HPIMS：离子迁移谱的新品类开创高效分离检测新时代

　　【导语】上世纪70年代，离子迁移谱（IMS，Ion Mobility Spectrometry）技术曾风靡一时，在分离领域可与气相色谱媲美，在定性测量领域又可作为无需真空、成本更低的质谱仪使用；后来离子迁移谱技术渐渐淡出分离分析领域，主要是由于这项横跨色谱和质谱界的技术，分离效率无法实现突破性提高。“911”事件后，离子迁移谱在快检应用方面迅猛发展，但若想应用于更多领域，离子迁移谱必须克服“无法高效”这个“硬伤”。

　　所幸的是，华裔科学家吴青博士在博士期间就对突破离子迁移谱的“高效”难题做了大量研究，为使研究成果得到广泛应用，吴博士创建了EXCELLIMS公司，推出了多款商品化的高效离子迁移谱（HPIMS）。近日小编有幸访问到吴青博士和绿绵科技有限公司欧阳伟民总经理，他们将为我们详解高效离子迁移谱的技术奥秘和应用前景，希望对所有关注分离检测新技术的科技工作者们有帮助……

“高效离子迁移谱之父”、美国Excellims公司执行总裁 吴青博士（左），高效离子迁移谱中国代理商 绿绵科技有限公司 欧阳伟民 总经理（右）

高效离子迁移谱（HPIMS）：克服传统IMS“无法高效”的“硬伤”

　　谈到高效离子迁移谱（HPIMS）的发展历程，首先吴博士回顾了传统离子迁移谱（IMS）的发展史。

传统离子迁移谱（Conventional IMS）的发展简史：

色谱－质谱－色谱检测器－快检技术－与质谱联用的另一种分离手段

　　20世纪70年代：离子迁移谱以“和气相色谱分离效率相媲美”的分离技术出现，当时被称为Plasma chromatography（等离子色谱）；且离子迁移谱性价比高、分析速度快，在当时被主要应用于气体测量领域。

　　作为一种无需真空的质谱技术被大量研究。由于离子迁移谱不需要昂贵的真空系统，根据质量数和分子大小的关系便可估算被测物的质量数；而当时质谱的价格很高，所以离子迁移谱被作为一种无需真空、低成本的质谱。但同期，色谱技术分辨率大幅提高，离子迁移谱在分离应用方面被远远抛在了色谱技术的后面。

　　20世纪80年代：离子迁移谱（Ion Mobility Spectrometer，IMS）作为色谱仪的检测器来使用。由于其便携、牢固和适用现场检测等特点，离子迁移谱被应用到军工、化学武器的检测等领域。

　　20世纪90年代至21世纪初：离子迁移谱被用在麻药、毒品和爆炸物的检测领域，尤其在“911事件”以后，爆炸物检测更加重要了，离子迁移谱的需求量也越来越大。目前在全球，这种用于现场快速检测的离子迁移谱仪器已销售20万台以上，被誉为“快速检测有毒有害物的十大技术”之首。

　　同时，离子迁移谱还可以加在现有质谱仪的前端，增加一种维度的分离，比如Waters的Synapt MS，Thermo Scientific的FAIMS，AB SCIEX的SelexION，都是离子迁移谱的应用。

　　不过，所有上述离子迁移谱仪器，分离效率都比较低，性能与传统的离子迁移谱类似。

高效离子迁移谱（HPIMS）的“诞生”

　　谈到高效离子迁移谱的由来，吴博士说：“提高迁移谱的效率始终是市场的需求。起源是从我以前在华盛顿州立大学做博士论文的研究中，发现可以把离子迁移谱做得效率很高，于是我发表了很多相关的文章。虽然世界上有几家实验室在应用高效离子迁移谱，但市场上缺乏商品化的产品，限制了高效离子迁移谱的应用推广。所以我们创办了Excellims这家公司，希望通过我们的努力，使高效离子迁移谱真正成为一种应用广泛的分析手段。”

