Science：质谱技术的“小时代”

Science：质谱技术的“小时代”

2014-06-30 仪器信息网

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　　Peter Girguis既不是质谱学家也不是化学家。他是一名微生物的生理学家，他所感兴趣的是深海中的生物地球化学。

　　“我们的整个生物圈都由微生物所运转。”哈佛大学John Loeb自然科学教授Girguis表示，“这算是一切的出发点。”

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　　但是大多数的微生物并不能在实验室培养，难以进行常规的分析。Girguis想要理解这些微生物，他开始研究这些微生物对海底化学组分的影响，并将这些数据与基因表达分析相关联，希望能够理解那些微生物在做什么。

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　　“我认为，这就是为什么质谱成为最有用的工具之一，因为只要有一个分析器，你就可以检测到大量的化合物。”Girguis表示。

　　毫无疑问，质谱具有难以置信的能力。研究人员通过使用这些仪器，可以区分开只有一个化学修饰差别的蛋白和多肽。这些仪器可以扫描复杂的生物流体，并能定位出造成差异的几个分子上。它们也可以一次性检视成百上千个化合物的样品。

　　然而，进行这样的研究需要相当多的专业技能。而且所使用的仪器几乎都是实验室专用的，普渡大学Henry Bohn Hass化学教授R. Graham Cooks说，他也是推动质谱技术小型化的引路者。

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　　Cooks说，台式仪器“重达数百磅”。它们昂贵、耗能，连接着输气管道和强力真空泵，并且经常需要前端的分离系统。而在分析的角度，它们产生了难以置信的复杂光谱，需要专业的软件进行解读。所有这些都使它很难成为潜在受益者的掌中之物，如临床医生，焚烧厂的消防队员，甚至是仓库的食品安全检查员。

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　　“质谱仪的缩小，关键是要做原位、现场的测量。”Cooks说，“这就需要仪器足够轻便……能够随心所欲地移动。”

　　“变小”或“被淘汰”

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　　为了让质谱仪变得更小、更好用，研究人员授权了大规模的用户进行使用。德克萨斯州韦伯斯特的1st Detect公司总裁和首席技术官DavidRafferty，将这种大众化的结果比作是个人电脑的革命。“过去，只有大型机构、高校和公司拥有电脑，但现在随着个人电脑的出现，它可以被大量的民众所使用。可以说，我们也想在质谱仪中做同样的事情。” Rafferty说。

　　1st Detect公司雇佣了大量的航空航天工程海外专家，打算将其MMS-1000系统用于工业质量控制、食品安全检测，以及国土安全。相反，908 Devices公司则将其3.75磅的“高压质谱仪”聚焦于安全和保障市场上的急救人员，该公司商业发展和市场部副总裁Chris Petty说。而位于英国萨里的Microsaic系统公司则将其单四线4000 MiD定位在从事药物研发的有机化学家身上。

　　Girguis的需求则更加难以理解。他的研究需要量化在海底及海底之下的溶解气体，如甲烷、氢气和氧气。当然，这些通过在船上装一个台式质谱仪就可以做到，收集深海样品并在甲板上进行分析。然而，由于压力和温度的差异，位于海平面下1千米深的水样比海平面的水样保留的气体要多得多。“甲烷在5℃、一个大气压下的溶解度大约是2毫摩尔。而在海底，甲烷的溶解性则要高很多。”

　　他意识到，需要一台能够在现场使用的质谱仪。作为一名“设备发烧友”，他决定自己造一台。

　　Girguis最初接触高压质谱技术是在加州大学圣芭芭拉分校做研究生的时候，当时他对能够在热液喷口聚居的动物及其共生物感兴趣。他开始在压力仓中进行研究。随后，作为一名博士后，他想要探索微生物对海洋中甲烷和氢气含量的影响。此时，他意识到自己需要一台特殊的仪器。然而，如何将质谱仪做到又小、又能够在水下操作呢?

