丁傳凡：PCB離子阱高性能和降低成本的核心技術

　　【導語】2015年7月11日，由復旦大學和中國計量科學研究院研發的“四極離子阱關鍵部件和技術研究與應用”科技成果通過了技術鑒定。中國分析測試協會專家組評價：“研發成果的技術創新性強，所發明的PCB離子阱和離子阱陣列技術國際領先，四極離子阱的質譜性能達到國際先進水平”。分析測試百科網采訪了該技術負責人之一—復旦大學丁傳凡教授，深度解析這項技術的創新點、意義以及質譜產業化的設想。

　　

復旦大學教授丁傳凡

　　離子阱質譜三大特性

　　眾所周知，質譜領域里有幾個Nobel獎，其中之一就是：Paul博士由于離子阱的發明獲得了1989年的Nobel物理學獎。離子阱曾被譽為“state of the art”的技術，它充分體現了“人定勝天”的思想，人們通過操控離子阱分析器上的電學參數，可以獲得多種所需的分析性能。那么同比來看，在磁質譜、飛行時間（TOF）、四極桿、離子阱、傅里葉離子回旋共振（FTICR）、軌道離子阱（Orbitrap）這六種質量分析器中，離子阱質譜具有怎樣的特點？

　　丁傳凡介紹，離子阱質量分析器除具有所有質量分析器所共有的質量分析功能外，還具有以下特點：

　　1、離子質量選擇性存儲和逐出功能，即選擇離子，讓其穩定存儲在阱內, 或將其逐出離子阱；

　　2、離子存儲和富集能力。磁質譜、TOF和四極桿都不具備此功能；FTICR和Orbitrap雖然也有離子存儲能力，但造價太高，一般不將FTICR作為離子存儲器，而Oribitrap的存儲功能和離子阱也有所不同；

　　3、可在單一離子阱內完成MSn串級質譜分析。同樣，FTICR和Orbitrap也能完成串級操作，但儀器造價太高；磁質譜、TOF和四極桿都不具備此能力。

　　丁傳凡表示，隨著質譜技術的發展，目前離子阱質譜除了單獨作為質譜儀器使用；還能和TOF、Orbitrap或FTICR等各種高分辨的的質譜聯合使用；這時離子阱進行離子存儲、質量選擇或者串級質譜分析，再將其產物送入后續質譜做高分辨率檢測。

　　十余年專注離子阱質譜研究

　　丁傳凡從事離子阱質譜技術的研究已有十幾年的時間，之所以專注于此，丁傳凡指出原因所在：工作的延續性和科學研究的工作需要。

　　丁傳凡具體談到：“首先是背景方面的原因，我在碩士、博士以及去美國從事博士后工作期間都在研究飛行時間質譜；后來去加拿大工作，開始研究四極桿質譜；從發展歷程來看，接下來順其自然就是對離子阱質譜的研究。其次是客觀原因，第一，我2004年回到復旦大學，當時申請了一項關于離子阱的ZL并轉讓給了島津公司，需要進行進一步的研發；第二，從科學問題來講，我個人覺得磁質譜、飛行時間質譜和四極桿質譜雖然有很多技術（工藝制造）問題需要解決，但不存在太多的科學問題；而我在大學做科研，就是要研究一些基本的科學問題；第三，從應用上來看，離子阱質譜可以設計得更簡單和小型化，利于更廣泛的利用。”

　　丁傳凡認為，當前離子阱研究主要有兩方面的熱點：第一，國際質譜學界認為離子阱質譜是目前小型化、便攜式質譜儀器的首選。既然要做小型化質譜，就要考慮如何在保證質譜性能的情況下簡化離子阱的結構；第二是基礎的物理學問題研究，比如電極與電場的關系，以及各種電場中離子運動的基本規律與理論。

　　創新技術達到國際先進水平

　　

多種離子阱

　　此次鑒定了一系列離子阱技術，主要有印刷線路板離子阱、柵網電極離子阱、三角形電極離子阱、PCB陣列離子阱分析器等。關于本項研究，丁傳凡指出，選題時必須同時考慮其理論意義和實際價值。“首先，離子阱質譜中有很多的科學問題值得不斷研究；第二，如何設計合適的離子阱后能使得加工更簡單，最適合像中國這種質譜生產和技術起步比較晚的國家，因此在國產化方面，我個人認為選擇離子阱最合適。”丁傳凡說。

