发明人解密：Nobel获奖技术ESI和AxION新质谱
发布: 2011-11-10 11:59 作者: webmaster 来源: 分析测试百科
——PerkinElmer质谱资深沈世达博士访谈
【导语】如果您关注LC/MS，一定会熟悉ESI（电喷雾）这个词汇，不仅由于 ESI发明者John Fenn教授获了Nobel奖，还因为当今世界上几乎每台LC/MS都在使用它。可您真的了解ESI么？了解在ESI以后衍生发展的各种离子化技术么？
为什么PerkinElmer要收购AoB公司？AxION为什么还没推出就已经接了80多台的订单？
最好的机会，莫过于听世界上第一台商品化ESI源的发明人、John Fenn教授在耶鲁大学的关门弟子、原AoB公司的沈世达博士本人为我们解密。随着AoB被收购，沈博士也成为PerkinElmer公司LC/MS研发团队的项目领导人。BCEIA期间，我们有幸采访到沈博士，他不仅为我们详解LC/MS离子源的变迁和发展，还介绍了他本人带领的团队向业界奉献的力作AxION 2 TOF MS、及DSA直接分析离子源，希望对所有关注LC/MS技术的读者们有帮助……
世界上第一个商品化ESI源的发明人、诺贝尔奖获得者John Fenn的关门弟子、美国华人质谱协会董事会副主席、
PerkinElmer质谱项目领导人沈世达博士
历史简要回顾
AoB/PerkinElmer/沈世达博士 和 LC/MS
在采访前的报告中，沈博士对AoB公司、PerkinElmer公司的质谱研发团队、以及他本人都有简短的介绍。 PerkinElmer公司1963年生产了第一台商用的GC/MS，慢慢发展成为今日的Claurs 600 GC/MS。在LC/MS上，PerkinElmer最早于1988年和Sciex成立合资公司生产LC/MS和ICP-MS，虽然两者都取得巨大的商业成功，但ICP-MS这部分属于今日的PerkinElmer，而LC/MS的那支花落今日的AB SCIEX公司。
AoB（Analytica of Branford）公司由John B. Fenn教授和其学生Craig Whitehouse于1987年创建，AoB在MS领域开发了超过65项专利技术，包括离子源技术、离子传输技术、ESI-TOF联用技术等，拥有ESI和多分子电荷等技术的独家知识产权。1987年AoB就开始成为Finnigan、Agilent、Bruker、JEOL、IonSpec、Extrel等多家公司的OEM（设计制造）ESI离子源。1991年AoB开发最早的ESI-TOF MS （时间飞行质谱型号为Corsair），并成功地用于半导体行业。AoB高端的ESI-TOF MS（AxION）最早见于2009年的介绍，成功地用于鉴定如病毒、细菌等微生物/病原体，已被雅培（Abbott）订购80余套，雅培将脱盐富集系统、数据处理软件和AxION集成为Plex-ID系统并已在全球安装70余套。另一类型四极质谱Flexar SQ 300 LC/MS系统，已和美国一家主要的自动化设备公司合资开发LC/MS的应用。
谈到自己，沈世达博士说：“我在质谱领域虽已做了20多年，但还是每天要学习要创新才能赶上质谱技术的飞快发展。回顾历史唯一值得庆幸的是自己赶上了好时机，质谱技术大发展的好时机，荣幸地成为世界上第一个商品化电喷雾源的制造者, 也是第一个在实验室里把LC和MS联机并实现LC/MS on line的科研工作者。
John Fenn获得Nobel奖 和AoB公司
沈博士回顾了John Fenn先生获Nobel奖的历史。
1980年，耶鲁大学的John Fenn教授开始研究 ESI源， 22年后，John Fenn获得了2002年Nobel化学奖。但早在60年代初，美国西北大学的Malcolm Dole教授做了完全同样的工作，他随后发表了文章及实验数据，但最后却否定了自己。他说：也不知道什么原因，我放进去的东西和后面测定出来的结果对不起来，而且毫无规律。因此Dole认为：这个方法虽然可行，但没有实用价值。说到此，沈博士调侃地说：“实际上Dole应该拿Nobel奖，而不是我的导师John Fenn。”
“但Dole有一个失误，这个失误被我的教授John Fenn发现了。1980年，他选了一个日本去的一个博士后Gado Yamashita，跟他讲Dole的工作有什么问题。事实上，当时John Fenn在质谱界没有名，但在稀薄气体界及molecular beam很有名。而电喷雾有一个很重要的过程叫Free jet expansion（自由射流膨胀），即从大气压跑到真空里的一个物理过程。这其中，很重要的是需要考虑气体分子的冷凝Condensation，而Dole没有考虑，溶剂又回到溶质上、并且数量上跟着实验条件随机变化，所以他得到的结果是没有规律的。John Fenn提出了反吹干燥气体CCDG（Counter current drying gas）防止气化溶剂再冷凝，有效地解决了这个难题。”
“1987年，John Fenn成立了AoB公司。这家公司不大，人最多时仅有40~50人，但所有做质谱的都知道这家公司。AoB当时主要做OEM：全世界的ESI有90％都跟我们有关——不是我们制作的，就是申请我们的专利而制作的。” “我们在90年代开始发展自己的质谱，当时公司高层共同决策认为‘我们不能靠ESI吃一辈子。’我们在ESI上很强，但质谱上人家不见得信得过，可是良好的财政保证我们可以做质谱顺利实现产品转型。我们从90年代开始，放慢做、细致地做，争取每一个环节上都有改进或创新因此LC-MS中我们拥有很多专利。90年代中期我们的Corsair用在半导体芯片制造业获得成功；后来又做高端的TOF，已被雅培买了80多台。今年ASMS发布后，散户也卖了十几台。”
ESI技术为什么能获得Nobel奖？
离子源在质谱中的作用：必要条件 最关键的部件
首先，沈博士谈到离子源在质谱中的作用。
当今质谱按分析器分虽有6大类（四极杆、磁质谱、离子阱、飞行时间、FT-ICR MS、Orbitrap），但所有的质谱仪只对离子发生作用。所有样品要检测，第一步就是要离子化，这是必要条件；然后离子经过分析器（上述6种分析器之一或其组合），按照不同的物理方法分离开；最后到检测系统并经数据处理系统获得结果。所以离子源在质谱三大组成部分中是最关键的部件——离子源的重要性不言而喻。
John Fenn的贡献 和 电喷雾原理
关于ESI的基本原理，沈博士在采访前的发布会上刚刚介绍过。
电喷雾离子化过程
在几千伏高压电源的作用下，液体溶液从喷口喷出并雾化，由于电场作用，雾化的液体带电，这种带电液滴在飞行过程中，干燥气体作用下，溶剂不断被蒸发，液滴体积逐渐变小，电荷数量不变，在体积缩小到一定程度，电荷密度太大，静电排斥力大于表面张力，液滴就发生爆炸了，这个过程继续进行下去，最后就解析出离子进入质谱的真空区。整个过程很快，只有几个微秒（μs）。
ESI为什么重要？沈博士具体谈到以下几点：
