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)團隊在清華大學和美國普度大學的深度合作下研發(fā)、設計、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分析方案。Mini β小型質(zhì)譜儀的實現(xiàn)源自兩項關鍵技術的誕生——原位電離和質(zhì)譜儀小型化技術。

圖1 Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)

1 儀器設計理念：十年礪劍，化繁為簡

Mini β小型質(zhì)譜儀的實現(xiàn)源自兩項關鍵技術的誕生——原位電離和質(zhì)譜儀小型化技術。原位電離設計概念率先由普渡大學R. Graham Cooks 和清華大學歐陽證教授團隊于 2006 年提出(Cook et al.， 2006)，旨在為質(zhì)譜使用提供簡單易用、快速精準的分析方法。十余年間，團隊通過不懈創(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)的原理及應用驗證。Mini β小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)將原位電離技術植入了一次性進樣試劑盒，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備污染。

同期，R. Graham Cooks 和歐陽證教授的團隊也在不斷探索質(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(Gao et al.， 2007)。該技術現(xiàn)已被廣泛應用，是市場上便攜質(zhì)譜儀的原型，已被成功用于安防領域的氣體和揮發(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)的設計原型（圖2）。

圖2 質(zhì)譜小型化技術發(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聯(lián)用的質(zhì)譜產(chǎn)品，此項儀器設計極大地降低了質(zhì)譜分析的復雜程度，增強了檢測的移動性、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、準確的化學信息反饋，在食品安全、公安執(zhí)法和醫(yī)療診斷等領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相當。

2 核心技術與產(chǎn)品性能：小巧、快速、簡單

2.1 PCS 原位電離技術

2004年，普度大學R. Graham Cooks研究組開發(fā)出解析電噴霧技術(DESI)，直接離子化質(zhì)譜技術得到快速發(fā)展，紙噴霧技術(PS)、萃取噴霧技術(ExS)相繼推出。2015年紙噴霧技術得到優(yōu)化升級，得到更穩(wěn)定的微管紙噴霧技術(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）或大氣壓化學電離（APCI），要求經(jīng)分離提純后進行離子化，而 Mini β小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)采用的 PCS 原位電離技術（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-離子化進樣，并可在采樣現(xiàn)場輕松完成（圖4）。以該技術為核心開發(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 進樣模式

相關**：

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

Mini β 小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)的另一核心技術是質(zhì)譜小型化技術。該技術的實現(xiàn)主要歸因于真空和離子傳輸系統(tǒng)的創(chuàng)新設計。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 400kg、功率達 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 真空設計示意圖

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

圖6 非連續(xù)大氣進樣接口（DAPI）

圖7 真空系統(tǒng)壓力變化

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

圖8 細胞色素C的信號響應

Mini β 采用了*前沿的線性離子阱技術，動態(tài)范圍達到了3個數(shù)量級，并具有強大的多級串聯(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**：

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

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

圖9 Mini β 質(zhì)量范圍、分辨率和靈敏度

4 Mini β 應用模式：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云分析網(wǎng)絡（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)?；?、網(wǎng)絡化的協(xié)同管理。

圖10 化學云分析網(wǎng)絡

在檢測現(xiàn)場，一線人員無需任何化學背景，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的網(wǎng)絡位置進行實時通信，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云分析網(wǎng)絡。一線人員可通過手機獲取結(jié)果反饋，指導現(xiàn)場實踐。

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

5 應用案例

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聯(lián)用的質(zhì)譜產(chǎn)品，此項儀器設計極大地降低了質(zhì)譜分析的復雜程度，增強了檢測的移動性、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、準確的化學信息反饋，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；在食品藥品領域，Mini β 可幫助執(zhí)法部門進行現(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；以上標準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

標準溶液分析：移取5μL標準溶液，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)譜儀進樣口，進行質(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)譜儀進樣口，進行質(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（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）的標準溶液子離子掃描譜圖、陰性尿液加標樣品子離子掃描質(zhì)譜圖、陰性尿液子離子掃描質(zhì)譜圖見圖12-14。

圖12 （a）苯丙胺標準溶液子離子掃描質(zhì)譜圖（1μg/mL， PCS）；（b）陰性尿液加標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）甲基苯丙胺標準溶液子離子掃描質(zhì)譜圖（1μg/mL， PCS）；（b）陰性尿液加標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標準溶液子離子掃描質(zhì)譜圖（1μg/mL， PCS）；（b）陰性尿液加標中的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“北京分析測試學術報告會暨展覽會”（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

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