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丁传凡:PCB离子阱 高性能和降低成本的核心技术

2015.9.16

  【导语】2015年7月11日,由复旦大学和中国计量科学研究院研发的“四极离子阱关键部件和技术研究与应用”科技成果通过了技术鉴定。中国分析测试协会专家组评价:“研发成果的技术创新性强,所发明的PCB离子阱和离子阱阵列技术国际领先,四极离子阱的质谱性能达到国际先进水平”。分析测试百科网采访了该技术负责人之一—复旦大学丁传凡教授,深度解析这项技术的创新点、意义以及质谱产业化的设想。

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复旦大学教授丁传凡

  离子阱质谱三大特性

  众所周知,质谱领域里有几个Nobel奖,其中之一就是:Paul博士由于离子阱的发明获得了1989年的Nobel物理学奖。离子阱曾被誉为“state of the art”的技术,它充分体现了“人定胜天”的思想,人们通过操控离子阱分析器上的电学参数,可以获得多种所需的分析性能。那么同比来看,在磁质谱、飞行时间(TOF)、四极杆、离子阱、傅里叶离子回旋共振(FTICR)、轨道离子阱(Orbitrap)这六种质量分析器中,离子阱质谱具有怎样的特点?

  丁传凡介绍,离子阱质量分析器除具有所有质量分析器所共有的质量分析功能外,还具有以下特点:

  1、离子质量选择性存储和逐出功能,即选择离子,让其稳定存储在阱内, 或将其逐出离子阱;

  2、离子存储和富集能力。磁质谱、TOF和四极杆都不具备此功能;FTICR和Orbitrap虽然也有离子存储能力,但造价太高,一般不将FTICR作为离子存储器,而Oribitrap的存储功能和离子阱也有所不同;

  3、可在单一离子阱内完成MSn串级质谱分析。同样,FTICR和Orbitrap也能完成串级操作,但仪器造价太高;磁质谱、TOF和四极杆都不具备此能力。

  丁传凡表示,随着质谱技术的发展,目前离子阱质谱除了单独作为质谱仪器使用;还能和TOF、Orbitrap或FTICR等各种高分辨的的质谱联合使用;这时离子阱进行离子存储、质量选择或者串级质谱分析,再将其产物送入后续质谱做高分辨率检测。

  十余年专注离子阱质谱研究

  丁传凡从事离子阱质谱技术的研究已有十几年的时间,之所以专注于此,丁传凡指出原因所在:工作的延续性和科学研究的工作需要。

  丁传凡具体谈到:“首先是背景方面的原因,我在硕士、博士以及去美国从事博士后工作期间都在研究飞行时间质谱;后来去加拿大工作,开始研究四极杆质谱;从发展历程来看,接下来顺其自然就是对离子阱质谱的研究。其次是客观原因,第一,我2004年回到复旦大学,当时申请了一项关于离子阱的ZL并转让给了岛津公司,需要进行进一步的研发;第二,从科学问题来讲,我个人觉得磁质谱、飞行时间质谱和四极杆质谱虽然有很多技术(工艺制造)问题需要解决,但不存在太多的科学问题;而我在大学做科研,就是要研究一些基本的科学问题;第三,从应用上来看,离子阱质谱可以设计得更简单和小型化,利于更广泛的利用。”

  丁传凡认为,当前离子阱研究主要有两方面的热点:第一,国际质谱学界认为离子阱质谱是目前小型化、便携式质谱仪器的首选。既然要做小型化质谱,就要考虑如何在保证质谱性能的情况下简化离子阱的结构;第二是基础的物理学问题研究,比如电极与电场的关系,以及各种电场中离子运动的基本规律与理论。

  创新技术达到国际先进水平

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多种离子阱

  此次鉴定了一系列离子阱技术,主要有印刷线路板离子阱、栅网电极离子阱、三角形电极离子阱、PCB阵列离子阱分析器等。关于本项研究,丁传凡指出,选题时必须同时考虑其理论意义和实际价值。“首先,离子阱质谱中有很多的科学问题值得不断研究;第二,如何设计合适的离子阱后能使得加工更简单,最适合像中国这种质谱生产和技术起步比较晚的国家,因此在国产化方面,我个人认为选择离子阱最合适。”丁传凡说。