（1）ESI是“软”电离。传统的方法是用高能电子或原子直接轰击分子的“硬”电离，分子会被打碎，分析的不是物质的原来的东西。而从ESI的原理可知，液滴里面有样品和电荷，溶剂挥发，最后只剩下分析物质和电荷。ESI“软“电离保证：你要测的样品是什么，你测出来就是什么。
（2）第二点关键技术是ESI可产生多电荷。
质谱仪测定的是质荷比m/z，同样是得到m/z=100，但如其分别带1个电荷、10个电荷、100个电荷，那么实际测的分子量就是100、1,000、10,000。80年代时最先进的质谱，分子量m/z范围最宽为1000-2000，没人可以测到上万的大分子。而利用电喷雾原理，使分子带上多电荷，拓宽了质谱仪可测定的分子量范围，现在最高可到几亿道尔顿。
说到此处，沈博士兴奋地谈到当年的趣事，“发明ESI后，利用多电荷测定大分子量的记录不断被打破。我们在耶鲁用一种PEG做到500万道尔顿时，John Fenn很激动，还专门申请了专利，。可Dick Smith不到2个月，就做到了1,500万，后来又有人做到2500万……”
在这里，笔者还追问了TOF可测定的分子量范围。沈博士说：“理论上TOF是没有m/z上限限制的，离子进入TOF后飞行的时间越长，可测的分子量就越大。实际却没有这么高，因为太长时间后，降低、测不到了。真正的限制不是源于TOF分析器，而是由检测器系统引起的，因为检测的原理是离子打到检测器上引起二次电子发射，它要求离子的动量足够大。我们可以加更高电压来给离子很大动能（1/2 mv2），但因离子速度太低、动量（mv）很小，打到检测器上撞不出电子了。不过电压若加得太高也不行，里面可能要放电。所以，一般TOF设计到10,000－20,000 m/z就足够了。”
ESI的贡献还有（3）是一种灵敏度极高的电离源，（4） 与LC能直接联机和（5）为生命科学带来革命。 ESI使人类首次可以完整无损地测定蛋白质大分子；可进而测定大分子的结构、序列、变异并建立蛋白质分子数据库；对人类自身认识新陈代谢、疾病起源等起到一个革命性的变化；并导致一门崭新的学科——蛋白组学的诞生和发展。
TOF质谱在OEM时就很成功：先后用于行业、和病毒细菌快速检测
前文已述，AoB从90年代开始做ESI-TOF MS，第一代产品是Corsair。当时OEM给一家半导体公司，它装到半导体生产线上做样品检测，很快获得了成功。现代的集成芯片大都是在反应锅里做的，溶剂的纯度要很高才能得到高的产率。如果纯度达不到要求时，就要报废掉这一锅，这一锅的价值就是上百万美元。传统的做法是每一天把溶剂倒掉1/3，加1/3或者用几天后全部倒掉换新的。选择Corsair的那家公司很聪明，提供一个质谱解决方案，随时检测其中的杂质，这套方案很成功、卖得也不错。
后来，Abbott那套Plex-ID更为成功。它主要能快速检测变异的病毒，首先在美国军方得到了很大支持。Plex-ID前端是一套脱盐装置，主要的检测仪器就是AxION TOF MS；他们的口号是：以最快的速度对流行性的病毒或细菌进行诊断。2009年，“猪流感”（后被WHO称为A/H1N1流感）事件中，Plex-ID最早对这种变异的病毒成功测序。 Flexar SQ 300和AxION 2TOF-MS的特点
在笔者问到“PerkinElmer推出的两种LC/MS有何特点”时，沈博士马上打开了话匣子，逐一介绍。
1、两种质谱上都采用的离子源技术
这其中又有几项专利设计。
（1）采用反吹干燥气CCDG（Counter current drying gas）
CCDG干燥效果最好，这也是成就John Fenn获得Nobel奖的几项重要技术专利之一。“Agilent、Bruker至今仍使用我们的专利。”
（2）采用玻璃毛细管传输专利技术
ESI难点之一是，需把在大气压下形成的离子从大气压传到高真空，传输效率很重要。虽然后来有公司为避开专利采用了其它技术，但专利的玻璃毛细管传输效率是最高的。玻璃不导电，表面可吸附离子直至饱和，在毫秒内可达到一个动态平衡。这时，只要有一个离子进去，就有一个离子出去，理论上传输效率是100％。“早期我在John Fenn做，开始做短玻璃毛细管，然后做到一尺多长的，甚至加热把毛细管烧成弯曲90度的，全部离子都能传输过去，都能获得100％的传输率。” 采用玻璃毛细管传输的唯一缺点是，如果毛细管壁脏了、或漏电，就不能获得高的传输效率。所以要好好维护玻璃毛细管表面清洁度。
同时，用玻璃毛细管后，可以把离子源前面部分和后面部分分开（decouple），这样在做电喷雾时，前面的电喷雾优化条件就可以和后面的电子聚焦透镜优化条件完全分开，相互不干扰。
（3）接地的离子源设计
“另外，我们的专利是，采用喷针接地，不仅使用安全而且使前面的聚焦过程和后面的聚焦过程没关系。同时，如果要用CE-MS，一个先决条件就是CE一定要接地。我们的技术很好满足了这一点。”
接地的离子源设计，可以保证在调整源内CID电压时，不会影响其它参数的变化，从而可以得到稳定的、可重现的质谱图，这样用户不单得到分子离子峰，而且可 以得到相应的离子碎片，软件功能可以帮助用户计算离子碎片与分子离子峰的关系，这样可以帮助用户对所分离的化合物进行进一步的确认，提高定性能力。
新型Separation Probe附件，不仅可以有效减小色谱柱和离子源的死体积，还可以减少交叉污染。实验者可以把Probe揣在兜里，做样品时就放上去，不做时就拿走。
（4）场屏蔽APCI源
“场屏蔽的（Field-Free）APCI，是我们的又一专利。”将电晕针的位置放置在喷针的内部，可以聚焦全部样品通过电晕针区域，从而保证在非常低的流动相流速下质谱依然可以在正、负模式下得到非常好的灵敏度，与传统APCI技术相比，灵敏度可以提高五倍。
（5）Ultraspray 2 可调节的Dual-spray双喷针
很早的时候，AoB就发明了双喷针技术，在做样时，可以一个喷针走样品，一个喷针走内标。大家知道，TOF
使用内标能更好地提高测定的质量准确度。但内标如果和样品混合喷雾，会产生电荷竞争，使样品信号下降；而且
样品和内标可能要求的pH不同。双喷针技术克服了上述问题，不仅方便地使用内标对样品实时标定保证高质量准确度，还可以防止交叉污染。（原来这项技术早被AoB专利了！——这可解释了笔者心中一直以来的疑惑。） 而且，该喷针是斜喷，位置可以调节，针对不同的样品条件，可优化其离子化的效率，获得更高的灵敏度。祝立群博士补充说：“比如，在我们使用Flexar SQ 300 LC/MS时，获得了非常高的灵敏度。测定18种塑化剂都能获得20 ppb的高灵敏度检出；瘦肉精（克伦特罗）若按照饲料中瘦肉精的标准来做，也远远超出标准的检测要求。”
2、AxION 2 TOF-MS上采用的技术
（1）多级离子通道技术multistage ion-guide
离子从源区进入后，先通过一个六极杆，该六极杆区设计了3级真空压降，顺利引导离子从离子源到达脉冲区使其有可能成为一个二维的离子阱，达到最大的离子传输效率。其V形飞行路线，可获得高分辨率和高灵敏度。
（2）专利的捕集脉冲技术（Trapping Pulse Mode）
ESI-TOF中，大家知道ESI产生连续离子流（ion beam），而TOF是脉冲式的，这时很多离子会损失。AxION采用了专利的捕集脉冲技术来更好地利用离子、从而提高灵敏度。