　　“真正灵感迸发的时刻来源于有些公司开始制造小型涡轮泵的时候。”他说。(其中一家公司——Alcatel Vacuum公司，随后被另一家Pfeiffer Vacuum德国公司收购。)

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　　为了制造质谱仪，他与一位机械工程师联手，将一台斯坦福研究系统公司的商业化四极质谱分析器、一台Pfeiffer公司的HiPace80涡轮泵，和一台定制的气体抽取机一起装配到一个25厘米宽，90厘米长的柱形容器中。结果就是“原位质谱仪(in situ mass spectrometer，ISMS)”，这台重约25千克的装配物类似于一个经过钛包裹的水箱，他说道。

　　抽取机是核心部件，Girguis说。本质上，金属熔块在高真空环境下为一个10微米厚的特富龙膜提供结构支持，这个结构在450个大气压力下，对质谱进样的水分进行抽气处理。得到的水汽被压入仪器中，被电离装置离子化并进行质谱分析，这就类似于一种没有气相质谱的气相色谱耦合质谱仪。

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　　原位质谱仪已经造访了一些令人羡慕的场所。通过将它搭载在遥控潜器或载人深潜器(像伍兹霍尔海洋研究所的“阿尔文”号)，这种质谱仪已经游览了墨西哥湾，华盛顿州、亚述尔群岛(在北大西洋的大西洋中脊)和南太平洋的热液口。“我可以肯定，我们此时已进行了超过100次的深潜。”Girguis说。

　　利用这台仪器，他已经完成了他所谓的热液口溶解气体“地球化学地图”，收集到了成百上千项来自不同深度的海底沉积物和海底数据。在一项研究中，令他吃惊的一项发现是，有时被称为黑烟囱的神奇深海热液口喷出的气体，实际上往往要少于海底不远处的“扩散流”。“这也证明了，你的眼睛在欺骗你。”他说。

　　Girguis在他的网页上发布了原位质谱仪的详细方案和每部分清单，任何人都可以造出一台这样的仪器。总花费大约是15000美元。然而外壳则是另一大麻烦。一个为相对较浅的浮潜(达到50米左右)所配备的简单的聚氯乙烯外壳大约要花费1000美元，但是，“如果你想要一个钛的，下潜到4000米深度，那就必须要为外壳单独支付2万美元。”

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　　亲，我把质谱仪缩小了!

　　小型化质谱仪在其他奇异的领域也具有潜力。据Rafferty说，一家博物馆接洽了他的公司(尽管在成文时尚未达成交易)，他们在寻找检测防腐剂泄漏的方法，这款防腐剂正用于保护一只经过防腐处理的大王乌贼。美国北德克萨斯州大学副教授Guido Verbeck正在实验室研究小型化质谱仪。他预想，他的设计能应用在国土安全和军队中，例如能够向着火的工厂中“投掷”一台质谱仪，并发回燃烧物的报告。“但是这样会损坏设备，因此你必须造出便宜、小型而又轻便的设备，没有移动部件。”

　　对于Cooks来说，他将目光瞄准在外科装置上。他与波士顿的布莱罕妇女医院同事Nathalie Agar一起，展示了在他们制造的质谱仪中使用血脂检查来进行脑肿瘤分级的可行性(参见《质谱成像技术——从实验台到临床》)。但是这一实验只涉及到相对简单的台式仪器，Cooks说，也就是配备了Bruker公司和Thermo Fisher公司的离子阱，装配了Prosolia公司的电喷雾解析电离技术。

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　　合乎常理的下一步，他说，是将离子阱的尺寸(还有成本)缩小，使其可以成为各地手术室中一个实用的组件。

　　事实证明，缩小质谱仪最大的一个挑战在于真空泵，Cooks说。质谱在真空泵中的作用是消除背景信号，防止分子间的碰撞事件。但是真空系统又大又笨，而这些参数是与所需的压力成比例的。Thermo Fisher公司的代表表示，该公司的Orbitrap轨道离子阱需要在液质联用模式下使用三个涡轮泵以900升/秒的速度运作，才能达到低于10-10托的真空泵。

　　飞行时间质谱分析器也需要高真空环境。因此，大多数的小型质谱仪都来自于容许差异的质谱仪，如离子阱和四极质谱，尽管至少有两位研究者都成功地对飞行时间质谱分析器进行了小型化，包括Verbeck。Verbeck制造了一台基于反射器的小型飞行时间质谱仪，使用了微机电系统或MEMS技术，使用掺入硼的硅晶片，将这些部件组装起来，就像老式的卡槽纸模型。该分析器只能检测到2厘米×5厘米，通过将离子在延伸的时间中前后移动，来延伸离子的有效路径长度。

　　Cooks(与他在普渡大学的合伙人Zheng Ouyang)用一个线性(或四极的)离子阱制造了他的小型化质谱仪，可以在大约10-3托的情况下工作。

　　为了创造真空环境，他和Ouyang获取了能找到的最小的商业化涡旋泵，能达到大约每秒10升。“你必须有一种能使用小型真空泵的方式。”他说，“这是最难的部分，许多人都被这个环节难倒了。”

