发布时间:2020-07-14 11:46 原文链接: 科学仪器学科与技术进展的研究报告(五)

 1.离子化技术的新进展

  离子化新技术主要包括电喷雾(Electrospray Ionization, ESI)和基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI)两项离子化技术。这两项离子化技术、近年来又取得以下重要的进展。

  (1)解吸电喷雾电离(DESI)是ESI技术的延伸。溶剂(含少量电介质)流入雾化器的毛细管,喷出的带电雾滴及离子在雾化气的带动下,轰击处于对面的样品靶,将靶上的样品解吸并电离成离子。DESI的最大特点是无需提取、分离等繁杂的样品前处理,而且离子化是在大气压下进行,能在很短的时间内完成样品的分析,灵敏度也很高。DESI的特点使这一技术可在检测爆炸物、化学战剂、毒品等方面得到重要应用。

  实时直接分析(DART) 是与DESI类似的离子化技术,它使用激发态氦原子作为离子化试剂,也有很高的灵敏度。

  (2)硅表面上解吸电离(DIOS) 是用电化学方法腐蚀硅片,形成多孔(微孔)表面,将样品涂于硅片表面,再置于激光的照射下,可使样品解吸并电离。

  MALDI需要使用基质,这些基质产生大量的质谱峰,构成很高的背景,使分析发生困难。DIOS 不使用基质,因而背景十分干净,有利于分析小分子。用DIOS分析药物WIN,得到清晰的质谱图。DIOS 用于分析蛋白质也可提高氨基酸序列的覆盖率。DIOS 还有较高的耐盐性。

  最近研究揭示,硅片上刻槽或将金属片腐蚀成多孔,只要槽或孔的尺寸在亚微米级,就具有无基质激光电离的性能。

  (3)飞行时间二次离子质谱(TOF—SIMS)的离子源,在提高质量分辨水平方面取得突破进展,最重要的是该技术特别适用于有机物表面分析,大面积成像和有机物深度分析,适合生命科学需求。

  2.质量分析器的新进展

  质量分析器的研究朝两个方向发展,一是发展新型高分辨率的质量分析器,二是质量分析器的微型化。近年来有以下新进展:

  (1)轨道离子阱(Orbitrap) 。其最大特点是无磁场、无高频电场,只用静电场,属静电场离子阱。轨道离子阱的分辨率高达15万,质量测量准确度可优于2 ppm。在制作成本以及运行维持费上,比离子回旋共振质谱低很多。这种质谱仪在药物研究、蛋白质组学和代谢组学等重大研究领域迅速得到广泛应用。

  (2)质量分析器微型化。在 Oak Ridge National Laboratory 工作的 Mike Ramsey 和 Bill Whitten 以及在 Nanofabrication Laboratory at Bell Laboratories 工作的 Stanley Pau 3人合作,在25 mm2 的芯片上制作了 256 个微型离子阱阵列。这种微型离子阱可在 10-4 Torr 低真空下工作,可免去使用昂贵的涡轮泵。这种微型质譜仪将来可能进入医生诊所,成为临床诊断的仪器。

  3.质谱各种联用技术的进展

  Perkin Elmer 2006年推出新一代的Clarus 600 GC/MS,以柱温箱设计为例,提高升温和降温速率,缩短循环时间,提高样品分析效率和仪器投资回报率。其中EI和PCI/NCI的灵敏度指标也处于行业先进水平。

  热电公司推出最新四级杆气质联用仪DSQ Ⅱ,配置了最新的离子源和检测系统,定量分析的线性范围超过6个数量级,扫描速度达到11,000amu/sec;组合式傅立叶变换—离子回旋共振质谱仪FTICR—LTQFT Ultra,该仪器质量精确度达到亚ppm级,分辨率超过750,000。

  岛津公司推出新一代的GC/MS—QP2010 plus,采用独立加温的高效离子源,大容量排气泵,ODLenS的检测器等技术。

  安捷伦科技公司新一代气质联用仪 —— 5975 inert MSD,此系统具有全新的用户界面,可以通过电子方式共享各种应用方法。该系统的推出,使用户可从网上下载分析方法而不用自行创建,从而加快了实验室之间各种方法的转移和标准化。分析工作者还可以利用最新版的软件,将原来的5973系列MSD方法转移到新的5975 inert MSD中。

