Mini β 小型質譜分析系統（圖1）是由北京清譜科技有限公司的研發團隊在清華大學和美國普度大學的深度合作下研發、設計、制造的質譜產品，旨在為終端用戶提供簡單快速的原位化學分析方案。Mini β小型質譜儀的實現源自兩項關鍵技術的誕生——原位電離和質譜儀小型化技術。

圖1 Mini β 小型質譜分析系統

1 儀器設計理念：十年礪劍，化繁為簡

Mini β小型質譜儀的實現源自兩項關鍵技術的誕生——原位電離和質譜儀小型化技術。原位電離設計概念率先由普渡大學R. Graham Cooks 和清華大學歐陽證教授團隊于 2006 年提出(Cook et al.， 2006)，旨在為質譜使用提供簡單易用、快速精準的分析方法。十余年間，團隊通過不懈創新，開發了以解吸附電噴霧(Takáts et al.， 2004)、紙噴霧(Wang et al. 2010)及段塞流微萃取(Ren et al.， 2014)為代表的一系列方法，并已經過國際多所高校、科研院所和企業的原理及應用驗證。Mini β小型質譜分析系統將原位電離技術植入了一次性進樣試劑盒，在賦予質譜儀簡單快速的使用特性的同時，避免了痕量分析工作中由樣品造成的潛在設備污染。

同期，R. Graham Cooks 和歐陽證教授的團隊也在不斷探索質譜小型化的方案，并在 2007 年推出了用于氣相分析的質譜小型化技術(Gao et al.， 2007)。該技術現已被廣泛應用，是市場上便攜質譜儀的原型，已被成功用于安防領域的氣體和揮發物檢測，而具備非揮發物質檢測能力的小質譜 Mini 12 是在氣相小質譜的基礎上多次創新的成果(Gao et al.， 2008; Hendricks et al.， 2014; Li et al.， 2014)，也是 Mini β 小型質譜分析系統的設計原型（圖2）。

圖2 質譜小型化技術發展沿革

Mini β 小型質譜分析系統是世界首款實現質譜小型化與原位電離技術聯用的質譜產品，此項儀器設計極大地降低了質譜分析的復雜程度，增強了檢測的移動性、時效性，使儀器使用突破了檢測場地、時間和人員的限制，為用戶提供及時、準確的化學信息反饋，在食品安全、公安執法和醫療診斷等領域有著廣泛的市場潛力(Li et al.， 2014; Ma et al.， 2015; Ma et al.， 2016)。

Mini β 小型質譜分析系統由PCS原位電離試劑盒和Mini β 小型質譜分析儀組成，傳統質譜儀所需的進樣系統、質量分析系統、數字控制系統、射頻控制系統、真空系統已全部壓縮集成在了55cm（長）×24cm（寬）×31cm（高）的空間中，體積僅和臺式電腦主機相當。

2 核心技術與產品性能：小巧、快速、簡單

2.1 PCS 原位電離技術

2004年，普度大學R. Graham Cooks研究組開發出解析電噴霧技術(DESI)，直接離子化質譜技術得到快速發展，紙噴霧技術(PS)、萃取噴霧技術(ExS)相繼推出。2015年紙噴霧技術得到優化升級，得到更穩定的微管紙噴霧技術(PCS)，并于2016年產業化為PCS原位電離試劑盒（圖3）。

圖3 PCS原位電離試劑盒

常規質譜采用電噴霧（ESI）或大氣壓化學電離（APCI），要求經分離提純后進行離子化，而 Mini β小型質譜分析系統采用的 PCS 原位電離技術（Paper Capillary Spray），集樣品快速前處理和離子化于一身，無需額外樣品處理步驟，即可實現采樣-自動樣品純化-離子化進樣，并可在采樣現場輕松完成（圖4）。以該技術為核心開發的PCS原位電離試劑盒，簡化了操作步驟，在提高質譜分析所必須的樣品前處理速度的同時（1分鐘），降低了對操作人員專業性及檢測環境的要求。

圖4 Mini β 進樣模式

相關**：

a) Analyzing An Extracted Sample Using An Immiscible Extraction Solvent， WO PCT/US2015/013649

b) Systems and Methods for Sampling Ionization Using Capillary Device， US 62/211，268