在离子透镜的出口处，提高出口透镜电压则形成一个门电压，这样就可以捕集（Trap）离子。事实上，这时形成了一个二维线性离子阱。然后降低门电压释放离子到TOF的脉冲区，控制延迟（delay）后，离子被脉冲地送到飞行管中分析。有效地控制离子透镜的出口门脉冲，可以把ESI产生的连续离子束转变为脉冲的离子束，从而减小占空比（duty cycle）损失。相比没有使用Trap模式的TOF，每个门脉冲都捕集更多的离子而释放少部分的离子，从而显著提高ESI-TOF的占空比，提高灵敏度。
在门脉冲释放离子到TOF后，将延迟一段时间，被释放的离子成包地从离子出口透镜进入TOF的脉冲区，然后再把离子脉冲地送入飞行管。当选择足够短的门脉冲时间时，就可以分离出感兴趣的m/z离子（小的质量在前，大的质量在后）再进行TOF分离。利用这种分离m/z的功能，设置门脉冲和垂直TOF脉冲之间的延迟时间，就可选择不同m/z范围/窗口的离子，再送入TOF分析。选择m/z窗口的功能，可减少TOF检测器的通道死时间，降低TOF脉冲间的化学噪音和交叉污染。
短的门脉冲时间，短的TOF延迟时间，将提高低m/z离子的信号；增加门脉冲的时间和延迟时间，将提高更宽范围m/z离子的信号。对于某段m/z离子（尤其是小分子），最高可提高20
倍的灵敏度，一般情况下，都能提高
3~5倍的灵敏度。今年BCEIA上，沈博士的poster中介绍了用捕集脉冲技术检测药物杂质的工作，处方药Melatonin（褪黑素，俗称为脑白金）中的杂质时，用Trap模式（下图）比Pulse模式（上图）提高3~5倍的灵敏度，更容易检测到杂质。
相比三维离子阱，使用多杆透镜的二维离子阱模式，在脉冲地释放离子到TOF脉冲区时，可以连续地充满到来的离子束。
用AxION分析非处方药Melatonin（褪黑素，俗称为脑白金）中的杂质时，用Trap模式（下图）比Pulse模式（上
图）提高3~5倍的灵敏度，更容易检测到杂质
（3）使用更好的探测器Magnetic Channeltron Detector
AxION上使用了最新型的磁电子倍增管作为它的检测器，而不是常用的微通道板MCP式的。该检测器虽然比MCP式的价格贵很多，但其脉冲宽度很小，响应更快。因为“在TOF中，时间就是分辨率，MCP大概可以做到1.2个纳秒响应，而磁电子倍增管可以做到0.6纳秒的响应，以获得更高的谱图质量和更高的分辨率。”
PerkinElmer未来在质谱上的潜力
谈到PerkinElmer未来在质谱上可能的优势，沈博士认为，“我们的技术力量比较雄厚，原AoB有个特点，公司上层都是来自耶鲁的知识分子。大家对做科研的兴趣比赚钱更大，所以在前沿和专利等领域会占据优势。另外，原AoB生产制造的质谱有个特色，就是在控制价格上做得不错这个优势会继续保持下去。”
基于ESI的离子化技术发展
机理之争：液滴爆炸后，ESI最终如何产生离子？
关于“ESI技术未来还有什么值得探索的领域？”的问题，沈博士表示：“还有很多。”但话锋一转，他首先介绍了ESI理论由来已久的两派之争，“虽然ESI拿Nobel奖了，现在全世界都在用，但ESI产生离子的理论至今实际上有两派。一派是Residue，还有一种是ion lifting/evaporation。
区别是什么呢？ESI开始时大家都知道是带电液滴，这个液滴在飞行过程中，由于drying gas干燥气体的作用，溶剂在蒸发、体积在缩小，液滴内的电荷密度在增加。增加到一定程度，当库仑排斥力大于表面张力时（即到达雷利极限Rayleigh limit），就要爆炸（称为库仑爆炸Coulomb fission），这个过程一步步下去，到某一个环节就完了。最终要有离子出来进入质谱。但这个最后的过程是什么理论呢？
第一种机理：离子蒸发Ion Evaporation Model (IEM)认为，当液滴到达一定直径时（溶剂并没有完全蒸发），由于液滴表面的电荷密度太高，电场力足够大、从而解吸出离子。
第二种机理：电荷残留Charge Residue Model (CRM)认为，溶剂全部蒸发完了，剩下的分析物（溶质）和电荷最后形成了气相离子。
实际上，两派理论都有自己的实验来证实。为什么这两派还争论不休呢？因为各有各的背景，还各有各的实验来支撑它。
我的看法是，这两派讲的是两种不同的情况。比如大分子形成ESI离子多为Residue机理，我记得当初我那位日本同事Nohmi做PEG大分子量时，开始怎么也做不出来，后来他把溶剂稀释、再稀释，就做出来了。因为浓度太高时，一个液滴里面有好多个分子，形不成离子。直到一个液滴里只有1－2个分子，浓度减少时，才能形成离子。”
ESI离子化技术的发展
适应大流速、nanospray、提高灵敏度
“后来，学术界对ESI离子化技术发展做了很多扩展。比如，当初我们在耶鲁大学做电喷雾的时候，开始用小流量（几个微升/min）时很容易成功。但后来流量加大后就难成功了，因为来不及干燥了或是根本不形成带电液滴。这个时候学术界发明了很多方法，我就曾申请过美国自然基金会的基金、用超声的办法来雾化；虽然也做出来了，但是远不及现在流行的气体雾化的办法。因为气体雾化简单、便宜、可靠；而超声的办法对流量还是有限制，而且太复杂、也贵，所以就被淘汰了。
电喷雾在每分钟几个微升的流量是最佳的，流量大了不行、太小了也不行，所以又出现新的技术叫做nanospray（纳升级喷雾），专门适用于几十个nL/min的流速。这个就是我的另一位同学（Matthias mann）做的工作，他和我同天毕业(我俩论文答辩一个在上午一个在下午)，都是John Fenn先生的关门弟子。他现在在蛋白质组学领域做得很不错。Nanospray也是ESI，只是它能保证纳升流速下工作稳定并且灵敏度很好，理论上很简单，但做起来技术上还是有难度的，它的喷针是用玻璃管做的，这样可以把玻璃管的开口开得很小很小（约1μm），所以流量很小但随之而来的是导电的问题要解决。Nanospray的物理过程和正常流速的ESI也不一样。正常情况下的ESI，是后面有个液相泵在推它，流速由它来决定。而做nanospray，没有泵，完全由电场来控制，电压降得多一点，流速就大一点；电压降得少一点，流速就小一点，需要想办法控制到nano-liter级别。
另外，ESI的灵敏度还有提高的空间，形成离子的过程虽没有浪费，液滴中的溶剂慢慢走掉，剩下溶质和电荷，溶质一点没有浪费；但只有不到百分之一的气化离子进入了质谱，大家都在想办法，目前都没有特别好的效果。” 无需样品制备的离子源
