Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)（圖1）是由北京清譜科技有限公司的研發(fā)團(tuán)隊在清華大學(xué)和美國普度大學(xué)的深度合作下研發(fā)、設(shè)計、制造的質(zhì)譜產(chǎn)品，旨在為終端用戶提供簡單快速的原位化學(xué)分析方案。Mini β小型質(zhì)譜儀的實現(xiàn)源自兩項關(guān)鍵技術(shù)的誕生——原位電離和質(zhì)譜儀小型化技術(shù)。

圖1 Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)

1 儀器設(shè)計理念：十年礪劍，化繁為簡

Mini β小型質(zhì)譜儀的實現(xiàn)源自兩項關(guān)鍵技術(shù)的誕生——原位電離和質(zhì)譜儀小型化技術(shù)。原位電離設(shè)計概念率先由普渡大學(xué)R. Graham Cooks 和清華大學(xué)歐陽證教授團(tuán)隊于 2006 年提出(Cook et al.， 2006)，旨在為質(zhì)譜使用提供簡單易用、快速精準(zhǔn)的分析方法。十余年間，團(tuán)隊通過不懈創(chuàng)新，開發(fā)了以解吸附電噴霧(Takáts et al.， 2004)、紙噴霧(Wang et al. 2010)及段塞流微萃取(Ren et al.， 2014)為代表的一系列方法，并已經(jīng)過國際多所高校、科研院所和企業(yè)的原理及應(yīng)用驗證。Mini β小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)將原位電離技術(shù)植入了一次性進(jìn)樣試劑盒，在賦予質(zhì)譜儀簡單快速的使用特性的同時，避免了痕量分析工作中由樣品造成的潛在設(shè)備污染。

同期，R. Graham Cooks 和歐陽證教授的團(tuán)隊也在不斷探索質(zhì)譜小型化的方案，并在 2007 年推出了用于氣相分析的質(zhì)譜小型化技術(shù)(Gao et al.， 2007)。該技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用，是市場上便攜質(zhì)譜儀的原型，已被成功用于安防領(lǐng)域的氣體和揮發(fā)物檢測，而具備非揮發(fā)物質(zhì)檢測能力的小質(zhì)譜 Mini 12 是在氣相小質(zhì)譜的基礎(chǔ)上多次創(chuàng)新的成果(Gao et al.， 2008; Hendricks et al.， 2014; Li et al.， 2014)，也是 Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)的設(shè)計原型（圖2）。

圖2 質(zhì)譜小型化技術(shù)發(fā)展沿革

Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)是世界首款實現(xiàn)質(zhì)譜小型化與原位電離技術(shù)聯(lián)用的質(zhì)譜產(chǎn)品，此項儀器設(shè)計極大地降低了質(zhì)譜分析的復(fù)雜程度，增強(qiáng)了檢測的移動性、時效性，使儀器使用突破了檢測場地、時間和人員的限制，為用戶提供及時、準(zhǔn)確的化學(xué)信息反饋，在食品安全、公安執(zhí)法和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有著廣泛的市場潛力(Li et al.， 2014; Ma et al.， 2015; Ma et al.， 2016)。

Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)由PCS原位電離試劑盒和Mini β 小型質(zhì)譜分析儀組成，傳統(tǒng)質(zhì)譜儀所需的進(jìn)樣系統(tǒng)、質(zhì)量分析系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)、射頻控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)已全部壓縮集成在了55cm（長）×24cm（寬）×31cm（高）的空間中，體積僅和臺式電腦主機(jī)相當(dāng)。

2 核心技術(shù)與產(chǎn)品性能：小巧、快速、簡單

2.1 PCS 原位電離技術(shù)

2004年，普度大學(xué)R. Graham Cooks研究組開發(fā)出解析電噴霧技術(shù)(DESI)，直接離子化質(zhì)譜技術(shù)得到快速發(fā)展，紙噴霧技術(shù)(PS)、萃取噴霧技術(shù)(ExS)相繼推出。2015年紙噴霧技術(shù)得到優(yōu)化升級，得到更穩(wěn)定的微管紙噴霧技術(shù)(PCS)，并于2016年產(chǎn)業(yè)化為PCS原位電離試劑盒（圖3）。

