第一期 ：质谱微型化

近期清华大学精密仪器国家重点实验室欧阳证教授在美国分析化学会（Analytical Chemistry）特刊上发表综述，对质谱小型化近期发展进行了系统化概述以及对其未来应用方向进行了新的展望。这一特稿是作为AC“2025年分析化学基础和应用综述”专辑的一部分发表的。全文分别从5个方面阐述和讨论了微型质谱仪：1-发展过程，2-仪器微型化，3-设备特点，4-应用领域，5-未来方向。

从本期开始，我们将分三期来完整介绍该综述，使得读者能够清晰的了解和认知到微型质谱的特色及其重要性，并考虑将其运用到实际工作中。

第一期主要内容是概述微型质谱的发展历程。

概述：质谱小型化的三个阶段

尽管此前已有小型质谱系统被开发并应用于地外探索或空气质量监测等领域，但质谱仪小型化的系统性研究主要始于20世纪90年代末，并在过去20年间经历了3个重要发展阶段，取得了一系列突破性成果。

图 1. 微型质谱发展过程中出现的重要问题和解决问题的相关答案

第一阶段：各类型质量分析器的小型化

研究的重点是各种类型的质量分析器的小型化，这被认为对整个系统的小型化有直接或间接的影响。对于飞行时间（TOF）或傅里叶变换离子回旋共振（FT-ICR）质量分析器的仪器，将米长级的质量分析器替换为厘米级设备，或者大幅缩小磁铁等较重部件以降低仪器整体重量是一种有效方法。对于采用射频（RF）操作的四极杆质量过滤器和离子阱，与整个仪器相比，这些质量分析器的原始尺寸并不大。因此，质量分析器本身并非整个系统尺寸或重量的主要贡献者。

继续追求质量过滤器和离子阱小型化的理由是，使用更低的射频电压来覆盖更宽的质荷比范围，并可能在更高的压力下进行质量分析。对于前者，已证明将尺寸缩小一半是有效的，但对进一步小型化作用不大；而对于后者，较小的离子阱仍然需要毫托的工作压力才能提供足够的性能。

人们尝试利用微加工方法生产微米级的离子阱质量分析仪。在此阶段，人们在多物理场方面投入了大量精力进行模拟来指导尺寸更小、几何形状更简单的质量分析器的性能优化。

第二阶段：第一台微型质谱仪的诞生

最初的研究重点是开发小型集成质谱仪，2006年开发的首台自持式手持式质谱仪Mini 10是一个重要的里程碑。在此阶段，由于质谱仪真空系统的新颖设计，仪器小型化取得了突破，而真空系统实际上是仪器重量和功耗的主要原因。结果表明，配备2.5千克、10升/秒的涡轮泵和500克、5升/分钟的隔膜泵的小型真空泵系统可以充分满足微型质谱仪的性能要求，尤其是在使用离子阱或四极杆质量过滤器作为质量分析器，并且仅分析挥发性样品时。

但是，如果大气压电离方法（如电喷雾电离ESI）不能与微型质谱仪结合用于分析凝聚相样品，则效果并不理想。这要求微型质谱仪配备大气压接口（API）。实验室规模仪器的API通常需要多级真空系统和相当强大的抽气能力。为了应对这一挑战，人们取得了重大进展，到2008年人们证明大气压离子源可以与带有小型真空系统的质谱仪耦合，该系统由一台3升/秒的涡轮泵和一台5升/分钟的隔膜泵组成。

随着微型仪器的质谱分析能力逐渐接近大型质谱仪，在使用纯样品进行灵敏度评估方面，研究人员在微型质谱仪投入实际应用之前，还必须解决另一个严峻问题：无法将一滴血液或一片蔬菜直接放入质谱仪进行分析。开发便携式质谱系统的目的是让新手用户能够在传统分析实验室之外使用它们，但这也带来了质谱分析前样品的处理问题。原位电离技术的概念出现于2004年，提倡以最少的样品前处理来进行直接分析。它发展迅速，并与质谱仪器的小型化同步，吸引了大量关注。两者的结合为当前微型质谱分析系统的发展奠定了重要基础。

第三阶段：微型质谱仪的商业化

质谱仪和集成系统的开发仍在继续，然而，我们面临着另一个重要问题：微型质谱系统能否被广泛应用？这将最终决定一项始于近30年前的努力的命运，这项努力旨在让分析实验室以外的人们也能广泛使用一种强大的分析工具。从实验室到手持的转变，很像计算机的演进。与超级计算机一样，大型质谱仪性能卓越、功能多样，但需要由实验室专家在严格控制的条件下精心维护和操作。图形化用户界面，加上尺寸缩小到台式机和笔记本电脑的大小，使得不懂编程的人也能广泛使用计算机。真正让计算机像手机一样进入千家万户的，不仅是因为尺寸的显著缩小，还因为预先编程并可下载的专用应用程序，方便使用。

