Science：質譜技術的“小時代”

　　Peter Girguis既不是質譜學家也不是化學家。他是一名微生物的生理學家，他所感興趣的是深海中的生物地球化學。

　　“我們的整個生物圈都由微生物所運轉。”哈佛大學John Loeb自然科學教授Girguis表示，“這算是一切的出發點。”

　　但是大多數的微生物并不能在實驗室培養，難以進行常規的分析。Girguis想要理解這些微生物，他開始研究這些微生物對海底化學組分的影響，并將這些數據與基因表達分析相關聯，希望能夠理解那些微生物在做什么。

　　“我認為，這就是為什么質譜成為最有用的工具之一，因為只要有一個分析器，你就可以檢測到大量的化合物。”Girguis表示。

　　毫無疑問，質譜具有難以置信的能力。研究人員通過使用這些儀器，可以區分開只有一個化學修飾差別的蛋白和多肽。這些儀器可以掃描復雜的生物流體，并能定位出造成差異的幾個分子上。它們也可以一次性檢視成百上千個化合物的樣品。

　　然而，進行這樣的研究需要相當多的專業技能。而且所使用的儀器幾乎都是實驗室專用的，普渡大學Henry Bohn Hass化學教授R. Graham Cooks說，他也是推動質譜技術小型化的引路者。

　　Cooks說，臺式儀器“重達數百磅”。它們昂貴、耗能，連接著輸氣管道和強力真空泵，并且經常需要前端的分離系統。而在分析的角度，它們產生了難以置信的復雜光譜，需要專業的軟件進行解讀。所有這些都使它很難成為潛在受益者的掌中之物，如臨床醫生，焚燒廠的消防隊員，甚至是倉庫的食品安全檢查員。

　　“質譜儀的縮小，關鍵是要做原位、現場的測量。”Cooks說，“這就需要儀器足夠輕便……能夠隨心所欲地移動。”

　　“變小”或“被淘汰”

　　為了讓質譜儀變得更小、更好用，研究人員授權了大規模的用戶進行使用。德克薩斯州韋伯斯特的1st Detect公司總裁和首席技術官David Rafferty，將這種大眾化的結果比作是個人電腦的革命。“過去，只有大型機構、高校和公司擁有電腦，但現在隨著個人電腦的出現，它可以被大量的民眾所使用。可以說，我們也想在質譜儀中做同樣的事情。” Rafferty說。

　　1st Detect公司雇傭了大量的航空航天工程海外專家，打算將其MMS-1000系統用于工業質量控制、食品安全檢測，以及國土安全。相反，908 Devices公司則將其3.75磅的“高壓質譜儀”聚焦于安全和保障市場上的急救人員，該公司商業發展和市場部副總裁Chris Petty說。而位于英國薩里的Microsaic系統公司則將其單四線4000 MiD定位在從事藥物研發的有機化學家身上。

　　Girguis的需求則更加難以理解。他的研究需要量化在海底及海底之下的溶解氣體，如甲烷、氫氣和氧氣。當然，這些通過在船上裝一個臺式質譜儀就可以做到，收集深海樣品并在甲板上進行分析。然而，由于壓力和溫度的差異，位于海平面下1千米深的水樣比海平面的水樣保留的氣體要多得多。“甲烷在5℃、一個大氣壓下的溶解度大約是2毫摩爾。而在海底，甲烷的溶解性則要高很多。”

　　他意識到，需要一臺能夠在現場使用的質譜儀。作為一名“設備發燒友”，他決定自己造一臺。

　　Girguis最初接觸高壓質譜技術是在加州大學圣芭芭拉分校做研究生的時候，當時他對能夠在熱液噴口聚居的動物及其共生物感興趣。他開始在壓力倉中進行研究。隨后，作為一名博士后，他想要探索微生物對海洋中甲烷和氫氣含量的影響。此時，他意識到自己需要一臺特殊的儀器。然而，如何將質譜儀做到又小、又能夠在水下操作呢？

　　“真正靈感迸發的時刻來源于有些公司開始制造小型渦輪泵的時候。”他說。（其中一家公司——Alcatel Vacuum公司，隨后被另一家Pfeiffer Vacuum德國公司收購。）

　　為了制造質譜儀，他與一位機械工程師聯手，將一臺斯坦福研究系統公司的商業化四極質譜分析器、一臺Pfeiffer公司的HiPace80渦輪泵，和一臺定制的氣體抽取機一起裝配到一個25厘米寬，90厘米長的柱形容器中。結果就是“原位質譜儀（in situ mass spectrometer，ISMS）”，這臺重約25千克的裝配物類似于一個經過鈦包裹的水箱，他說道。

