未来化学侦察兵——质谱走进机器人时代

　　暨南大学胡斌团队在 Analytical Chemistry再次发表封面文章《Lab-on-Robot: Unmanned Mass Spectrometry Robot for Direct Sample Analysis in Hazardous and Radioactive Environments》。本研究报道了一种智能质谱机器人的开发，该机器人集成了微型质谱仪、四足机器人、可切换机械臂采样器和直接离子化技术，用于在难以到达的危险及放射性环境中远程控制复杂样品的化学分析。

图1. 质谱机器人实物图。

研究背景与目的

Research Background and Purpose

　　质谱技术具备高灵敏度、高特异性和高准确性，但传统实验室质谱技术依赖复杂前处理及专业人员操作，且无法适应户外工作环境，亟需发展无人化远程控制系统以实现危险环境（如放射性、有毒或爆炸现场）的实时直接分析。

　　胡斌团队开发的质谱机器人实现了以下突破：

　　1.自动化实时检测——成功分析空气中的挥发性有毒物质和气溶胶爆炸颗粒；

　　2.复杂环境适应力——直接从原始废水中检出有害化合物；

　　3.放射性场景应用——完成放射性矿石样品的现场化学分析。

　　质谱机器人在分析不同气体、气溶胶、液体和固体样品时，获得了低检测限（ng/g或ng/mL，信噪比S/N = 3)和良好的相对标准偏差（RSD < 12.0%，n = 6）。进一步验证了质谱机器人的远程检测结果。

　　该研究验证了质谱机器人远程检测能力，为未来开发智能机器人实验室提供了新思路，其功能与智能操作相结合，可替代传统实验室程序，用于危险化学品和环境样品的现场质谱分析。

研究方法

Research Method

　　仪器

　　微型质谱仪（型号：Cell，清谱科技，苏州，中国），8.5kg。

　　商用四足机器狗（型号：AlienGo，宇树科技，杭州，中国）。

　　进样接口：实验室自制机械臂进样装置。

　　高分辨质谱仪（型号：QE，赛默飞，美国）。

　　扫描电子显微镜SEM（型号：EVOMA15，卡尔蔡司，德国）。

　　核辐射探测器（型号：cestsen mr-50，万仪科技，深圳，中国）。

　　进样过程

　　通过控制采样臂上的三个电动机，机器人可以实现360度全方位采样。机器人采样臂前端安装了采样器。

　　为了采集矿石，钻头从特氟龙帽中伸出并高速运转，矿粉通过钻头的槽口进入特氟龙帽侧面的混合室（体积：200 μL)。该室含有180 μL的萃取溶剂用于提取矿粉。萃取液经软管（内径：0.5mm）过滤后直接泵入PCSI装置。采样完成后，泵远程启动以提取粉末样品进行质谱分析。

　　液体样品直接泵入PCSI（0.2 mL/s），约200 μL的样品溶液被引入PCSI柱后部的溶剂窗口。

　　气体和气溶胶样品则以0.2 cm³/s的速度泵入nESI的离子化区域。

图2. a)质谱机器人通过机械臂实现可切换采样器的示意图，b）使用采样管采集气体和气溶胶的采样器，c）使用采样管采集液体样本的采样器，d）使用钻孔装置、提取装置和采样管采集散装固体的采样器。

图3. 质谱机器人中采样和离子化装置的照片：(a)自制机械臂；(b)采样器细节；(c)MS进样口；(d)nESI气体注入盒；(e)PCSI液体注入盒；(f)固体样品钻孔装置。

　　所有数据，经过实验室高分辨四级杆-轨道阱质谱仪Q Exactive（Thermo Scientific，Bremen，Germany）实验验证。

实验过程

Experimental Procedure

　　在这项研究中，我们首次报道了一种新的质谱机器人（图1)。该机器人能够在危险和放射性环境中进行远程无人敏感分析，这些环境对人类极其危险。更重要的是，我们展示了如何使用该机器人处理多种样本形式，包括放射性矿石、危险废水和有毒气溶胶。可切换的机械臂采样器，这是质谱机器人分析所必需的。还展示了质谱机器人在不同领域、白天和夜晚的无人操作和应用（图4，视频S1、S2、S3、S4和S5)。

图4. 质谱机器人在不同条件下的照片：(a)建筑工地；(b)矿区；(c)河边；(d)夜间。

质谱机器人操作 (视频 S1)

质谱机器人操作 (视频 S2)

质谱机器人操作 (视频 S3)

质谱机器人操作 (视频 S4)

质谱机器人操作 (视频 S5)

