微型質譜儀的艱難探索之路

質譜法是確定樣品中所含分子的一種重要方法。但如果安保人員遇到一種未知、接觸可能會有危險的物質，那麼他們恐怕不會願意浪費時間將樣品送到實驗室並耐心等待質譜分析結果。他們更希望有一種攜帶型的質譜儀能夠帶入現場以幫助快速分析樣品。對質譜儀進行小型化研究並不是什麼新鮮事。數十年來，研究人員一直致力於將這種重要的儀器進行小型化封裝。儘管研究人員已經成功地製造了一些小型質譜儀系統並擁有對應的應用程序，但是這些產品並沒能成功接觸到更多的用戶。

普渡大學化學教授R. Graham Cooks是該領域的領導者，他認為，微型質譜儀所面臨的問題是用戶的「錯誤預期」。 如果人們期望微型質譜儀提供的數據能夠和實驗室里所用的高端質譜儀一樣，那他們會感到失望。一直致力於研究發展微型離子阱超過15年的楊百翰大學化學教授Daniel E. Austin說：「當我們在為小型化努力的時候，往往需要犧牲某些方面的性能。」與台式計算機大小接近的微型質譜儀，和實驗室里那些更大的質譜儀相比，是不會「獲勝」的，歐陽證如是說。他是清華大學的教授同時也是Purspec Technologies公司的創始人兼總裁。該公司專註於將微型質譜儀商業化。微型質譜儀相比於實驗室里一般的質譜儀，解析度會更差，檢測限制更多，檢測的質量精度也會更差。

但科學家們不一定需要一個性能超過一般規格的微型質譜儀，因為製造微型化的質譜儀是因為對快速和便攜性的需求。Austin說：「如果便攜設備可以實現現場進行分析工作，那麼就會產生新的應用場景。」「比如，當出現以下情況時：你需要快速得到答案或作出決定；樣品很容易變質；或者待檢測樣品的量很大並且寄回實驗室很麻煩。那麼微型質譜儀就是一個很不錯的選擇。」這種微型質譜儀很適合在運輸系統中檢測有毒氣體或是在現場進行環境檢測。

在小型化的質譜儀中，最常見的質量分析部件（分離和分類分子碎片的儀器組件）就是離子阱。在離子阱中，需要將各種不同電壓和頻率的電流施加到電極上以設置離子運動的電場。設備越小，捕獲離子所需的電流頻率就越高。「與其他質量分析部件相比，它們已經相當緊湊。」Austin說。小型化的一個好處是它們可以在比其他同類設備更高的壓力下運行，所以儀器對真空泵系統要求會降低。縮小了龐大的真空泵，就為整機小型化提供了條件。其他類型的質譜儀通常需要將系統內部的壓力通過真空泵降低到0.001 Pa甚至更低，以便離子可以輕鬆在內部穿行到達檢測器。這種真空狀態通常需要多級泵送來實現。相比之下，離子阱通常可以在0.1 Pa以下的壓力下運行。

美國北卡羅來納大學教堂山分校的化學教授J. Michael Ramsey是開發微型質譜儀的另一位先驅，他成功地放寬了離子阱的壓力要求。通過使用高頻率電流驅動的微米級離子阱，微型質譜儀可以在133 Pa甚至更高的壓力下運行。他稱之為高壓質譜法。「這就為我們在真空系統中節省了很多體積、重量和功率，」Ramsey說。Ramsey把自己的技術授權給了波士頓的908 Devices進行開發。該公司銷售的微型質譜儀重量約為2-4 kg（含泵和電池）。真空系統是儀器中最大的組件，如果可以減少對真空的需求，就可以產生一個更小的儀器。但是對真空的妥協會影響儀器性能。

微型質譜儀的另一個改進領域是它們的靈敏度。較小的離子阱只能保持較小的離子流，因此一次可以檢測到的質量範圍較窄，並且可能會降低靈敏度。Ramsey和908的儀器通過使用離子阱陣列克服了這些問題，離子阱陣列提高了捕獲離子的能力。Austin說，另一種方法是使用一維擴展的陷阱，如線性或環形陷阱。Ramsey和908也使用了這個技巧，拉伸了離子阱的長度。Austin還製造了微型陶瓷板上的線性離子阱。PerkinElmer公司對Austin的技術感興趣。它已經出售了一種重17 kg的手提箱大學的氣相色譜/微型質譜系統，該系統使用了一種名為Torion T-9的環形離子阱。Austin希望將PerkinElmer的系統縮小兩到四倍。他的團隊只關注質量分析部件，但PerkinElmer擁有更多工程支持，可以使系統整體變得更小。

Purspec公司的歐陽證，希望開發一個系統，讓人們更容易從樣品中獲得答案。歐陽證認為微型質譜儀可以用於個性化的精準藥物治療。許多強效藥物的治療窗口非常狹窄，並且高度依賴於人體的新陳代謝。他希望該儀器可以及時分析血液或尿液樣本，以獲取個體的葯代動力學和藥效學信息。那麼醫務人員就可以用合適的劑量開出藥方。

Ramsey和908同樣關注生命科學方面的應用。Ramsey說可以有一台專門的分析儀用於收集代謝物相關的信息。他們已經嘗試通過測量尿液中的苯丙氨酸來診斷苯丙酮尿症。Ramsey和908將微型質譜儀與基於晶元的毛細管電泳裝置以及在Ramsey實驗室開發的集成納米電噴霧發射器進行結合。該設備被稱為ZipChip，可將樣品分離並通過電噴霧進入質譜儀內。目前該設備的商業版本可以使用全尺寸質譜，並已成功與高壓質譜聯用。它可以分析從氨基酸到完整單克隆抗體的分析物。908首席技術官Christopher D. Brown說：「我們有一個積極的心態來開發一個小型系統，該系統可以將毛細管電泳晶元與微型質譜儀一起用於生命科學應用。」

在生命科學領域，也許生物學家會是潛在的用戶，因為他們對質譜不太了解，也不太想知道質譜的全部內容，但他們想得到他們正在尋找的答案。歐陽證表示，微型質譜儀需要公司努力去尋找對應的垂直市場。這個市場與傳統質譜儀不同。一般的質譜儀通常需要經驗豐富、訓練有素的人員來操作。而微型質譜儀必須保證在無專業操作人員情況下運行萬無一失。

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