从小型分析仪到微型分析系统的演变

经过20多年的研发，已经开发出许多便携式MS系统，包括研究原型和商业产品。

表格：目前商业化的微型质谱仪（部分）

值得注意的是，系统性的相关工作最初由普渡大学的Cooks和他的同事开展，后来由清华大学继续合作。该研究团队早期成功实现了离子阱质量分析器的微型化，其最小尺寸达到微米量级。开发的集成系统包括第一台手持式质谱仪Mini 10，可以依靠电池自持；后续开发出质谱仪Mini 11，带有大气压接口，重量约为5公斤，也是第一个可以采用擦取采样电离探针的便携式系统；同时还开发出质谱仪Mini 12，采用原位电离模式，这是第一款应用于医疗方面的桌面微型质谱系统；其他还有基于一些原型开发了新的商业化产品，如最近的Mini β和Cell系统，这些系统目前已成功应用于神经胶质瘤IDH突变术中检测及治疗药物定量监测等临床场景。

目前的研究原型和商业产品可分为两大类，基于根据分析物的挥发性，对应传统分析实验室的GC-MS和LC-MS。有趣的是，选择质谱仪的考虑因素发生了巨大变化，最初对所有类型的探索都转变为几乎只选择离子阱或四极杆过滤器。微型质谱仪系统仪器设计的这种趋同主要有两个原因。首先，离子阱和四极杆过滤器可以在毫托压力范围内工作，这比其他类型的质谱仪高出两到三个数量级。这样，在使用微型泵系统时，性能（包括分辨率和灵敏度）的妥协最小。第二个原因是可以保持对化合物鉴定分析的高可信度，这是MS分析的一大特征优势。

离子阱可以使用单个设备进行多级串联质谱（MS/MS）分析，无需增加仪器尺寸或电子络合成本。MS/MS分析不仅可以根据特征碎片模式区分异构体分析物，还可以显著提高复杂基质样品分析的灵敏度。

然而，如果使用四极杆质量过滤器的微型MS系统不与GC或LC结合使用，则在实际应用中会遇到严重问题。微型GC-MS系统的应用领域可参照实验室规模系统的应用场景进行类推。然而，针对凝聚相样品分析的微型系统未来发展可能有更大的想象空间。复杂化学或生物样品的快速分析面临着巨大的挑战，主要是由于基质效应的影响，这与电离和质谱分析过程中混合物中各组分之间的竞争有关。实验室解决方案涉及劳动密集型的样品预处理和液相色谱分离，但这对于现场使用微型质谱系统来说肯定是不可行的。

为了应对这些挑战，开发了各种原位电离方法和极其简化的样品处理流程来取代实验室程序。这种方法已被证明是有效的，一些样品盒已经开发用于直接分析生物流体和组织样本。

图 2. （a）新技术使得微型质谱可以分析复杂的样品；（b）采用试剂盒技术处理样品；（c）微型质谱系统。

现在，生物样本中药物化合物的分析程序非常简单，仅包括将微升样品沉积到含有纸质基质的盒中，添加几滴甲醇或乙腈，然后将其插入质谱仪中，在质谱仪中施加高电压以诱导电离。显然，这种方法可能无法通过使用一个普遍适用于分析所有可能的生物标志物的单个盒来应用，并且可能需要针对每种类型的样品分析进行单独优化。可以预见产品商业化的未来方向是拥有通用的MS仪器，但有各种样品试剂盒来涵盖过去由实验室中的单一LC-MS系统处理的应用。

这与计算机技术以智能手机或平板电脑的形式进入消费产品市场时的情况非常相似，专用应用程序已预先开发完毕，方便最终用户操作。同样值得注意的是，一次性样品盒（作为耗材）的出现，使得质谱分析的商业化模式有可能实现转型，因为利润不再仅仅来自质谱仪的销售。这将是对于微型MS系统进入临床应用等市场具有重要的现实意义。

关键词中英文对照

质谱：mass spectrometry (MS)

大气压电离：atmospheric pressure ionization (API)

非连续大气压电离：discontinuous API (DAPI)

原位电离：ambient ionization

串联质谱：tandem mass spectrometry (MS/MS)

离子阱：ion trap

线性离子阱：linear ion traps (LITs)

即时检测：point-of-care (POC)

在第二期内容中，我们将介绍微型质谱的结构及其特点，敬请期待~

来源：清谱科技