实验结果

Experimental Results

　　本研究通过质谱机器人成功实现了对高危空气中化学战剂（CWAs）的远程直接检测，包括甲基磷酸二甲酯（DMMP）（图5a）、二乙基硫醚（DS）和磷酸三甲酯（TP）等典型有毒挥发物。这些有毒化合物还通过实验室高分辨质谱仪检测进一步确认。这一特性对于多种远程应用具有实际意义，尤其是在无法获取有毒空气样本的情况下。

　　通过质谱机器人成功实现了气溶胶中非挥发性爆炸物的快速检测（图5b），主要包括：TNT精准识别：根据全扫MS和MS/MS扫描，在负离子模式下检测到去质子化TNT特征峰（m/z 226.0→196），与实验室结果一致。爆炸烟雾中高氯酸钾同位素验证：通过m/z 99.0（35ClO4-）与m/z 101.0（37ClO4-）比例为3:1，与高氯酸根阴离子(35ClO4−）及其同位素峰（37ClO4−）比例一致。该技术的优势是利用nESI技术突破非挥发性化合物气溶胶检测瓶颈，结合二次/萃取ESI实现多组分实时分析，凸显系统在危险气溶胶监测中的卓越性能。

　　高毒性废水可以直接通过机械臂采样器引入PCSI进行无人质谱分析。例如，克百威是人类吸入和皮肤接触后急性毒性最高的物质之一，该研究通过质谱机器人直接从废水中检测到克百威（图5c)，并经过实验室质谱验证。

　　此外，各种有毒的非挥发性和挥发性化合物如乐果、毒死蜱、百草枯也在废水样本中进一步被鉴定出来。该采样器不仅通过毛细管高效电离分析物，还能够过滤原始废水样品。

图5. 质谱机器人检测空气或废水中典型的有毒和有害化合物。a）空气中挥发性有毒化学战剂（DMMP），b）气溶胶中的非挥发性TNT爆炸烟雾，c）废水中危险的有毒物质（克百威）。

　　人们接触疑似放射化学环境如铀矿石、尾矿和核废料存在极高风险。通过远程质谱机器人对真实环境样本进行放射化学分析，减少人类暴露将大有裨益。

　　在这项工作中，使用自制机械臂采样器和辐射探测器的质谱机器人研究了常见矿石和放射性矿石。与X射线机（图6a)相比，检测到了非常低的背景辐射（空气中的<0.1 μSv/h）和普通大理石矿石（约0.24 μSv/h)。然而，从矿石样本中检测到了相对较高的辐射（约0.42 μSv/h)，表明矿石样本中含有放射性元素。

　　通过醋酸（HAc）作为提取溶剂，质谱机器人成功检测普通矿石中的金属-醋酸络合物（钙、镁、铁），并在铜矿石中精准识别Cu-63/Cu-65同位素（实测比值2.26±0.18，与理论值RCu-63/Cu-65=2.24一致）。通过MS/MS碎片离子排除基质干扰（图6b)，验证了铜加合物的特异性信号，展现了其在复杂矿物分析中的高准确性。

　　通过稀硝酸作为提前溶剂，质谱机器人成功检测到硝酸铀酰络合物即 [235UO2(NO3)3]− m/z 403.0和 [238UO2(NO3)3]− m/z 406.0，并通过特征碎片（NO2丢失）确认U-235的放射性来源。经实验室质谱验证后，测得U-235/U-238信号比为0.90%（±0.19）（n=6），略高于天然铀比率（0.73%），但仍为放射性铀鉴定提供了可靠依据。

图6. a)不同环境下的辐射检测。b）使用质谱机器人直接检测铜矿石中的铜乙酸盐络合物。c）使用质谱机器人直接检测铀矿石中的铀酰三硝酸盐配合物。

　　由于在取样过程中对固体矿石进行了钻探，大块矿石被钻成了微米级的细颗粒，从而获得了感兴趣的矿物元素（如Ca、Mg、Fe、Cu和U）。通过机械臂随后进行离子化和质谱检测。

结论

Conclusions

　　质谱机器人系统通过可切换采样器和直接离子化技术，实现了危险环境（有毒、放射性等）中气体/液体/固体样品的无人化精准分析，将人类与高危场景分离。其核心优势在于智能化、安全性及多基质适应性，但仍需提升环境耐受性、定量分析能力以及高通量分析。这些技术的进步未来有望将传统实验室繁琐程序淘汰。

　　清谱科技是一家专注于现场质谱化学分析和脂质组学产品开发、生产和制造的高科技公司。公司开发的便携式质谱分析系统为开发现场化学检测应用提供了实时准确和简单易用的分析解决方案。目前公司已经在公共安全、生物制药、医疗诊断、食品安全等领域为不同客户提供众多的现场即时检测应用方案。