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

　　“我們的整個生物圈都由微生物所運(yùn)轉(zhuǎn)?！惫鸫髮W(xué)John Loeb自然科學(xué)教授Girguis表示，“這算是一切的出發(fā)點(diǎn)?！?/P>

　　但是大多數(shù)的微生物并不能在實(shí)驗室培養(yǎng)，難以進(jìn)行常規(guī)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(xué)組分的影響，并將這些數(shù)據(jù)與基因表達(dá)分析相關(guān)聯(lián)，希望能夠理解那些微生物在做什么。

　　“我認(rèn)為，這就是為什么質(zhì)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?！盙irguis表示。

　　毫無疑問，質(zhì)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(qū)分開只有一個化學(xué)修飾差別的蛋白和多肽。這些儀器可以掃描復(fù)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(jìn)行這樣的研究需要相當(dāng)多的專業(yè)技能。而且所使用的儀器幾乎都是實(shí)驗室專用的，普渡大學(xué)Henry Bohn Hass化學(xué)教授R. Graham Cooks說，他也是推動質(zhì)譜技術(shù)小型化的引路者。

　　Cooks說，臺式儀器“重達(dá)數(shù)百磅”。它們昂貴、耗能，連接著輸氣管道和強(qiáng)力真空泵，并且經(jīng)常需要前端的分離系統(tǒng)。而在分析的角度，它們產(chǎn)生了難以置信的復(fù)雜光譜，需要專業(yè)的軟件進(jìn)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(yī)生，焚燒廠的消防隊員，甚至是倉庫的食品安全檢查員。

　　“質(zhì)譜儀的縮小，關(guān)鍵是要做原位、現(xiàn)場的測量?！盋ooks說，“這就需要儀器足夠輕便……能夠隨心所欲地移動?！?/P>

　　“變小”或“被淘汰”

　　為了讓質(zhì)譜儀變得更小、更好用，研究人員授權(quán)了大規(guī)模的用戶進(jìn)行使用。德克薩斯州韋伯斯特的1st Detect公司總裁和首席技術(shù)官David Rafferty，將這種大眾化的結(jié)果比作是個人電腦的革命?！斑^去，只有大型機(jī)構(gòu)、高校和公司擁有電腦，但現(xiàn)在隨著個人電腦的出現(xiàn)，它可以被大量的民眾所使用。可以說，我們也想在質(zhì)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(tǒng)用于工業(yè)質(zhì)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(zhì)譜儀”聚焦于安全和保障市場上的急救人員，該公司商業(yè)發(fā)展和市場部副總裁Chris Petty說。而位于英國薩里的Microsaic系統(tǒng)公司則將其單四線4000 MiD定位在從事藥物研發(fā)的有機(jī)化學(xué)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(dāng)然，這些通過在船上裝一個臺式質(zhì)譜儀就可以做到，收集深海樣品并在甲板上進(jìn)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?！凹淄樵?℃、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(xiàn)場使用的質(zhì)譜儀。作為一名“設(shè)備發(fā)燒友”，他決定自己造一臺。

　　Girguis最初接觸高壓質(zhì)譜技術(shù)是在加州大學(xué)圣芭芭拉分校做研究生的時候，當(dāng)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(jìn)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(zhì)譜儀做到又小、又能夠在水下操作呢?

　　“真正靈感迸發(fā)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(zhì)譜儀，他與一位機(jī)械工程師聯(lián)手，將一臺斯坦福研究系統(tǒng)公司的商業(yè)化四極質(zhì)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(jī)一起裝配到一個25厘米寬，90厘米長的柱形容器中。結(jié)果就是“原位質(zhì)譜儀(in situ mass spectrometer，ISMS)”，這臺重約25千克的裝配物類似于一個經(jīng)過鈦包裹的水箱，他說道。

　　抽取機(jī)是核心部件，Girguis說。本質(zhì)上，金屬熔塊在高真空環(huán)境下為一個10微米厚的特富龍膜提供結(jié)構(gòu)支持，這個結(jié)構(gòu)在450個大氣壓力下，對質(zhì)譜進(jìn)樣的水分進(jìn)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(jìn)行質(zhì)譜分析，這就類似于一種沒有氣相質(zhì)譜的氣相色譜耦合質(zhì)譜儀。

　　原位質(zhì)譜儀已經(jīng)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(zhì)譜儀已經(jīng)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(jìn)行了超過100次的深潛?！盙irguis說。

　　利用這臺儀器，他已經(jīng)完成了他所謂的熱液口溶解氣體“地球化學(xué)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(shù)據(jù)。在一項研究中，令他吃驚的一項發(fā)現(xiàn)是 ，有時被稱為黑煙囪的神奇深海熱液口噴出的氣體，實(shí)際上往往要少于海底不遠(yuǎn)處的“擴(kuò)散流”?！斑@也證明了，你的眼睛在欺騙你?！彼f。

　　Girguis在他的網(wǎng)頁上發(fā)布了原位質(zhì)譜儀的詳細(xì)方案和每部分清單，任何人都可以造出一臺這樣的儀器?？偦ㄙM(fèi)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(dá)到50米左右)所配備的簡單的聚氯乙烯外殼大約要花費(fèi)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(dú)支付2萬美元?！?/P>

　　親，我把質(zhì)譜儀縮小了!