  4. 我国质谱仪研发的进展

  我国近几年起步研发和销售通用的质谱仪。东西分析仪器公司已小批量投产GC/MS3100(四极质谱),国家标准物研究中心正研发MSQ-1000平板直线离子质谱,上海精料与复旦大学联合开发了MS-800ESI-TOFO。上海大学和上海科创色谱公司联合研发成功GC-TOF-MS。这些国产仪器将在食品安全、药检、商检、农林、化工、生命科学等领域得到广泛应用。

  质谱技术发展趋势:

(1)向高精密方面发展。

(2)向小型质谱仪发展。在各类质谱中,生物质谱成为有机质谱中最活跃、最具有生命力的前沿研究领域之一。小型质谱主要以四级杆、离子阱和飞行时间质谱为主。广泛地应用于环境、农业、食品、药检、公共安全。各类质谱仪全球市场状况可参考美国SDI公司2006年出版的《实验室生命科学和分析仪器工业市场分析与展望》。

(四)核磁共振仪

  核磁共振(NMR)在科学上具有重要的地位并对推动物理、化学、生物、医学等学科的发展起到了非常重要的作用。因此诺贝尔奖曾6次授予NMR工作者,授奖领域涉及物理(1944、1945、1952年度)、化学(1991、2002年度)、生理或医学(2003年度)。NMR的广泛应用,特别是来自生物、医学领域的需求,推动了NMR谱仪技术的迅速发展。近年来有以下进展和突破:

  1.核磁共振波谱仪(NMR)

  (1)核磁共振对高磁场强度的追求是无止境的。

  高强度带来的是NMR灵敏度和频谱分辨率的提高、四极展宽的减小、弛豫特性的改变等。继800MHz NMR谱仪逐步普遍化之后,900MHz谱仪的市场和用户迅速增加,几个主要公司已经了推出950MHz的谱仪。1GHz及以上的高分辨液体NMR谱仪已经在研制之中。美国强磁场国家实验室(NHMFL)采用超导和水冷混合磁体,研制出了磁场强度高达40T(1.7GHz)的固体核磁共振谱仪。随着新型超导技术、超稳定技术和超屏蔽技术等的不断进步,已经制造出了4.2K的800MHz磁体。杂散磁场大大缩小,磁体重量、液氦和液氮消耗、制造和维持成本显著降低。

  例如:Bruker BioSpin集团推出了世界首款950 MHz主动屏蔽超导磁体——950 US2,该产品融合了Bruker BioSpin独有的UltraShield(TM)主动屏蔽技术和UltraStabilized(TM)附加制冷技术,从而具有更为出色的灵敏度和谱色散,但其低温保持器的尺寸和低温性能较之900 US2没有改变。

  (2)谱仪包含的射频系统、脉冲磁场系统和信号处理系统,每3~5年就有一次重大升级

  全数字化的核磁共振谱仪无疑将成为未来NMR仪器市场的主流产品。新型谱仪相继采用了高频和宽带接收器,从根本上解决了正交检测的相位和幅度匹配问题。中高端谱仪多具有自动匀场功能。探头的自动调谐技术逐步成为标准配置,普遍采用的多道同时检测技术,可以实现同核异核的双道同时检测。

  (3)低温探头(20K)是重大突破之一

  800MHz低温探头的信噪比(0.1%乙基苯)可以达到7600:1。低温探头灵敏度提高的关键是降低了热噪音。现已出现接收线圈和前级放大器同时置于低温的探头。

  (4)多功能化和集成化趋势极为明显

  配置固体探头(CP/MAS)和适用于生物组织的高分辨魔角旋转探头(HR/MAS)的用户越来越多。后者在代谢组学分析中有着广泛应用。核磁共振谱仪与液相色谱(LC)和质谱仪(MS)的集成(LC-MS-NMR)在复杂混合物定性和定量分析以及结构鉴定方面具有广大的市场。LC中的固相萃取、飞行时间质谱(TOF)和多级质谱(如MS/MS/MS等)已经用在集成的仪器之中。

  例如:美国瓦里安公司与诺伊大学-香槟分校(UIUC)合作推出一款生物固体核磁共振探头——Bio-MAS(TM)。Bio-MAS(TM)采用了目前正在申请ZL的卷形线圈设计技术,从而使得Bio-MAS(TM)的发热量较之常规探头降低了3倍。发热会对宝贵的固体生物样品造成破坏,而新产品使样品的试验寿命提高了至少1倍以上。

  我国NMR仪器至今全部依靠进口。最近将“300MHz~500MHz核磁共振波谱仪的研发项目”已经列入十一五“国家科技支撑计划重大专项”。