近期，清华大学精密仪器系欧阳证教授在美国化学会（Analytical Chemistry）特刊上发表综述，对质谱小型化近期发展进行了系统化概述以及对其未来应用方向进行了新的展望。这一特稿是作为AC“2025年分析化学基础和应用综述”专辑的一部分发表的。全文分别从5个方面阐述和讨论了微型质谱仪：1-发展过程，2-仪器微型化，3-设备特点，4-应用领域，5-未来方向。
第一期：微型质谱的发展历程
概述：质谱小型化的三个阶段
尽管此前已有小型质谱系统被开发并应用于地外探索或空气质量监测等领域，但质谱仪小型化的系统性研究主要始于20世纪90年代末，并在过去20年间经历了3个重要发展阶段，取得了一系列突破性成果。
图 1. 微型质谱发展过程中出现的重要问题和解决问题的相关答案
第一阶段：各类型质量分析器的小型化
研究的重点是各种类型的质量分析器的小型化，这被认为对整个系统的小型化有直接或间接的影响。对于飞行时间（TOF）或傅里叶变换离子回旋共振（FT-ICR）质量分析器的仪器，将米长级的质量分析器替换为厘米级设备，或者大幅缩小磁铁等较重部件以降低仪器整体重量是一种有效方法。对于采用射频（RF）操作的四极杆质量过滤器和离子阱，与整个仪器相比，这些质量分析器的原始尺寸并不大。因此，质量分析器本身并非整个系统尺寸或重量的主要贡献者。
继续追求质量过滤器和离子阱小型化的理由是，使用更低的射频电压来覆盖更宽的质荷比范围，并可能在更高的压力下进行质量分析。对于前者，已证明将尺寸缩小一半是有效的，但对进一步小型化作用不大；而对于后者，较小的离子阱仍然需要毫托的工作压力才能提供足够的性能。
人们尝试利用微加工方法生产微米级的离子阱质量分析仪。在此阶段，人们在多物理场方面投入了大量精力进行模拟来指导尺寸更小、几何形状更简单的质量分析器的性能优化。
第二阶段：第一台微型质谱仪的诞生
最初的研究重点是开发小型集成质谱仪，2006年开发的首台自持式手持式质谱仪Mini 10是一个重要的里程碑。在此阶段，由于质谱仪真空系统的新颖设计，仪器小型化取得了突破，而真空系统实际上是仪器重量和功耗的主要原因。结果表明，配备2.5千克、10升/秒的涡轮泵和500克、5升/分钟的隔膜泵的小型真空泵系统可以充分满足微型质谱仪的性能要求，尤其是在使用离子阱或四极杆质量过滤器作为质量分析器，并且仅分析挥发性样品时。
但是，如果大气压电离方法（如电喷雾电离ESI）不能与微型质谱仪结合用于分析凝聚相样品，则效果并不理想。这要求微型质谱仪配备大气压接口（API）。实验室规模仪器的API通常需要多级真空系统和相当强大的抽气能力。为了应对这一挑战，人们取得了重大进展，到2008年人们证明大气压离子源可以与带有小型真空系统的质谱仪耦合，该系统由一台3升/秒的涡轮泵和一台5升/分钟的隔膜泵组成。
随着微型仪器的质谱分析能力逐渐接近大型质谱仪，在使用纯样品进行灵敏度评估方面，研究人员在微型质谱仪投入实际应用之前，还必须解决另一个严峻问题：无法将一滴血液或一片蔬菜直接放入质谱仪进行分析。开发便携式质谱系统的目的是让新手用户能够在传统分析实验室之外使用它们，但这也带来了质谱分析前样品的处理问题。原位电离技术的概念出现于2004年，提倡以最少的样品前处理来进行直接分析。它发展迅速，并与质谱仪器的小型化同步，吸引了大量关注。两者的结合为当前微型质谱分析系统的发展奠定了重要基础。
第三阶段：微型质谱仪的商业化