圖3 PCS原位電離試劑盒

常規(guī)質(zhì)譜采用電噴霧（ESI）或大氣壓化學(xué)電離（APCI），要求經(jīng)分離提純后進(jìn)行離子化，而 Mini β小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)采用的 PCS 原位電離技術(shù)（Paper Capillary Spray），集樣品快速前處理和離子化于一身，無需額外樣品處理步驟，即可實現(xiàn)采樣-自動樣品純化-離子化進(jìn)樣，并可在采樣現(xiàn)場輕松完成（圖4）。以該技術(shù)為核心開發(fā)的PCS原位電離試劑盒，簡化了操作步驟，在提高質(zhì)譜分析所必須的樣品前處理速度的同時（1分鐘），降低了對操作人員專業(yè)性及檢測環(huán)境的要求。

圖4 Mini β 進(jìn)樣模式

相關(guān)**：

a) Analyzing An Extracted Sample Using An Immiscible Extraction Solvent， WO PCT/US2015/013649

b) Systems and Methods for Sampling Ionization Using Capillary Device， US 62/211，268

2.2 質(zhì)譜小型化技術(shù)

Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)的另一核心技術(shù)是質(zhì)譜小型化技術(shù)。該技術(shù)的實現(xiàn)主要歸因于真空和離子傳輸系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計。Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)將傳統(tǒng)質(zhì)譜儀普遍采用的多級真空腔體合并為單級腔體，傳統(tǒng)的連續(xù)大氣接口也調(diào)整為非連續(xù)大氣接口（DAPI），該設(shè)計使 Mini β 對真空泵保持著*低的需求，儀器真空的維持得以用小型真空泵來實現(xiàn)，從而使重達(dá) 400kg、功率達(dá) 6000w 的傳統(tǒng)質(zhì)譜儀優(yōu)化為 20kg、100W的小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)（圖5）。

圖5 Mini β 真空設(shè)計示意圖

清譜科技獨有的非連續(xù)大氣進(jìn)樣接口技術(shù)（DAPI）（圖6）可為質(zhì)量分析系統(tǒng)提供靈活的壓力控制，使進(jìn)樣、離子碎裂、質(zhì)量分析能夠在合適的壓力區(qū)間內(nèi)進(jìn)行（圖7）。更為重要的是，得益于單極真空的設(shè)計，DAPI技術(shù)使 Mini β 的靈敏度得以優(yōu)化提升。

圖6 非連續(xù)大氣進(jìn)樣接口（DAPI）

圖7 真空系統(tǒng)壓力變化

質(zhì)譜小型化技術(shù)除此之外，Mini β 的射頻系統(tǒng)使其質(zhì)量范圍達(dá)到2000Th，這個質(zhì)量范圍甚至能夠分析細(xì)胞色素等復(fù)雜樣品（圖8）。

圖8 細(xì)胞色素C的信號響應(yīng)

Mini β 采用了*前沿的線性離子阱技術(shù)，動態(tài)范圍達(dá)到了3個數(shù)量級，并具有強(qiáng)大的多級串聯(lián)質(zhì)譜分析（MSⁿ）能力。令人興奮的是，清譜科技在單阱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)雙阱系統(tǒng)，保證離子的高效碎裂，實現(xiàn)三重四極桿質(zhì)譜儀的全部功能。

相關(guān)**：

a) Discontinuous Atmospheric Pressure Interface， WO 2009/02336

b) Sample Quantitation Using a Miniature Mass Spectrometer， WO PCT/US2015/013649

3 Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)性能指標(biāo)