　　抽取機是核心部件，Girguis說。本質上，金屬熔塊在高真空環境下為一個10微米厚的特富龍膜提供結構支持，這個結構在450個大氣壓力下，對質譜進樣的水分進行抽氣處理。得到的水汽被壓入儀器中，被電離裝置離子化并進行質譜分析，這就類似于一種沒有氣相質譜的氣相色譜耦合質譜儀。

　　原位質譜儀已經造訪了一些令人羨慕的場所。通過將它搭載在遙控潛器或載人深潛器（像伍茲霍爾海洋研究所的“阿爾文”號），這種質譜儀已經游覽了墨西哥灣，華盛頓州、亞述爾群島（在北大西洋的大西洋中脊）和南太平洋的熱液口。“我可以肯定，我們此時已進行了超過100次的深潛。”Girguis說。

　　利用這臺儀器，他已經完成了他所謂的熱液口溶解氣體“地球化學地圖”，收集到了成百上千項來自不同深度的海底沉積物和海底數據。在一項研究中，令他吃驚的一項發現是 ，有時被稱為黑煙囪的神奇深海熱液口噴出的氣體，實際上往往要少于海底不遠處的“擴散流”。“這也證明了，你的眼睛在欺騙你。”他說。

　　Girguis在他的網頁上發布了原位質譜儀的詳細方案和每部分清單，任何人都可以造出一臺這樣的儀器。總花費大約是15000美元。然而外殼則是另一大麻煩。一個為相對較淺的浮潛（達到50米左右）所配備的簡單的聚氯乙烯外殼大約要花費1000美元，但是，“如果你想要一個鈦的，下潛到4000米深度，那就必須要為外殼單獨支付2萬美元。”

　　親，我把質譜儀縮小了！

　　小型化質譜儀在其他奇異的領域也具有潛力。據Rafferty說，一家博物館接洽了他的公司（盡管在成文時尚未達成交易），他們在尋找檢測防腐劑泄漏的方法，這款防腐劑正用于保護一只經過防腐處理的大王烏賊。美國北德克薩斯州大學副教授Guido Verbeck正在實驗室研究小型化質譜儀。他預想，他的設計能應用在國土安全和軍隊中，例如能夠向著火的工廠中“投擲”一臺質譜儀，并發回燃燒物的報告。“但是這樣會損壞設備，因此你必須造出便宜、小型而又輕便的設備，沒有移動部件。”

　　對于Cooks來說，他將目光瞄準在外科裝置上。他與波士頓的布萊罕婦女醫院同事Nathalie Agar一起，展示了在他們制造的質譜儀中使用血脂檢查來進行腦腫瘤分級的可行性（參見《質譜成像技術——從實驗臺到臨床》，scim.ag/1dCjmPx）。但是這一實驗只涉及到相對簡單的臺式儀器，Cooks說，也就是配備了Bruker公司和Thermo Fisher公司的離子阱，裝配了Prosolia公司的電噴霧解析電離技術。

　　合乎常理的下一步，他說，是將離子阱的尺寸（還有成本）縮小，使其可以成為各地手術室中一個實用的組件。

　　事實證明，縮小質譜儀最大的一個挑戰在于真空泵，Cooks說。質譜在真空泵中的作用是消除背景信號，防止分子間的碰撞事件。但是真空系統又大又笨，而這些參數是與所需的壓力成比例的。Thermo Fisher公司的代表表示，該公司的Orbitrap軌道離子阱需要在液質聯用模式下使用三個渦輪泵以900升/秒的速度運作，才能達到低于10-10托的真空泵。

　　飛行時間質譜分析器也需要高真空環境。因此，大多數的小型質譜儀都來自于容許差異的質譜儀，如離子阱和四極質譜，盡管至少有兩位研究者都成功地對飛行時間質譜分析器進行了小型化，包括Verbeck。Verbeck制造了一臺基于反射器的小型飛行時間質譜儀，使用了微機電系統或MEMS技術，使用摻入硼的硅晶片，將這些部件組裝起來，就像老式的卡槽紙模型。該分析器只能檢測到2厘米×5厘米，通過將離子在延伸的時間中前后移動，來延伸離子的有效路徑長度。

　　Cooks（與他在普渡大學的合伙人Zheng Ouyang）用一個線性（或四極的）離子阱制造了他的小型化質譜儀，可以在大約10-3托的情況下工作。

　　為了創造真空環境，他和Ouyang獲取了能找到的最小的商業化渦旋泵，能達到大約每秒10升。“你必須有一種能使用小型真空泵的方式。”他說，“這是最難的部分，許多人都被這個環節難倒了。”

