第三期：微型质谱的应用及前景｜AC综述特刊微型质谱仪发展和未来展望
第三期 ：微型质谱的应用及前景
近期清华大学精密仪器系欧阳证教授在美国化学会（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。
在前两期专题当中我们主要介绍了微型质谱的发展历程以及特点，让读者对于微型质谱这一全新的分析设备有了初步了解，那么在第三期当中我们为您着重介绍微型质谱的应用，基于这些应用在未来如何促进微型质谱的进一步发展，从而最终促使微型质谱实现真正的商业化，为日常的分析工作提供最佳助力。
微型质谱目前应用领域
上述提及的研发工作（见公众号第二期）使得质谱系统体积小巧、易于使用。尤其是在实验室外即可直接分析凝聚相复杂样品的情况下，微型质谱系统的应用前景更加广阔。目前，已在多个领域进行了重要的应用验证，尤其包括公共安全、非法药物筛查、环境监测以及地外探索。此外，微型质谱分析也正在深入临床医疗保健领域，探索其在该领域的潜力，尤其是该领域对设备性能和使用有严格要求。
图 6.（a）火星样本分析仪（SAM）；（b）火星上四种主要气体探测结果；（c）纸喷雾电离技术结合微型质谱对芬太尼等药物定量分析；（d）热解吸采样和介质阻挡放电电离(DBDI)进行痕量爆炸物检测；（e）直接毛细管喷雾（DCS）试剂盒和Cell微型MS系统对活检组织样本中的2HG和内源性谷氨酸直接进行MS/MS分析。
地外探索
微型质谱仪在地外探索中发挥了至关重要的作用，使得研究太阳系天体的化学成分，如月球、金星、火星、木星和土星，成为可能。自1970年代以来，火星一直是探索的主要目标，从海盗号任务开始，并在过去十年中取得了重大突破。火星样本分析（SAM）仪器组件于2012年8月通过火星车运送到火星，旨在探索火星表面是否存在有机分子（图6a）。2013年，关于火星大气中气体丰度和同位素组成以及火星表面细颗粒样品中存在的挥发性化合物等重要发现被报道（图6b）。
2018年，Eigenbrode等人展示了火星样本分析（SAM）数据，显示在火星盖尔陨石坑的钻探样本中检测到了保存的有机物，包括噻吩、芳香族和脂肪族化合物，这标志着天体生物学的重大突破。欧洲航天局（ESA）的罗莎琳德·富兰克林火星探测器火星外层生物学计划（ExoMars）中，火星有机分子分析仪（MOMA）使用带有GC和DAPI的线性离子阱分别分析火星上的空气和土壤样本。在欧洲航天局的罗塞塔号任务中，TOF质谱仪用于现场分析67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星上的化合物，揭示了有机分子的关键数据及其在早期太阳系化学中的潜在作用。
除了已经发射或计划用于太空探索的微型质谱仪之外，世界各地的研究团队还为地外探索开发了许多原型微型质谱仪。例如，Willhite等人开发了CORALS（海洋残留物和生命特征表征），这是一种用于寻找木卫二上生命特征的轨道阱质谱仪。Aloui等人提出了一种概念验证超分辨率编码孔径摆线微型质谱仪（SR-CAMMS），可以进行高精度同位素比测量，并解决CO和N2之间的同量异位素干扰。
环境监测
最近使用微型MS系统进行环境监测的研究，探索了它们在分析空气污染物、检测天然气管道泄漏、评估水环境中的有机污染物、分析持久性有机污染物和土壤污染中的应用。Davey等人展示了如何使用膜入口质谱仪（MIMS）对加拿大艾伯塔省北部碳氢化合物加工设施相关的大气挥发性有机化合物（VOC）进行实时监测。Chen等人将便携式气相色谱-质谱联用仪（PGC-MS）安装在无人机上，并使用固相微萃取（SPME）纤维快速绘制有害空气污染物图谱。
Hemida等人设计了一种便携式毛细管液相色谱质谱（capLC/MS）系统，该系统采用超声辅助萃取（pUAE，成功应用于土壤样品中全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）的快速分析。这些研究为环境监测提供了极为便捷高效的分析工具，大大提高了我们理解和应对环境挑战的能力。
食品安全
对于食品安全应用，研究的重点始终是开发简化且快速的样品制备程序，这对于在该领域使用微型质谱系统至关重要。这涉及开发样品处理再电离的方法，既用户使用简便又提供足够的分析性能。对不同类型的食品样品进行了目标分析物分析，例如农药、兽药和其他违禁药物。Aquino等人使用铅笔将试剂化合物涂覆在纸基材上，用于纸喷雾分析，随后选择性地与复杂样品中的分析物发生反应。对卡沙萨酒样品（一种由甘蔗汁发酵和蒸馏制成的酒精饮料）中的各种醛类（2-糠醛、戊醛和苯甲醛）进行了快速检测。
