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        質譜儀器的發展

        2018-08-14
        從J.J. Thomson制成一臺質譜儀,到現在已有近90年了,早期的質譜儀主要是用來進行同位素測定和無機元素分析,二十世紀四十年代以后開始用于有機物分析,六十年代出現了氣相色譜-質譜聯用儀,使質譜儀的應用領域大大擴展,開始成為有機物分析的重要儀器。計算機的應用又使質譜分析法發生了飛躍變化,使其技術更加成熟,使用更加方便。八十年代以后又出現了一些新的質譜技術,如快原子轟擊電離子源,基質輔助激光解吸電離源,電噴霧電離源,大氣壓化學電離源,以及隨之而來的比較成熟的液相色譜-質譜聯用儀,感應耦合等離子體質譜儀,富立葉變換質譜儀等。這些新的電離技術和新的質譜儀使質譜分析又取得了長足進展。目前質譜分析法已廣泛地應用于化學、化工、材料、環境、地質、能源、藥物、刑偵、生命科學、運動醫學等各個領域。
        1. 敞開式質譜;
        國內學者是這么叫的,英文叫Ambient Mass Spectrometry;
        這類質譜主要是在LCMS中使用了Ambient Ionization Source取代了原本的ESI和APCI,從而去掉了LC這一部分,可以在大氣壓下直接對未處理或者半處理的樣品進行解吸、電離,這類技術的特點就是一個字,快?。?!。因此,它至少在以下領域大大拓展了質譜的應用范圍:
        a. 便攜質譜和車載質譜用于現場分析(不便于把樣品帶到實驗檢測的場合);
        b. 樣品快速篩查(藥品,違禁品,刑偵檢測,公共安全,等);
        c. 實際樣品中待測成分的成像研究(比如腫瘤細胞在組織內的分布研究,古董的鑒定,藥物靶向治療和代謝研究,等);
        d. 還有化學反應機理的研究,及其他。
        比較有名且應用較廣的Ambient Ionization Source有諸如,DART,DESI,LDI, DBDI,其余的各式各樣的離子源多是基于這幾種離子源的一些變體,有很多也很有特點。


        2. 小型質譜;
        其實質譜儀的小型化老早也開始了,只不過限于市場的需求,沒引起足夠多的關注。
        隨著這些年,食品安全,環境污染,公共安全,軍事等領域極大需求。
        越來越多的人開始研究各式各樣的小型化質譜儀器,目前除了難以小型化的幾種質譜類型,像是磁扇形質譜,傅里葉變換-離子回旋共振質譜(FT-ICR MS)和軌道阱質譜(orbitrap)之外,其他像,四級桿,離子阱,飛行時間都有很多實驗室和公司在做。尤其是四級桿和離子阱現在以及有不少商業化的儀器。印象比較深的是2013年參加ASMS時,看到美國一家叫908 device的公司有一款手持式的小型離子阱質譜,大小和打標機相仿,界面極友好,是給消防員用的,方便及時了解火災現場易爆易燃,有毒有害氣體的快速檢測。業界近幾年不少人對質譜未來發展的看法是,1 往大型的多功能高通量高靈敏度的儀器發展(總之三個字,高大上?。?;2 往小型化發展。而后者的意義不僅限于質譜變得更小,更便于攜帶和使用,更深層的意義應該是向大眾普及,降低質譜儀的使用門檻。當然,現在小型質譜還有一些瓶頸要克服,像是定量能力,不過這都只是暫時的,相信將來會是一片很光明的前景。


        3. 高端質譜;
        這些年發展起來的一些高端儀器,要么是有了新的突破,要么是和其他技術聯用。
        新的突破比如軌道阱,這個是俄羅斯的makarov基于kindon trap發展的一種靜電質量分析器,其特點是有極高的質量分辨率,遠超除FT-ICR以為所有類型的質譜儀器。目前,軌道阱是Thermo的獨有技術,算是一枝獨秀。
        和其他技術的聯用技術,典型的例子是各式的遷移譜和質譜的聯用。遷移譜一直被業內通俗的稱為大氣壓下的質譜,其特點是可以依據離子的遷移率(主要反映離子的碰撞截面積,間接反映離子的尺寸和結構)把離子在空間或者時間上分開。當然,也有根據遷移率在高電場和低電場下的差別進行分離的,稱之為差分遷移譜或高場不對稱離子遷移率譜。一旦遷移譜和質譜聯用,主要可以實現兩個用途,一是離子的初步分離,二是離子的遷移率測量或者碰撞截面的測量,好處在于可以便于離子結構的解析,在蛋白組學領域應用極廣。遷移譜和質譜的聯用可以用色譜和質譜的聯用類比,色譜一樣也可以對樣品組分進行初步分離,同時可以得到色譜圖。不過,離子遷移譜優于色譜的地方在于,分析速度遠快于色譜的速度,至少是一個數量級的差別。另外,離子的結構信息,目前各類分析儀器中,除了色譜之外,很少有能提供直接,且通用性比較好的方法。從我參加的各類會議以及和質譜用戶的直接交流中感覺,國內很多做質譜的工作者,對于離子遷移譜了解的非常少。目前,各大質譜廠商都已經有了自己遷移譜技術,并且多已商業化。像是waters的synapt 系列產品,agilent的6560, Sciex的SelexIon等。相信未來離子遷移譜會是高端質譜的一個標配。當然獨立的離子遷移譜儀器本身也一定會有不錯的發展。
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