  印刷线路板离子阱(PCB离子阱)简单和高性能集于一身

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PCB离子阱

  离子阱内,进行质量选择和分析的电场基础是离子在四极场中的运动。传统理论认为,四极场纯度越高,性能越高。在简化离子阱设计、实现小型化的同时,如何保持较高的性能,是该项研究的主要挑战。普渡大学的研究者曾采用圆弧形或矩形的电极来制造离子阱,但这样做的话,不能调节电极形状,无法改变电场分布,导致离子阱的性能受限。

  是否可以找到一种方法,既可以降低生产成本、简化离子阱的结构,又能让离子阱质谱的性能达到最好?复旦大学和中国计量科学研究院团队研制的PCB印刷线路板离子阱技术由此诞生。“印刷线路板离子阱的核心设计是:加在PCB离子阱上的电压可调,这样就可以调节电场的分布,进而优化离子阱的质谱性能。”丁传凡说。

  PCB离子阱实现了两大创新:结构创新和理论创新。结构上,利用廉价的PCB板制造离子阱质量分析器,首先克服了传统双曲面电极加工难度大、成本高的问题;其次通过优化阱内电场可优化质谱性能,获得比传统离子阱更好的质谱性能。迄今为止,PCB离子阱的质量分辨率已可达到6000以上,m/z质量范围可达到5000 Da以上,并具备良好的质谱性能和串级质谱分析能力,已获得中国、美国、加拿大、日本、俄罗斯、欧洲ZL。理论上,复旦大学和计量院的团队系统阐述了:用简单的印刷线路板产生什么样的电场,离子阱能获得最佳的性能,相关成果发表在Analytical Chemistry等杂志上。”

  栅网电极离子阱

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栅网电极离子阱

  另一项成果是栅网电极离子阱,它消除了离子引出小孔对电场分布的影响,提高了离子透过率和质量分辨能力,并降低了对离子阱离子狭缝口的加工精度要求,具备良好的串级质谱分析功能,该项技术具有自主知识产权。

  三角形电极离子阱

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三角形电极离子阱

  三角形电极离子阱用三角形电极代替双曲面形电极制造离子阱,具备良好的串级质谱分析功能,满足高阶场成分的分析与选择。

  PCB阵列离子阱分析器

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PCB阵列离子阱

  一台质谱仪器通常只有一个质量分析器,某一时刻只能分析一个样品,丁传凡指出PCB阵列离子阱的创新点:“这个阱的创新在国际上我们是第一个想到的,我们的阵列质谱在结构上是全新的,具备多通道,既可以同时分析同种样品,也可以同时分析不同样品,成倍地提高了质谱仪器的分析速度和灵敏度,质量分辨>1300、质量范围>2800,实现了真正的高通量质谱分析;且制造价格低廉,已获得美国、日本和欧洲的发明ZL。”

  PCB离子阱和阵列离子阱的贡献

  中国质谱研究和产业化的最大难题:高精度机械加工

  关于PCB离子阱和阵列离子阱的意义,丁传凡首先谈到了在中国进行质谱研发和制造中面临的主要困难。

  一、质谱研发需要跨学科的知识,需要跨学科的人才

  比如在研发中,化学系的学生做化学没问题,但质谱还涉及到机械、电子、电气等专业问题,化学系的学生很多对这些方面不擅长。”我们一方面通过招不同学科背景的学生,一方面通过大量的训练和实践,来培训学生掌握多学科的知识。“

  二、研发中很难买到配件、器件

  中国质谱仪器行业起步比较晚,在国外很多器件可以买现成的,例如射频电源、测控系统、四极杆或者阱;在国内只能靠大家不断摸索甚至自己从头研制。当然,现在我们做的阱在国外也买不到了。”

  三、高精度元器件和核心器件的加工制造

  在中国,研究过程中遇到的最大问题很多不是科学和技术上的问题,而是元器件加工的问题。理论上是没有困难的,困难是怎样把理论变成仪器。“读我的研究生是非常辛苦的,首先要有想法,还要做理论分析、设计仪器,其中涉及仪器加工,之后要进行测试,针对过程中出现的各种问题要不断改进。”丁传凡说。