Lotz等人介绍了一种手持式液体萃取笔（LEP），用于定性分析水果中的农药。Meng等人开发了一种快速现场方法，使用配备不同原位电离技术（包括毛细管nanoESI、纸喷雾电离和注射器喷雾电离）的微型质谱仪识别各种食品中的非法掺杂物。
Jin等人开发了一种离子源，将纸喷雾电离与金属漏斗相结合，可快速测定多个样品中的四种抗生素（诺氟沙星、四环素、土霉素和金霉素）。
真伪鉴定
通过现场分析快速鉴定产品真伪一直被认为是便携式质谱系统的一个重要潜在应用。有趣的是，其中一个重要应用是针对中草药材的。有些中草药材外观难以区分，而有些则稀缺且价值高，例如香花梨木和沉香，因此容易被伪造。顾等人开发了一种快速、简便的现场定量方法，利用纸喷雾电离和微型质谱仪来评估Lygodium japonicum(Thunb.)的质量。谢等人使用微管纸喷雾和微型质谱仪进行分析，并基于随机森林算法开发了一种人工智能数据分析模型。该方法成功地实现了真伪沉香和Kynam沉香的自动区分。
滥用药物
非法药物和药物滥用一直是危害公众健康的严重问题。街头毒品中可能混有芬太尼和其他致命的假药。近年来，一些研究小组开发了利用微型质谱系统进行现场快速检测的方法，用于快速筛查不同类型的非法药物。Kang等人开发了一种在3分钟内快速测定和定量尿液中吗啡的方法。经过简单萃取和快速丹磺酰衍生化后，直接使用微型质谱仪进行分析，检测限（LOD）为50ng/mL，定量限（LOQ）为100ng/mL。Laxton等人采用微管纸喷雾电离技术结合微型质谱系统，对含有芬太尼、氟芬太尼、卡芬太尼和依替唑仑的非法药物样品进行了定量分析（图6c）。
公共安全
微型质谱系统在公共安全领域的应用也已被探索，包括检测生物战剂，玩具等消费品中的违禁物品、火灾现场的危险有机化合物以及检查点的爆炸物。例如，Li等人提出了一种新颖的样品引入和电离方法，利用热解吸采样和介质阻挡放电电离（DBDI）进行痕量爆炸物检测（图6d）。该方法已成功用于分析一系列硝基爆炸物，包括TNT、2,4-二硝基甲苯、NG、RDX、PETN和HMX。
临床分析
在临床分析领域，质谱法已成为一种不可或缺的方法，并已成功应用于新生儿代谢疾病筛查、维生素D缺乏症检测、治疗药物监测和微生物鉴定。然而，实验室类型质谱的维护和操作要求，加上系统部署的庞大规模和高成本，阻碍了其在临床环境中的使用。
器官移植手术后立即使用免疫抑制药物的治疗，理想情况下应以每小时监测血液中的药物水平为指导，以便调整剂量。使用简单分析程序的微型质谱系统在快速定量方面取得了重大进展，为未来将最强大的质谱分析技术应用于医院的床边或手术室提供了启示和信心。
最近的研发工作验证了即时诊断（POC）质谱分析包括定量分析血液中16:0−18:1磷脂酰乙醇胺以监测长期饮酒情况、定量分析蛋白质消化样品中的蛋氨酸肽以进行癌症表型分析、无酶蛋白质水解以进行直接分析、薄层色谱二维分离以直接分析脑组织。
POC疾病诊断的一个显著发展是术中诊断IDH（异柠檬酸脱氢酶）突变型神经胶质瘤。进行这种诊断的医学意义在于指导脑外科手术的切除策略，这通常需要在潜在寿命和脑功能损伤之间取得平衡。虽然过去最精确的诊断是基于PCR（聚合酶链式反应）进行基因突变测定，但只能在手术后使用切除的组织样本进行，并且需要几天才能得到结果，因此，它对于指导术后治疗非常有用，但对于现场手术则不然。
苏木精和伊红（H&E）染色可以在手术期间使用，等待时间大约为一两个小时；然而，它只能识别50多个IDH突变中的一种，而这些突变约占疾病病例的80%。研究发现，所有IDH突变都会导致胶质瘤组织中一种小分子代谢物2-羟基戊二酸（2-HG）的水平升高，而这种代谢物易于通过质谱进行分析。该技术的可行性最初是在实验室规模的质谱仪上使用DESI技术进行验证的。近年多个研究小组开展了一系列研究，致力于组织样本的直接采样电离以及使用微型质谱系统进行分析。
最近，研究人员使用直接毛细管喷雾（DCS）试剂盒和Cell微型MS系统（图6e）对活检组织样本中的2HG和内源性谷氨酸直接进行MS/MS分析，并利用它们的强度比来准确诊断IDH突变型胶质瘤，对109例患者的活检样本进行了完整的测试。
治疗药物监测对于精准医疗至关重要，如果能够使用微型MS系统提供合适的解决方案，预计它会更广泛地应用于伴随诊断。最近的研究已经证明可以监测抗生素、麻醉剂、HIV治疗药物、高血压药物、精神药物和免疫抑制剂等药物的血药浓度。
