现代仪器(www1moderninstrs1org1cn)
二〇〇七年・第四期
国产800系列液质联用仪的开发和发展
徐国宾 单 琦 韩文念 杨芃原 李 钧
(11复旦大学化学系 上海 200433)(21上海精密科学仪器有限公司 上海 200233)(31复旦大学生物医学研究院 上海 200032)
摘 要 国产800系列液相色谱/质谱联用仪是为解决食品安全、农药残留、水质监测等领域的迫切需要而研制的通用型色质联用仪。技术先进、性能稳定。通过装配不同配件,国产800系列质谱平台可以开发出包括液质联用仪、高分辨等离子质谱、四极杆/飞行时间串联质谱等多种高、低档产品或实验室仪器;通过软件和硬件的优化可以改装为多种专用仪器;真正实现仪器核心技术的通用化和系列化,以及用户操作的简便化。深入研究市场定位,掌握核心专利技术,增强基础部件的工艺水平,国产质谱仪器才能在未来5年占据市场一席之地。
关键词 质谱 LC-MS ICP-MS QTOF
800系列质谱仪器是基于“高分辨飞行时间质
谱平台技术”,液相色谱/质谱联用仪(LC质(ICP/MS)(2QT2OF/MS)。、分辨能力高、性价比高,。
800系列质谱仪器的应用广泛,市场需求迫切。在食品安全领域中,LC2MS是最常用的检测仪器。但是我国从过去的农药残留,到现在的食品中有害添加剂,往往采用HPLC作为国标检测手段。以苏丹红的检测为例,国际通用的方法是LC2MS,其基本仪器配置需要250万人民币,所以国标方法只能采用HPLC。在国际贸易领域,我国根本无法规避LC2MS检测手段,特别是在农产品的出口上,如水产品、茶叶。ICP/MS是水质检测的保障仪器。新的《生活饮用水卫生标准》(GB574922006),其中多项指标的检测就需要ICP/MS。科学研究的高端领域中,LC/MS可以在中药指纹图谱数据库方面提供帮助,也可以在中药质量控制方面发挥作用;QTOF可以在尖端科学研究领域一显身手。
800系列质谱仪器开发平台的核心技术是“高分辨反射式飞行时间质谱”。俄罗斯科学家Alexan2derF1Dodonov于20世纪90年代初期发明这项技术;他的学生IgorV1Chernushevich与加拿大SciexMDS公司的DonJ1Douglas合作,开发出QStar系列串联质谱仪,并由美国AppliedBiosystem公司销售,单价超过30万美元;Sciex与美国Agilent公司合作,推出6000系列质谱仪中高端的TOFMS和42
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2
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,复旦大学杨芃原教授)与Dodonov教授合作开发质谱仪器,实现“高分辨二级有网反射式飞行时间质谱仪”;取得16,000(FWHM,50%峰宽,下同)的分辨能力;2002～2004年又完成“115米高分辨反射式飞行时间质谱仪”和“液相色谱高分辨质谱检测器”。2003～2006年,上海市科委组织上海精科和复旦大学联合开发“微流高压梯度泵毛细管高效液相色谱-电喷雾飞行时间质谱(LC2TOFMS)联用仪(031409004)”项目,总投资180万人民币。项目开发的MS800型液相色谱质谱联用仪在原有成果的基础上,着重改进仪器的适用性和可靠性。主要技术指标如下:
3台式仪器,飞行管向上(与Agilent6210TOFMS类似),重量小于50kg;
3飞行管长800mm,有效飞行距离2m,分辨能力大于8000,最好达14000;
34级真空系统,铝制真空腔体,使用一台德国分流式分子泵;
3采样率每秒3kHz(用于生物大分子)至30kHz(用于ICP/MS);
3快电子系统采用214GHz时间数字转换器,每秒可记录10～0105张图谱;
3软件采用WIN32平台,支持WindowsXP和Vista操作系统,优化双核和多CPU系统;
3融合基于n2tierSQLDBMS的实验室信息管理系统(LIMS);
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800系列质谱平台开发出的第一款产品MS800
仪器评介
合市场需要的新技术、新方法始终贯穿于整个开发
过程。飞行时间分析器采用“锯齿状一体化电极阵列”这一关键专利技术。以往的离子加速器和反射器中有效截面积所占的比例通常低于50%。过渡区域和电极本身的几何尺寸占据大量真空区域,造成真空腔尺寸庞大、利用率低;并且迫使仪器使用更大抽速的真空泵系统,间接增加成本。许多商业仪器通常减小整个TOF2MS质量分析器的尺寸,导致只能使用小型的(如直径25mm的)微通道板(MicroChannelPlate)检测器。锯齿状一体化电极阵列通过在石英或PCB板上刻蚀锯齿状的空白线,减少电场中不均匀区域的面积,增加真空空间的利用效率。通常安装50mm离子检测器的商业仪器其飞行管直径为200～250mm;而MS800LC2TOFMS使用直径160mm,简化真空结构,,与beta2相比
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倍,。
液相色谱质谱联用仪,瞄准的是最常见的日常分析测试领域的用户。由于质谱仪器价格昂贵,我国质谱用户目前较少,主要集中在科研、部分政府机构和石化等资金充裕的机构;但是国内需求增长迅速,近年来年增长率超过17%。据海关统计,2006年我国进口各类质谱仪器900余台,价值2
