1.1 质谱技术
质谱法（Mass Spectrometry， MS）是一种在高真空系统中对样品分子进行分离测定的方法，通过使待测物质电离形成不同质荷比的离子，利用电磁学原理使离子按照质荷比分离并测定离子流强度，将质荷比从小到大依次排列后得到该样品的质谱图（Mass Spectrum），并最终与数据库中标准物质的质谱图分析对比后判断原样品分子的化学组成。
根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。相比于常用于有机化合物结构分析的核磁共振波谱、红外光谱和紫外-可见光谱，质谱分析法是唯一一个可以确定分子式的方法，且可以根据已知化合物分子断裂规律有效推断未知分子的结构信息。
用来检测待测物质的质谱，并进行相对分子质量、分子式、结构分析的仪器称为质谱仪。质谱仪主要由五个部分组成，分别为进样系统（Inlet）、离子源（Ionsource）、质量分析器（Mass Analyzer）、离子检测器（Detector）、真空系统（Vacuum System）、电子测控系统以及数据处理系统（Data System），为了获得离子的良好分析，必须避免离子损失，因此凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。高真空系统能防止空气中大量氧损坏离子源的灯丝、防止几千伏加速电场意外放电、防止空气中的分子产生额外的裂变反应导质谱图出现干扰。
图表1 质谱仪原理

资料来源：钟鼎生物，智银全球生物医药资料库
1.2 质谱仪的分类
按质量分析器的工作模式分类：静态质谱仪（磁偏转（单/双）聚焦质谱）和动态质谱仪（四极杆质谱、离子阱质谱、飞行时间质谱和傅里叶变换离子回旋共振质谱）两大类；
按分析物质的化学成份性质分类：无机质谱仪（元素分析）、有机质谱仪（有机分子分析及生物大分子分析）和同位素质谱仪；也有人把生物质谱单独分出来；
按质量分析器的工作原理分类：磁偏转（单/双）聚焦质谱、四极杆质谱、离子阱质谱（包括线性离子阱和轨道离子阱）、飞行时间质谱和傅里叶变换离子回旋共振质谱等五大类，还有其他新型质量分析器和串联质谱仪；
图表2 质谱质量分析器类型

资料来源：Tiger hyh，智银全球生物医药资料库
按分析的应用领域分类：实验室分析质谱仪、专用质谱仪、工业质谱仪、医疗质谱等；
按离子源的电离方式分类：电子轰击电离质谱仪、化学电离质谱仪、场/解析电离质谱仪、快原子轰击电离质谱仪、辉光/电弧/激光电离质谱仪、基质辅助激光解吸电离质谱仪、电喷雾电离质谱仪等；
图表3 质谱离子源类型