　　印刷線路板離子阱（PCB離子阱）簡單和高性能集于一身

   　　

PCB離子阱

　　離子阱內，進行質量選擇和分析的電場基礎是離子在四極場中的運動。傳統理論認為，四極場純度越高，性能越高。在簡化離子阱設計、實現小型化的同時，如何保持較高的性能，是該項研究的主要挑戰。普渡大學的研究者曾采用圓弧形或矩形的電極來制造離子阱，但這樣做的話，不能調節電極形狀，無法改變電場分布，導致離子阱的性能受限。

　　是否可以找到一種方法，既可以降低生產成本、簡化離子阱的結構，又能讓離子阱質譜的性能達到最好？復旦大學和中國計量科學研究院團隊研制的PCB印刷線路板離子阱技術由此誕生。“印刷線路板離子阱的核心設計是：加在PCB離子阱上的電壓可調，這樣就可以調節電場的分布，進而優化離子阱的質譜性能。”丁傳凡說。

　　PCB離子阱實現了兩大創新：結構創新和理論創新。結構上，利用廉價的PCB板制造離子阱質量分析器，首先克服了傳統雙曲面電極加工難度大、成本高的問題；其次通過優化阱內電場可優化質譜性能，獲得比傳統離子阱更好的質譜性能。迄今為止，PCB離子阱的質量分辨率已可達到6000以上，m/z質量范圍可達到5000 Da以上，并具備良好的質譜性能和串級質譜分析能力，已獲得中國、美國、加拿大、日本、俄羅斯、歐洲ZL。理論上，復旦大學和計量院的團隊系統闡述了：用簡單的印刷線路板產生什么樣的電場，離子阱能獲得最佳的性能，相關成果發表在Analytical Chemistry等雜志上。”

　　柵網電極離子阱

  　　

柵網電極離子阱

　　另一項成果是柵網電極離子阱，它消除了離子引出小孔對電場分布的影響，提高了離子透過率和質量分辨能力，并降低了對離子阱離子狹縫口的加工精度要求，具備良好的串級質譜分析功能，該項技術具有自主知識產權。

　　三角形電極離子阱

   　　

三角形電極離子阱

　　三角形電極離子阱用三角形電極代替雙曲面形電極制造離子阱，具備良好的串級質譜分析功能，滿足高階場成分的分析與選擇。

　　PCB陣列離子阱分析器

   　　

PCB陣列離子阱

　　一臺質譜儀器通常只有一個質量分析器，某一時刻只能分析一個樣品，丁傳凡指出PCB陣列離子阱的創新點：“這個阱的創新在國際上我們是第一個想到的，我們的陣列質譜在結構上是全新的，具備多通道，既可以同時分析同種樣品，也可以同時分析不同樣品，成倍地提高了質譜儀器的分析速度和靈敏度，質量分辨>1300、質量范圍>2800，實現了真正的高通量質譜分析；且制造價格低廉，已獲得美國、日本和歐洲的發明ZL。”

　　PCB離子阱和陣列離子阱的貢獻

　　中國質譜研究和產業化的最大難題：高精度機械加工

　　關于PCB離子阱和陣列離子阱的意義，丁傳凡首先談到了在中國進行質譜研發和制造中面臨的主要困難。

　　一、質譜研發需要跨學科的知識，需要跨學科的人才

　　比如在研發中，化學系的學生做化學沒問題，但質譜還涉及到機械、電子、電氣等專業問題，化學系的學生很多對這些方面不擅長。”我們一方面通過招不同學科背景的學生，一方面通過大量的訓練和實踐，來培訓學生掌握多學科的知識。“

　　二、研發中很難買到配件、器件

　　中國質譜儀器行業起步比較晚，在國外很多器件可以買現成的，例如射頻電源、測控系統、四極桿或者阱；在國內只能靠大家不斷摸索甚至自己從頭研制。當然，現在我們做的阱在國外也買不到了。”

　　三、高精度元器件和核心器件的加工制造

　　在中國，研究過程中遇到的最大問題很多不是科學和技術上的問題，而是元器件加工的問題。理論上是沒有困難的，困難是怎樣把理論變成儀器。“讀我的研究生是非常辛苦的，首先要有想法，還要做理論分析、設計儀器，其中涉及儀器加工，之后要進行測試，針對過程中出現的各種問題要不斷改進。”丁傳凡說。