　　笔者发现，Excellims公司成立之初，就得到众多权威部门的支持。比如正是在美国本土保护部（DHS），国立卫生研究院（NIH）及美国食品和药物管理局(FDA)的支持下，Excellims公司推出了世界上第一台商品化的高分辨率离子迁移谱，其分辨效率已可和液相色谱技术媲美，且分离速度极快、无需溶剂、绿色环保。日前，Excellims还获得美国EPA等部门的支持，来研发针对水质监测的高效离子迁移谱。

高效离子迁移谱的原理

　　离子迁移谱的基本原理是：当离子源将样品转化为离子后，在电场的驱使下，这些离子通过周期性开启的离子门（Ion gate）进入弱电场漂移区（Drift region）。在与逆流的中性漂移气体分子（Drift gas）不断碰撞的过程中，由于这些离子在电场中各自迁移速率不同，使得不同的离子得到分离，先后达到检测器（Ion detector）被检测。根据离子所用的漂移时间可以计算出离子的迁移率（迁移率的定义是指在单位电场强度作用下离子的漂移速度）。由于在一定的条件下，各种物质离子的迁移率互不相同，因而也就导致不同的离子通过电场的漂移时间各不相同。因此可根据漂移时间的测量对样品进行分离和定性，记录离子检测器检测到的离子数量即可用于定量。离子迁移谱技术和飞行时间质谱分析技术有些类似，不过，飞行时间质谱必须在高真空下工作，而离子迁移谱工作在大气压条件下。

　　Excellims公司推出的高效离子迁移谱，在样品引入方式、离子源、漂移管、检测器的设计等方面都进行了一系列的改进，并同时在全球（包括中国）申请了专利（详见：http://ip.com/patfam/zh/38372074）。特别应该提到的是，目前80％以上的有机物检测更适合于用液相色谱进样方式，而传统的离子迁移谱都使用气相色谱进样方式，Excellims因为推出了具有ESI电喷雾源的离子迁移谱而倍受青睐。

Excellims公司推出的GA 2100 ESI-HPIMS示意图

　　在Excellims公司推出的GA 2100 ESI-HPIMS中（如上图所示），使用电喷雾源进样，待测物首先在脱溶剂区进行离子化，然后送入离子门，在大气压下，待测物通过几十毫秒达到迁移和分离。整个分离过程不消耗有机溶剂。待测物的迁移时间与其大小和结构有关。离子迁移谱能分离同分异构体，如顺反异构、位置异构体等。

高效离子迁移谱的特点

与传统离子迁移谱、（U）HPLC、GC的比较

　　与传统的离子迁移谱相比，高效离子迁移谱在分辨率（分离能力）、灵敏度、前处理方法、线性范围和精密度等方面均有提高。

	传统的离子迁移谱	高效离子迁移谱
分辨率（分离能力）	12-40	60-90
灵敏度（最低检测限）	pg-ng水平	pg-ng水平
进样及离子化方式	固体样品使用热解析方式，Ni63 放射离子源	固体样品使用热解析方式，电晕放电源； 液体样品使用电喷雾源；气体样品也可直接进样
分析速度	5-10秒	5-10秒
线性范围	1-2个数量级	2-4个数量级
精密度	10-15% RSD	1-5% RSD

辅酶Q10不同分析方法下分离度和分析时间的比较，从谱图中可以看出，HPIMS的分辨率比传统IMS的分辨率大幅提高，分辨率介于(U)HPLC和GC之间，同时分离时间比（U）HPLC和GC大大缩短

增加了电喷雾离子源——ESI 及Directspray

　　传统的离子迁移谱多用热解析放射源（如Ni63）离子化，只能用来分析挥发性物质、极性较小物质、以及重量比较小的分子，即适合于气相色谱（GC）分离的分子。高效离子迁移谱，使用电喷雾源并增加了专利的Directspray电喷雾源技术，使用时，将取样后的针头直接放进离子迁移谱里边，几秒钟后便能读出结果。Directspray技术不但简化了进样和分析的方法，还可以分析大分子、有机分子、强极性分子，甚至是无机的小分子和离子等物质。