质谱仪和集成系统的开发仍在继续，然而，我们面临着另一个重要问题：微型质谱系统能否被广泛应用？这将最终决定一项始于近30年前的努力的命运，这项努力旨在让分析实验室以外的人们也能广泛使用一种强大的分析工具。从实验室到手持的转变，很像计算机的演进。与超级计算机一样，大型质谱仪性能卓越、功能多样，但需要由实验室专家在严格控制的条件下精心维护和操作。图形化用户界面，加上尺寸缩小到台式机和笔记本电脑的大小，使得不懂编程的人也能广泛使用计算机。真正让计算机像手机一样进入千家万户的，不仅是因为尺寸的显著缩小，还因为预先编程并可下载的专用应用程序，方便使用。
从小型分析仪到微型分析系统的演变
经过20多年的研发，已经开发出许多便携式MS系统，包括研究原型和商业产品。
表格：目前商业化的微型质谱仪（部分）
值得注意的是，系统性的相关工作最初由普渡大学的Cooks和他的同事开展，后来由清华大学继续合作。该研究团队早期成功实现了离子阱质量分析器的微型化，其最小尺寸达到微米量级。开发的集成系统包括第一台手持式质谱仪Mini 10，可以依靠电池自持；后续开发出质谱仪Mini 11，带有大气压接口，重量约为5公斤，也是第一个可以采用擦取采样电离探针的便携式系统；同时还开发出质谱仪Mini 12，采用原位电离模式，这是第一款应用于医疗方面的桌面微型质谱系统；其他还有基于一些原型开发了新的商业化产品，如最近的Mini β和Cell系统，这些系统目前已成功应用于神经胶质瘤IDH突变术中检测及治疗药物定量监测等临床场景。
目前的研究原型和商业产品可分为两大类，基于根据分析物的挥发性，对应传统分析实验室的GC-MS和LC-MS。有趣的是，选择质谱仪的考虑因素发生了巨大变化，最初对所有类型的探索都转变为几乎只选择离子阱或四极杆过滤器。微型质谱仪系统仪器设计的这种趋同主要有两个原因。首先，离子阱和四极杆过滤器可以在毫托压力范围内工作，这比其他类型的质谱仪高出两到三个数量级。这样，在使用微型泵系统时，性能（包括分辨率和灵敏度）的妥协最小。第二个原因是可以保持对化合物鉴定分析的高可信度，这是MS分析的一大特征优势。
离子阱可以使用单个设备进行多级串联质谱（MS/MS）分析，无需增加仪器尺寸或电子络合成本。MS/MS分析不仅可以根据特征碎片模式区分异构体分析物，还可以显著提高复杂基质样品分析的灵敏度。
然而，如果使用四极杆质量过滤器的微型MS系统不与GC或LC结合使用，则在实际应用中会遇到严重问题。微型GC-MS系统的应用领域可参照实验室规模系统的应用场景进行类推。然而，针对凝聚相样品分析的微型系统未来发展可能有更大的想象空间。复杂化学或生物样品的快速分析面临着巨大的挑战，主要是由于基质效应的影响，这与电离和质谱分析过程中混合物中各组分之间的竞争有关。实验室解决方案涉及劳动密集型的样品预处理和液相色谱分离，但这对于现场使用微型质谱系统来说肯定是不可行的。
为了应对这些挑战，开发了各种原位电离方法和极其简化的样品处理流程来取代实验室程序。这种方法已被证明是有效的，一些样品盒已经开发用于直接分析生物流体和组织样本。
图 2. （a）新技术使得微型质谱可以分析复杂的样品；（b）采用试剂盒技术处理样品；（c）微型质谱系统。
现在，生物样本中药物化合物的分析程序非常简单，仅包括将微升样品沉积到含有纸质基质的盒中，添加几滴甲醇或乙腈，然后将其插入质谱仪中，在质谱仪中施加高电压以诱导电离。显然，这种方法可能无法通过使用一个普遍适用于分析所有可能的生物标志物的单个盒来应用，并且可能需要针对每种类型的样品分析进行单独优化。可以预见产品商业化的未来方向是拥有通用的MS仪器，但有各种样品试剂盒来涵盖过去由实验室中的单一LC-MS系统处理的应用。