Miniβ小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)與其他質(zhì)譜產(chǎn)品相比，既保留了大型質(zhì)譜儀的性能和分析物的普適性(揮發(fā)、非揮發(fā)性)，也保留了小質(zhì)譜的現(xiàn)場檢測能力（表1，圖9），使原本實驗室內(nèi)總耗時若干天的質(zhì)譜分析可以在現(xiàn)場 1 分鐘內(nèi)完成。

表 1 Miniβ主要性能指標(biāo)

圖9 Mini β 質(zhì)量范圍、分辨率和靈敏度

4 Mini β 應(yīng)用模式：現(xiàn)場檢測、實時反饋和數(shù)據(jù)整合

Mini β小型質(zhì)譜分析儀終端配合清譜科技在建的化學(xué)云分析網(wǎng)絡(luò)（圖10），可在質(zhì)譜終端實現(xiàn)更好的智能化和拓展性的同時，通過中心化的數(shù)據(jù)分析，幫助上層決策人員實現(xiàn)規(guī)?；⒕W(wǎng)絡(luò)化的協(xié)同管理。

圖10 化學(xué)云分析網(wǎng)絡(luò)

在檢測現(xiàn)場，一線人員無需任何化學(xué)背景，只需將添加樣品的試劑盒插入儀器，按下開始按鈕即可開啟“一鍵式”全自動質(zhì)譜分析。在終端樣品分析過程中，儀器可通過識別試劑盒二維碼與對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)位置進(jìn)行實時通信，實現(xiàn)自動調(diào)取掃描方法、自動質(zhì)量分析、自動采集數(shù)據(jù)、自動數(shù)據(jù)處理、自動反饋結(jié)果等功能。整個過程在1min內(nèi)完成，分析完成后，結(jié)果報告自動上傳至化學(xué)云分析網(wǎng)絡(luò)。一線人員可通過手機(jī)獲取結(jié)果反饋，指導(dǎo)現(xiàn)場實踐。

在管理決策終端，后臺管理人員可通過化學(xué)云分析網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對檢測終端的遠(yuǎn)程管理與在線分析，及時響應(yīng)，快速決策。此外，化學(xué)云分析網(wǎng)絡(luò)還可為公安緝毒、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用需求提供專業(yè)化監(jiān)控定制方案。

5 應(yīng)用案例

Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)是世界首款實現(xiàn)質(zhì)譜小型化與原位電離技術(shù)聯(lián)用的質(zhì)譜產(chǎn)品，此項儀器設(shè)計極大地降低了質(zhì)譜分析的復(fù)雜程度，增強(qiáng)了檢測的移動性、時效性，使儀器使用突破了檢測場地、時間和人員的限制，為用戶提供及時、準(zhǔn)確的化學(xué)信息反饋，使檢測介入決策中去。在食品安全、公安執(zhí)法、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的市場潛力(Li et al.， 2014; Ma et al.， 2015; Ma et al.， 2016)。

在公共安全領(lǐng)域，Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)可為公安人員現(xiàn)場緝毒提供快速簡單的解決方案；在食品藥品領(lǐng)域，Mini β 可幫助執(zhí)法部門進(jìn)行現(xiàn)場篩查，防止不合格食品藥品流向市場；在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，Mini β 可提供即時檢測（POCT），幫助醫(yī)生及時研判病情，為患者爭取寶貴的治療時間。

下面以公安毒檢為例，對 Mini β 應(yīng)用方法做簡要介紹。

公安毒檢：尿液中苯丙胺、甲基苯丙胺、3，4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺（MDMA）的快速檢測

苯丙胺類興奮劑是苯丙胺及其衍生物的統(tǒng)稱，本案例基于小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)開發(fā)了尿液中苯丙胺、甲基苯丙胺、3，4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺（MDMA）（圖11）的實時快速檢測方法，無需繁瑣的樣品前處理，無需耗時的色譜分離，1步操作1min完成樣品分析，本方法的檢出限為100ng/mL。

圖11 苯丙胺、甲基苯丙胺、3，4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺結(jié)構(gòu)

