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，讓中國實驗室都能擁有“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，宣告中國人進入了超高分辨質(zhì)譜的星際賽道。
Cassitrap的含義和設(shè)計的由來
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候，發(fā)現(xiàn)一些多體問題，即一個行星或航天器會受到多個天體引力影響的共同作用，其運行軌跡會非常復雜。
注：到兩定點的距離之和為常數(shù)（大于兩定點的距離）的點的軌跡是橢圓，并且到兩定點的距離之差的絕對值為常數(shù)（小于兩定點的距離）的點的軌跡是雙曲線。那么到兩定點的距離之積為常數(shù)的點的軌跡就是卡西尼卵形線。
描述Cassitrap電極形狀使用的復雜函數(shù)，實際上是雙曲函數(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動穩(wěn)定。此前軌道阱Orbitrap使用的是一個雙曲函數(shù)+一階廣義卡西尼亞卵形線函數(shù)；實際天體物理的卡西尼亞卵形線有更復雜的函數(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；而科學上的啟示為：可以設(shè)計中間有兩個、三個或者四個電極的另一種阱，而軌道阱特指中間為一個電極的情況。
Cassitrap誕生記：想法、務(wù)實、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想法?！皬埿∪A回顧說。當時條件不成熟，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，張小華組織團隊重啟靜電阱研發(fā)項目，并組建工程師隊伍?！澳莻€時候，我和團隊說2023年春節(jié)前，我們會把原理樣機做完，看到所有的信號。當時所有人都不相信，都認為怎么也得干上一年。”張小華回憶時仍難掩興奮，“我記得很清楚。我自己一直在實驗室里，大概做了兩個月。1月15號晚上的9 點半時，儀器探測到衰減的一個時域信號，我做完傅里葉變換，然后對照樣品的質(zhì)量數(shù)，發(fā)現(xiàn)全都得到了驗證！”
此后，團隊開始轉(zhuǎn)向工程性開發(fā)。每一個樣品，每一個輸入輸出，每一步軟件操控顯示……花了差不多一年多一點的時間，做出了真正的Cassitrap，并馬上進行了應(yīng)用的驗證。
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確位置，這對于實現(xiàn)整體性能至關(guān)重要?！标戧懤m(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問題。張小華興奮地說：“我在那個基礎(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，加工又很簡單，所以我們立馬就用這個方式做了一下，最后做出來的實際效果就是，整機上試了一次就成功了。”
Cassitrap 120K的技術(shù)特點和性能優(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，它是一臺標準四極桿質(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，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，這時使用鏡像電流感應(yīng)和傅里葉變換技術(shù)檢測。事實上，四極桿和線形離子阱還可能組合，比如利用四極桿前端進行初步篩選，線形離子阱可以做進一步的精確分析，有利于得到一個更加純凈的譜圖，而且將具有更高的靈敏度。
第三，Cassitrap獨有“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：在做一些實際樣品（基質(zhì)比較復雜的樣品）時，當提取離子的窗口非常窄時，到小數(shù)點第三位甚至第四位時，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候，現(xiàn)在的效果來得更加的純凈。
Cassitrap 120K性能指標一覽
四極桿模式
m/z范圍：1.5~ 1,250 amu，質(zhì)量準確性±0.1 amu ，掃描速度最高20,000 amu/秒， EI 和 CI 兩種離子源，動態(tài)范圍≥6 個數(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<2 ppm。
Cassitrap 120K公布的分辨率≥12 萬。1.5 Hz采集速度實測時，m/z 131 amu分辨率可達 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，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，在檢出限時遠遠不止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口的，Cassitrap 120K其它部件均實現(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。
從整體儀器系統(tǒng)性設(shè)計來說，關(guān)鍵是用優(yōu)化場型的線形離子阱，將離子精準地彈射到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。其次要求在100 納秒極短時間內(nèi)實現(xiàn)電壓突變，電壓范圍的波變化切換速度要達到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。當要逐出離子時，需要在1微秒將電壓全部歸零。所以本質(zhì)上，Cassitrap在電子學上突破了許多挑戰(zhàn)。
當然傅里葉變換還會涉及到一些算法。在采集大量數(shù)據(jù)時，需實時進行傅里葉變換，因此需要對數(shù)據(jù)進行近無損的壓縮。否則20 分鐘的色譜時間，采集的數(shù)據(jù)量將達幾個G，影響使用者體驗。因此實時數(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，當和線形離子阱結(jié)合后，未來還可實現(xiàn)Q-Trap的功能。未來，Cassitrap靜電阱內(nèi)還可以進行紫外光電離等電離，安益譜也申請了專利。
讓每家實驗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)在有中國品牌也進入到這個市場，相信未來可能還會有更多中國品牌。這是社會發(fā)展的一個必然過程，對于客戶來說有更多的選擇，在價格和貨期談判時，客戶會處于更有利的地位。
Cassitrap 120K推出的同時，直接放出了誠意的價格，因為“我們希望：讓好技術(shù)能夠服務(wù)更多的實驗室。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。因為質(zhì)譜永遠是要回答兩個問題——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，可以同時獲得好的定量和超高分辨率的定性。
