空间分辨质谱仪

近日，厦门大学化学化工学院杭纬教授课题组与斯坦福大学Richard N. Zare教授课题组合作，在高空间分辨率质谱成像技术研究上取得进展，有望在单细胞化学、药物代谢以及纳米材料等多个领域发挥重要作用。　　激光作为最常用的采样工具之一，被广泛应用于多种质谱成像技术，并形成了成熟的商品化仪器，如MALDI-MS（基质辅助激光解吸质谱）、LA-ICP-MS（激光溅射电感耦合等离子体质谱）、LA-ESI-MS（激光采样电喷雾电离质谱）等。但由于光学衍射极限、透镜像差以及需要较长的光学聚焦距离等限制，使用激光采样的质谱成像的空间分辨率始终局限在微米级别，这使得激光质谱很难在微纳米级样品的分析中发挥作用。　　“现在少有的高空间分辨激光质谱成像技术，大多依赖于复杂且昂贵的光束整形设备或近场光学技术，很难形成普适性的方法并推广至更多的激光质谱成像平台。”杭纬说。　　在国家自然科学基金重大科研仪器研制项目的支持下，课题组在2020年首次研发出了基于微透镜光纤的激光采样技术，最优空间分辨率可达300纳米，并与实验室自行搭建的质谱平台相结合，成功获取了抗癌药物在单细胞内的分布和转移过程。　　“后来，我们将微透镜光纤激光采样技术运用于LA-ICP-MS，其空间分辨率提高至400纳米，相比于现有的技术提高了至少一个数量级，并进行了单细胞和小鼠小肠组织中药物分布成像分析。”杭纬说。　　不仅如此，通过引入157纳米的后电离激光和基于嵌入式聚苯乙烯微球的三维定位方法，微透镜光纤激光质谱带来的高空间分辨能力可用于准确重构药物在单细胞内的三维分布，空间分辨率可达500纳米。　　“之后，斯坦福大学的Richard N. Zare教授课题组将微透镜光纤激光与商品化质谱仪器平台相结合，又将现有的LA-ESI-MS成像分辨率提高了近一个数量级。”杭纬说。　　据了解，相比于现有的成像方法，课题组提出的微透镜光纤技术是一种通用性、普适性强、经济可靠的高空间分辨质谱成像新手段，可以与现有的激光质谱成像平台相结合，大大提升成像的分辨率和精确性。该成像方法就像一台化学显微镜，无须标记且无通道数量限制，有望在单细胞化学、药物代谢以及纳米材料等多个领域发挥重要作用。

近日，厦门大学化学化工学院杭纬教授课题组与斯坦福大学Richard N. Zare教授课题组合作，在高空间分辨率质谱成像技术研究上取得进展，有望在单细胞化学、药物代谢以及纳米材料等多个领域发挥重要作用。　　激光作为最常用的采样工具之一，被广泛应用于多种质谱成像技术，并形成了成熟的商品化仪器，如MALDI-MS(基质辅助激光解吸质谱)、LA-ICP-MS(激光溅射电感耦合等离子体质谱)、LA-ESI-MS(激光采样电喷雾电离质谱)等。但由于光学衍射极限、透镜像差以及需要较长的光学聚焦距离等限制，使用激光采样的质谱成像的空间分辨率始终局限在微米级别，这使得激光质谱很难在微纳米级样品的分析中发挥作用。　　“现在少有的高空间分辨激光质谱成像技术，大多依赖于复杂且昂贵的光束整形设备或近场光学技术，很难形成普适性的方法并推广至更多的激光质谱成像平台。”杭纬说。　　在国家自然科学基金重大科研仪器研制项目的支持下，课题组在2020年首次研发出了基于微透镜光纤的激光采样技术，最优空间分辨率可达300纳米，并与实验室自行搭建的质谱平台相结合，成功获取了抗癌药物在单细胞内的分布和转移过程。　　“后来，我们将微透镜光纤激光采样技术运用于LA-ICP-MS，其空间分辨率提高至400纳米，相比于现有的技术提高了至少一个数量级，并进行了单细胞和小鼠小肠组织中药物分布成像分析。”杭纬说。　　不仅如此，通过引入157纳米的后电离激光和基于嵌入式聚苯乙烯微球的三维定位方法，微透镜光纤激光质谱带来的高空间分辨能力可用于准确重构药物在单细胞内的三维分布，空间分辨率可达500纳米。　　“之后，斯坦福大学的Richard N. Zare教授课题组将微透镜光纤激光与商品化质谱仪器平台相结合，又将现有的LA-ESI-MS成像分辨率提高了近一个数量级。”杭纬说。　　据了解，相比于现有的成像方法，课题组提出的微透镜光纤技术是一种通用性、普适性强、经济可靠的高空间分辨质谱成像新手段，可以与现有的激光质谱成像平台相结合，大大提升成像的分辨率和精确性。该成像方法就像一台化学显微镜，无须标记且无通道数量限制，有望在单细胞化学、药物代谢以及纳米材料等多个领域发挥重要作用。

