公司的机械工程师合作，开发四极杆质谱仪。他们把Pfeiffer HiPace80涡轮泵和一个定制的气体提取器包装在一个25×90厘米的圆柱体中。“结果做出了‘原位质谱仪’（ISMS），重25公斤，类似于一个钛包围的潜水坦克。” Girguis说。

　　Girguis说，提取器是关键要素，那是10微米厚的特氟隆膜，其背面采用金属玻璃材料，以在高真空下提供结构支撑，该组分在高达450个大气压的压力下使取样的水脱气。所得蒸气拉入仪器中，通过电子离子化和质量分析进行离子化，就像一台没有连接气相色谱仪的GC-MS。

　　ISMS访问了一些令人羡慕的地方。曾经在远程操作的车辆或载人潜水器（如伍兹霍尔海洋研究所的阿尔文）上参观了墨西哥湾、华盛顿州和亚速尔群岛（北大西洋中部大西洋脊）和南太平洋的热液喷口。“我们经历了100多次潜水。”Girguis说。

　　Girguis使用ISMS产生了他的海底不同深度的深积物“地热化学地图”，收集了数百个数据点。在一项研究中，他惊奇地发现，有魅力的深海热液喷口（有时称为黑色吸烟者）通常实际上比在海底附近的“扩散流”抽出更少的气体。“这只是告诉你，你的眼睛可以欺骗你。”他说。

　　Girguis在他的网站上发布了ISMS的详细计划和零件清单，任何人都可以建立一个。总成本约为15,000美元。但包裹它又是另一回事。一个简单的聚氯乙烯外壳，可以进行相对较浅的潜水（50米左右）可能花费1000美元，如果想要潜入4000米，成本可能再上升2万美元。

　　微型质质谱拥有更多广泛的应用潜力。Rafferty说，一家博物馆找到他们，想要检测防腐剂溶液的泄漏，以保护一个被防腐的巨型鱿鱼。北德克萨斯大学副教授Guido Verbeck在实验室中对大型仪器进行了微型化设计，期望在国土安全和军队方面得到应用，例如工业火灾的分析，“它能报告是什么在燃烧。但是这样的现场会损坏仪器，所以你必须做一些便宜，小巧，便携，没有移动部件的设备。” Guido Verbeck说。

　　Cooks：8.5公斤的Mini-11

　　Cooks则盯上了手术台。与波士顿布里格姆妇女医院的同事Nathalie Agar一起，他已经证明了使用质谱仪产生的脂质谱来分级脑肿瘤的可行性。但是该实验涉及相对简单的台式仪器。Cooks说，布鲁克和赛默飞的离子阱装备有Prosolia解吸电喷雾离子化（DESI）源。合理的下一步是将离子阱的体积和成本都“缩小”，这将使得手术室真正接受它。

　　Cooks说，事实证明，缩小质谱仪的最大挑战之一就是真空。质谱在真空中起作用以消除背景信号并避免分子间碰撞事件。但真空系统大而重，这些参数随压力差而变化。根据公司代表的说法，Thermo Fisher Orbitrap需要三个涡轮泵，采用LC-MS模式拉动900 L /秒，实现10-10乇以下的真空。

　　飞行时间（TOF）质谱仪也需要高真空度。因此，大多数迷你质谱仪由即离子阱和四极杆构建，尽管至少有两名研究人员成功地使包括Verbeck在内的TOF小型化。Verbeck使用微机电系统或MEMS技术制造了基于反射镜的小型TOF，它们采用硼掺杂的硅晶片，然后组装成老式的标签和槽纸模型。分析仪只需2x 5厘米，通过长时间移动离子来延长离子的有效路径长度。

　　Cooks与他在普渡大学的同事欧阳正建立了使用线性离子阱（或四极杆）的微型质谱仪，操作在约10-3托真空下。

　　为了产生真空，他和欧阳正获得了他们可以找到的最小的商用涡轮泵，大约10升/秒。 “你必须有一种使用小型真空泵的方法。” Cooks说， “这是最难的部分，大部分人都拌倒了。”

　　这样的泵太小，不能允许连续的样品引入，所以团队建立了一个称为DAPI（不连续的大气压力引入）的不连续的样品入口系统，它从系统的离子源（在这种情况下是离子源）中取离子，就是一个DESI棒在夹紧阀的一侧，其周期性地打开以将它们引入质量分析器。

　　Cooks表示，其结果是完全独立的设备，Mini-11重量只有8.5公斤，还包含一个真空泵，一个涡轮泵和背衬泵，电离系统，电池，电子和通讯，在单个便携式设备中。另外还有背包式，重25公斤的Mini-12。库克斯暗示，一个甚至更小的设备，可能由iPhone控制，正在为家庭诊断工作。

　　尽管它们的体积小巧，但这些设备的功能非常强大。 Mini-11和12 m / z高达600，使其可用于研究代谢物、脂质和其他小分子。

　　小型化之外的麻烦

　　除了真空，批量生产也是个麻烦。例如，离子阱的中心电极传统上是弧形的，铝罐被夹在中间。随着其变小，形状变得越来越难以精确地制造，产生可能对离子运动产生负面影响的缺陷。

　　通过将传统的“双曲线”设计交换为更容易制造的圆柱形装置  -基本上是钻孔到电极中的平滑孔，第一检测来规避这个问题。Rafferty说：“您可以更轻松地使其更小，而无需遵循精确的曲线。

　　Torion Technologies研发总监Stephen Lammert说，另一个问题是，随着陷阱变小，挤压相同数量的离子变得越来越困难。“小型化质谱仪，特别是离子阱的巨大挑战是：如何使陷阱更小而不会损失离子容量。”

　　Torion的解决方案体现在其Tridion-9质谱仪中，是环形离子阱，其将传统捕集阱的捕获特性转移到可以容纳多达400倍离子的环形体积。“我们仪器中的环形离子阱是传统实验室离子阱的半径的五分之一，但由于扩展的几何存储形状，它仍然具有常规陷阱的离子容量。”

　　对于Verbeck来说，制作较小质量规格的主要挑战是电气化。他的团队不得不重新设计电气系统，在导电垫之间建立更清洁的通道。

　　质谱装置小型化的最大问题也许是性能与使用的平衡。例如，离子捕集阱是小型化的有吸引力的候选者，不仅因为它们非常简单，而且还因为它们具有内置的串联质谱分析能力，从而能够进行复杂的结构分析。但是用于士兵、消防员和医生的质谱仪必须足够简单，才能被这些人群使用。

　　这样的系统必须足够高效地运行在电池上，并且足够容易让大批新人上手。

　　虽然把一台廉价的质谱仪安装在通风柜内，对任何有机化学家的工具箱来说都是一个值得欢迎的补充，比如Microsaic Systems至少打算将其4000 MiD用于这个目的，但小型质谱最令人期待的应用肯定在实验室之外。

　　“我们甚至不想将它称为质谱仪。”Rafferty说到了MMS-1000。 “我们更喜欢将其称为传感器或化学检测器。”