  丁传凡指出,尽管中国的质谱技术已发展多年,但高精度的质谱制造仍面临着巨大的挑战,“2011年的“十二五”重大仪器专项,绵阳九院组织了一个项目专门研发高精度的四极杆质量分析器的加工,我了解到中国有些企业能做离子阱,但却没有产业化,其根本原因就是机械加工的难度太高。质谱仪无法国产化,其应用范围就会受到限制,也正因为我们研发了PCB阱和离子阱阵列,让国产化从不可能变为可能。“

  PCB离子阱和阵列离子阱的意义

  据了解,离子阱质谱在中国的发展和四极杆质谱类似,不管是传统的三维离子阱,还是线形离子阱,在国内都没有商品化产品,也没有哪个单位可以加工出质量过得硬的离子阱。

  那么,核心的离子阱分析器就需要从国外购买,比如美国的少数公司可以提供离子阱商品,售价一般在一万美元左右。所以,离子阱面临的问题和四极杆类似,核心器件售价过高,被国外制约;若开发出GC-MS或LC-MS离子阱质谱商品,售价又必然比国外低;会处于价格夹心、甚至完全不盈利的局面。

  而如果采用PCB离子阱技术,将大大降低加工难度和核心分析器的成本。国内多数生产印刷线路板的厂家、或有一定技术水准的机械加工厂家都可以生产PCB离子阱;产品成本价格约为几百元人民币;由于PCB离子阱对离子阱电极的几何精度要求低,成品率也很高。

  同时,由于PCB离子阱结构简单、价格便宜、材料性能好,所以在小型化、在线使用、易于便携和运输等方面会更有优势。更神奇的是,对于需要测量重污染,高通量的环境样品,由于PCB离子阱质量分析器便宜,甚至可以当作耗材使用,即无需对污染过的离子阱进行清洗,直接更换即可,质谱抗污染性能更好。

   丁传凡补充说:”因为PCB离子阱在功能上与传统离子阱无任何差别,所以它可以用在一切传统离子阱可以使用的领域,但性能会更优越,价格更便宜;并且非常容易实现小型化,抗震、抗污染方面也会更有优势。“

  质谱产业化的2大难题

  丁传凡认为,在中国,质谱技术产业化仍面临2方面的问题:

  1、学校作为研究机构会开发一些新的技术,或发展一些新的理论,而对质谱的产业化来说最好的方法是有企业愿意去投资,共同促进新技术产品化。“我在加拿大工作时,所在的实验室和国际一家大公司合作。经费和很多仪器设备是仪器公司给的,事先告诉仪器公司他们要从事哪个新技术的研究,而公司正好需要这项技术,在这个研究的技术成熟后,仪器公司直接用来进行产业化,这就达到了无缝对接。而在中国很少有大学和质谱仪对口企业建立这种无缝关系。”丁传凡说。

  2、丁传凡认为,目前国内质谱产业化的基础比较薄弱,即使有了最新的技术成果,但企业可能因无法衡量该技术的未来价值而无法将其推向市场。“复旦科技处负责管理我们这个项目的老师认为我们的离子阱阵列技术有非常好的市场潜在力,但国内目前还没有公司进行产品和市场开发。”丁传凡说。

  【记者观察】

  由于国家的支持、投资界的支持,以及国产仪器厂家和科研单位的持续努力,中国质谱研发和制造领域近年来非常活跃,首先是一大批厂家研制生产了GC-MS甚至ICP-MS,并且在四极杆核心器件加工方面实现了突破。其次是有些厂家掌握了TOF技术,围绕环境、医疗等领域提供解决方案,并打开了应用类质谱的新市场。

  质谱的分析器主要有6种,目前应用较广泛的是四极杆、离子阱、TOF和Orbitrap。复旦大学和中国计量科学研究院团队从降低加工难度和成本、并同时提高性能方面,解决了离子阱质谱的核心分析器问题,并有自主知识产权。希望在不久的将来,我国生产厂家能够推出采用PCB离子阱,阵列离子阱的质谱仪器,同时我国的应用专家、科研和检测人员能够积极使用在各个应用领域,打开我国自主知识产权离子阱质谱一个又一个应用的市场。

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