高分辨質(zhì)譜儀器-安益譜推出國產(chǎn)首臺高分辨氣質(zhì)聯(lián)用儀，讓中國實(shí)驗(yàn)室都能擁有“自己家”的超高分辨質(zhì)譜
2024年4月18日，中國的一家年輕質(zhì)譜公司安益譜，推出了TA的第一臺靜電阱質(zhì)譜Cassitrap 120K， 這次事件就像中國質(zhì)譜界發(fā)射的一枚火箭，承載了許多人對質(zhì)譜本身、對中國高端質(zhì)譜的夢想，宣告中國人進(jìn)入了超高分辨質(zhì)譜的星際賽道。
Cassitrap的含義和設(shè)計(jì)的由來
首先，張小華解釋了Cassitrap名稱的由來。Cassitrap取名于卡西尼亞卵形線，人們在研究天體物理的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)一些多體問題，即一個(gè)行星或航天器會(huì)受到多個(gè)天體引力影響的共同作用，其運(yùn)行軌跡會(huì)非常復(fù)雜。
注：到兩定點(diǎn)的距離之和為常數(shù)（大于兩定點(diǎn)的距離）的點(diǎn)的軌跡是橢圓，并且到兩定點(diǎn)的距離之差的絕對值為常數(shù)（小于兩定點(diǎn)的距離）的點(diǎn)的軌跡是雙曲線。那么到兩定點(diǎn)的距離之積為常數(shù)的點(diǎn)的軌跡就是卡西尼卵形線。
描述Cassitrap電極形狀使用的復(fù)雜函數(shù)，實(shí)際上是雙曲函數(shù)+廣義卡西尼亞卵形線函數(shù)的形式，幾種函數(shù)場的共同作用使得離子運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。此前軌道阱Orbitrap使用的是一個(gè)雙曲函數(shù)+一階廣義卡西尼亞卵形線函數(shù)；實(shí)際天體物理的卡西尼亞卵形線有更復(fù)雜的函數(shù)組合，因此Orbitrap是卡西尼亞卵形線的一種特殊的簡單形式。
受到卡西尼亞卵形線的啟發(fā)，張小華將新產(chǎn)品取名為Cassitrap；而科學(xué)上的啟示為：可以設(shè)計(jì)中間有兩個(gè)、三個(gè)或者四個(gè)電極的另一種阱，而軌道阱特指中間為一個(gè)電極的情況。
Cassitrap誕生記：想法、務(wù)實(shí)、重啟
“做靜電阱的想法，早在10年前就有了，2013-14年，我腦子里面一直縈繞著這個(gè)想法。“張小華回顧說。當(dāng)時(shí)條件不成熟，正在攻讀博士的張小華就一直在做理論研究和仿真，做靜電阱前端的離子入射部分的構(gòu)型，這些研究剛好成為博士工作的一部分。2016年張小華創(chuàng)業(yè)成立蘇州安益譜，首先要先解決生存和發(fā)展的問題。迄今為止，蘇州安益譜已成為四極桿GC-MS中國最大的生產(chǎn)商。
2022 年 10 月份，張小華組織團(tuán)隊(duì)重啟靜電阱研發(fā)項(xiàng)目，并組建工程師隊(duì)伍。“那個(gè)時(shí)候，我和團(tuán)隊(duì)說2023年春節(jié)前，我們會(huì)把原理樣機(jī)做完，看到所有的信號。當(dāng)時(shí)所有人都不相信，都認(rèn)為怎么也得干上一年。”張小華回憶時(shí)仍難掩興奮，“我記得很清楚。我自己一直在實(shí)驗(yàn)室里，大概做了兩個(gè)月。1月15號晚上的9 點(diǎn)半時(shí)，儀器探測到衰減的一個(gè)時(shí)域信號，我做完傅里葉變換，然后對照樣品的質(zhì)量數(shù)，發(fā)現(xiàn)全都得到了驗(yàn)證！”
此后，團(tuán)隊(duì)開始轉(zhuǎn)向工程性開發(fā)。每一個(gè)樣品，每一個(gè)輸入輸出，每一步軟件操控顯示……花了差不多一年多一點(diǎn)的時(shí)間，做出了真正的Cassitrap，并馬上進(jìn)行了應(yīng)用的驗(yàn)證。
優(yōu)化場型的線形離子阱 中國人自己的專利