亿美元,其中最简单的GC/MS占据50%以上的数量。GC/MS市场成熟,但进入不易。就在2007年1月国产GC/MS产品发布之前,2006年日本岛津部分GCMS产品美国公开报价已经降价至30万人民币;这对国内产品造成很大压力。反观液相色谱领域近年来发展迅速,LC/MS价格稳定,利润空间大;许多新的标准普遍采用HPLC2MS的方法,有逐步取代GC/MS的趋势;飞行时间质谱TOF/MS又是近年来国际厂商产品升级的方向,众多厂家分别推出中高档的采用TOF技术的产品,由于LC/MS价格高而市场稳定,角———使用的人少,虑,MS800定位为
“图1 2006年MS800仪器对苏丹红I的质谱分析图谱
2006年MS800样机主要指标表明其技术已经达到国内领先、国际先进的水平。MS800样机是一台实验性质的实验室样机(beta2),内部磨合并未达到优化。验收时主要指标如下:
μL利血平(Reserpin),离线纳升电360pg/
喷雾,m/z609同位素峰分辨能力达到8200,信噪比大于200;
3实际测量中,使用电喷雾源检测到的最小离子m/z为57;
3实际测量中,使用电喷雾源检测到的最大离子m/z为5734(牛胰岛素);
3苏丹红I和氯雷他啶混合物色谱分析中,两种物质的特征峰分辨力分别达到9200和9000;
800系列质谱平台在设计时注重技术创新。符
图2 锯齿状一体化电极阵列结构示意图
800系列质谱平台采用使用“串行总线时间转
换”专利技术的新型时间数字转换器(TDC)。传统TDC采用的是特种RISC芯片,如HPTDC;或者是军用DSP芯片。这种部件体积庞大,售价高达1万美元。但是随着科技进步,民用产品已经完全能够达到10年前的军用产品水平。2003年的普通FPGA已经能够达到300Msps的采样速度。“串行总线时间转换”专利技术采用民用3Gb串行通讯总线技术,将214GHz质谱信号转换成300MHz信号,实现完全由通用民用芯片构成的TDC。这种新型的TDC成本大大降低。为800系列质谱仪器的产业安全提供保证。
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800系列质谱平台的高精度高压电源采用新合
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影响。然而,国外一些质谱仪器小公司的经验或许
值得借鉴,那就是“不比指标,比特色”。例如美国Ciphergen公司的SELDI2TOF结合抗体芯片技术可以在临床医学方面独树一帜;英国Kratos公司的3D离子阱/飞行时间串联质谱由于技术的独特性,最终被日本岛津收购;英国HD公司的Orbitrap超高分辨FTMS由于独特的电场设计方法,使得FT2MS摆脱繁琐的超导磁体维护,从而被ThermoFinnigan收购。做出有特色的仪器,可以摆脱拼先进指标或低水平重复建设的困局;能得到用户的认可。在国家自然科学基金项目“高灵敏度杂化型线形离子阱2飞行时间质谱仪”的资助下,针对蛋白质分子结构研究的需要,800平台采用“线性离子阱离子储存与推斥器”专利技术,正在开发“生物大分子解析装置”耦合,;通过,的速度将离子,解决线性离子阱;通过线性离子阱储存积分离子浓度,解决飞行时间质谱对大m/z离子占空比低的问题,提高大分子信号的强度;通过线性离子阱选择和打碎特定离子,为飞行时间质谱提供串级能力。这台仪器可望于2009年完成,大型国产仪器在蛋白质组学领域实现零的突破。此外,800系列质谱平台正在着手开发新型的四极杆/飞行时间质谱(QTOF)。这台仪器具有母离子质量大的特点(10kDa级),特别适合生物大分子和高分子的分析。目前上述两台仪器的关键部件,线性离子阱和陶瓷镀金四极杆的加工问题已经基本解决。这类高端仪器的开发作为未来产品的储备,其宣传作用大于商业利益。
随着我国经济迅速发展,预计2010年我国将购买各类质谱仪器超过1800台。国产仪器瞄准社会生活中最需要的方面,如食品安全的检验、水质的检验等方面,有望在中低端领域取得10%的份额。在专用领域内,高端仪器会出现2～3个闪光点。然而要巩固这些份额,需要新的技术、产品、管理、人员和资金的配备,这对国内现有科学仪器厂家而言将是巨大的挑战;新的运作体制和大量的专业人才,是国内厂家必须突破的方面。
(上转第41页)
作开发的国产产品。稳定的、低纹波的高压电源是众多精密仪器的关键基础部件。当电源精度低于100ppm时,光谱、色谱、质谱的稳定性将不会超过100ppm,即质谱的分辨能力将低于1万。而进口高压电源价格昂贵。开发并生产高精度高压电源,对提高国产仪器的整体水平,降低仪器成本,是有很大帮助的。根据800平台提出的要求———纹波低于10mV,电压稳定度由于100ppm、10ppm两档,电流小于1mA;开发小组采用新的器件和特殊专利技术,制作出100ppm精度(50ppm精度经过筛选),可程控转换极性的电源产品,性能指标比以往国产产品提高5～10倍,可以替代800平台中除LNR线性主高压之外的全部电源(英国Wa2ters的25000分辨能力的LNR最佳稳定度为5～10ppm)。
800系列质谱平台设计时考虑到仪器的通用
性。800平台具有通用的接口标准,可以连接IMPT等离子离子源,GC2EI离子源,EI源等,,多用。,以优化质量范围;TOF分析器,800平台就可以开发出LC/MS、GC/MS、ICP/MS等多种高性能仪器。以目前开发中的ICP/MS为例,800平台更换耐高温、耐腐蚀的铜胎电铸镍镀铂(白金)采样锥,以配合等离子离子源;调整六级杆频率,由LC/MS的1400kHz提高为4600kHz,以提高5～300质量范围的离子传输效率;LNR电压降为23000V,采样率提高至30kHz。国产ICP质谱售价