沈博士接下来谈了离子化技术这几年的新发展，主要是有关实现样品无需处理或分离，直接进行离子化的技术。 前面说过，电喷雾的实现条件，主要是液流和电场，形成包含样品和溶剂在内的带电液滴，然后液滴不断去溶剂、爆炸后形成样品的气态离子。普渡大学的Graham Cooks发明了DESI（Desorption electrospray ionization，最早文献：Science 15 October 2004，Vol. 306 no. 5695 pp. 471-473）技术；台湾的谢建台教授发明了ELDI（电喷雾辅助激光脱附离子化，electrospray-assisted laser desorption ionization，最早文献：Rapid Commun Mass Spectrom. 2005, 19, 3701-3704 ）。两者基本上借用电喷雾的原理，加上一些辅助的手段。DESI和ESI类似，但喷射出的只有溶剂，打在表面的样品上，吸附一些样品，再形成ESI过程。LESI电喷雾也是只喷出溶剂，激光打到样品上，样品蒸发起来，气体样品分子和电喷雾的分子作用，变成离子，原理还是电喷雾。
DESI ELDI
最近，普渡大学的欧阳正在今年ASMS上发表了Paper Spray（纸喷雾），把过滤纸剪成一个尖角，滴些液体，加几千伏高压形成电场后，也能在尖端形成电喷雾。（https://engineering.purdue.edu/BioMS/ionization.htm） “在APCI基础上，我们发明了DSA离子源”。沈博士说。
APCI和ESI不同的是，APCI喷针不带电，喷出来的中性的气溶胶通过电阻丝加热器去掉溶剂，变成中性的气态分子。通过一个针尖进行辉光放电，产生很多离子。这些离子和气态的溶质中性分子起反应，从而离子化。所以，APCI是在气相发生的离子化，而ESI是在液相发生的离子化。
今年我们新推出的Field-Free DSA，可直接分析固体、液体和气体样品，而无需进行样品前处理。垂直配置时可进行气体和固体分析；水平配置时可以分析液体样品。“灵敏度好得令我自己也吃惊。”沈博士说。
沈博士在今年BCEIA学术会议的质谱分会上，详细介绍了DSA的原理和应用，包括：分析气体、液体、固体样品；正离子和负离子化；灵敏度和检测限考察；定量能力考察；加入NH4+后的影响等。报告中非常有意思的一个应用是测定美元纸钞上的可卡因。选择市场上流通的美元纸钞，直接用DSA（质谱用AXION 2 TOF
）测定是否有可
卡因，下图每个样本采样10秒钟，发现小值纸币（1、5、20美元）上都有可卡因，100美元上没有；而20美元的浓度比5美元的高19倍。后了解后得知，100美元纸币美国联邦要跟踪，毒贩不敢直接用做交易；20美元的面值最为合适，大量用于街头交易，故浓度最高。应考虑到，这是随机取样的货币，用DSA测试的结果却是完全一致地符合上述规律。
相关下载：Performance of an Enclosed Atmospheric Pressure Direct Sample Analysis (DSA) Source
安装在AXION 2 TOF MS上的DSA源
DSA直接分析离子源垂直配置示意图 DSA直接分析离子源水平配置示意图
用DSA测定美元纸钞是否含可卡因，纸钞面值分别为：1、5、20、100美元，每个样品测定10秒钟。100美元中未
含可卡因，20美元中含量最高，比5美元的可卡因含量高19倍
沈博士也谈到了另一种直接分析技术DART，DART是用亚稳态的原子（如He）释放能量给中性分子的样品，使其电离。
小公司生存之道
AoB是个神奇的小公司，几十年生存得很好。当笔者问到其生存之道，沈博士谈到几点：
（1）有很多创新的专利；
（2）保持很好的财务。“美国很重视专利，我们的财政很好。事实上，AoB从创建开始的22年来，没有用任何投资、也没有任何外债，且每年都有红利。”
（3）不跟大公司竞争。“虽然我们也是质谱公司，但我们恰没有marketing people或salesmen，我们重点做customize 及OEM。”
从实验室到产品：漫长的过程
“过程非常漫长。”沈博士如此作答。
“真正把实验室里的东西成功地变成产品，过程非常漫长，有专利后，首先要生产prototype（原型），也就是把想法变成东西了把实验装置变成工业产品。然后这个东西要改进，什么地方不合适要改，改得差不多了，定下来，这个阶段叫做Preproduction（生产前），下一步就是在β site测试仪器，即找一些有代表性的的大学、实验室，请他们来试用，然后再反馈回来，再改仪器，然后变成Production（产品）。这个周期很长，当然这个周期还需考虑：设计的产品要容易操作、容易维修、控制成本、设计要合理，软件要非常友好等。所以这个周期一般都很长，最后才能正式向市场发布产品。
有些公司因为缺资金，到Preproduction就开始卖了，卖了后怨声载道，这个实际上是很致命的，再起来就很难了。新的东西，人家一试不好，就会传得很快！大家传来传去，你就永远也翻不了身了。
所以，美国人在这方面做得很稳重。AoB这方面是得天独厚的，我们资金没问题；所以我们步伐放慢，精益求精。我在这个公司已经23年，一直这样做，就算小到很小的一个离子源，也要精益求精。因为新产品要有体验时间，目标就是：只要一出厂，就一定是过硬的。比如AxION，我们已积累了20年的技术，但从接受雅培订单到成形，也用了两年半到三年的时间。”
对中国质谱研发说几句话
“一定要国家投资、大力扶持！”沈博士如是说。
“质谱看起来不起眼，但技术很复杂，包括精密机械、真空、电子、检测技术、数码处理技术等，加上软件要求非常全面。
民营企业在做，但企业的目的是赚钱不可能耗资费时地打持久战。结果上马二年就出产品，势必是重复性的低档产品。对于质谱这样复杂的技术，花精力、投资、建立团队，掌握最前沿的新技术是要有相当长的时间的。我认为国家应该拿出一笔钱来，组织一个团队，固定一批人，一环一环地专门做，直至在各个领域里都和人家不相上下，才能制造出高端精品的质谱。”
【编后语】听沈世达博士一席话，收获很多，回来却消化了很长时间，以尽力保证尊重沈博士的原意、ESI和质谱发展的历史。PerkinElmer奉献给业界的两款质谱，看似简单，但却是AoB公司几十年精益求精的结果。
如果您想更好地解决TOF内标校正的问题；更好地提高灵敏度、尤其是TOF低分子量的灵敏度；获得更快的采集结果；更好地解析源内CID的结果；直接分析样品并获得高灵敏度，希望沈博士亲手打造的LC/MS可以帮上您的忙……
人物简介：
沈世达，毕业于中国科技大学，获化学物理学士学位；在耶鲁大学化学工程系获得博士学位，师从Nobel化学奖获得者John Fenn教授，并随后加入Analytica of Branford,Inc.(AoB)公司。1989－2009年，在AoB公司（Analytica of Branford, Inc.），曾任高级，首席研究员，项目经理和远东地区的总经理。2009年至今，在PerkinElmer质谱研发中心（Center of Excellence for Mass Spectrometry, PerkinElmer, Inc.）任高级科学家，项目领导人。发表超过30篇文献，拥有5项美国专利。他拥有多项质谱离子源及相关技术的发明专利，是华人中从事质谱研发的代表人物。
担任的社会职务有：美国质谱学会会员；在美国华人质谱学会中担任2004－2007年的会长，2007年至今担任董事局副主席。任浙江大学的兼职教授。在PerkinElmer收购AoB后，沈博士领导了AxION 2 TOF MS的研发和制造，和最新的DSA直接分析离子源。