这与计算机技术以智能手机或平板电脑的形式进入消费产品市场时的情况非常相似，专用应用程序已预先开发完毕，方便最终用户操作。同样值得注意的是，一次性样品盒（作为耗材）的出现，使得质谱分析的商业化模式有可能实现转型，因为利润不再仅仅来自质谱仪的销售。这将是对于微型MS系统进入临床应用等市场具有重要的现实意义。
第二期 ：微型质谱的特点
在微型质谱系统的开发史上，颠覆性的理念催生了当前仪器和分析程序的设计：
1. 放弃专用样品前处理，转而采用原位电离为基础的，一次性试剂盒进样模式；
2. 允许质谱仪内部的真空压力波动，并通过不连续的大气压接口实现高效的离子转移。
微型质谱特点：小巧，灵便，但功能齐全
现有微型质谱仪系统以突破实验室条件限制为目标，在保持足够分析性能的同时，实现了设备小型化和操作便捷化。
本文总结了设计微型质谱仪的关键技术，包括质谱仪、离子引入接口和仪器真空系统方面的最新进展，以及提升整体性能的分析模式创新。此外，我们还讨论了简化的样品制备和电离技术，这些技术简化了快速现场分析的流程。我们还介绍了几种可以进一步提升分析性能但尚未广泛应用于便携式质谱的有趣技术。
图3. （a-c）微型质谱仪设计图;（a）GC进样;（b）CAPI进样;（c）DAPI进样；（d-f）初级泵和高真空分子涡轮泵。
微型质谱的仪器结构
如上所述，经过二十多年的试验，微型质谱系统研究界似乎在质量分析器的选择上达成了共识。除了少数情况，例如用于地外探索的质谱仪，大多数微型质谱系统都使用离子阱或四极杆质量过滤器。除了质量分析器类型外，仪器架构的另外两个重要特征是离子或样品引入方式以及真空系统。所选质量分析器、接口和真空系统的任何组合的可行性都可以从多个维度进行评估，但最重要的是能否获得足够的灵敏度和选择性来进行分析。
对于挥发性化学物质的分析，可将GC与四极杆质量过滤器或离子阱串联使用。GC柱既可用于GC分离，又可用于限制气体流入由小型真空泵系统维持的真空。虽然使用质量过滤器时无法进行MS/MS分析，但GC分离可为分析提供额外的选择性和化合物鉴定信心。在这种情况下通常使用的是内置式的离子源，并采用电子轰击进行电离。
这种离子源系统的一个缺点是其易受化学污染。因此，通常需要加热以保持真空部件清洁。另一个潜在问题是需要使用压缩气瓶为GC提供氦气，而某些场所（包括飞机客舱或手术室）可能禁止使用压缩气瓶。用于传输中性挥发性样品的接口（例如气相色谱柱）不适用于传输凝聚相样品在空气中产生的离子，因为带电粒子无法在任何狭长的通道中存活。
图3b和3c所示的大气压接口（APIs）是设计微型质谱系统时采用的两种主要类型，适用于常压电离源（如电喷雾电离ESI或常压化学电离APCI）以及原位电离方法（如纸喷雾电离或微管纸喷雾电离）。这些大气压接口还可使微型质谱仪器与微流控分离系统联用，作为实验室液相色谱的现场替代方案。
选择合适的紧凑型真空泵系统对于微型质谱系统实现令人满意的性能至关重要。在传统的商用实验室级质谱仪中，真空系统通常由多级真空室和大型重型（40公斤以上）真空泵组成。目前，便携式质谱仪通常使用用于粗抽的隔膜泵或涡旋泵，以及用于高真空的分子涡轮泵。常用的选择是其中一台双级隔膜泵搭配一台抽速为10至80升/秒的小型分子涡轮泵（Pfeiffer HiPace 10/30/80）。真空泵系统的最小重量可低至2.5公斤。最近，微型涡旋泵方面取得了重大进展。一台重400克、抽速为2升/分钟的涡旋泵（Scroll Tech，中国杭州）已被验证可与HiPace10分子涡轮泵搭配使用，并应用于微型质谱Mini 14和重量仅为8公斤的Cell中（PURSPEC Technologies, Inc.，中国北京）。