　　丁傳凡指出，盡管中國的質譜技術已發展多年，但高精度的質譜制造仍面臨著巨大的挑戰，“2011年的“十二五”重大儀器專項，綿陽九院組織了一個項目專門研發高精度的四極桿質量分析器的加工，我了解到中國有些企業能做離子阱，但卻沒有產業化，其根本原因就是機械加工的難度太高。質譜儀無法國產化，其應用范圍就會受到限制，也正因為我們研發了PCB阱和離子阱陣列，讓國產化從不可能變為可能。“

　　PCB離子阱和陣列離子阱的意義

　　據了解，離子阱質譜在中國的發展和四極桿質譜類似，不管是傳統的三維離子阱，還是線形離子阱，在國內都沒有商品化產品，也沒有哪個單位可以加工出質量過得硬的離子阱。

　　那么，核心的離子阱分析器就需要從國外購買，比如美國的少數公司可以提供離子阱商品，售價一般在一萬美元左右。所以，離子阱面臨的問題和四極桿類似，核心器件售價過高，被國外制約；若開發出GC-MS或LC-MS離子阱質譜商品，售價又必然比國外低；會處于價格夾心、甚至完全不盈利的局面。

　　而如果采用PCB離子阱技術，將大大降低加工難度和核心分析器的成本。國內多數生產印刷線路板的廠家、或有一定技術水準的機械加工廠家都可以生產PCB離子阱；產品成本價格約為幾百元人民幣；由于PCB離子阱對離子阱電極的幾何精度要求低，成品率也很高。

　　同時，由于PCB離子阱結構簡單、價格便宜、材料性能好，所以在小型化、在線使用、易于便攜和運輸等方面會更有優勢。更神奇的是，對于需要測量重污染，高通量的環境樣品，由于PCB離子阱質量分析器便宜，甚至可以當作耗材使用，即無需對污染過的離子阱進行清洗，直接更換即可，質譜抗污染性能更好。

　　 丁傳凡補充說：”因為PCB離子阱在功能上與傳統離子阱無任何差別，所以它可以用在一切傳統離子阱可以使用的領域，但性能會更優越，價格更便宜；并且非常容易實現小型化，抗震、抗污染方面也會更有優勢。“

　　質譜產業化的2大難題

　　丁傳凡認為，在中國，質譜技術產業化仍面臨2方面的問題：

　　1、學校作為研究機構會開發一些新的技術，或發展一些新的理論，而對質譜的產業化來說最好的方法是有企業愿意去投資，共同促進新技術產品化。“我在加拿大工作時，所在的實驗室和國際一家大公司合作。經費和很多儀器設備是儀器公司給的，事先告訴儀器公司他們要從事哪個新技術的研究，而公司正好需要這項技術，在這個研究的技術成熟后，儀器公司直接用來進行產業化，這就達到了無縫對接。而在中國很少有大學和質譜儀對口企業建立這種無縫關系。”丁傳凡說。

　　2、丁傳凡認為，目前國內質譜產業化的基礎比較薄弱，即使有了最新的技術成果，但企業可能因無法衡量該技術的未來價值而無法將其推向市場。“復旦科技處負責管理我們這個項目的老師認為我們的離子阱陣列技術有非常好的市場潛在力，但國內目前還沒有公司進行產品和市場開發。”丁傳凡說。

　　【記者觀察】

　　由于國家的支持、投資界的支持，以及國產儀器廠家和科研單位的持續努力，中國質譜研發和制造領域近年來非常活躍，首先是一大批廠家研制生產了GC-MS甚至ICP-MS，并且在四極桿核心器件加工方面實現了突破。其次是有些廠家掌握了TOF技術，圍繞環境、醫療等領域提供解決方案，并打開了應用類質譜的新市場。

　　質譜的分析器主要有6種，目前應用較廣泛的是四極桿、離子阱、TOF和Orbitrap。復旦大學和中國計量科學研究院團隊從降低加工難度和成本、并同時提高性能方面，解決了離子阱質譜的核心分析器問題，并有自主知識產權。希望在不久的將來，我國生產廠家能夠推出采用PCB離子阱，陣列離子阱的質譜儀器，同時我國的應用專家、科研和檢測人員能夠積極使用在各個應用領域，打開我國自主知識產權離子阱質譜一個又一個應用的市場。