眾所周知，Orbitrap部分的專利已經(jīng)到期，但C-Trap部分還有專利。C-Trap可發(fā)射離子到軌道阱中的準(zhǔn)確位置，這對于實(shí)現(xiàn)整體性能至關(guān)重要。”陸陸續(xù)續(xù)地，我的腦袋里閃過了好多方案，然后又把曾經(jīng)做的很多仿真看了一遍。最后突然發(fā)現(xiàn)，之前方向院長跟丁傳凡老師寫的優(yōu)化場型的線形離子阱的專利剛好能解決這個(gè)問題。張小華興奮地說：“我在那個(gè)基礎(chǔ)之上稍微修正了一下，發(fā)現(xiàn)理論上可行，仿真結(jié)果也不錯(cuò)，加工又很簡單，所以我們立馬就用這個(gè)方式做了一下，最后做出來的實(shí)際效果就是，整機(jī)上試了一次就成功了。”
Cassitrap 120K的技術(shù)特點(diǎn)和性能優(yōu)勢
重磅來了，接下來家人們一同來看看Cassitrap 120K的性能表現(xiàn)。
Cassitrap 120K內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
簡單來看，它是一臺標(biāo)準(zhǔn)四極桿質(zhì)譜加上一臺高分辨的Cassitrap。兩種分析器的組合產(chǎn)生了更多的使用特點(diǎn)，具有三種工作模式。
首先，單四極桿模式下，它就是一臺高性能的四極桿氣質(zhì)聯(lián)用儀，裝有電子倍增器。
其次，高分辨模式下，它使用前端的四極桿做一段質(zhì)量范圍的離子或離子篩選，然后通過線形離子阱送入Cassitrap獲得高分辨譜圖，這時(shí)使用鏡像電流感應(yīng)和傅里葉變換技術(shù)檢測。事實(shí)上，四極桿和線形離子阱還可能組合，比如利用四極桿前端進(jìn)行初步篩選，線形離子阱可以做進(jìn)一步的精確分析，有利于得到一個(gè)更加純凈的譜圖，而且將具有更高的靈敏度。
第三，Cassitrap獨(dú)有“精確定性定量模式”，四極桿和Cassitrap可以協(xié)同工作。四極桿采集一個(gè)周期（如100-200毫秒）后，用20~30毫秒讓線形離子阱填充離子，并逐出入射到Cassitrap 中獲得高分辨質(zhì)譜。入射完成后，四極桿和線形離子阱可以做下一次掃描。因此Cassitrap可以同時(shí)獲得四極桿的總離子色譜圖和靜電阱的高分辨總離子色譜圖。
張小華表示：高分辨帶來的極大好處是：在做一些實(shí)際樣品（基質(zhì)比較復(fù)雜的樣品）時(shí)，當(dāng)提取離子的窗口非常窄時(shí)，到小數(shù)點(diǎn)第三位甚至第四位時(shí)，基線將非常干凈。就比如原來做的氣質(zhì)三重，就是前處理做得要非常好的時(shí)候，現(xiàn)在的效果來得更加的純凈。
Cassitrap 120K性能指標(biāo)一覽
四極桿模式
m/z范圍：1.5~ 1,250 amu，質(zhì)量準(zhǔn)確性±0.1 amu ，掃描速度最高20,000 amu/秒， EI 和 CI 兩種離子源，動(dòng)態(tài)范圍≥6 個(gè)數(shù)量級。
靈敏度：100fg 八氟萘信噪比＞ 100: 1 RMS，檢出限為 10 fg八氟萘。
FT傅里葉變換高分辨模式
m/z范圍從 18 amu 開始，無質(zhì)量上限。質(zhì)量精度內(nèi)標(biāo)<2 ppm。
Cassitrap 120K公布的分辨率≥12 萬。1.5 Hz采集速度實(shí)測時(shí)，m/z 131 amu分辨率可達(dá) 14 萬，m/z 69 amu分辨率優(yōu)于 20 萬。FT 的最快采集速度>10 Hz。譜圖內(nèi)動(dòng)態(tài)范圍>5, 000 。
靈敏度：100fg的 八氟萘，S/N信噪比≥1000 : 1 RMS；檢出限為100fg八氟萘。
張小華表示：FT高分辨模式下，一旦提取離子窗口很窄并檢出時(shí)，基線幾乎為零，信噪比非常高。但檢出限和四極桿的檢出限概念不太一樣，在檢出限時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止3倍信噪比。
此外，有些專家關(guān)心國產(chǎn)化率，張小華表示，除了分子泵和電子倍增器是進(jìn)口的，Cassitrap 120K其它部件均實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)。
Cassitrap的幾大核心技術(shù)