2014年，普渡大学的研究团队报告了对总重量低至480克的真空泵系统的测试。Creare公司（美国新罕布什尔州汉诺威）制造的涡旋泵原型可以完全静音运行。300克的涡轮泵已用于火星探测器“好奇号”的质谱仪，但遗憾的是，这些泵均尚未实现商业化。
分析技术
对于微型质谱仪来说，部署和操作的简易性对于测试其进行现场分析的可行性至关重要。 然而，它们能否提供足够的性能，决定了其潜在应用的范围，并最终决定了质谱系统小型化努力的真正影响。传统实验室质谱仪的性能标准通常包括高分辨率、高质量精度、良好的检测限（LOD）或定量限（LOQ）以及宽动态范围。人们一直在努力拓展这些方向的可能性。然而，微型质谱系统的开发一直并将是一个持续的过程，在性能和易用性之间不断寻求妥协，以满足目标应用的需求。
例如，小型离子阱仪器可能无法提供足够高的分辨率来区分混合物中的同分异构体，但它可以进行MS/MS分析以确认鉴定结果，这对于区分异构体至关重要，即使使用高分辨率质谱仪也是如此。以下是一些可能的最新进展，虽然尚未能成为日常使用微型MS分析系统，但显示出未来实施的巨大潜力：
1. 利用SAM−SFM波形，而不是传统的SWIFT（采用基于傅里叶变换的调制技术波形逆变换的调制技术）实现单位分辨率下的高效分离。为了增加质量范围和分辨率，同时减小仪器的体积和功耗，该团队还开发了一种新的频率扫描技术来取代传统的射频电压扫描方法。为了减少空间电荷效应并提高分析性能，还开发了一种网格快速扫描方法，可以在离子引入过程中有效隔离目标离子。
2.利用空间电荷效应进行质量分析的新方法，该效应通常被认为对离子阱性能不利。当分析物离子被激发时，由于空间电荷效应，分析物离子通过集体相互作用与信号离子发生能量交换，信号离子而不是分析物离子因此被激发并随后被射出进行检测。这可用作分析离子阱中存储离子的替代非破坏性方法，为MS分析和电荷状态鉴别提供高分辨率。
3.离子淌度（IM）越来越多地与MS分析结合使用，在质谱分析之前进行气相离子分离，这可以作为对分子结构或构象差异的额外确认。人们已经尝试探索在微型MS系统中使用离子阱进行IM分析的可能性。Fan等人介绍了一种通过电场流在两个线性离子阱（LIT）之间转移离子的IM分离方法，展示了对各种动态气体化学和生物化合物的分析。该研究小组的进一步研究涉及低压下的离子淌度分析，以实现高场离子淌度条件下高分辨率离子淌度分析。通过使用双激发法诱导方向离子旋转，还可以分析对映体离子。
除了以上这些技术，正如本综述前面所述，MS/MS分析对于使用微型质谱系统提供令人满意的性能而无需大量样品前处理非常重要。虽然可以轻松分离单个目标物质并使用离子阱进行MS分析，但当样品量有限时，对一组目标进行MS/MS分析可能具有挑战性。主要原因是当分离一种前体物质进行MS/MS分析时会浪费其他离子。所以科学工作者又开发了以下这些方法来提升微型质谱MS/MS能力：
1.开发了二维质谱（2DMS）用于捕获所有离子的碎片信息而无需分离前体离子。该方法最初是被FT-ICR质谱法验证可行的，但最近已成功应用于使用线性离子阱的质谱分析。这是通过采用非线性频率扫描，在一维方向上依次激发母离子，同时在正交维度上施加宽带波形，以释放所有子离子进行检测来实现的。母离子的激发时间与子离子释放时间之间的相关性使得能够恢复每个母离子的MS/MS跃迁。该技术可以通过单次离子注入获得大量目标物质的丰富MS/MS信息。