发明人解密：Nobel获奖技术ESI和AxION新质谱
发布: 2011-11-10 11:59 作者: webmaster 来源: 分析测试百科
——PerkinElmer质谱资深沈世达博士访谈
【导语】如果您关注LC/MS，一定会熟悉ESI（电喷雾）这个词汇，不仅由于 ESI发明者John Fenn教授获了Nobel奖，还因为当今世界上几乎每台LC/MS都在使用它。可您真的了解ESI么？了解在ESI以后衍生发展的各种离子化技术么？
为什么PerkinElmer要收购AoB公司？AxION为什么还没推出就已经接了80多台的订单？
最好的机会，莫过于听世界上第一台商品化ESI源的发明人、John Fenn教授在耶鲁大学的关门弟子、原AoB公司的沈世达博士本人为我们解密。随着AoB被收购，沈博士也成为PerkinElmer公司LC/MS研发团队的项目领导人。BCEIA期间，我们有幸采访到沈博士，他不仅为我们详解LC/MS离子源的变迁和发展，还介绍了他本人带领的团队向业界奉献的力作AxION 2 TOF MS、及DSA直接分析离子源，希望对所有关注LC/MS技术的读者们有帮助……
世界上第一个商品化ESI源的发明人、诺贝尔奖获得者John Fenn的关门弟子、美国华人质谱协会董事会副主席、
PerkinElmer质谱项目领导人沈世达博士
历史简要回顾
AoB/PerkinElmer/沈世达博士 和 LC/MS
在采访前的报告中，沈博士对AoB公司、PerkinElmer公司的质谱研发团队、以及他本人都有简短的介绍。 PerkinElmer公司1963年生产了第一台商用的GC/MS，慢慢发展成为今日的Claurs 600 GC/MS。在LC/MS上，PerkinElmer最早于1988年和Sciex成立合资公司生产LC/MS和ICP-MS，虽然两者都取得巨大的商业成功，但ICP-MS这部分属于今日的PerkinElmer，而LC/MS的那支花落今日的AB SCIEX公司。
AoB（Analytica of Branford）公司由John B. Fenn教授和其学生Craig Whitehouse于1987年创建，AoB在MS领域开发了超过65项专利技术，包括离子源技术、离子传输技术、ESI-TOF联用技术等，拥有ESI和多分子电荷等技术的独家知识产权。1987年AoB就开始成为Finnigan、Agilent、Bruker、JEOL、IonSpec、Extrel等多家公司的OEM（设计制造）ESI离子源。1991年AoB开发最早的ESI-TOF MS （时间飞行质谱型号为Corsair），并成功地用于半导体行业。AoB高端的ESI-TOF MS（AxION）最早见于2009年的介绍，成功地用于鉴定如病毒、细菌等微生物/病原体，已被雅培（Abbott）订购80余套，雅培将脱盐富集系统、数据处理软件和AxION集成为Plex-ID系统并已在全球安装70余套。另一类型四极质谱Flexar SQ 300 LC/MS系统，已和美国一家主要的自动化设备公司合资开发LC/MS的应用。
谈到自己，沈世达博士说：“我在质谱领域虽已做了20多年，但还是每天要学习要创新才能赶上质谱技术的飞快发展。回顾历史唯一值得庆幸的是自己赶上了好时机，质谱技术大发展的好时机，荣幸地成为世界上第一个商品化电喷雾源的制造者, 也是第一个在实验室里把LC和MS联机并实现LC/MS on line的科研工作者。
John Fenn获得Nobel奖 和AoB公司
沈博士回顾了John Fenn先生获Nobel奖的历史。
1980年，耶鲁大学的John Fenn教授开始研究 ESI源， 22年后，John Fenn获得了2002年Nobel化学奖。但早在60年代初，美国西北大学的Malcolm Dole教授做了完全同样的工作，他随后发表了文章及实验数据，但最后却否定了自己。他说：也不知道什么原因，我放进去的东西和后面测定出来的结果对不起来，而且毫无规律。因此Dole认为：这个方法虽然可行，但没有实用价值。说到此，沈博士调侃地说：“实际上Dole应该拿Nobel奖，而不是我的导师John Fenn。”
“但Dole有一个失误，这个失误被我的教授John Fenn发现了。1980年，他选了一个日本去的一个博士后Gado Yamashita，跟他讲Dole的工作有什么问题。事实上，当时John Fenn在质谱界没有名，但在稀薄气体界及molecular beam很有名。而电喷雾有一个很重要的过程叫Free jet expansion（自由射流膨胀），即从大气压跑到真空里的一个物理过程。这其中，很重要的是需要考虑气体分子的冷凝Condensation，而Dole没有考虑，溶剂又回到溶质上、并且数量上跟着实验条件随机变化，所以他得到的结果是没有规律的。John Fenn提出了反吹干燥气体CCDG（Counter current drying gas）防止气化溶剂再冷凝，有效地解决了这个难题。”
“1987年，John Fenn成立了AoB公司。这家公司不大，人最多时仅有40~50人，但所有做质谱的都知道这家公司。AoB当时主要做OEM：全世界的ESI有90％都跟我们有关——不是我们制作的，就是申请我们的专利而制作的。” “我们在90年代开始发展自己的质谱，当时公司高层共同决策认为‘我们不能靠ESI吃一辈子。’我们在ESI上很强，但质谱上人家不见得信得过，可是良好的财政保证我们可以做质谱顺利实现产品转型。我们从90年代开始，放慢做、细致地做，争取每一个环节上都有改进或创新因此LC-MS中我们拥有很多专利。90年代中期我们的Corsair用在半导体芯片制造业获得成功；后来又做高端的TOF，已被雅培买了80多台。今年ASMS发布后，散户也卖了十几台。”
ESI技术为什么能获得Nobel奖？
离子源在质谱中的作用：必要条件 最关键的部件
首先，沈博士谈到离子源在质谱中的作用。
当今质谱按分析器分虽有6大类（四极杆、磁质谱、离子阱、飞行时间、FT-ICR MS、Orbitrap），但所有的质谱仪只对离子发生作用。所有样品要检测，第一步就是要离子化，这是必要条件；然后离子经过分析器（上述6种分析器之一或其组合），按照不同的物理方法分离开；最后到检测系统并经数据处理系统获得结果。所以离子源在质谱三大组成部分中是最关键的部件——离子源的重要性不言而喻。
John Fenn的贡献 和 电喷雾原理
关于ESI的基本原理，沈博士在采访前的发布会上刚刚介绍过。
电喷雾离子化过程
在几千伏高压电源的作用下，液体溶液从喷口喷出并雾化，由于电场作用，雾化的液体带电，这种带电液滴在飞行过程中，干燥气体作用下，溶剂不断被蒸发，液滴体积逐渐变小，电荷数量不变，在体积缩小到一定程度，电荷密度太大，静电排斥力大于表面张力，液滴就发生爆炸了，这个过程继续进行下去，最后就解析出离子进入质谱的真空区。整个过程很快，只有几个微秒（μs）。
ESI为什么重要？沈博士具体谈到以下几点：