将与进口ICP光谱相当,但ICP质谱可以提供更丰富的信息以及1～3个数量级的灵敏度优势。高通用性的800平台可以通过与其他类型800平台产品共享关键技术和部件,从而降低产品的生产成本。
800系列质谱平台设计时也考虑到仪器的扩展性。高性能串联质谱,一直是各大厂家的顶级产品。但是,高性能串联质谱技术复杂,系统复杂程度程几何级数增长;串联质谱的技术先进性也不言而喻,大量技术都被国际厂商的专利所覆盖,如近年来推出的线性离子阱(LinearIonTrap,1995年美国Finnigan公司美国专利5420425)、Orbitrap(1996年英国HD公司美国专利5886346)等;此外,能够购买串联质谱的机构一般资金实力雄厚,始终被技术的先进性所吸引,并不会被较低价格所44
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[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]54研制与开发
过改变现场安装方法减小误差。车速的变化引起的误差主要是由于获取的轮辋和轮缘图像不理想,没有得到理想位置的图像所致,这可以通过限制入库车辆行驶速度,辅以误差的补偿算法来解决。限于篇幅,这两种误差将另文详细讨论。
4 结论
本文将结构光视觉传感技术应用到车辆轮对几何参数的测量研究上,实现列车入库在线动态测量,简要分析测量结果的误差来源,测量结果表明系统满足在线测量要求。
参考文献
1 史鸿祥,客车车轮踏面擦伤及其危害,铁道车辆,1994,
32(11):56～57
2 冯其波,,陈士谦, 系统测量误差来源较多,根据测量结果分析,主
要误差来源于两个方面:11引起的振动误差;21,,,2004
(3,,
,2004(5):29～31
Thementsysteminmeasuringwheelsetsgeometric
parametersonline
ShaoShuangyun CuiJianying ChenShiqian GuoQiong
(BeijingJiaotongUniversity,Beijng 100044)
Abstract Wheelsetsplayakeyroleforthesafetyofrailwaytransportation,asimportantpartsoftherailwayvehi2cles1Therefore,itiscrucialtodetecttheabrasionofwheelsetsaccurately1Themeasurementsystemthatisbasedonthestructurallightvisionsensingtechnologywasdevelopedtomeasurethewheelsetswearonline1Keywords Wheelsets Structurallight Vision Measurement
(下接第44页)
Developmentof800SeriesMassSpectrometers
XuGuobin ShanQi HanWennian YangPengyuan LiJun(11DepartmentofChemistry,FudanUniversity,Shanghai 200433)
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(21ShanghaiPrecisionScientificInstrumentCompany,Shanghai 200433)(31InstituteofBio2MedicalSciences,FudanUniversity,Shanghai 200433)
Abstract 800SeriesMassSpectrometersisdesignedforapplicationsuchasfoodsecurity,pesticidesresidues,waterqualitymonitoring,etc1BasedonadvancedTOFtechnology,800seriesmassspectrometerisdesignedcon2sideringpurchasingpowerofdomesticusers1LC2TOF2MS,ICP2TOF2MSandQTOFarepossibletobedesignedbaseonthisplatform1Andbyoptimizingbothsoftwareandhardware,800seriesmassspectrometercanbecustom2izedtoparticulartestingworkswhichwillsavetimeandmoneyofusers1Bycarefullychoosingmarketposition,Chinesemassspectrometersareabletoacquirereasonableshareofthemarket1Keywords Massspectrometer LC-MS ICP-MS QTOF
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