2.另一种方法是使用双LIT微型质谱系统和DAPI进行多目标离子的MS/MS分析，以提高样品利用率。只需打开DAPI一次，离子便会全部被捕获在第一个LIT中，然后依次转移到第二个LIT进行MS/MS分析。除了离子阱内CID之外，在离子转移过程中也可以进行束流式CID，真空压力还可在单次分析扫描中实时调节，从而优化离子捕获、CID和质谱分析条件。在一次结构脂质组学演示中，将臭氧引入第二个LIT以诱导解离，从而可以识别脂质种类的C=C双键和顺反位置。
3.喷雾电离与DAPI开启同步，因此样品消耗量降至最低，展示了其在单细胞分析等应用方面的潜力。结合大气压基质辅助激光解吸电离（MALDI），可对组织切片上20多种脂质种类进行MS/MS成像。通过组织衍生化，可对脂质C=C双键位置异构体进行成像。当使用nanoDESI时，可以进行MS3来解析顺反位置和C=C双键位置，从而对组织切片中的磷脂进行成像。
图4. （a）基于集体相互作用喷射的质谱分析；（b）采用集体相互作用喷射技术，以+13电荷态离子作为信号离子记录的细胞色素C质谱；（c）2维质谱质谱在离子阱中进行碎片分析；（d）10个小肽段的质谱图；（e）双线性离子阱微型质谱；（f）双线性离子阱进碎片分析；（g）人体肝癌组织样品脂质2级碎裂成像图。
样品处理和电离
为了让护士或医生等用户能够操作小型质谱系统，人们采用了原位电离等非常规方法来简化样品处理程序。“原位电离”一词最初是指对样品处理中的分析物进行直接电离。但实际上，并非所有应用案例都可以或需要用原位电离来解决，也不是所有原位电离方法都适用于微型质谱系统。
例如，最初的两种原位电离方法解吸电喷雾电离（DESI）和实时直接分析（DART）不适用于便携式系统，因为电离过程中需要使用高速气流。然而原位电离的倡导，为便携式系统质谱分析的未来开辟了一种新的思路。诸如纸喷法及其变体之类的方法仅消耗微升溶剂，并且易于用于设计一次性试剂盒。现场采样或样品处理的一些简单程序可能是不可避免的，尤其是在定量分析中。如果这些程序足够简单易用，则可以被接受。
基于等离子体的解吸电离是原位电离的主要类型，近年来温度调谐解吸电离（TTDI）方法应运而生，该方法利用火花放电进行解吸电离。放电区域的温度可在30 °C至800 °C范围内调节，这已被证明有助于分析不同类型的样品。在微型质谱仪的演示中，表面痕量爆炸物、体液中的滥用药物以及组织样本中的脂质都可以在优化的温度下轻松分析。
纸喷雾及其变体此前已被证实适用于分析生物流体样品。最近，Kang等人使用微管纸喷雾试剂盒和微型质谱系统分析各种生物流体样品基质中的芬太尼化合物和其他滥用药物。 Wang等人开发了一种碳纤维纸喷雾电离方法，显著提高了多种分析物的信号稳定性和检测灵敏度。环磷酸腺苷（CAMP）、柚皮苷和替凡替尼的检测限（LOD）全血的纯度提高了2倍到100倍。
其他直接采样电离方法包括基质辅助型电离（MAI）和声学雾化辅助电离光离子化（ANPI）技术。MAI不需要电压，只需使用小分子基质即可从样品中提取分析物。Guo等人利用该技术实现了芬太尼类似物的定量检测。对于ANPI，采用声波雾化样品，然后进行光电离以进行MS分析。新装置还设计为可在LTP、DESI或EASI（简易环境声波喷雾电离）的原位电离模式之间切换。