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　　这种泵太小了，以至于无法进行连续的样品引入。因此该团队开发了一种非连续的样品引入系统，被称为非连续大气压引入(DAPI，discontinuous atmospheric pressure introduction)，能够从系统的电离源中(在此例中是电喷雾解析电离技术)获得离子，并将其控制在夹管阀的一端，周期性地开启，以将其一起引入质谱分析仪中。

　　Cooks说，结果就制成了一个完全自持的装置Mini-11，仅重8.5千克，在一个便携装置中就包括了真空泵、泵(涡轮泵和支持泵)、离子化系统、电池、电子器件和通讯部件。另外还有一种背负式的、25公斤Mini-12。而且Cooks也暗示，还有一种甚至更小的装置，可能是由苹果手机供电，可以用在室内的诊断工作。

　　然而不管这些仪器的尺寸有多小，它们却有惊人的强大力量。Mini-11和-12提供的单位分辨率质谱能够达到600质荷比，这一范围已经可以适用于进行代谢、脂类和其他小分子研究。

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　　小质谱，大问题

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　　除了真空泵外，小型化质谱仪也存在其他的困难。例如，离子阱的中心电极传统上是弧形的，就象一个中间被捏扁的铝罐。当它变小时，这一形状变得越来越难以达到制造的精度，产生的瑕疵可能会对离子运动产生负面的影响。

　　1st Detect公司绕开了这个问题，它们将传统的“双曲线”设计替换为更易于制造的圆筒形装置，基本上就是在电极中钻穿一个光滑的小孔。“你可以更容易地将它变小，而不用依照精密的曲线。”Rafferty说。

　　在Torion技术公司研发部主任Stephen Lammert看来，另一个问题是当捕获器变小时，将同样数目的离子挤压进去变得越来越难。“小型化质谱的重要挑战就是：你如何能在将捕获器变小的同时不损失离子的能力?特别是离子捕获。”

　　Torion的解决方案是环形离子阱，体现在它的Tridion-9质谱仪中。它将传统捕获器的捕获特性转移至一个甜甜圈形状的容器中，能够保留高达400倍的更多离子。“我们在仪器中采用的环形离子阱，只有我们常见的实验室离子阱半径的五分之一，但由于具有了延伸的几何存储形状，它仍具备传统捕获器的能力。”它使用的电压也降低了25倍，总功率降低了125倍。

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　　对于Verbeck来说，制造小型质谱仪的最主要挑战在于电气化。

　　他说，“我们当前遇到的问题是仪器太小了，以至于线缆一个挨着一个，会有相互干扰。”他的团队不得不重新开始，再设计电子系统，“在传导垫之间做出更整洁的通道，并使其变得更宽”等等。

　　在质谱设备小型化中，最大的问题可能在于它需要在效能和灵活性中权衡。例如，离子阱是小型化中最招人喜爱的候选者，不仅因为其简易性，而且因为它们具有串联质谱分析的嵌入功能，可以使复杂的结构分析变得可能。

　　但是针对士兵、消防员和医生的质谱仪则必须够简单，尽管使用者并不懂其中的细微差别。并且在数据有需求时，具有自动转换为串联模式的嵌入式智能。

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　　这一系统必须足够高效，能够由电池带动，并且能够将质谱的复杂性隐藏在友好的用户界面下，让质谱仪的新手可以轻松上手。不要做成需要用户指令的仪器，正如Rafferty所表达的，要成为扫描一个样品就直接报告“哔哔，杀虫剂”的仪器。

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　　这并不是说迷你质谱仪在实验室中没有空间。一台价格不高、能够放入通风柜的质谱仪，将会成为任何有机化学家工具盒中受欢迎的组件，至少Microsaic系统公司的4000 MiD完全吻合这一目的。但是迷你质谱仪最令人兴奋的应用无疑还是在实验室之外。

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　　“我们甚至不希望这种装置被称作质谱仪。”提起MMS-1000时，Rafferty表示，“我们更希望将它看做是一个感应器或化学检测器。”诚然，当你褪去所有的浮华外表时，难道不就是质谱本来的样子吗?

　　原文检索：

　　Jeffrey M. Perkel. Miniaturizing Mass Spectrometry. Science, 21 February 2014; DOI: 10.1126/science.opms.p1400081

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楼主好强大，谢谢分享