质谱仪器的发展

从J.J. Thomson制成第一台质谱仪，到现在已有近90年了，早期的质谱仪主要是用来进行同位素测定和无机元素分析，二十世纪四十年代以后开始用于有机物分析，六十年代出现了气相色谱-质谱联用仪，使质谱仪的应用领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器。计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化，使其技术更加成熟，使用更加方便。八十年代以后又出现了一些新的质谱技术，如快原子轰击电离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源，以及随之而来的比较成熟的液相色谱-质谱联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等。这些新的电离技术和新的质谱仪使质谱分析又取得了长足进展。目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。
1. 敞开式质谱；
国内学者是这么叫的，英文叫Ambient Mass Spectrometry;
这类质谱主要是在LCMS中使用了Ambient Ionization Source取代了原本的ESI和APCI，从而去掉了LC这一部分，可以在大气压下直接对未处理或者半处理的样品进行解吸、电离，这类技术的特点就是一个字，快！！！。因此，它至少在以下领域大大拓展了质谱的应用范围：
a. 便携质谱和车载质谱用于现场分析（不便于把样品带到实验检测的场合）；
b. 样品快速筛查（药品，违禁品，刑侦检测，公共安全，等）；
c. 实际样品中待测成分的成像研究（比如肿瘤细胞在组织内的分布研究，古董的鉴定，药物靶向治疗和代谢研究，等）；
d. 还有化学反应机理的研究，及其他。
比较有名且应用较广的Ambient Ionization Source有诸如，DART，DESI，LDI, DBDI，其余的各式各样的离子源多是基于这几种离子源的一些变体，有很多也很有特点。


2. 小型质谱；
其实质谱仪的小型化老早也开始了，只不过限于市场的需求，没引起足够多的关注。
随着最近这些年，食品安全，环境污染，公共安全，军事等领域极大需求。
越来越多的人开始研究各式各样的小型化质谱仪器，目前除了难以小型化的几种质谱类型，像是磁扇形质谱，傅里叶变换-离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）和轨道阱质谱（orbitrap）之外，其他像，四级杆，离子阱，飞行时间都有很多实验室和公司在做。尤其是四级杆和离子阱现在以及有不少商业化的仪器。印象比较深的是2013年参加ASMS时，看到美国一家叫908 device的公司有一款手持式的小型离子阱质谱，大小和打标机相仿，界面极友好，是给消防员用的，方便及时了解火灾现场易爆易燃，有毒有害气体的快速检测。业界近几年不少人对质谱未来发展的看法是，1 往大型的多功能高通量高灵敏度的仪器发展（总之三个字，高大上！）；2 往小型化发展。而后者的意义不仅限于质谱变得更小，更便于携带和使用，更深层的意义应该是向大众普及，降低质谱仪的使用门槛。当然，现在小型质谱还有一些瓶颈要克服，像是定量能力，不过这都只是暂时的，相信将来会是一片很光明的前景。


3. 高端质谱；
这些年发展起来的一些高端仪器，要么是有了新的突破，要么是和其他技术联用。
新的突破比如轨道阱，这个是俄罗斯的makarov基于kindon trap发展的一种静电质量分析器，其特点是有极高的质量分辨率，远超除FT-ICR以为所有类型的质谱仪器。目前，轨道阱是Thermo的独有技术，算是一枝独秀。
和其他技术的联用技术，典型的例子是各式的迁移谱和质谱的联用。迁移谱一直被业内通俗的称为大气压下的质谱，其特点是可以依据离子的迁移率（主要反映离子的碰撞截面积，间接反映离子的尺寸和结构）把离子在空间或者时间上分开。当然，也有根据迁移率在高电场和低电场下的差别进行分离的，称之为差分迁移谱或高场不对称离子迁移率谱。一旦迁移谱和质谱联用，主要可以实现两个用途，一是离子的初步分离，二是离子的迁移率测量或者碰撞截面的测量，好处在于可以便于离子结构的解析，在蛋白组学领域应用极广。迁移谱和质谱的联用可以用色谱和质谱的联用类比，色谱一样也可以对样品组分进行初步分离，同时可以得到色谱图。不过，离子迁移谱优于色谱的地方在于，分析速度远快于色谱的速度，至少是一个数量级的差别。另外，离子的结构信息，目前各类分析仪器中，除了色谱之外，很少有能提供直接，且通用性比较好的方法。从我参加的各类会议以及和质谱用户的直接交流中感觉，国内很多做质谱的工作者，对于离子迁移谱了解的非常少。目前，各大质谱厂商都已经有了自己迁移谱技术，并且多已商业化。像是waters的synapt 系列产品，agilent的6560， Sciex的SelexIon等。相信未来离子迁移谱会是高端质谱的一个标配。当然独立的离子迁移谱仪器本身也一定会有不错的发展。