　　当然，Excellims的高效离子迁移谱，仍然可以使用热解析放射源；或通过自动进样器，连接连续流动的ESI源。

强大的数据库

　　高效离子迁移谱具有强大的数据库，为客户节省更多的时间。数据库保留了目标化学物分析时间的数据，每天用5-10秒的时间标定一下仪器，数据库就可以使用了。

绿色环保，节省成本

　　高效离子迁移谱不需要大量的溶剂，不但绿色环保，也节约了使用成本。假如液相色谱一天工作8小时，在美国一年的操作费用约需两万五千美元，如果使用高效离子迁移谱代替液相色谱，一年用可以节省九十以上的操作费用。

　　高效离子迁移谱使用空气代替了真空系统，比质谱仪的造价更低，不但不需要维护和维修，而且携带方便。

高效离子迁移谱的应用领域

天生的现场检测仪器：独立的分离检测仪器

　　“离子迁移谱天生就是现场检测的仪器”，吴博士说到。高效离子迁移谱检测速度快，仪器结实耐用，尤其适用于现场检测。在制药过程的监测和爆炸物的现场检测中，高效离子迁移谱能够代替液相色谱，省去了检测时试剂的携带、稳定性不好和污染的问题。

在液质联用或独立的质谱使用时，增加一个维度的分离

　　比如在液质联用中，或独立使用质谱时，Excellims的模块化的高效离子迁移谱（Research Tool Kit），就像Synapt MS或SelexIon中使用的离子迁移谱一样，可被加到质谱前边，增加一个维度的分离。这时，离子可按照分子的形状、体积进行分离，尤为适用于同分异构体的检测。

作为液相的检测器使用

　　如产品AIMS 2100和刚推出的IA3100，可以作为一个检测器与液相联用，代替灵敏度较低的紫外检测器，不但提高了灵敏度，而且可以检测到不吸收紫外的分子。而且，高效离子迁移谱与液相联用，还能够实现两维的分离效果。

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EXCELLIMS高效离子迁移谱系列产品

　　Excellims的高效离子迁移谱技术是在美国国立卫生研究院（NIH）及美国食品和药物管理局(FDA)的支持下研究开发的世界最高分辨率离子迁移谱。Excellims现有GA 2100 ESI-HPIMS、RA 4100 HPIMS-MS等多款系列产品。

GA 2100 ESI-HPIMS

　　Excellims GA 2100 ESI-HPIMS集合多项专利技术，是世界首台全商品化的ESI-IMS分析仪。它是完全独立的一台分析仪，结构紧凑，可用于实验室内，也可用于现场检测，如移动检测车或生产车间；其前端可选配自动进样器，表面为触屏的控制和显示。GA 2100 ESI-HPIMS具有多种可更换的离子源，可分析气体、液体、固体；数秒内即可分离分析一个样品；可高效分离异构体，并大幅减少昂贵有毒溶剂的使用。

　　ESI技术使GA2100不仅可对挥发性和半挥发性物质进行检测，同时也拓展了对大分子非挥发性物质的准确检测能力，检测范围涵盖了气相色谱和液相色谱的检测领域，对于极性、非极性、同分异构体、在色谱柱中易变质、无紫外吸收等多种在HPLC中有难度的分子在HPIMS中都有很好的检测效果；如对葡萄糖、蔗糖素、儿茶素、 L -亮氨酸、三聚氰胺、丙烯酰胺、生物碱、黄酮类、类固醇、氨基酸、碳水化合物、氨基酸、三嗪类除草剂、矮壮素、硝酸铵、三硝基甲苯、海洛因、可卡因、吗啡、四氢大麻酚、甲基苯丙胺、鸦片等都可进行分离和检测，在数秒内达到最优微量物质成分的分析效果。

RA 4100 HPIMS-MS

　　RA 4100 HPIMS-MS是一款高效离子迁移谱与质谱的联用仪器，这是EXCELLIMS公司的质谱仪与高效离子迁移谱的组合产品，是唯一的商用IMS-MS系统。RA 4100 HPIMS-MS具有上述GA 2100 ESI-HPIMS几乎所有的特点，并在HPIMS后增加了一台四极杆质谱。它解决了安全应用中的检测问题；一般适用于研究应用，如国家实验室、大学和一些研究机构等。