Gu等人开发了一种微型LC-MS系统并将其用于定量四种广泛使用的免疫抑制剂：他克莫司、依维莫司、雷帕霉素和环孢素A。刘等人利用磁场增强光电子电离微型飞行时间质谱仪（MEPEI-TOFMS）检测呼吸中的七氟烷以评估术后躁动症状。陈等人使用微管纸喷雾试剂盒，开发了一种结合微型质谱系统的即时检验（POC）检测方法，用于快速准确地定量分析人体血液和尿液中的二甲双胍和西他列汀。这两种药物作为口服降糖药被广泛且长期使用，治疗II型糖尿病。
微型质谱的未来：结论和展望
质谱系统小型化在其发展初期可能被认为侧重于使仪器越来越小。但如今越来越清楚的是，真正的驱动力应该是让质谱分析这种用途广泛的分析技术对人们的日常生活产生更大、更直接的影响。虽然“质谱仪还能做得更小吗？”是人们在听到“质谱仪小型化”时经常会问的问题，但目前最重要的问题实际上是“什么才能使其获得商业成功？”这对于任何技术的可持续发展都至关重要，尤其是在微型质谱仪已经走过了20多年的历程之后。到目前为止，如何让它们迅速普及并被公众所理解仍不清楚。
正如实验室超级计算机向手持式手机的转变一样，随着微型质谱系统的出现，质谱分析的潜在用户群体有望显著扩大。然而开发这些系统的研究人员渴望尽快找到一种方法，将其推广到比现有分析化学家群体大10倍甚至100倍的用户群体。这也有助于最终完成商业化循环，但面临的挑战是“杀手级应用的成功案例是什么?”
在医院甚至患者家中进行即时检验（POC）应用，可能触达更广泛的潜在用户，让他们了解并感受到质谱分析的价值。需要克服的障碍也不容小觑，例如临床意义的论证以及通过临床试验获得即时检验医疗器械注册证书。此外，我们还可以想象，在不久的将来，质谱系统将与现有的设备一起出现在每个用于普通化学教学的实验室中。
然而，其营销模式必须与目前实验室规模质谱仪的营销模式截然不同，因为后者的购置和运行成本都很高。微型质谱仪系统配备的一次性试剂盒无疑可以作为耗材，以促进大规模的临床环境或课堂中使用的MS系统商业化模式的改变。因此，当前或下一阶段质谱分析系统微型化技术的发展，需要继续专注于开发适用于广泛应用的试剂盒解决方案。重要的策略包括采用新的功能材料以实现快速富集和萃取，开发简化的定量分析程序，以及实施简化的数据处理以便直接报告结果。
微型质谱系统的评判标准应为它们是否智能，即它们能够多好地帮助用户做出决策，而不是实验室规模质谱仪所采用的标准，例如质量范围、质量分辨率或质量准确度。人工智能将不可避免地应用于微型质谱系统，提供新的解决方案，使其易于操作、维护并提供令人满意的结果。
写在最后：微型质谱综述三期回顾
本期是关于微型质谱综述的最后一期，通过三期的报道，我们将微型质谱这个新型的分析设备与技术完整的展现在了读者面前，并对它的未来做了设想。
回到质谱仪小型化进程之初的一个最初问题：“质谱仪最终能做到多小？”到目前为止，我们知道，这个答案会因为分析目标是否为凝聚相样品中的非挥发性分析物，而有很大差异，这直接决定了仪器所需的真空系统类型——相较于电子控制系统，真空系统不仅是机械结构最复杂的部件，更是质谱仪微型化进程中最大的技术瓶颈。尽管原型机已经验证了新型的真空泵技术，但这些技术尚未在当前微型质谱系统商业化开发中得到充分应用。遗憾的是，由于缺乏其他具有相似需求且成熟的大规模市场支撑，仅仅针对微型质谱仪专用的小型真空系统的持续创新与工程改进始终动力不足，或许随着微型质谱系统商业化潜力得到更深入的理解和验证，这一现状将迎来转机。
回顾微型质谱系统的发展历程，颠覆性的概念在推动仪器设计与分析流程发生根本性变革等方面发挥了决定性作用。其中两个典型案例：(1) 基于原位电离技术的设计理念，放弃复杂样品前处理环节，转而采用可抛式的样品试剂盒；(2) 通过非连续大气压接口技术，允许质谱仪内部真空度波动以实现高效离子传输。这些突破性尝试在初期可能根本无法达到实验室级质谱系统的性能指标，但最终取得的成果却也是基于大型质谱系统进行渐进式改良所永远无法实现的。因此，当我们努力验证当前微型质谱系统面向即时检测市场之应用价值的同时，我们更应保持想象力，在研究方面保持强劲势头，尝试不同寻常的方法。
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)
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