2.2 質譜小型化技術

Mini β 小型質譜分析系統的另一核心技術是質譜小型化技術。該技術的實現主要歸因于真空和離子傳輸系統的創新設計。Mini β 小型質譜分析系統將傳統質譜儀普遍采用的多級真空腔體合并為單級腔體，傳統的連續大氣接口也調整為非連續大氣接口（DAPI），該設計使 Mini β 對真空泵保持著*低的需求，儀器真空的維持得以用小型真空泵來實現，從而使重達 400kg、功率達 6000w 的傳統質譜儀優化為 20kg、100W的小型質譜分析系統（圖5）。

圖5 Mini β 真空設計示意圖

清譜科技獨有的非連續大氣進樣接口技術（DAPI）（圖6）可為質量分析系統提供靈活的壓力控制，使進樣、離子碎裂、質量分析能夠在合適的壓力區間內進行（圖7）。更為重要的是，得益于單極真空的設計，DAPI技術使 Mini β 的靈敏度得以優化提升。

圖6 非連續大氣進樣接口（DAPI）

圖7 真空系統壓力變化

質譜小型化技術除此之外，Mini β 的射頻系統使其質量范圍達到2000Th，這個質量范圍甚至能夠分析細胞色素等復雜樣品（圖8）。

圖8 細胞色素C的信號響應

Mini β 采用了*前沿的線性離子阱技術，動態范圍達到了3個數量級，并具有強大的多級串聯質譜分析（MSⁿ）能力。令人興奮的是，清譜科技在單阱系統的基礎上開發雙阱系統，保證離子的高效碎裂，實現三重四極桿質譜儀的全部功能。

相關**：

a) Discontinuous Atmospheric Pressure Interface， WO 2009/02336

b) Sample Quantitation Using a Miniature Mass Spectrometer， WO PCT/US2015/013649

3 Mini β 小型質譜分析系統性能指標

Miniβ小型質譜分析系統與其他質譜產品相比，既保留了大型質譜儀的性能和分析物的普適性(揮發、非揮發性)，也保留了小質譜的現場檢測能力（表1，圖9），使原本實驗室內總耗時若干天的質譜分析可以在現場 1 分鐘內完成。

表 1 Miniβ主要性能指標

圖9 Mini β 質量范圍、分辨率和靈敏度

4 Mini β 應用模式：現場檢測、實時反饋和數據整合

Mini β小型質譜分析儀終端配合清譜科技在建的化學云分析網絡（圖10），可在質譜終端實現更好的智能化和拓展性的同時，通過中心化的數據分析，幫助上層決策人員實現規模化、網絡化的協同管理。

圖10 化學云分析網絡

在檢測現場，一線人員無需任何化學背景，只需將添加樣品的試劑盒插入儀器，按下開始按鈕即可開啟“一鍵式”全自動質譜分析。在終端樣品分析過程中，儀器可通過識別試劑盒二維碼與對應的網絡位置進行實時通信，實現自動調取掃描方法、自動質量分析、自動采集數據、自動數據處理、自動反饋結果等功能。整個過程在1min內完成，分析完成后，結果報告自動上傳至化學云分析網絡。一線人員可通過手機獲取結果反饋，指導現場實踐。

在管理決策終端，后臺管理人員可通過化學云分析網絡實現對檢測終端的遠程管理與在線分析，及時響應，快速決策。此外，化學云分析網絡還可為公安緝毒、食品安全、環境監測等領域的應用需求提供專業化監控定制方案。

5 應用案例

Mini β 小型質譜分析系統是世界首款實現質譜小型化與原位電離技術聯用的質譜產品，此項儀器設計極大地降低了質譜分析的復雜程度，增強了檢測的移動性、時效性，使儀器使用突破了檢測場地、時間和人員的限制，為用戶提供及時、準確的化學信息反饋，使檢測介入決策中去。在食品安全、公安執法、醫療診斷、環境監測等領域有著廣泛的市場潛力(Li et al.， 2014; Ma et al.， 2015; Ma et al.， 2016)。

在公共安全領域，Mini β 小型質譜分析系統可為公安人員現場緝毒提供快速簡單的解決方案；在食品藥品領域，Mini β 可幫助執法部門進行現場篩查，防止不合格食品藥品流向市場；在醫療診斷領域，Mini β 可提供即時檢測（POCT），幫助醫生及時研判病情，為患者爭取寶貴的治療時間。