Research Tool Kit

　　如用户手头已有Q-TOF、TripleTOF等质谱仪，可将Research Tool Kit连接现有的质谱仪使用。当质谱的分离效率不够高时，高效离子迁移谱可以加到质谱前边，做前端的分离。类似于Synapt和SelexION中使用的离子迁移谱。

新型的IA3100色谱--离子迁移谱系统

　　在刚刚闭幕的Pittcon 2013上，Excellims公司推出了新型的IA3100色谱--离子迁移谱系统，结合了HPIMS可同时分离和检测的优点，大大简化了方法开发时间；能为HPLC提供样品用量少、灵敏度高、分析速度快的通用型检测器技术；其功能强大的化合物谱库功能，还可提供更为可信的定性结果；更可作为HPLC的第二维分离系统，实现对复杂化合物的全面分离。相对于传统的二维色谱分离技术，IA3100不仅具有更快的分离速度和更佳的分离效果，而且对同分异构体的分离，IA3100更是具有色谱和质谱无可比拟的优势。

高效离子迁移谱的应用举例

药厂和化工厂中的应用

　　分离同分异构体的利器

　　在药厂和化工厂的药品研发过程中，同分异构体的分离是很重要的。一般情况下，液相色谱要开发一种同分异构体的分离方法，需经历长期的方法开发；而高效离子迁移谱与高效液相联用，会大大缩短方法开发的时间，快速地分离同分异构体。

　　吴博士讲到化工厂质检的一个实例：“我们公司和一个制药厂合作研究，使用高效离子迁移谱分离各种同分异构体，若使用液相色谱将非常困难；而使用高效离子迁移谱分离，分离效果极佳，分离速度极快。”

　　药品质量的检测：快检打假和筛查

　　在药品质量的检测中，高效离子迁移谱通常用来检测假药。这也是美国FDA（美国食品药品监督管理局）和中国食品药品检定院购买高效离子迁移谱主要的原因。另外，Excellims公司与美国的一个药厂合作，采用高效离子迁移谱进行药品均匀度的分析，相对于液相的检测方法提高了检测速度。

　　生产车间的清洁认证

　　高效离子迁移谱常用于制药车间的清洁认证。药品生产的不同批次间，需要对制药过程中盛药的容器进行清洁认证，要保证容器中没有残留、污染，所以美国的FDA要求对清洁的程度做个标定。一般使用HPLC的检测方法是12分钟；如果用高效离子迁移谱，得到同样的检测结果只需要不到1分钟，所以高效离子迁移谱大幅提升检测速度，并操作简单。

　　另外，使用高效离子迁移谱，还可直接到现场进行清洁认证，这样更节省了送样到实验室的时间，大幅提高生产效率。吴博士说：“对制药企业来说，每耽搁一天的分析时间，就可能会带来几万美元到上百万美元的损失，所以他们希望可以用高效离子迁移谱进行现场检测。”

　　反应过程监测

　　在药品研发的应用中，反应过程监测是很重要的，比如做有机合成的时候，原料到中间体再到终产品，需要不断监测反应的时间和速度。判断每步反应是否完成是很关键的步骤。如果使用高效液相色谱，检测每个样品需时十到二十分钟，对于合成时间的监控有延迟，而且连续使用高效液相色谱容易造成交叉污染。而使用高效离子迁移谱，通过Directspray源，可以把样品抽到针管中，直接放到仪器中去检测，几秒钟完成，针管用完就可丢弃，既提高了效率，又避免了污染。

食品安全中的快检

　　高效离子迁移谱可以快速检测牛奶中的三聚氰胺。在牛奶中加一些酸，提取出来，过滤后的清液可以直接进高效离子迁移谱中检测，几秒钟就可以拿到结果。

在抗生素残留——环丙沙星的测定中最低浓度检测可达75ppb，线性范围可达两个数量级

在食品非法添加剂——玫瑰红B的检测中，使用Excellims的GA2100，最低检测限可达50ppb，对比AB SCIEX公司公布的LC-MS方法检测低限是小于100ppb。