（1）ESI是“软”电离。传统的方法是用高能电子或原子直接轰击分子的“硬”电离，分子会被打碎，分析的不是物质的原来的东西。而从ESI的原理可知，液滴里面有样品和电荷，溶剂挥发，最后只剩下分析物质和电荷。ESI“软“电离保证：你要测的样品是什么，你测出来就是什么。
（2）第二点关键技术是ESI可产生多电荷。
质谱仪测定的是质荷比m/z，同样是得到m/z=100，但如其分别带1个电荷、10个电荷、100个电荷，那么实际测的分子量就是100、1,000、10,000。80年代时最先进的质谱，分子量m/z范围最宽为1000-2000，没人可以测到上万的大分子。而利用电喷雾原理，使分子带上多电荷，拓宽了质谱仪可测定的分子量范围，现在最高可到几亿道尔顿。
说到此处，沈博士兴奋地谈到当年的趣事，“发明ESI后，利用多电荷测定大分子量的记录不断被打破。我们在耶鲁用一种PEG做到500万道尔顿时，John Fenn很激动，还专门申请了专利，。可Dick Smith不到2个月，就做到了1,500万，后来又有人做到2500万……”
在这里，笔者还追问了TOF可测定的分子量范围。沈博士说：“理论上TOF是没有m/z上限限制的，离子进入TOF后飞行的时间越长，可测的分子量就越大。实际却没有这么高，因为太长时间后，降低、测不到了。真正的限制不是源于TOF分析器，而是由检测器系统引起的，因为检测的原理是离子打到检测器上引起二次电子发射，它要求离子的动量足够大。我们可以加更高电压来给离子很大动能（1/2 mv2），但因离子速度太低、动量（mv）很小，打到检测器上撞不出电子了。不过电压若加得太高也不行，里面可能要放电。所以，一般TOF设计到10,000－20,000 m/z就足够了。”
ESI的贡献还有（3）是一种灵敏度极高的电离源，（4） 与LC能直接联机和（5）为生命科学带来革命。 ESI使人类首次可以完整无损地测定蛋白质大分子；可进而测定大分子的结构、序列、变异并建立蛋白质分子数据库；对人类自身认识新陈代谢、疾病起源等起到一个革命性的变化；并导致一门崭新的学科——蛋白组学的诞生和发展。
TOF质谱在OEM时就很成功：先后用于行业、和病毒细菌快速检测
前文已述，AoB从90年代开始做ESI-TOF MS，第一代产品是Corsair。当时OEM给一家半导体公司，它装到半导体生产线上做样品检测，很快获得了成功。现代的集成芯片大都是在反应锅里做的，溶剂的纯度要很高才能得到高的产率。如果纯度达不到要求时，就要报废掉这一锅，这一锅的价值就是上百万美元。传统的做法是每一天把溶剂倒掉1/3，加1/3或者用几天后全部倒掉换新的。选择Corsair的那家公司很聪明，提供一个质谱解决方案，随时检测其中的杂质，这套方案很成功、卖得也不错。
后来，Abbott那套Plex-ID更为成功。它主要能快速检测变异的病毒，首先在美国军方得到了很大支持。Plex-ID前端是一套脱盐装置，主要的检测仪器就是AxION TOF MS；他们的口号是：以最快的速度对流行性的病毒或细菌进行诊断。2009年，“猪流感”（后被WHO称为A/H1N1流感）事件中，Plex-ID最早对这种变异的病毒成功测序。 Flexar SQ 300和AxION 2TOF-MS的特点
在笔者问到“PerkinElmer推出的两种LC/MS有何特点”时，沈博士马上打开了话匣子，逐一介绍。
1、两种质谱上都采用的离子源技术
这其中又有几项专利设计。
（1）采用反吹干燥气CCDG（Counter current drying gas）
CCDG干燥效果最好，这也是成就John Fenn获得Nobel奖的几项重要技术专利之一。“Agilent、Bruker至今仍使用我们的专利。”
（2）采用玻璃毛细管传输专利技术
ESI难点之一是，需把在大气压下形成的离子从大气压传到高真空，传输效率很重要。虽然后来有公司为避开专利采用了其它技术，但专利的玻璃毛细管传输效率是最高的。玻璃不导电，表面可吸附离子直至饱和，在毫秒内可达到一个动态平衡。这时，只要有一个离子进去，就有一个离子出去，理论上传输效率是100％。“早期我在John Fenn做，开始做短玻璃毛细管，然后做到一尺多长的，甚至加热把毛细管烧成弯曲90度的，全部离子都能传输过去，都能获得100％的传输率。” 采用玻璃毛细管传输的唯一缺点是，如果毛细管壁脏了、或漏电，就不能获得高的传输效率。所以要好好维护玻璃毛细管表面清洁度。
同时，用玻璃毛细管后，可以把离子源前面部分和后面部分分开（decouple），这样在做电喷雾时，前面的电喷雾优化条件就可以和后面的电子聚焦透镜优化条件完全分开，相互不干扰。
（3）接地的离子源设计
“另外，我们的专利是，采用喷针接地，不仅使用安全而且使前面的聚焦过程和后面的聚焦过程没关系。同时，如果要用CE-MS，一个先决条件就是CE一定要接地。我们的技术很好满足了这一点。”
接地的离子源设计，可以保证在调整源内CID电压时，不会影响其它参数的变化，从而可以得到稳定的、可重现的质谱图，这样用户不单得到分子离子峰，而且可 以得到相应的离子碎片，软件功能可以帮助用户计算离子碎片与分子离子峰的关系，这样可以帮助用户对所分离的化合物进行进一步的确认，提高定性能力。
新型Separation Probe附件，不仅可以有效减小色谱柱和离子源的死体积，还可以减少交叉污染。实验者可以把Probe揣在兜里，做样品时就放上去，不做时就拿走。
（4）场屏蔽APCI源
“场屏蔽的（Field-Free）APCI，是我们的又一专利。”将电晕针的位置放置在喷针的内部，可以聚焦全部样品通过电晕针区域，从而保证在非常低的流动相流速下质谱依然可以在正、负模式下得到非常好的灵敏度，与传统APCI技术相比，灵敏度可以提高五倍。
（5）Ultraspray 2 可调节的Dual-spray双喷针
很早的时候，AoB就发明了双喷针技术，在做样时，可以一个喷针走样品，一个喷针走内标。大家知道，TOF
使用内标能更好地提高测定的质量准确度。但内标如果和样品混合喷雾，会产生电荷竞争，使样品信号下降；而且
样品和内标可能要求的pH不同。双喷针技术克服了上述问题，不仅方便地使用内标对样品实时标定保证高质量准确度，还可以防止交叉污染。（原来这项技术早被AoB专利了！——这可解释了笔者心中一直以来的疑惑。） 而且，该喷针是斜喷，位置可以调节，针对不同的样品条件，可优化其离子化的效率，获得更高的灵敏度。祝立群博士补充说：“比如，在我们使用Flexar SQ 300 LC/MS时，获得了非常高的灵敏度。测定18种塑化剂都能获得20 ppb的高灵敏度检出；瘦肉精（克伦特罗）若按照饲料中瘦肉精的标准来做，也远远超出标准的检测要求。”
2、AxION 2 TOF-MS上采用的技术
（1）多级离子通道技术multistage ion-guide
离子从源区进入后，先通过一个六极杆，该六极杆区设计了3级真空压降，顺利引导离子从离子源到达脉冲区使其有可能成为一个二维的离子阱，达到最大的离子传输效率。其V形飞行路线，可获得高分辨率和高灵敏度。
（2）专利的捕集脉冲技术（Trapping Pulse Mode）
ESI-TOF中，大家知道ESI产生连续离子流（ion beam），而TOF是脉冲式的，这时很多离子会损失。AxION采用了专利的捕集脉冲技术来更好地利用离子、从而提高灵敏度。