下面以公安毒檢為例，對 Mini β 應用方法做簡要介紹。

公安毒檢：尿液中苯丙胺、甲基苯丙胺、3，4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺（MDMA）的快速檢測

苯丙胺類興奮劑是苯丙胺及其衍生物的統稱，本案例基于小型質譜分析系統開發了尿液中苯丙胺、甲基苯丙胺、3，4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺（MDMA）（圖11）的實時快速檢測方法，無需繁瑣的樣品前處理，無需耗時的色譜分離，1步操作1min完成樣品分析，本方法的檢出限為100ng/mL。

圖11 苯丙胺、甲基苯丙胺、3，4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺結構

實驗樣品

苯丙胺，CAS 300-62-9，1mg/mL，Cerilliant。冷凍保存，使用時稀釋至所需濃度；甲基苯丙胺，CAS 33817-09-3，1mg/mL，Cerilliant。冷凍保存，使用時稀釋至所需濃度；MDMA，CAS 42542-10-9，1mg/mL，Cerilliant。冷凍保存，使用時稀釋至所需濃度；以上標準品由浙江省嘉興市公安局提供。尿液樣品存于密封容器中，冷藏保存。

實驗設備

Mini β小型質譜儀；PCS液體檢測試劑包（含PCS試劑盒、微量液體取樣器、萃取劑A）。

實驗方法

標準溶液分析：移取5μL標準溶液，從PCS試劑盒加樣口加于PCS上，從溶劑口加入3滴萃取劑A后，將試劑盒插入質譜儀進樣口，進行質譜分析。

樣品分析：用微量液體取樣器移取尿液（6.5μL），從PCS試劑盒加樣口加于PCS上，60℃干燥5min后，從溶劑口加入3滴萃取劑A，將試劑盒插入質譜儀進樣口，進行質譜分析。

MS條件：

電離模式：正離子模式；檢測方式：子離子掃描，監測離子及豐度見表2。

表2 監測離子及豐度

實驗結果與討論

通過對陰性尿液樣品加標（500ng/mL）的方式考察了本方法的檢出限，以S/N=3計，本方法的LOD為100ng/mL。

苯丙胺、甲基苯丙胺、3，4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺（MDMA）的標準溶液子離子掃描譜圖、陰性尿液加標樣品子離子掃描質譜圖、陰性尿液子離子掃描質譜圖見圖12-14。

圖12 （a）苯丙胺標準溶液子離子掃描質譜圖（1μg/mL， PCS）；（b）陰性尿液加標中的苯丙胺子離子掃描質譜圖（1μg/mL， PCS）；（c）陰性尿液中苯丙胺的子離子掃描質譜圖（PCS）

圖13 （a）甲基苯丙胺標準溶液子離子掃描質譜圖（1μg/mL， PCS）；（b）陰性尿液加標中的甲基苯丙胺子離子掃描質譜圖（1μg/mL， PCS）；（c）陰性尿液中甲基苯丙胺的子離子掃描質譜圖（PCS）

圖14 （a）MDMA標準溶液子離子掃描質譜圖（1μg/mL， PCS）；（b）陰性尿液加標中的MDMA子離子掃描質譜圖（1μg/mL， PCS）；（c）陰性尿液中MDMA的子離子掃描質譜圖（PCS）

本方法使用Mini β小型質譜分析系統建立了快速測定尿液中苯丙胺、甲基苯丙胺、MDMA的方法，該方法無需對樣品進行處理，無需色譜分離，使用原位電離源PCS試劑盒，可快速完成尿液中苯丙胺、甲基苯丙胺、MDMA的定性檢測，為現場緝毒、毒駕監管等提供了快速簡單的解決方案。

6 所獲獎項

2017年10月，在“北京分析測試學術報告會暨展覽會”（BCEIA 2017）上，Mini β榮獲中國分析測試協會頒發的“BCEIA 金獎”（圖15-16）。

圖15 Mini β 獲BCEIA金獎

圖16 BCEIA金獎證書

參考文獻

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Takáts Z， Wiseman J M， Gologan B， et al. Mass spectrometry sampling under ambient conditions with desorption electrospray ionization. Science， 2004， 306(5695):471.

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