仪器信息网讯 2023年6月29日“第六届质谱仪器研发论坛”于常德举办。本次论坛以“国产质谱技术发展新方向”为主题，邀请了质谱研发和应用领域资深专家分享质谱研究及相关技术的创新进展。本次论坛由中国仪器仪表学会分析仪器分会质谱仪器专家组、广东省麦思科学仪器创新研究院、分析测试百科网主办。仪器信息网对本次会议进行了报道。论坛现场与应用研究为主的学术会议不同，本论坛聚焦质谱仪器研发、规模控制在100多人的规模，重在互动、交流。此次论坛已是第六届，“高分辨”、“临床”、“零部件”成为热词。高分辨，各展神通、永恒追求100多年前人类发明了质谱分析技术之后，质谱技术飞速发展，不断更新迭代，现已成为许多实验室和各种应用中不可或缺的分析技术。近年来，随着环境科学、月球研究、地质科学、生命科学、核工业、材料科学等领域的快速发展，如新污染物识别、传统污染物的转化产物鉴定、生态与环境风险评估等研究工作的深入开展，分析物质日益复杂，高分辨质谱的需求也日益旺盛，并且还在不断提出更多的新要求。业内通常把分辨率在10000（FWHM）以上的质谱称为高分辨质谱，主要包括磁质谱、飞行时间质谱、轨道阱质谱及傅里叶变换离子回旋共振质谱。质量分辨率是反应质谱定量能力的核心参数，高分辨率质谱可以提高质量分析的化学特异性和准确度，提供更高可信度的分析物鉴定数据。中国质谱市场大部分依赖进口，赛默飞、安捷伦、Sciex、Waters、岛津等国外企业占据了大部分市场份额以及几乎所有的高分辨质谱市场。不过，经过时间的积累，国内质谱研发的团队近年来也呈现快速增长的趋势，很多专家学者和仪器企业都在不断努力向着高分辨质谱领域进发。厦门大学杭纬《再论超高分辨质谱成像技术》、西北核技术研究所李飞腾《国产磁质谱仪器研发进展及展望》、宁波大学丁传凡《四极质谱的高分辨分析方法探讨》、中国科学院大连物理化学研究所李海洋《线性离子阱/多次反射飞行时间串联质谱的研究及应用》、清华大学周晓煜《超高分辨离子淌度质谱仪器研制及应用》、广州禾信仪器股份有限公司朱辉《四极杆飞行时间质谱的研制》、湖南大学岳磊《质谱中的温度与分子结构分析》、广州麦思科学仪器创新研究院任熠《大气压电离-多次反射飞行时间质谱的研制》等，从不同角度、维度分享了高分辨质谱的研制与应用进展。探究化学物质在生物组织及细胞内的分布是生命科学研究的核心方向之一。以二次离子质谱为代表的高分辨质谱成像技术已经在单细胞生命科学领域逐渐崭露头角，但存在谱图干扰严重的瓶颈问题。杭纬近年来致力于发展激光质谱纳米成像技术，如激光诱导针尖近场增强解吸电离飞行时间质谱仪，成像空间分辨率可以达到50纳米；基于微透镜光纤的自动化激光解吸电离质谱成像平台，其成像分辨率可达300纳米。四极质谱对机械加工精度、电源精度等要求极高。在目前国内机械加工精度水平较低的现状下，四极质谱如何实现高分辨技术的突破？丁传凡多年来一直致力于低成本、低加工精度下的高分辨方法研究，如，利用非对称四极杆、高阶电场、第二稳定区等进行质谱分析，大幅提升了仪器的质量分辨率。未来，丁传凡将继续开发新型离子阱、提升四极质谱的性能，并且继续研究利用第二稳定区开展质谱分析的研究。在高分辨质谱中，飞行时间质谱具有质量范围宽、分析速度快、高通量，质量分辨率独立于质荷比可以在全质量范围内实现高分辨率等优势。广州禾信仪器股份有限公司朱辉分享了前段时间刚刚发布的国产第一台LC-QTOF MS的研制成果。此外，在飞行时间质谱研制中，多次反射飞行时间质谱（MR-TOF MS）是主要热点。MR-TOF MS在有限的空间内，利用静电场将离子的飞行路径折叠反射来延长飞行时间，保证离子束长距离的飞行中不发散的同时实现质量峰的压缩聚焦，从而极大提高分辨率。李海洋在国内较早开展了MR-TOF MS的研制工作，将线性离子阱（双线性离子阱）与MR-TOF MS串联耦合，并开发直接进样质谱技术，实现了复杂基质中微量元素的快检分析。此外，广州麦思科学仪器创新研究院任熠也介绍了大气压电离-多次反射飞行时间质谱的研制成果。