　　這種泵太小了，以至于無法進行連續的樣品引入。因此該團隊開發了一種非連續的樣品引入系統，被稱為非連續大氣壓引入（DAPI，discontinuous atmospheric pressure introduction），能夠從系統的電離源中（在此例中是電噴霧解析電離技術）獲得離子，并將其控制在夾管閥的一端，周期性地開啟，以將其一起引入質譜分析儀中。

　　Cooks說，結果就制成了一個完全自持的裝置Mini-11，僅重8.5千克，在一個便攜裝置中就包括了真空泵、泵（渦輪泵和支持泵）、離子化系統、電池、電子器件和通訊部件。另外還有一種背負式的、25公斤Mini-12。而且Cooks也暗示，還有一種甚至更小的裝置，可能是由蘋果手機供電，可以用在室內的診斷工作。

　　然而不管這些儀器的尺寸有多小，它們卻有驚人的強大力量。Mini-11和-12提供的單位分辨率質譜能夠達到600質荷比，這一范圍已經可以適用于進行代謝、脂類和其他小分子研究。

　　小質譜，大問題

　　除了真空泵外，小型化質譜儀也存在其他的困難。例如，離子阱的中心電極傳統上是弧形的，就象一個中間被捏扁的鋁罐。當它變小時，這一形狀變得越來越難以達到制造的精度，產生的瑕疵可能會對離子運動產生負面的影響。

　　1st Detect公司繞開了這個問題，它們將傳統的“雙曲線”設計替換為更易于制造的圓筒形裝置，基本上就是在電極中鉆穿一個光滑的小孔。“你可以更容易地將它變小，而不用依照精密的曲線。”Rafferty說。

　　在Torion技術公司研發部主任Stephen Lammert看來，另一個問題是當捕獲器變小時，將同樣數目的離子擠壓進去變得越來越難。“小型化質譜的重要挑戰就是：你如何能在將捕獲器變小的同時不損失離子的能力？特別是離子捕獲。”

　　Torion的解決方案是環形離子阱，體現在它的Tridion-9質譜儀中。它將傳統捕獲器的捕獲特性轉移至一個甜甜圈形狀的容器中，能夠保留高達400倍的更多離子。“我們在儀器中采用的環形離子阱，只有我們常見的實驗室離子阱半徑的五分之一，但由于具有了延伸的幾何存儲形狀，它仍具備傳統捕獲器的能力。”它使用的電壓也降低了25倍，總功率降低了125倍。

　　對于Verbeck來說，制造小型質譜儀的最主要挑戰在于電氣化。

　　他說，“我們當前遇到的問題是儀器太小了，以至于線纜一個挨著一個，會有相互干擾。”他的團隊不得不重新開始，再設計電子系統，“在傳導墊之間做出更整潔的通道，并使其變得更寬”等等。

　　在質譜設備小型化中，最大的問題可能在于它需要在效能和靈活性中權衡。例如，離子阱是小型化中最招人喜愛的候選者，不僅因為其簡易性，而且因為它們具有串聯質譜分析的嵌入功能，可以使復雜的結構分析變得可能。

　　但是針對士兵、消防員和醫生的質譜儀則必須夠簡單，盡管使用者并不懂其中的細微差別。并且在數據有需求時，具有自動轉換為串聯模式的嵌入式智能。

　　這一系統必須足夠高效，能夠由電池帶動，并且能夠將質譜的復雜性隱藏在友好的用戶界面下，讓質譜儀的新手可以輕松上手。不要做成需要用戶指令的儀器，正如Rafferty所表達的，要成為掃描一個樣品就直接報告“嗶嗶，殺蟲劑”的儀器。

　　這并不是說迷你質譜儀在實驗室中沒有空間。一臺價格不高、能夠放入通風柜的質譜儀，將會成為任何有機化學家工具盒中受歡迎的組件，至少Microsaic系統公司的4000 MiD完全吻合這一目的。但是迷你質譜儀最令人興奮的應用無疑還是在實驗室之外。

　　“我們甚至不希望這種裝置被稱作質譜儀。”提起MMS-1000時，Rafferty表示，“我們更希望將它看做是一個感應器或化學檢測器。”誠然，當你褪去所有的浮華外表時，難道不就是質譜本來的樣子嗎？■

　　（譯者之一高大海系中國科學院海洋研究所助理研究員）

　　Jeffrey M. Perkel是愛達荷州波卡特洛的科學自由撰稿人。