在离子透镜的出口处，提高出口透镜电压则形成一个门电压，这样就可以捕集（Trap）离子。事实上，这时形成了一个二维线性离子阱。然后降低门电压释放离子到TOF的脉冲区，控制延迟（delay）后，离子被脉冲地送到飞行管中分析。有效地控制离子透镜的出口门脉冲，可以把ESI产生的连续离子束转变为脉冲的离子束，从而减小占空比（duty cycle）损失。相比没有使用Trap模式的TOF，每个门脉冲都捕集更多的离子而释放少部分的离子，从而显著提高ESI-TOF的占空比，提高灵敏度。
在门脉冲释放离子到TOF后，将延迟一段时间，被释放的离子成包地从离子出口透镜进入TOF的脉冲区，然后再把离子脉冲地送入飞行管。当选择足够短的门脉冲时间时，就可以分离出感兴趣的m/z离子（小的质量在前，大的质量在后）再进行TOF分离。利用这种分离m/z的功能，设置门脉冲和垂直TOF脉冲之间的延迟时间，就可选择不同m/z范围/窗口的离子，再送入TOF分析。选择m/z窗口的功能，可减少TOF检测器的通道死时间，降低TOF脉冲间的化学噪音和交叉污染。
短的门脉冲时间，短的TOF延迟时间，将提高低m/z离子的信号；增加门脉冲的时间和延迟时间，将提高更宽范围m/z离子的信号。对于某段m/z离子（尤其是小分子），最高可提高20
倍的灵敏度，一般情况下，都能提高
3~5倍的灵敏度。今年BCEIA上，沈博士的poster中介绍了用捕集脉冲技术检测药物杂质的工作，处方药Melatonin（褪黑素，俗称为脑白金）中的杂质时，用Trap模式（下图）比Pulse模式（上图）提高3~5倍的灵敏度，更容易检测到杂质。
相比三维离子阱，使用多杆透镜的二维离子阱模式，在脉冲地释放离子到TOF脉冲区时，可以连续地充满到来的离子束。
用AxION分析非处方药Melatonin（褪黑素，俗称为脑白金）中的杂质时，用Trap模式（下图）比Pulse模式（上
图）提高3~5倍的灵敏度，更容易检测到杂质
（3）使用更好的探测器Magnetic Channeltron Detector
AxION上使用了最新型的磁电子倍增管作为它的检测器，而不是常用的微通道板MCP式的。该检测器虽然比MCP式的价格贵很多，但其脉冲宽度很小，响应更快。因为“在TOF中，时间就是分辨率，MCP大概可以做到1.2个纳秒响应，而磁电子倍增管可以做到0.6纳秒的响应，以获得更高的谱图质量和更高的分辨率。”
PerkinElmer未来在质谱上的潜力
谈到PerkinElmer未来在质谱上可能的优势，沈博士认为，“我们的技术力量比较雄厚，原AoB有个特点，公司上层都是来自耶鲁的知识分子。大家对做科研的兴趣比赚钱更大，所以在前沿和专利等领域会占据优势。另外，原AoB生产制造的质谱有个特色，就是在控制价格上做得不错这个优势会继续保持下去。”
基于ESI的离子化技术发展
机理之争：液滴爆炸后，ESI最终如何产生离子？
关于“ESI技术未来还有什么值得探索的领域？”的问题，沈博士表示：“还有很多。”但话锋一转，他首先介绍了ESI理论由来已久的两派之争，“虽然ESI拿Nobel奖了，现在全世界都在用，但ESI产生离子的理论至今实际上有两派。一派是Residue，还有一种是ion lifting/evaporation。
区别是什么呢？ESI开始时大家都知道是带电液滴，这个液滴在飞行过程中，由于drying gas干燥气体的作用，溶剂在蒸发、体积在缩小，液滴内的电荷密度在增加。增加到一定程度，当库仑排斥力大于表面张力时（即到达雷利极限Rayleigh limit），就要爆炸（称为库仑爆炸Coulomb fission），这个过程一步步下去，到某一个环节就完了。最终要有离子出来进入质谱。但这个最后的过程是什么理论呢？
第一种机理：离子蒸发Ion Evaporation Model (IEM)认为，当液滴到达一定直径时（溶剂并没有完全蒸发），由于液滴表面的电荷密度太高，电场力足够大、从而解吸出离子。
第二种机理：电荷残留Charge Residue Model (CRM)认为，溶剂全部蒸发完了，剩下的分析物（溶质）和电荷最后形成了气相离子。
实际上，两派理论都有自己的实验来证实。为什么这两派还争论不休呢？因为各有各的背景，还各有各的实验来支撑它。
我的看法是，这两派讲的是两种不同的情况。比如大分子形成ESI离子多为Residue机理，我记得当初我那位日本同事Nohmi做PEG大分子量时，开始怎么也做不出来，后来他把溶剂稀释、再稀释，就做出来了。因为浓度太高时，一个液滴里面有好多个分子，形不成离子。直到一个液滴里只有1－2个分子，浓度减少时，才能形成离子。”
ESI离子化技术的发展
适应大流速、nanospray、提高灵敏度
“后来，学术界对ESI离子化技术发展做了很多扩展。比如，当初我们在耶鲁大学做电喷雾的时候，开始用小流量（几个微升/min）时很容易成功。但后来流量加大后就难成功了，因为来不及干燥了或是根本不形成带电液滴。这个时候学术界发明了很多方法，我就曾申请过美国自然基金会的基金、用超声的办法来雾化；虽然也做出来了，但是远不及现在流行的气体雾化的办法。因为气体雾化简单、便宜、可靠；而超声的办法对流量还是有限制，而且太复杂、也贵，所以就被淘汰了。
电喷雾在每分钟几个微升的流量是最佳的，流量大了不行、太小了也不行，所以又出现新的技术叫做nanospray（纳升级喷雾），专门适用于几十个nL/min的流速。这个就是我的另一位同学（Matthias mann）做的工作，他和我同天毕业(我俩论文答辩一个在上午一个在下午)，都是John Fenn先生的关门弟子。他现在在蛋白质组学领域做得很不错。Nanospray也是ESI，只是它能保证纳升流速下工作稳定并且灵敏度很好，理论上很简单，但做起来技术上还是有难度的，它的喷针是用玻璃管做的，这样可以把玻璃管的开口开得很小很小（约1μm），所以流量很小但随之而来的是导电的问题要解决。Nanospray的物理过程和正常流速的ESI也不一样。正常情况下的ESI，是后面有个液相泵在推它，流速由它来决定。而做nanospray，没有泵，完全由电场来控制，电压降得多一点，流速就大一点；电压降得少一点，流速就小一点，需要想办法控制到nano-liter级别。
另外，ESI的灵敏度还有提高的空间，形成离子的过程虽没有浪费，液滴中的溶剂慢慢走掉，剩下溶质和电荷，溶质一点没有浪费；但只有不到百分之一的气化离子进入了质谱，大家都在想办法，目前都没有特别好的效果。” 无需样品制备的离子源
