第二期：微型质谱的特点｜AC综述特刊微型质谱仪发展和未来展望

第二期 ：微型质谱的特点

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。

在上一期我们主要介绍了小型质谱的发展历程，那在这第二期当中我们将会重点从仪器构造，分析技术以及样品离子化等几方面来讨论微型质谱的特点，让读者了解到微型质谱与传统大型质谱相比较有什么样的不同。

在微型质谱系统的开发史上，颠覆性的理念催生了当前仪器和分析程序的设计：

1. 放弃专用样品前处理，转而采用原位电离为基础的，一次性试剂盒进样模式；

2. 允许质谱仪内部的真空压力波动，并通过不连续的大气压接口实现高效的离子转移。

微型质谱特点：小巧，灵便，但功能齐全

现有微型质谱仪系统以突破实验室条件限制为目标，在保持足够分析性能的同时，实现了设备小型化和操作便捷化。本文总结了设计微型质谱仪的关键技术，包括质谱仪、离子引入接口和仪器真空系统方面的最新进展，以及提升整体性能的分析模式创新。此外，我们还讨论了简化的样品制备和电离技术，这些技术简化了快速现场分析的流程。我们还介绍了几种可以进一步提升分析性能但尚未广泛应用于便携式质谱的有趣技术。

图3. （a-c）微型质谱仪设计图;（a）GC进样;（b）CAPI进样;（c）DAPI进样；（d-f）初级泵和高真空分子涡轮泵。

微型质谱的仪器结构

如上所述，经过二十多年的试验，微型质谱系统研究界似乎在质量分析器的选择上达成了共识。除了少数情况，例如用于地外探索的质谱仪，大多数微型质谱系统都使用离子阱或四极杆质量过滤器。除了质量分析器类型外，仪器架构的另外两个重要特征是离子或样品引入方式以及真空系统。所选质量分析器、接口和真空系统的任何组合的可行性都可以从多个维度进行评估，但最重要的是能否获得足够的灵敏度和选择性来进行分析。

对于挥发性化学物质的分析，可将GC与四极杆质量过滤器或离子阱串联使用。GC柱既可用于GC分离，又可用于限制气体流入由小型真空泵系统维持的真空。虽然使用质量过滤器时无法进行MS/MS分析，但GC分离可为分析提供额外的选择性和化合物鉴定信心。在这种情况下通常使用的是内置式的离子源，并采用电子轰击进行电离。

这种离子源系统的一个缺点是其易受化学污染。因此，通常需要加热以保持真空部件清洁。另一个潜在问题是需要使用压缩气瓶为GC提供氦气，而某些场所（包括飞机客舱或手术室）可能禁止使用压缩气瓶。用于传输中性挥发性样品的接口（例如气相色谱柱）不适用于传输凝聚相样品在空气中产生的离子，因为带电粒子无法在任何狭长的通道中存活。

图3b和3c所示的大气压接口（APIs）是设计微型质谱系统时采用的两种主要类型，适用于常压电离源（如电喷雾电离ESI或常压化学电离APCI）以及原位电离方法（如纸喷雾电离或微管纸喷雾电离）。这些大气压接口还可使微型质谱仪器与微流控分离系统联用，作为实验室液相色谱的现场替代方案。

选择合适的紧凑型真空泵系统对于微型质谱系统实现令人满意的性能至关重要。在传统的商用实验室级质谱仪中，真空系统通常由多级真空室和大型重型（40公斤以上）真空泵组成。目前，便携式质谱仪通常使用用于粗抽的隔膜泵或涡旋泵，以及用于高真空的分子涡轮泵。常用的选择是其中一台双级隔膜泵搭配一台抽速为10至80升/秒的小型分子涡轮泵（Pfeiffer HiPace 10/30/80）。真空泵系统的最小重量可低至2.5公斤。最近，微型涡旋泵方面取得了重大进展。一台重400克、抽速为2升/分钟的涡旋泵（Scroll Tech，中国杭州）已被验证可与HiPace10分子涡轮泵搭配使用，并应用于微型质谱Mini 14和重量仅为8公斤的Cell中（PURSPEC Technologies, Inc.，中国北京）。  

2014年，普渡大学的研究团队报告了对总重量低至480克的真空泵系统的测试。Creare公司（美国新罕布什尔州汉诺威）制造的涡旋泵原型可以完全静音运行。300克的涡轮泵已用于火星探测器“好奇号”的质谱仪，但遗憾的是，这些泵均尚未实现商业化。