违禁品检测、航空航天的应用

　　高效离子迁移谱还常用作爆炸物（地铁站和火车站的爆炸物检测）、毒品等违禁化学物质的检测；美国的法医部门、美国航空航天部门都使用了Excellims公司的高效离子迁移谱。

高效离子迁移谱在中国的发展

　　吴青博士表示：高效离子迁移谱在中国的推广正好适应了当前的中国国情，预期可在中国不同的领域获得应用。不仅是食品检验和药品检验，其他很多用HPLC的领域，都可以使用高效离子迁移谱；有些HPLC不能检测的，离子迁移谱更能弥补HPLC的检测不足。尤其是配备Directspray电喷雾源的离子迁移谱，在全球是最前沿的技术，已被美国众多法规部门使用，它能符合现场检测要求快速、准确、简单、携带和维护方便、无需溶剂等几项苛刻但又迫切的检测需求，未来在中国的推广应该很快。

　　 “高效离子迁移谱在中国的预期市场很大，中国学术界和应用部门对离子迁移谱概念并不陌生，进口和国产的厂商已有4、5家。但是Excellims公司的离子迁移谱是真正意义上高效的，解决了传统离子迁移谱的诸多问题；而且可适用于各种进样技术尤其是液相进样，所以是技术最先进、应用潜力最广的。绿绵科技将首先将这项非常优秀的技术，积极推广应用在食品、药检等领域，因为中国食品安全、药品安全是非常大的市场。” 欧阳经理讲到，“如果谈到目标，我想举个例子，国家进出口检验检疫局对质谱仪的招标，每年每次达100台左右，所以我希望通过我们2－3年的努力推广，高效离子迁移谱在中国也能够达到这一销量。”

绿绵科技——始终走在技术前沿的代理商

　　绿绵科技的欧阳经理表示：“正如绿绵科技的名字一样，Lumiere一词来源于卢米埃尔兄弟的名字，他们并没有发明电影技术，但通过他们的推广传播，电影技术发扬广大，影响到了我们每一个人。绿绵科技的定位就是做先进技术的传播者，我们希望通过我们的努力，将高效离子迁移谱这项先进的技术传播到中国每一个需要它的领域、需要它的用户手里。”

　　“绿绵科技具有多年色谱质谱产品代理的实践和成功经验，我们的优势在于很清楚国内的需求是什么，了解一项新技术向市场推广的每一个环节，我们的员工也已经掌握了新品的推广模式，具备了一套成熟的流程，包括DEMO的建立等一系列市场的投入。我们希望能和Excellims公司一起，把这项新技术迅速地推广到中国的用户手中，并使他们感到物超所值、非常满意。”

　　更多产品信息：HP-IMS电喷雾离子迁移谱

　　附录：

　　吴青博士简介

　　Ching Wu，美国Excellims公司执行总裁，曾获得美国华盛顿州立大学化学专业博士、硕士学位，日本横滨国立大学化学工程硕士学位。

　　在Excellims公司成立以前，吴博士供职于美国GE公司，专门为美国国内外政府机构提供离子迁移谱技术解决方案，作为GE化学、生物和爆炸物检测业务主管，主持参与了许多政府投资项目以及GE的内部研发项目。吴博士还同时担任布鲁克.道尔顿公司的质谱软件经理和NCR公司的计算机系统工程师。

　　吴博士在离子迁移谱及质谱的研究产品研发领域有着20多年的工作经历，发表多篇IMS和IMS-MS领域的学术论文，并在IMS领域拥有20多项自主专利技术。

　　相关专利：

　　US7,705,296 Ion Mobility Spectrometer Apparatus and Methods

　　US7,576,321 Multi-Dimensional Ion Mobility Spectrometry Methods and Apparatus

　　US7,696,474 Methods and Apparatus of ion Mobility Spectrometer

　　US7,943,901 Practical Ion Mobility Spectrometer Apparatus and Methods for Explosive Detection

　　US7,960,704 Compact Pyroelectric Sealed Electron Beam

　　US7,997,119 Chemical Sampling and Multi-Function Detection Methods and Apparatus

　　更多请见：http://ip.com/patfam/zh/38372074