离子迁移质谱技术/离子淌度质谱（IM-MS）独特的分辨能力可以区分一般质谱技术无法区分的异构体或同重素，成为了生物分子结构解析重要的技术工具。源于对高性能无止境的追求，如何提高IM-MS的分离分辨率，成为当前离子迁移质谱研究的热点。其中，清华大学精密仪器系周晓煜依据强迫振荡原理，在小型化离子阱质谱仪上实现了超高分辨的IM-MS分析，分辨率可达1万以上，超出现有IM技术接近两数量级以上。湖南大学岳磊采用超高分辨离子迁移谱技术对异构体分离，之后引入到后续的低温离子光谱质谱分析中，减少了由异构体引起的光谱叠加问题，光谱可以进一步验证离子淌度的分离效果，因此质谱、光谱、离子淌度谱的有机结合在得到异构体精确光谱的同时，也为离子淌度质谱分析带来了新的维度和深度。磁质谱具有高灵敏度、高精度、高丰度灵敏度、高分辨和大动态范围等优点，在核工业、地球化学、海洋演变、半导体材料、航空航天、生物成像等领域发挥重要作用。新时期下，磁质谱相关技术的自主可控尤为迫切，从2016年开始加快了磁质谱国产化进程。西北核技术研究所是国内最早开始无机和同位素质谱研究的单位之一，持续公关，近年来在磁质谱仪器通用关键技术与加工装配工艺方面取得了突破。李飞腾介绍了激光共振电离质谱仪、双聚焦热表面电离质谱仪、高分辨辉光放电质谱仪等的研究进展。临床应用，黄金赛道、新思维创新有调研报告预测，2021年全球质谱在临床检验应用的市场规模在150亿美元左右，未来行业增速将在20%左右。中国临床质谱行业于最近3年开始加速，预计整个中国市场在未来5年将迎来高速增长。紧随行业发展趋势，本次论坛的另一个热点即为“临床质谱”。仪器研发最终要落在应用上，清华大学张新荣强烈表示，质谱仪器技术、应用方法开发都要和生物医学等应用领域很好结合，要做“有用”的质谱仪器。张新荣团队研制了一套自动化质谱单细胞分析系统，包括单细胞定位、自动化萃取、非接触式皮升电喷雾质谱检测和代谢组学数据分析等四个有机衔接的功能模块，实现单细胞内代谢物的高灵敏和高通量的检测分析，为细胞生物学研究者提供高效精密的单细胞代谢组学定量分析工具。山东英盛生物技术有限公司的副总裁张政祥、安益谱（苏州）医疗科技有限公司陈崝等国内相关临床质谱企业代表，临床质谱应用现状、应用痛点及其解决方案等方面展开了探讨。张政祥表示，未来临床质谱的发展趋势包含：从前处理、色谱分离角度提升通量，提高自动化程度、搭建全自动的质谱平台，拓宽应用场景（POCT），丰富生物大分子检测方案，加速国产替代，标准化日益完善。零部件，国产化同样重要目前，质谱仪及其所需的部分核心零部件主要依赖进口，部分市场被垄断、部分国产核心零部件性能不高、成本高难以定制化等成为行业突出性问题。作为科技创新重要支撑，高端质谱仪及核心零部件成为了攻克“卡脖子”的关键一环，其创新发展及国产化越发重要。近几年来，在国家政策支持下，中国质谱产业化发展的路上多点开花，离子源、四极杆质量分析器、电源、分子泵等核心零部件不断有新的产业化技术涌现。此次论坛上，复旦大学吴晓楠、大连民族大学刘本康、北方工业大学陈吉文就分别介绍了《应用于气相反应研究 离子阱和FTICR碰撞反应池的开发》、《质谱用精密高压电源选型及研究进展》、《直流与脉冲辉光离子源的研制与应用》的精彩内容。质谱仪器研发论坛的另一个特别之处在于，会议赞助商多为零部件厂商，如Leybold、EDWARDS、PHOTONIS、航宇九天、IMI ADAPTAS、VALUE飞越、华星陶瓷等真空泵、四极杆、电子倍增器、微通道板、特种电机等关键零部件的供应商。中国仪器仪表学会分析仪器分会秘书长吴爱华《浅析我国质谱发展现状与趋势》、中国科学院苏州生物医学工程技术研究所天津工研室程文博《国产质谱仪器“内卷”之现状及应对建议》，从整个质谱产业角度，梳理了政策法规标准、国内外知名生产企业、重大科研专项等相关最新动态，使与会者对整个行业的宏观发展现状有了清楚了解。历时两天，此次论坛成功闭幕，就像中国仪器仪表学会分析仪器分会秘书长吴爱华、中国仪器仪表学会分析仪器分会质谱仪器专家组副主任委员丁传凡、秘书长周志恒在开幕式致辞中指出的，每次论坛都有新面孔加入、都有新成果展示，从中可以看出中国质谱技术在快速创新发展，为了实现“中国-质谱强国”的目标在一步一步地前进着！