分析技术

对于微型质谱仪来说，部署和操作的简易性对于测试其进行现场分析的可行性至关重要。 然而，它们能否提供足够的性能，决定了其潜在应用的范围，并最终决定了质谱系统小型化努力的真正影响。传统实验室质谱仪的性能标准通常包括高分辨率、高质量精度、良好的检测限（LOD）或定量限（LOQ）以及宽动态范围。人们一直在努力拓展这些方向的可能性。然而，微型质谱系统的开发一直并将是一个持续的过程，在性能和易用性之间不断寻求妥协，以满足目标应用的需求。

例如，小型离子阱仪器可能无法提供足够高的分辨率来区分混合物中的同分异构体，但它可以进行MS/MS分析以确认鉴定结果，这对于区分异构体至关重要，即使使用高分辨率质谱仪也是如此。以下是一些可能的最新进展，虽然尚未能成为日常使用微型MS分析系统，但显示出未来实施的巨大潜力：

1. 利用SAM−SFM波形，而不是传统的SWIFT（采用基于傅里叶变换的调制技术波形逆变换的调制技术）实现单位分辨率下的高效分离。为了增加质量范围和分辨率，同时减小仪器的体积和功耗，该团队还开发了一种新的频率扫描技术来取代传统的射频电压扫描方法。为了减少空间电荷效应并提高分析性能，还开发了一种网格快速扫描方法，可以在离子引入过程中有效隔离目标离子。

2.利用空间电荷效应进行质量分析的新方法，该效应通常被认为对离子阱性能不利。当分析物离子被激发时，由于空间电荷效应，分析物离子通过集体相互作用与信号离子发生能量交换，信号离子而不是分析物离子因此被激发并随后被射出进行检测。这可用作分析离子阱中存储离子的替代非破坏性方法，为MS分析和电荷状态鉴别提供高分辨率。

3.离子淌度（IM）越来越多地与MS分析结合使用，在质谱分析之前进行气相离子分离，这可以作为对分子结构或构象差异的额外确认。人们已经尝试探索在微型MS系统中使用离子阱进行IM分析的可能性。Fan等人介绍了一种通过电场流在两个线性离子阱（LIT）之间转移离子的IM分离方法，展示了对各种动态气体化学和生物化合物的分析。该研究小组的进一步研究涉及低压下的离子淌度分析，以实现高场离子淌度条件下高分辨率离子淌度分析。通过使用双激发法诱导方向离子旋转，还可以分析对映体离子。

除了以上这些技术，正如本综述前面所述，MS/MS分析对于使用微型质谱系统提供令人满意的性能而无需大量样品前处理非常重要。虽然可以轻松分离单个目标物质并使用离子阱进行MS分析，但当样品量有限时，对一组目标进行MS/MS分析可能具有挑战性。主要原因是当分离一种前体物质进行MS/MS分析时会浪费其他离子。所以科学工作者又开发了以下这些方法来提升微型质谱MS/MS能力：

1.开发了二维质谱（2DMS）用于捕获所有离子的碎片信息而无需分离前体离子。该方法最初是被FT-ICR质谱法验证可行的，但最近已成功应用于使用线性离子阱的质谱分析。这是通过采用非线性频率扫描，在一维方向上依次激发母离子，同时在正交维度上施加宽带波形，以释放所有子离子进行检测来实现的。母离子的激发时间与子离子释放时间之间的相关性使得能够恢复每个母离子的MS/MS跃迁。该技术可以通过单次离子注入获得大量目标物质的丰富MS/MS信息。

2.另一种方法是使用双LIT微型质谱系统和DAPI进行多目标离子的MS/MS分析，以提高样品利用率。只需打开DAPI一次，离子便会全部被捕获在第一个LIT中，然后依次转移到第二个LIT进行MS/MS分析。除了离子阱内CID之外，在离子转移过程中也可以进行束流式CID，真空压力还可在单次分析扫描中实时调节，从而优化离子捕获、CID和质谱分析条件。在一次结构脂质组学演示中，将臭氧引入第二个LIT以诱导解离，从而可以识别脂质种类的C=C双键和顺反位置。

3.喷雾电离与DAPI开启同步，因此样品消耗量降至最低，展示了其在单细胞分析等应用方面的潜力。结合大气压基质辅助激光解吸电离（MALDI），可对组织切片上20多种脂质种类进行MS/MS成像。通过组织衍生化，可对脂质C=C双键位置异构体进行成像。当使用nanoDESI时，可以进行MS³来解析顺反位置和C=C双键位置，从而对组织切片中的磷脂进行成像。