沈博士接下来谈了离子化技术这几年的新发展，主要是有关实现样品无需处理或分离，直接进行离子化的技术。 前面说过，电喷雾的实现条件，主要是液流和电场，形成包含样品和溶剂在内的带电液滴，然后液滴不断去溶剂、爆炸后形成样品的气态离子。普渡大学的Graham Cooks发明了DESI（Desorption electrospray ionization，最早文献：Science 15 October 2004，Vol. 306 no. 5695 pp. 471-473）技术；台湾的谢建台教授发明了ELDI（电喷雾辅助激光脱附离子化，electrospray-assisted laser desorption ionization，最早文献：Rapid Commun Mass Spectrom. 2005, 19, 3701-3704 ）。两者基本上借用电喷雾的原理，加上一些辅助的手段。DESI和ESI类似，但喷射出的只有溶剂，打在表面的样品上，吸附一些样品，再形成ESI过程。LESI电喷雾也是只喷出溶剂，激光打到样品上，样品蒸发起来，气体样品分子和电喷雾的分子作用，变成离子，原理还是电喷雾。
DESI ELDI
最近，普渡大学的欧阳正在今年ASMS上发表了Paper Spray（纸喷雾），把过滤纸剪成一个尖角，滴些液体，加几千伏高压形成电场后，也能在尖端形成电喷雾。（https://engineering.purdue.edu/BioMS/ionization.htm） “在APCI基础上，我们发明了DSA离子源”。沈博士说。
APCI和ESI不同的是，APCI喷针不带电，喷出来的中性的气溶胶通过电阻丝加热器去掉溶剂，变成中性的气态分子。通过一个针尖进行辉光放电，产生很多离子。这些离子和气态的溶质中性分子起反应，从而离子化。所以，APCI是在气相发生的离子化，而ESI是在液相发生的离子化。
今年我们新推出的Field-Free DSA，可直接分析固体、液体和气体样品，而无需进行样品前处理。垂直配置时可进行气体和固体分析；水平配置时可以分析液体样品。“灵敏度好得令我自己也吃惊。”沈博士说。
沈博士在今年BCEIA学术会议的质谱分会上，详细介绍了DSA的原理和应用，包括：分析气体、液体、固体样品；正离子和负离子化；灵敏度和检测限考察；定量能力考察；加入NH4+后的影响等。报告中非常有意思的一个应用是测定美元纸钞上的可卡因。选择市场上流通的美元纸钞，直接用DSA（质谱用AXION 2 TOF
）测定是否有可
卡因，下图每个样本采样10秒钟，发现小值纸币（1、5、20美元）上都有可卡因，100美元上没有；而20美元的浓度比5美元的高19倍。后了解后得知，100美元纸币美国联邦要跟踪，毒贩不敢直接用做交易；20美元的面值最为合适，大量用于街头交易，故浓度最高。应考虑到，这是随机取样的货币，用DSA测试的结果却是完全一致地符合上述规律。
相关下载：Performance of an Enclosed Atmospheric Pressure Direct Sample Analysis (DSA) Source
安装在AXION 2 TOF MS上的DSA源
DSA直接分析离子源垂直配置示意图 DSA直接分析离子源水平配置示意图
用DSA测定美元纸钞是否含可卡因，纸钞面值分别为：1、5、20、100美元，每个样品测定10秒钟。100美元中未
含可卡因，20美元中含量最高，比5美元的可卡因含量高19倍
沈博士也谈到了另一种直接分析技术DART，DART是用亚稳态的原子（如He）释放能量给中性分子的样品，使其电离。
小公司生存之道
AoB是个神奇的小公司，几十年生存得很好。当笔者问到其生存之道，沈博士谈到几点：
（1）有很多创新的专利；
（2）保持很好的财务。“美国很重视专利，我们的财政很好。事实上，AoB从创建开始的22年来，没有用任何投资、也没有任何外债，且每年都有红利。”
（3）不跟大公司竞争。“虽然我们也是质谱公司，但我们恰没有marketing people或salesmen，我们重点做customize 及OEM。”
从实验室到产品：漫长的过程
“过程非常漫长。”沈博士如此作答。
“真正把实验室里的东西成功地变成产品，过程非常漫长，有专利后，首先要生产prototype（原型），也就是把想法变成东西了把实验装置变成工业产品。然后这个东西要改进，什么地方不合适要改，改得差不多了，定下来，这个阶段叫做Preproduction（生产前），下一步就是在β site测试仪器，即找一些有代表性的的大学、实验室，请他们来试用，然后再反馈回来，再改仪器，然后变成Production（产品）。这个周期很长，当然这个周期还需考虑：设计的产品要容易操作、容易维修、控制成本、设计要合理，软件要非常友好等。所以这个周期一般都很长，最后才能正式向市场发布产品。
有些公司因为缺资金，到Preproduction就开始卖了，卖了后怨声载道，这个实际上是很致命的，再起来就很难了。新的东西，人家一试不好，就会传得很快！大家传来传去，你就永远也翻不了身了。
所以，美国人在这方面做得很稳重。AoB这方面是得天独厚的，我们资金没问题；所以我们步伐放慢，精益求精。我在这个公司已经23年，一直这样做，就算小到很小的一个离子源，也要精益求精。因为新产品要有体验时间，目标就是：只要一出厂，就一定是过硬的。比如AxION，我们已积累了20年的技术，但从接受雅培订单到成形，也用了两年半到三年的时间。”
对中国质谱研发说几句话
“一定要国家投资、大力扶持！”沈博士如是说。
“质谱看起来不起眼，但技术很复杂，包括精密机械、真空、电子、检测技术、数码处理技术等，加上软件要求非常全面。
民营企业在做，但企业的目的是赚钱不可能耗资费时地打持久战。结果上马二年就出产品，势必是重复性的低档产品。对于质谱这样复杂的技术，花精力、投资、建立团队，掌握最前沿的新技术是要有相当长的时间的。我认为国家应该拿出一笔钱来，组织一个团队，固定一批人，一环一环地专门做，直至在各个领域里都和人家不相上下，才能制造出高端精品的质谱。”
【编后语】听沈世达博士一席话，收获很多，回来却消化了很长时间，以尽力保证尊重沈博士的原意、ESI和质谱发展的历史。PerkinElmer奉献给业界的两款质谱，看似简单，但却是AoB公司几十年精益求精的结果。
如果您想更好地解决TOF内标校正的问题；更好地提高灵敏度、尤其是TOF低分子量的灵敏度；获得更快的采集结果；更好地解析源内CID的结果；直接分析样品并获得高灵敏度，希望沈博士亲手打造的LC/MS可以帮上您的忙……
人物简介：
沈世达，毕业于中国科技大学，获化学物理学士学位；在耶鲁大学化学工程系获得博士学位，师从Nobel化学奖获得者John Fenn教授，并随后加入Analytica of Branford,Inc.(AoB)公司。1989－2009年，在AoB公司（Analytica of Branford, Inc.），曾任高级，首席研究员，项目经理和远东地区的总经理。2009年至今，在PerkinElmer质谱研发中心（Center of Excellence for Mass Spectrometry, PerkinElmer, Inc.）任高级科学家，项目领导人。发表超过30篇文献，拥有5项美国专利。他拥有多项质谱离子源及相关技术的发明专利，是华人中从事质谱研发的代表人物。
担任的社会职务有：美国质谱学会会员；在美国华人质谱学会中担任2004－2007年的会长，2007年至今担任董事局副主席。任浙江大学的兼职教授。在PerkinElmer收购AoB后，沈博士领导了AxION 2 TOF MS的研发和制造，和最新的DSA直接分析离子源。