小型质谱仪器关键技术研究

本项目针对小型便携式质谱设计中涉及到的离子源、质量分析器和检测器等关键部件进行创新性研究，探索适于小型质谱设计的新原理、解决主要部件设计中涉及到的关键技术问题。研究内容包括：（1）将具有自主知识产权的DBDI离子源用于小型便携式质谱仪器，实现常压下的解吸附与离子化功能；（2）设计一种能够在常压、长距离条件下实现离子迁移，并能够依据离子迁移中质量/电荷比差异进行质量分离的新型质量分析器，摆脱质谱需要依赖真空体系的限制；（3）设计一种三维线性离子阱阵列，实现组分与基体成分的快速分离和多组分成分的同时分离，并适用于研究离子-离子反应的机理。在此基础上，研究小型便携式质谱仪器在载人航天器空气质量检测、食品安全相关农药残留快速检测以及疾病标志物快速筛选和疾病诊断方面的应用。

本项目针对小型便携式质谱设计中涉及到的离子源和质量分析器两个关键部件进行研究，探索适于小型质谱设计的新原理、解决主要部件设计中涉及到的关键技术问题。项目执行期间在小型质谱仪器关键部件和整机研究方面取得了以下有学术意义和实际应用价值的研究成果：（1）设计了三种基于DBDI 原理的常压离子源，对其性能进行了评价，证明这类离子源结构简单，离子化效率高，能够很好地用于小型质谱仪器；（2）对小型质谱仪器的接口技术进行了研究，设计了一种适合小型质谱的大气压接口，能够在小型质谱特有的真空系统下进行工作；（3）设计了三种适于小型质谱的质量分析器，分别为矩形离子阱质量分析器、阵列离子阱质量分析器、以及基于MEMS技术的芯片式离子阱阵列质量分析器；（4）对常压离子分离系统进行了研究，设计了一种高场非对称波形离子迁移谱（FAIMS）；（5）对整机系统的性能参数进行了评价，并将其应用于室内和密闭空间环境气体的检测、呼吸气体的检测以及部分农药残留物的检测。在项目执行过程中，我们还着重对质谱仪器的离子源系统进行了研究，提出了一种基于梯度电压的电喷雾离子源，能够用于极小体积样品中基质的去除，显著提高待测分子的信噪比，该论文发表在德国应用化学杂志上（Angew. Chem. Int. Ed. 52:11025, 2013）；我们设计了一种基于诱导电喷雾的质谱离子源，能够调节多肽分子的电荷，使多肽分子形成单电荷的分子离子峰，从而不经过色谱分离，就可以实现混合物中多种多肽分子的分析，相关论文发表在美国分析化学杂志上（Anal. Chem. 83: 8863, 2011）；此外，我们还研究了一种活体在线离子化的方法，可以直接对活体植物所含成分进行分析，在现场不稳定化合物分析方面有重要用途，相关论文发表在美国分析化学杂志上（Anal. Chem. 84: 3058, 2012）。这些研究成果对于小型质谱仪器在现场检测中的应用有重要意义。本项目执行期间共申请发明专利6项（均已公开，尚未授权），发表标注本项目编号的论文41篇。曾在加拿大、西班牙、中国台湾及大连等地召开的有关质谱分析研究的国际学术会议上作邀请报告4次，并多次在国内有关会议上作邀请报告。项目执行期间还培养博士生（毕业）8人，博士后（出站）3人。完成了计划书的预定目标。