样品经过处理再电离的方法，即不像原位电离那样直接从原始样品中电离分析物化合物，也已经开发出足够简单的程序，可以使用微型MS系统进行现场分析。示例性方法包括微流体液-液萃取、固相微萃取（SPME）和物理吸附，这些方法已被开发用于选择性富集原始样品中的分析物。将SPME探针放入nanoESI毛细管中进行采样后电离是一种适用于广泛应用的有效策略，利用微型MS系统证明了其多功能性，可以分析食品中的农用化学品、海水中的工业化学品和人体唾液中的药物。还有的团队开发了一种使用共价有机骨架SPME探针的工作流程，用于对环境和生物样品中的全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）进行快速、超灵敏分析。另外还有人使用多孔聚丙烯膜开发了一种用于组织脂质采样的探针。有实验证明，通过将液体样品塞推拉过涂有聚（丙烯酰胺-乙二醇二甲基丙烯酸酯）（AA-EGDMA）的玻璃毛细管，可以在线富集血液和组织样品中的脂质。
对于监管或临床应用，通常必须进行具有足够精度的定量分析。然而需要小心处理样品的定量质谱分析实验室程序可能不适合现场分析。Zhang等人利用先前为生物流体采样开发的段塞流微萃取技术，开发了一种简单的定量策略，即使用内标，其萃取溶剂的分配系数明显高于样品。无需仔细测量样品或溶液体积即可实现高精度定量。Kang等人应用此方法快速分析饮料中的奥芬太尼。Pandey等人使用纸喷雾和Mini 12对经过简化程序处理的血液样本中的卡博特韦和利匹韦林进行定量分析，以监测HIV治疗依从性。
第三期 ：微型质谱的应用及前景
微型质谱目前应用领域
上述提及的研发工作（见公众号第二期）使得质谱系统体积小巧、易于使用。尤其是在实验室外即可直接分析凝聚相复杂样品的情况下，微型质谱系统的应用前景更加广阔。目前，已在多个领域进行了重要的应用验证，尤其包括公共安全、非法药物筛查、环境监测以及地外探索。此外，微型质谱分析也正在深入临床医疗保健领域，探索其在该领域的潜力，尤其是该领域对设备性能和使用有严格要求。
图 6.（a）火星样本分析仪（SAM）；（b）火星上四种主要气体探测结果；（c）纸喷雾电离技术结合微型质谱对芬太尼等药物定量分析；（d）热解吸采样和介质阻挡放电电离(DBDI)进行痕量爆炸物检测；（e）直接毛细管喷雾（DCS）试剂盒和Cell微型MS系统对活检组织样本中的2HG和内源性谷氨酸直接进行MS/MS分析。
地外探索
微型质谱仪在地外探索中发挥了至关重要的作用，使得研究太阳系天体的化学成分，如月球、金星、火星、木星和土星，成为可能。自1970年代以来，火星一直是探索的主要目标，从海盗号任务开始，并在过去十年中取得了重大突破。火星样本分析（SAM）仪器组件于2012年8月通过火星车运送到火星，旨在探索火星表面是否存在有机分子（图6a）。2013年，关于火星大气中气体丰度和同位素组成以及火星表面细颗粒样品中存在的挥发性化合物等重要发现被报道（图6b）。
2018年，Eigenbrode等人展示了火星样本分析（SAM）数据，显示在火星盖尔陨石坑的钻探样本中检测到了保存的有机物，包括噻吩、芳香族和脂肪族化合物，这标志着天体生物学的重大突破。欧洲航天局（ESA）的罗莎琳德·富兰克林火星探测器火星外层生物学计划（ExoMars）中，火星有机分子分析仪（MOMA）使用带有GC和DAPI的线性离子阱分别分析火星上的空气和土壤样本。在欧洲航天局的罗塞塔号任务中，TOF质谱仪用于现场分析67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星上的化合物，揭示了有机分子的关键数据及其在早期太阳系化学中的潜在作用。