图4. （a）基于集体相互作用喷射的质谱分析；（b）采用集体相互作用喷射技术，以+13电荷态离子作为信号离子记录的细胞色素C质谱；（c）2维质谱质谱在离子阱中进行碎片分析；（d）10个小肽段的质谱图；（e）双线性离子阱微型质谱；（f）双线性离子阱进碎片分析；（g）人体肝癌组织样品脂质2级碎裂成像图。

样品处理和电离

为了让护士或医生等用户能够操作小型质谱系统，人们采用了原位电离等非常规方法来简化样品处理程序。“原位电离”一词最初是指对样品处理中的分析物进行直接电离。但实际上，并非所有应用案例都可以或需要用原位电离来解决，也不是所有原位电离方法都适用于微型质谱系统。

例如，最初的两种原位电离方法解吸电喷雾电离（DESI）和实时直接分析（DART）不适用于便携式系统，因为电离过程中需要使用高速气流。然而原位电离的倡导，为便携式系统质谱分析的未来开辟了一种新的思路。诸如纸喷法及其变体之类的方法仅消耗微升溶剂，并且易于用于设计一次性试剂盒。现场采样或样品处理的一些简单程序可能是不可避免的，尤其是在定量分析中。如果这些程序足够简单易用，则可以被接受。

基于等离子体的解吸电离是原位电离的主要类型，近年来温度调谐解吸电离（TTDI）方法应运而生，该方法利用火花放电进行解吸电离。放电区域的温度可在30 °C至800 °C范围内调节，这已被证明有助于分析不同类型的样品。在微型质谱仪的演示中，表面痕量爆炸物、体液中的滥用药物以及组织样本中的脂质都可以在优化的温度下轻松分析。

纸喷雾及其变体此前已被证实适用于分析生物流体样品。最近，Kang等人使用微管纸喷雾试剂盒和微型质谱系统分析各种生物流体样品基质中的芬太尼化合物和其他滥用药物。 Wang等人开发了一种碳纤维纸喷雾电离方法，显著提高了多种分析物的信号稳定性和检测灵敏度。环磷酸腺苷（CAMP）、柚皮苷和替凡替尼的检测限（LOD）全血的纯度提高了2倍到100倍。 

其他直接采样电离方法包括基质辅助型电离（MAI）和声学雾化辅助电离光离子化（ANPI）技术。MAI不需要电压，只需使用小分子基质即可从样品中提取分析物。Guo等人利用该技术实现了芬太尼类似物的定量检测。对于ANPI，采用声波雾化样品，然后进行光电离以进行MS分析。新装置还设计为可在LTP、DESI或EASI（简易环境声波喷雾电离）的原位电离模式之间切换。

样品经过处理再电离的方法，即不像原位电离那样直接从原始样品中电离分析物化合物，也已经开发出足够简单的程序，可以使用微型MS系统进行现场分析。示例性方法包括微流体液-液萃取、固相微萃取（SPME）和物理吸附，这些方法已被开发用于选择性富集原始样品中的分析物。将SPME探针放入nanoESI毛细管中进行采样后电离是一种适用于广泛应用的有效策略，利用微型MS系统证明了其多功能性，可以分析食品中的农用化学品、海水中的工业化学品和人体唾液中的药物。还有的团队开发了一种使用共价有机骨架SPME探针的工作流程，用于对环境和生物样品中的全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）进行快速、超灵敏分析。另外还有人使用多孔聚丙烯膜开发了一种用于组织脂质采样的探针。有实验证明，通过将液体样品塞推拉过涂有聚（丙烯酰胺-乙二醇二甲基丙烯酸酯）（AA-EGDMA）的玻璃毛细管，可以在线富集血液和组织样品中的脂质。

对于监管或临床应用，通常必须进行具有足够精度的定量分析。然而需要小心处理样品的定量质谱分析实验室程序可能不适合现场分析。Zhang等人利用先前为生物流体采样开发的段塞流微萃取技术，开发了一种简单的定量策略，即使用内标，其萃取溶剂的分配系数明显高于样品。无需仔细测量样品或溶液体积即可实现高精度定量。Kang等人应用此方法快速分析饮料中的奥芬太尼。Pandey等人使用纸喷雾和Mini 12对经过简化程序处理的血液样本中的卡博特韦和利匹韦林进行定量分析，以监测HIV治疗依从性。

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~

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