實驗樣品

苯丙胺，CAS 300-62-9，1mg/mL，Cerilliant。冷凍保存，使用時稀釋至所需濃度；甲基苯丙胺，CAS 33817-09-3，1mg/mL，Cerilliant。冷凍保存，使用時稀釋至所需濃度；MDMA，CAS 42542-10-9，1mg/mL，Cerilliant。冷凍保存，使用時稀釋至所需濃度；以上標(biāo)準(zhǔn)品由浙江省嘉興市公安局提供。尿液樣品存于密封容器中，冷藏保存。

實驗設(shè)備

Mini β小型質(zhì)譜儀；PCS液體檢測試劑包（含PCS試劑盒、微量液體取樣器、萃取劑A）。

實驗方法

標(biāo)準(zhǔn)溶液分析：移取5μL標(biāo)準(zhǔn)溶液，從PCS試劑盒加樣口加于PCS上，從溶劑口加入3滴萃取劑A后，將試劑盒插入質(zhì)譜儀進(jìn)樣口，進(jìn)行質(zhì)譜分析。

樣品分析：用微量液體取樣器移取尿液（6.5μL），從PCS試劑盒加樣口加于PCS上，60℃干燥5min后，從溶劑口加入3滴萃取劑A，將試劑盒插入質(zhì)譜儀進(jìn)樣口，進(jìn)行質(zhì)譜分析。

MS條件：

電離模式：正離子模式；檢測方式：子離子掃描，監(jiān)測離子及豐度見表2。

表2 監(jiān)測離子及豐度

實驗結(jié)果與討論

通過對陰性尿液樣品加標(biāo)（500ng/mL）的方式考察了本方法的檢出限，以S/N=3計，本方法的LOD為100ng/mL。

苯丙胺、甲基苯丙胺、3，4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺（MDMA）的標(biāo)準(zhǔn)溶液子離子掃描譜圖、陰性尿液加標(biāo)樣品子離子掃描質(zhì)譜圖、陰性尿液子離子掃描質(zhì)譜圖見圖12-14。

圖12 （a）苯丙胺標(biāo)準(zhǔn)溶液子離子掃描質(zhì)譜圖（1μg/mL， PCS）；（b）陰性尿液加標(biāo)中的苯丙胺子離子掃描質(zhì)譜圖（1μg/mL， PCS）；（c）陰性尿液中苯丙胺的子離子掃描質(zhì)譜圖（PCS）

圖13 （a）甲基苯丙胺標(biāo)準(zhǔn)溶液子離子掃描質(zhì)譜圖（1μg/mL， PCS）；（b）陰性尿液加標(biāo)中的甲基苯丙胺子離子掃描質(zhì)譜圖（1μg/mL， PCS）；（c）陰性尿液中甲基苯丙胺的子離子掃描質(zhì)譜圖（PCS）

圖14 （a）MDMA標(biāo)準(zhǔn)溶液子離子掃描質(zhì)譜圖（1μg/mL， PCS）；（b）陰性尿液加標(biāo)中的MDMA子離子掃描質(zhì)譜圖（1μg/mL， PCS）；（c）陰性尿液中MDMA的子離子掃描質(zhì)譜圖（PCS）

本方法使用Mini β小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)建立了快速測定尿液中苯丙胺、甲基苯丙胺、MDMA的方法，該方法無需對樣品進(jìn)行處理，無需色譜分離，使用原位電離源PCS試劑盒，可快速完成尿液中苯丙胺、甲基苯丙胺、MDMA的定性檢測，為現(xiàn)場緝毒、毒駕監(jiān)管等提供了快速簡單的解決方案。

6 所獲獎項

2017年10月，在“北京分析測試學(xué)術(shù)報告會暨展覽會”（BCEIA 2017）上，Mini β榮獲中國分析測試協(xié)會頒發(fā)的“BCEIA 金獎”（圖15-16）。

圖15 Mini β 獲BCEIA金獎

圖16 BCEIA金獎證書

參考文獻(xiàn)

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