　　小型化質(zhì)譜儀在其他奇異的領(lǐng)域也具有潛力。據(jù)Rafferty說，一家博物館接洽了他的公司(盡管在成文時尚未達(dá)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(hù)一只經(jīng)過防腐處理的大王烏賊。美國北德克薩斯州大學(xué)副教授Guido Verbeck正在實(shí)驗室研究小型化質(zhì)譜儀。他預(yù)想，他的設(shè)計能應(yīng)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(zhì)譜儀，并發(fā)回燃燒物的報告?！暗沁@樣會損壞設(shè)備，因此你必須造出便宜、小型而又輕便的設(shè)備，沒有移動部件?！?/P>

　　對于Cooks來說，他將目光瞄準(zhǔn)在外科裝置上。他與波士頓的布萊罕婦女醫(yī)院同事Nathalie Agar一起，展示了在他們制造的質(zhì)譜儀中使用血脂檢查來進(jìn)行腦腫瘤分級的可行性(參見《質(zhì)譜成像技術(shù)——從實(shí)驗臺到臨床》)。但是這一實(shí)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(shù)。

　　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(shù)室中一個實(shí)用的組件。

　　事實(shí)證明，縮小質(zhì)譜儀最大的一個挑戰(zhàn)在于真空泵，Cooks說。質(zhì)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(tǒng)又大又笨，而這些參數(shù)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(zhì)聯(lián)用模式下使用三個渦輪泵以900升/秒的速度運(yùn)作，才能達(dá)到低于10-10托的真空泵。

　　飛行時間質(zhì)譜分析器也需要高真空環(huán)境。因此，大多數(shù)的小型質(zhì)譜儀都來自于容許差異的質(zhì)譜儀，如離子阱和四極質(zhì)譜，盡管至少有兩位研究者都成功地對飛行時間質(zhì)譜分析器進(jìn)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(zhì)譜儀，使用了微機(jī)電系統(tǒng)或MEMS技術(shù)，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(xué)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(zhì)譜儀，可以在大約10-3托的情況下工作。

　　為了創(chuàng)造真空環(huán)境，他和Ouyang獲取了能找到的最小的商業(yè)化渦旋泵，能達(dá)到大約每秒10升?！澳惚仨氂幸环N能使用小型真空泵的方式?！彼f，“這是最難的部分，許多人都被這個環(huán)節(jié)難倒了。”

　　這種泵太小了，以至于無法進(jìn)行連續(xù)的樣品引入。因此該團(tuán)隊開發(fā)了一種非連續(xù)的樣品引入系統(tǒng)，被稱為非連續(xù)大氣壓引入(DAPI，discontinuous atmospheric pressure introduction)，能夠從系統(tǒng)的電離源中(在此例中是電噴霧解析電離技術(shù))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(zhì)譜分析儀中。

　　Cooks說，結(jié)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(tǒng)、電池、電子器件和通訊部件。另外還有一種背負(fù)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(jī)供電，可以用在室內(nèi)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(qiáng)大力量。Mini-11和-12提供的單位分辨率質(zhì)譜能夠達(dá)到600質(zhì)荷比，這一范圍已經(jīng)可以適用于進(jìn)行代謝、脂類和其他小分子研究。

　　小質(zhì)譜，大問題

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

　　1st Detect公司繞開了這個問題，它們將傳統(tǒng)的“雙曲線”設(shè)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?！澳憧梢愿菀椎貙⑺冃?，而不用依照精密的曲線?！盧afferty說。

　　在Torion技術(shù)公司研發(fā)部主任Stephen Lammert看來，另一個問題是當(dāng)捕獲器變小時，將同樣數(shù)目的離子擠壓進(jìn)去變得越來越難?！靶⌒突|(zhì)譜的重要挑戰(zhàn)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?！?/P>

　　Torion的解決方案是環(huán)形離子阱，體現(xiàn)在它的Tridion-9質(zhì)譜儀中。它將傳統(tǒng)捕獲器的捕獲特性轉(zhuǎn)移至一個甜甜圈形狀的容器中，能夠保留高達(dá)400倍的更多離子?！拔覀冊趦x器中采用的環(huán)形離子阱，只有我們常見的實(shí)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(tǒng)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(zhì)譜儀的最主要挑戰(zhàn)在于電氣化。

　　他說，“我們當(dāng)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?！彼膱F(tuán)隊不得不重新開始，再設(shè)計電子系統(tǒng)，“在傳導(dǎo)墊之間做出更整潔的通道，并使其變得更寬”等等。

　　在質(zhì)譜設(shè)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(quán)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(lián)質(zhì)譜分析的嵌入功能，可以使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析變得可能。

　　但是針對士兵、消防員和醫(yī)生的質(zhì)譜儀則必須夠簡單，盡管使用者并不懂其中的細(xì)微差別。并且在數(shù)據(jù)有需求時，具有自動轉(zhuǎn)換為串聯(lián)模式的嵌入式智能。

　　這一系統(tǒng)必須足夠高效，能夠由電池帶動，并且能夠?qū)①|(zhì)譜的復(fù)雜性隱藏在友好的用戶界面下，讓質(zhì)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(dá)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(zhì)譜儀在實(shí)驗室中沒有空間。一臺價格不高、能夠放入通風(fēng)柜的質(zhì)譜儀，將會成為任何有機(jī)化學(xué)家工具盒中受歡迎的組件，至少M(fèi)icrosaic系統(tǒng)公司的4000 MiD完全吻合這一目的。但是迷你質(zhì)譜儀最令人興奮的應(yīng)用無疑還是在實(shí)驗室之外。

　　“我們甚至不希望這種裝置被稱作質(zhì)譜儀。”提起MMS-1000時，Rafferty表示，“我們更希望將它看做是一個感應(yīng)器或化學(xué)檢測器?！闭\然，當(dāng)你褪去所有的浮華外表時，難道不就是質(zhì)譜本來的樣子嗎?