質譜儀器的發展

從J.J. Thomson制成第一臺質譜儀，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。
隨著最近這些年，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。