Cassitrap主要的核心技術(shù)有幾項(xiàng)。
從整體儀器系統(tǒng)性設(shè)計(jì)來說，關(guān)鍵是用優(yōu)化場型的線形離子阱，將離子精準(zhǔn)地彈射到Cassitrap中。除此之外，該線形離子阱突破了離子阱的LMCO限制，允許容納質(zhì)量范圍更寬的離子；具有QTrap功能，使用四極桿SIM（選擇離子）模式，獲得更低的檢出限；透鏡組可獲得優(yōu)于50%的離子傳輸效率。
電子學(xué)上還有許多技術(shù)，如：超高精度脈沖電源；納秒級高壓脈沖切換；ppm級別的高壓穩(wěn)定性；全譜近無損的數(shù)據(jù)壓縮算法；亞微米級曲面加工精度；系統(tǒng)級電磁兼容噪聲優(yōu)化技術(shù)；支持正負(fù)離子切換檢測。
張小華向我們普及了一些知識，阱內(nèi)電壓需快速變換，因此電壓首先要非常穩(wěn)、非常精準(zhǔn)。其次要求在100 納秒極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電壓突變，電壓范圍的波變化切換速度要達(dá)到1,000 V以上，從而讓離子快速地從線形阱中彈射出來。為了囚禁離子，線形阱加有射頻電壓，將離子束縛在阱的中間。當(dāng)要逐出離子時(shí)，需要在1微秒將電壓全部歸零。所以本質(zhì)上，Cassitrap在電子學(xué)上突破了許多挑戰(zhàn)。
當(dāng)然傅里葉變換還會(huì)涉及到一些算法。在采集大量數(shù)據(jù)時(shí)，需實(shí)時(shí)進(jìn)行傅里葉變換，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行近無損的壓縮。否則20 分鐘的色譜時(shí)間，采集的數(shù)據(jù)量將達(dá)幾個(gè)G，影響使用者體驗(yàn)。因此實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和壓縮也是核心技術(shù)，安益譜申請了數(shù)據(jù)近無損壓縮的專利。
從儀器整體性能來看，同時(shí)能夠獲取定性的譜圖和定量的譜圖，是安益譜的專利技術(shù)。原來的各種Orbitrap全部用鏡像電流感應(yīng)和傅里葉變換實(shí)現(xiàn)檢測，儀器上不帶電子倍增器。而Cassitrap帶有電子倍增器，保留了原先四極桿定量的完整模式，當(dāng)和線形離子阱結(jié)合后，未來還可實(shí)現(xiàn)Q-Trap的功能。未來，Cassitrap靜電阱內(nèi)還可以進(jìn)行紫外光電離等電離，安益譜也申請了專利。
讓每家實(shí)驗(yàn)室都能擁有超分辨質(zhì)譜
Cassitrap 120K發(fā)布后，將給中國和全球的質(zhì)譜市場帶來哪些變化？張小華表示，原來由國外品牌壟斷的超分辨質(zhì)譜市場，現(xiàn)在有中國品牌也進(jìn)入到這個(gè)市場，相信未來可能還會(huì)有更多中國品牌。這是社會(huì)發(fā)展的一個(gè)必然過程，對于客戶來說有更多的選擇，在價(jià)格和貨期談判時(shí)，客戶會(huì)處于更有利的地位。
Cassitrap 120K推出的同時(shí)，直接放出了誠意的價(jià)格，因?yàn)椤拔覀兿Ｍ鹤尯眉夹g(shù)能夠服務(wù)更多的實(shí)驗(yàn)室。所以原先可能有很多夠不上用這樣的設(shè)備的客戶都可以去考慮和選用，這是Cassitrap為客戶帶來的重要好處。”張小華說。
據(jù)悉，蘇州安益譜正在同多家單位合作，挑戰(zhàn)一些高難度的樣品。四極桿質(zhì)譜是安益譜生存的基石；奠定好該基礎(chǔ)，安益譜要做更高分辨率的質(zhì)譜。因?yàn)橘|(zhì)譜永遠(yuǎn)是要回答兩個(gè)問題——定量和定性。定量上，除磁質(zhì)譜外，目前主要是四極桿；定性上，超高分辨的軌道阱/靜電阱將繼續(xù)發(fā)展，未來可能還會(huì)出現(xiàn)更新的質(zhì)量分析器。安益譜今日發(fā)布了中國第一款超分辨靜電阱質(zhì)譜，未來還要做一款全球首臺的質(zhì)譜。Cassitrap120K 融合了四極桿和靜電阱，可以同時(shí)獲得好的定量和超高分辨率的定性。