除了已经发射或计划用于太空探索的微型质谱仪之外，世界各地的研究团队还为地外探索开发了许多原型微型质谱仪。例如，Willhite等人开发了CORALS（海洋残留物和生命特征表征），这是一种用于寻找木卫二上生命特征的轨道阱质谱仪。Aloui等人提出了一种概念验证超分辨率编码孔径摆线微型质谱仪（SR-CAMMS），可以进行高精度同位素比测量，并解决CO和N2之间的同量异位素干扰。
环境监测
最近使用微型MS系统进行环境监测的研究，探索了它们在分析空气污染物、检测天然气管道泄漏、评估水环境中的有机污染物、分析持久性有机污染物和土壤污染中的应用。Davey等人展示了如何使用膜入口质谱仪（MIMS）对加拿大艾伯塔省北部碳氢化合物加工设施相关的大气挥发性有机化合物（VOC）进行实时监测。Chen等人将便携式气相色谱-质谱联用仪（PGC-MS）安装在无人机上，并使用固相微萃取（SPME）纤维快速绘制有害空气污染物图谱。
Hemida等人设计了一种便携式毛细管液相色谱质谱（capLC/MS）系统，该系统采用超声辅助萃取（pUAE，成功应用于土壤样品中全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）的快速分析。这些研究为环境监测提供了极为便捷高效的分析工具，大大提高了我们理解和应对环境挑战的能力。
食品安全
对于食品安全应用，研究的重点始终是开发简化且快速的样品制备程序，这对于在该领域使用微型质谱系统至关重要。这涉及开发样品处理再电离的方法，既用户使用简便又提供足够的分析性能。对不同类型的食品样品进行了目标分析物分析，例如农药、兽药和其他违禁药物。Aquino等人使用铅笔将试剂化合物涂覆在纸基材上，用于纸喷雾分析，随后选择性地与复杂样品中的分析物发生反应。对卡沙萨酒样品（一种由甘蔗汁发酵和蒸馏制成的酒精饮料）中的各种醛类（2-糠醛、戊醛和苯甲醛）进行了快速检测。
Lotz等人介绍了一种手持式液体萃取笔（LEP），用于定性分析水果中的农药。Meng等人开发了一种快速现场方法，使用配备不同原位电离技术（包括毛细管nanoESI、纸喷雾电离和注射器喷雾电离）的微型质谱仪识别各种食品中的非法掺杂物。
Jin等人开发了一种离子源，将纸喷雾电离与金属漏斗相结合，可快速测定多个样品中的四种抗生素（诺氟沙星、四环素、土霉素和金霉素）。
真伪鉴定
通过现场分析快速鉴定产品真伪一直被认为是便携式质谱系统的一个重要潜在应用。有趣的是，其中一个重要应用是针对中草药材的。有些中草药材外观难以区分，而有些则稀缺且价值高，例如香花梨木和沉香，因此容易被伪造。顾等人开发了一种快速、简便的现场定量方法，利用纸喷雾电离和微型质谱仪来评估Lygodium japonicum(Thunb.)的质量。谢等人使用微管纸喷雾和微型质谱仪进行分析，并基于随机森林算法开发了一种人工智能数据分析模型。该方法成功地实现了真伪沉香和Kynam沉香的自动区分。
滥用药物
非法药物和药物滥用一直是危害公众健康的严重问题。街头毒品中可能混有芬太尼和其他致命的假药。近年来，一些研究小组开发了利用微型质谱系统进行现场快速检测的方法，用于快速筛查不同类型的非法药物。Kang等人开发了一种在3分钟内快速测定和定量尿液中吗啡的方法。经过简单萃取和快速丹磺酰衍生化后，直接使用微型质谱仪进行分析，检测限（LOD）为50ng/mL，定量限（LOQ）为100ng/mL。Laxton等人采用微管纸喷雾电离技术结合微型质谱系统，对含有芬太尼、氟芬太尼、卡芬太尼和依替唑仑的非法药物样品进行了定量分析（图6c）。
公共安全
