资讯详情

高分辨质谱质量分析器的发展历程

2023/09/27

质谱与诺奖

质谱技术从20年代初诞生到现在，已经走过了一个世纪的时间。1906年，英国物理学家Joseph J Thompson 因为他对于阳极射线，也就是电子的研究，获得了诺贝尔物理学，他的研究也为质谱技术奠定了基础，J.J. Thompson被很多人认为是质谱技术之父。

英国科学家Francis William Aston，在他设计的质谱的帮助下，发现了同位素的存在并阐明了同位素的整数法则，而获得1922年诺贝尔化学奖。他的工作也为以后原子能科学的发展奠定了基础。

德国物理学家Wolfgang Paul和Hans G. Demelt 在五十年代发明了离子阱技术，也就是用带电的四极杆来捕获离子，从而在获得了1989年诺贝尔物理学奖。

美国分析化学家John B. Fenn 和日本科学家田中耕一因为他们分别对于电喷雾和MALDI离子化技术发展的贡献，分享了2002年诺贝尔化学奖。这两项技术使质谱与液相的联用的应用范围大大拓展，直接推动了对生物大分子的研究。

各种新的质谱技术不停被推出，应用范围不断扩展，成为科学研究的最重要的工具之一，已有十三个诺贝尔奖授予了与质谱技术相关。

四级杆质谱的诞生

在德国物理学家Wolfgang Paul的四级杆理论基础下，1964年，美国Electronics Associates Inc（EAI，当时主要服务NASA太空项目）公司的科学仪器部门, 推出来一款成功的四极杆质谱产品Quad 200，用于残余气体分析仪。1971年，Hewlett Packard推出其第一台四极杆GC/MS系统广泛应用在石油化学、有机合成、分析化学和生命科学等多个领域。如今四级杆质谱已成为混合物分离检测比较成熟的技术，国内仪器厂商主要集中在这一领域的开发，如禾信仪器（688622.SH）、聚光科技(300203.SZ)。

四极杆质谱硬件图

高分辨质谱介绍

业内通常把分辨率在10000（FWHM）以上的质谱称为高分辨质谱，主要包括双聚焦磁质谱、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。在高分辨质谱领域运用，商业化应用最成功的产品是Thermo的Orbitrap轨道阱质谱系列及Agilent、Waters、Bruker的飞行时间质谱系列，国内鲜有厂商涉足。

（1）飞行时间质谱（TOF）

飞行时间质谱萌芽于曼哈顿计划，早在1942-1945年期间，科学家通过制备型质谱从天然同位素铀中分离丰度仅有0.72%的铀235，1952年，随着TOF专利的公布，飞行时间质谱两个非常重要的性能：参数灵敏度和分辨率优势相比传统磁质谱显而易见。但分散的离子能量和空间位置限制飞行时间质谱提升分辨率，难以应用在生命科学的研究。围绕如何高效高技术进行初始空间位置和能量的聚焦，成了仪器制造商迫切解决的问题，不同的仪器公司围绕增加飞行管长度或者反射次数进行了设计来提高仪器的分辨率，如Agilent、Bruker和Waters。

布鲁克的TOF系列（通过增加飞行管长度增加分辨率）

（2）Orbitrap轨道阱系列

受困于传统TOF的离子损失和分辨率，1981年，有个叫Knight的科学家提出了一个改进的设计：把外环电极分割成左右两段，形状也从圆环形变成纺锤形，称之为“Knight trap”。

1999年，英国曼彻斯特 HD Technologies 公司的Makarov团队在“Knight trap”的基础上，结合自己TOF多年研究经验，在当年的ASMS上首次公开轨道阱Orbitrap技术（Orbital轨道+trap阱），2000年，HD Technologies 公司被Thermo收购，这个硬币大小的质量分析器改变当今质谱格局（足以获得诺奖）。不同于TOF无限增加飞行管的长度或者反射次数，轨道阱技术是利用磁场把离子如同卫星一样约束在一定轨道范围内做圆周运动，通过释加外部变频电压，离子在阱内左右震荡，随着时间延长，不同离子得以区分开。Orbitrap诞生20多年以来，没有新的质量分析器被研究出来，围绕Orbitrap开发出来的质谱系列Q Exactive HF-X和Q Exactive HF统治了高端质谱应用十多年。

Orbitrap构造

（3）timsTOF PRO的诞生

Orbitrap是21世纪初质谱界的礼物，Thermo也将其拓展到各个领域的应用，环境诊断、疾病早筛、抗体药物分析、代谢组学研究、蛋白组学研究等等领域。但应用于生物大分子检测却逐渐暴露出的问题，蛋白组学需要在短时间类需要检测数十万多条多肽，Orbitrap提升分辨率的同时无疑牺牲了扫描速度（离子运行时间越久分辨率越高），Mann等在2011年指出最大的损失来自于对大量低强度信号的舍弃，只有约16%的intensity较大的多肽母离子会被碎裂得到二级谱图，而这其中能够成功解谱的约占一半。如何提高扫描速度去提高多肽的鉴定效率？被遗忘的TOF被拾了起来（不受扫描速度的限制），2017年Mann的团队和Bruker工程师在TOF的基础上进行了改进，创新性的将tims淌度技术应用在TOF前端，在不牺牲扫描速度的同时，提高的离子的聚集度以及横截面积（CCS）的分离。自此，高端质谱行业由Thermo的一家独大变成了与Bruker的分庭抗礼。

timsTOF PRO 硬件示意图

timsTOF pro 和 Orbitrap参数比较

MS	Exploris 480	timsTOF Pro
Scan rate	Up to 40 Hz	>120 Hz
Resolution	Up to 480K	Up to 50K
Quad isolation	Down to 0.4au	Down to 1 au
Mass range	40-6000m/z	20-40000m/z
Dissociation	HCD	CID
Detector	Orbitrap	TOF

高分辨质谱的市场规模

据统计，2021年Thermo Fisher Scientific's Life Sciences部门实现11.2亿美元收入，其中包括质谱和相应试剂耗材，Bruker BDAL部门实现2.2亿美元收入，主要来自timsTOF Pro及液相收入,Waters质谱部门实现1.8亿美元收入，Agilent质谱部门实现3.8亿美元收入。随着Thermo的Orbitrap专利即将到期，国外各个公司也在围绕Orbitrap质量分析器开发新一代产品。

质谱发展百年已形成了多学科交叉，融合了理论物理、工程学、电子科学、生命科学等多领域学科。国内质谱目前主要以三重四极杆和离子阱为主，国内受困于基础物理理论及工业模具、芯片、精密加工、变频装置、机械泵和分子泵、工业软件等软硬件发展桎梏，以及国外技术封锁及质谱领域专业人员的缺失，导致飞行时间质谱和轨道阱国内尚未得到发展，难以形成技术体系。纵观质谱应用史，质谱每一次进步创新，都是由需求端提出问题，科学家及仪器厂商合作进行改造，对于国内质谱的发展具有很好的借鉴意义。

本网站所涉及内容除本平台独家和原创外，仅作分享交流，不作为本平台立场。同时，本网站转载的文章和图片，版权归原作者所有，如有侵权，请联系核实并处理

一文浅谈OCT

下一代光伏电池新秀，产业化曙光初现