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微型质谱仪仍在寻找受众
发布:kittyll   时间:2018/10/19 17:11:05   阅读:249 
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经过几十年的发展,微型质谱仪仍然面临着一定的技术障碍,无法在商业上得到更广泛的应用。

质谱法是确定样品中含有哪些分子的首选方法之一。然而,如果安保人员面对的是一种未知的、可能存在危险的物质,他们可不想浪费时间把样品送到实验室,然后所能做的只能是等待;他们宁愿能够将便携式质谱仪带到现场,以便快速得到答案。

人们对质谱仪小型化的努力绝不是今天才刚刚开始的,几十年来,研究人员一直致力于将这种强大的仪器装入小包装中。他们已经成功为特定的应用制作了小型系统,只是还没能成功地接触到更广泛的受众群体。

美国普渡大学(Purdue University)是该领域的佼佼者,化学教授R. Graham Cooks认为:“微型质谱仪面临着来自用户的‘错误期望’的挑战。如果人们期望微型质谱仪能够与实验室里的高端质谱仪提供相同的质谱数据,那他们必然会失望。”

 “当我们想要把一些东西变得更小的时候,我们一定要承受牺牲一些性能的遗憾,” 美国杨百翰大学(Brigham Young University)的化学教授Daniel E. Austin说道,他已经从事微型离子阱的研究超过15年了。

“例如,相比之更大的质谱仪拥有更多的空间来分离离子,微型质谱仪——大约有台式计算机机箱那么大的质谱仪——肯定不会‘胜出’。” 清华大学的Zheng Ouyang教授说道:“迷你版本的势必会有更差的分辨率,更高的检测限,及更差的质量精度。” 欧阳铮教授也是Purspec Technologies公司的创始人和总裁,该公司专注于将微型质谱仪商业化。

但是科学家们并不一定要制造出希望各方面性能都能胜出普通质谱仪的微型质谱仪,他们这样做的最终目的应该是因为人们需要快速、便携的分析工具。

 “在很多潜在的应用中,如果你能在现场进行分析,那将是最好的。” Austin 说道:“你的理由是:你需要一个快速的答案;或者做出一个快速的决定;再或者样品变化很快;或者你需要快速制作大量样品,它们很难被送回实验室分析。例如,可能正在检测运输系统中的有毒气体,或者在现场进行环境测量。”

为了提高对微型质谱仪的需求,科学家们仍在努力提高其各方面的性能。

◎在微型化的质谱仪中,最常见的质量分析器是离子阱,它是作为分类和分离分子碎片的仪器组成部分。在离子阱中,各种电压和频率被应用到电极上,以建立限制离子的场。器件越小,捕获离子所需的频率越高。

Austin说道:“与其他质谱分析仪相比,微型质谱仪已经相当紧凑了。它的另一个好处是,可以在比其他质谱分析仪更高的压力下工作,所以不需要一个庞大的真空泵系统。”

其他类型的质谱仪通常需要将系统泵送至0.001 Pa或更低范围内的低压,以便于离子能够容易地通过分析器到达检测器。这种压力通常通过多级泵来实现。相反,微型质谱仪的离子阱通常可以在0.1 Pa范围内的压力下运行。

北卡罗来纳大学教堂山分校(the University of North Carolina, Chapel Hill)的化学教授J. Michael Ramsey也是微型质谱仪的另一位先驱,他已经成功地进一步降低了其对压力的要求。通过使用在高频下驱动的微米级离子阱,他能够在133 Pa甚至更高的压力下操作离子阱,这种方法被他称为高压质谱。

Ramsey说道:“这在真空系统中为我们节省了大量的体积、重量和功率”。他的技术已经得到认可,并被波士顿的908设备公司转入开发阶段。该公司出售用于安全和安保应用的重量在2~4kg的小型系统,包括泵和电池等。

“真空系统是该系统中最大的一个部件,”PerkinElmer公司的便携式质谱仪和气相色谱-质谱的研究主任Ed Lee说道“你可以采取任何措施来降低真空要求,这将会产生更小的仪器。当然,如果选择在真空上妥协,那么就会牺牲一定的性能。”