资料来源：Tiger hyh，智银全球生物医药资料库
按分辨率高低分类：低分辨质谱仪、中分辨质谱仪和高分辨质谱仪；
按与其它分析仪器联用方式分类：气相色谱-质谱联用仪（气质联用仪）、液相色谱-质谱联用仪（液质联用仪）、光谱-质谱联用仪、毛细管电泳质谱联用仪等；
按多个质量分析器组合模式分类：单级质谱仪和多级（串级）质谱仪；串级质谱仪又分时间串级（离子阱）质谱和空间串级质谱（三重四极杆质谱和四极杆-飞行时间质谱仪）；
按仪器外观分类：台式质谱仪和落地式质谱仪；小型质谱仪和大型质谱仪。
按使用场合分类：实验室质谱仪，在实验室环境中固定位置使用；过程质谱仪，在现场固定位置连续监测；移动质谱仪，在移动过程中使用。
1.3 小型质谱仪的技术难点
小型质谱仪是一种小型、便携式的质谱仪，将质谱仪进行小型化封装后可以实现化学物质在现场的快速检测和分析，无需连接实验室中无法便携的其他部件。一般的质谱仪通常需要经验丰富、训练有素的人员来操作，而小型质谱仪在无专业操作人员情况下可以正常运行。
为了达到快速检测和体积小的优势，小型质谱仪的技术难点主要包括以下几个方面：
★ 快速前端分离：快速将样品离子化，并减小样品处理系统的体积。
★ 小型真空泵：缩小质谱仪面临的挑战之一就是真空。质谱在真空中起作用以消除背景信号并避免分子间碰撞事件，但真空系统大而重，要缩小质谱仪的体积和重量就需要使用小型的真空泵。飞行时间（TOF）质谱仪需要高真空度，因此大多数小型质谱仪由即离子阱或极杆构建。
★ 离子阱与离子容量的平衡：随着陷阱变小，挤压相同数量的离子变得越来越困难。小型化质谱仪特别是离子阱的巨大挑战是如何使陷阱更小而不会损失离子容量。
★ 性能和体积的平衡：由于小型质谱仪体积较小，所以可能在质量准确性、质量稳定性、质量分辨率和检测限等性能上不及大型质谱仪，因此在将质谱仪小型化时如何平衡体积和性能是一个技术问题。
★ 仪器稳定性和信噪比：由于微型质谱仪的体积较小，受环境因素的影响比较大，仪器的稳定性是一个需要解决的问题。同时信噪比对于质谱仪的检测结果具有很大的影响。
★ 自动化和方便使用：自动化可以提高实验的准确性和效率，简单易使用的小型质谱仪能够在更广泛的场景中使用。
1.4 小型化质谱仪与大型质谱仪技术的主要差异
针对上述这些技术难点，可以采用新型的离子源和检测器、优化质量分析器设计、开发高效的数据分析算法等，以提高小型质谱仪的性能和稳定性，降低成本，实现更加广泛的应用。目前小型质谱仪与大型质谱仪之间的主要技术差异在于离子源和质量分析器的优化。
★ 进样方式和流程：进样系统目的为将待测物质送进离子源，根据进样方式不同可分为直接进样与间接进样。常规大型质谱仪的前段通常是大型的HPLC，小型质谱仪的进样方式更加简单，而且无需对样品进行预处理，整体流程简便快捷。小型质谱仪通过新型的样品分离技术，单步处理复杂样品，免于色谱法分离，集样品快速前处理和离子化于一身，无需额外样品处理步骤，在采样现场实现采样-自动样品纯化-离子化进样，满足日常定性定量需求。
★ 离子源方式：常规的大型质谱采用电喷雾（ESI）或大气压化学电离（APCI），要求经分离提纯后进行离子化，而小型质谱分析系统通常采用更简便的技术，例如实时直接分析(DART)和解吸附电喷雾(DESI)等原位离子源（Ambient Ionization Source）方法在大气压下直接对未处理或者半处理的样品进行解吸、电离，达到快速处理样品的目的。
图表4 解吸附电喷雾(DESI)示意图

资料来源：Wójtowicz, A., Wietecha-Posłuszny, R. DESI-MS analysis of human fluids and tissues for forensic applications. Appl. Phys. A 125, 312 (2019).，智银全球生物医药资料库
★ 真空泵大小和位置：对小型质谱仪来说，真空系统是整个系统重量最重、功耗最大的部件，因此对质谱系统的小型化可能起着决定性作用。而实验室质谱仪的真空系统通常由涡轮分子泵与旋片式机械泵、干泵、隔膜泵等结合实现，但是这一机械结构并不适合移动作业。小型质谱仪的真空泵大大减小了体积的占用，可以和其他部件集中在一个设备中。微型离子阱体积较小，是小型化质谱仪中最常见的质量分析器。在离子阱中，需要将各种不同电压和频率的电流施加到电极上以设置离子运动的电场。设备越小，捕获离子所需的电流频率就越高。小型化的一个好处是它们可以在比其他同类设备更高的压力下运行，所以仪器对真空泵系统要求会降低。缩小了庞大的真空泵，就为整机小型化提供了条件。其他类型的质谱仪通常需要将系统内部的压力通过真空泵降低到0.001 Pa甚至更低，以便离子可以轻松在内部穿行到达检测器。这种真空状态通常需要多级泵送来实现。相比之下，离子阱通常可以在0.1 Pa以下的压力下运行。较小的离子阱只能保持较小的离子流，因此一次可以检测到的质量范围较窄，并且可能会降低灵敏度。J. Michael Ramsey和波士顿的908 Devices合作开发的仪器通过使用离子阱阵列克服了这些问题，离子阱阵列提高了捕获离子的能力。另一种方法是使用一维扩展的陷阱，如线性或环形陷阱。
 

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