美国杜克大学(Duke University)的Jason J. Amsden则不苟同目前离子阱的使用趋势,而将磁扇形仪器的尺寸小型化。他说:“看看我们的仪器,真空泵大概占了整个系统的三分之二”。据Amsden估计,他的系统约为36 cm×50 cm×20 cm,重量在9~14 kg,其中大部分体积被泵占用。

BYU的Austin表示:这个问题也是小型真空系统的商业需求很少导致的。在需求回升之前,微型质谱仪将继续使用超大型泵或昂贵的特种泵。

◎微型质谱仪的另一个可以改进的领域是灵敏度

例如,较小的离子阱由于所容纳的离子较少,因此一次只能检测较窄范围的质量,并且具有潜在的较低灵敏度。Ramsey和908设备公司已经通过使用离子阱阵列来克服这类问题,这些阵列可以增加离子捕获的能力。

Austin认为,另一种方法是使用一维延伸的阱,比如线性或环形阱。这样则具有了固有的、更大的捕获能力,因为离子可以在一个维度上扩散,同时仍然在另外两个维度上被捕获。

Ramsey和908设备公司也深谙这一技巧,使用了拉长长度的离子阱。

Austin还在陶瓷板上制作线性离子阱。他以平版印刷的方式将两个板很容易地结合在一起,并在它们之间建立一个捕获势来帮助离子停留在原位。

PerkinElmer公司对Austin的技术很感兴趣。该公司一直在售卖一种重17 kg、手提箱大小的气相色谱-微型质谱系统,这种系统使用了一个环形离子阱,被称作Torion T-9。

PerkinElmer公司的Lee说道:“到目前为止,Austin制造的微型离子阱的性能与环形离子阱的性能尚不能达到一致的水平;但情况越来越好,我们正在观察这项技术。”

Austin想把PerkinElmer公司的系统缩小2~4倍,他说:“我的团队刚刚专注于质谱分析器,但是PerkinElmer的工作人员则拥有所有的工程支持,他们可以想办法使系统的其他部分变得更小。”

随着微型质谱仪技术的不断改进,研究人员们希望其商业化进程相应地会被加速。较之其余领域的应用,微型质谱仪在安全领域的应用更早、更多;因为该仪器可以通过目标化合物库进行程控。但是,开发人员将目光已经放在了质谱仪在临床医学等领域的应用上了。

Purspec公司的Ouyang希望开发一种系统,使人们能够直接从样本中获得答案。

Ouyang认为微型质谱仪是为所谓的精密医学提供个性化药物剂量的一种方法。“许多强效药物的治疗窗口非常窄,并且高度依赖于人体的新陈代谢,”他希望使用该仪器分析血液或尿液样本,以获得个体的药代动力学和药效学信息;那么医生就可以开出正确剂量的药物。

Ramsey和908设备公司同样关注微型质谱仪在生命科学方面的应用。Ramsey说:“我们认为,台式的专用分析仪的应用主要集中在代谢物的某些子集。”例如,他们的研究已经表明,在苯丙酮尿症的情况下,他们可以测量尿液中的苯丙氨酸,这是一种代谢该氨基酸能力受损的病症。

对于这样的应用,Ramsey和908设备公司将微型质谱仪、毛细管电泳芯片装置,以及在Ramsey实验室开发的集成纳米电喷雾发射器相结合,形成一种被称为ZipChip的装置。该装置可以将样品分离并电喷雾到质谱仪中。该装置目前的商用版本适用于全尺寸质谱仪,同时可以成功地与高压质谱仪联用,用于从氨基酸到完整单克隆抗体的分析物分析。

908设备公司的首席技术官Christopher D. Brown说:“我们有一个活跃的研究领域来开发一个小型系统,该系统可以将毛细管电泳芯片与微型质谱仪联用,用于生命科学领域。在生命科学领域,也有可能感兴趣的用户,就是生物学家们。他们可能不太了解质谱,也不太想了解质谱,但是他们想得到他们想要的答案。”

Ouyang说:“微型质谱仪是有市场的。作为公司,就是需要去发现它。这个市场不同于传统的质谱仪市场。通常,质谱仪操作是由经验丰富、训练有素的人员完成的。而微型质谱仪必须万无一失。”


作者:Celia Henry Arnaud
来源:《Chemical & Engineering》2018年96卷22期
译者:cynthia
译自:cen.acs.org
 
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