微型质谱系统在公共安全领域的应用也已被探索，包括检测生物战剂，玩具等消费品中的违禁物品、火灾现场的危险有机化合物以及检查点的爆炸物。例如，Li等人提出了一种新颖的样品引入和电离方法，利用热解吸采样和介质阻挡放电电离（DBDI）进行痕量爆炸物检测（图6d）。该方法已成功用于分析一系列硝基爆炸物，包括TNT、2,4-二硝基甲苯、NG、RDX、PETN和HMX。
临床分析
在临床分析领域，质谱法已成为一种不可或缺的方法，并已成功应用于新生儿代谢疾病筛查、维生素D缺乏症检测、治疗药物监测和微生物鉴定。然而，实验室类型质谱的维护和操作要求，加上系统部署的庞大规模和高成本，阻碍了其在临床环境中的使用。
器官移植手术后立即使用免疫抑制药物的治疗，理想情况下应以每小时监测血液中的药物水平为指导，以便调整剂量。使用简单分析程序的微型质谱系统在快速定量方面取得了重大进展，为未来将最强大的质谱分析技术应用于医院的床边或手术室提供了启示和信心。
最近的研发工作验证了即时诊断（POC）质谱分析包括定量分析血液中16:0−18:1磷脂酰乙醇胺以监测长期饮酒情况、定量分析蛋白质消化样品中的蛋氨酸肽以进行癌症表型分析、无酶蛋白质水解以进行直接分析、薄层色谱二维分离以直接分析脑组织。
POC疾病诊断的一个显著发展是术中诊断IDH（异柠檬酸脱氢酶）突变型神经胶质瘤。进行这种诊断的医学意义在于指导脑外科手术的切除策略，这通常需要在潜在寿命和脑功能损伤之间取得平衡。虽然过去最精确的诊断是基于PCR（聚合酶链式反应）进行基因突变测定，但只能在手术后使用切除的组织样本进行，并且需要几天才能得到结果，因此，它对于指导术后治疗非常有用，但对于现场手术则不然。
苏木精和伊红（H&E）染色可以在手术期间使用，等待时间大约为一两个小时；然而，它只能识别50多个IDH突变中的一种，而这些突变约占疾病病例的80%。研究发现，所有IDH突变都会导致胶质瘤组织中一种小分子代谢物2-羟基戊二酸（2-HG）的水平升高，而这种代谢物易于通过质谱进行分析。该技术的可行性最初是在实验室规模的质谱仪上使用DESI技术进行验证的。近年多个研究小组开展了一系列研究，致力于组织样本的直接采样电离以及使用微型质谱系统进行分析。
最近，研究人员使用直接毛细管喷雾（DCS）试剂盒和Cell微型MS系统（图6e）对活检组织样本中的2HG和内源性谷氨酸直接进行MS/MS分析，并利用它们的强度比来准确诊断IDH突变型胶质瘤，对109例患者的活检样本进行了完整的测试。
治疗药物监测对于精准医疗至关重要，如果能够使用微型MS系统提供合适的解决方案，预计它会更广泛地应用于伴随诊断。最近的研究已经证明可以监测抗生素、麻醉剂、HIV治疗药物、高血压药物、精神药物和免疫抑制剂等药物的血药浓度。
Gu等人开发了一种微型LC-MS系统并将其用于定量四种广泛使用的免疫抑制剂：他克莫司、依维莫司、雷帕霉素和环孢素A。刘等人利用磁场增强光电子电离微型飞行时间质谱仪（MEPEI-TOFMS）检测呼吸中的七氟烷以评估术后躁动症状。陈等人使用微管纸喷雾试剂盒，开发了一种结合微型质谱系统的即时检验（POC）检测方法，用于快速准确地定量分析人体血液和尿液中的二甲双胍和西他列汀。这两种药物作为口服降糖药被广泛且长期使用，治疗II型糖尿病。
微型质谱的未来：结论和展望
质谱系统小型化在其发展初期可能被认为侧重于使仪器越来越小。但如今越来越清楚的是，真正的驱动力应该是让质谱分析这种用途广泛的分析技术对人们的日常生活产生更大、更直接的影响。虽然“质谱仪还能做得更小吗？”是人们在听到“质谱仪小型化”时经常会问的问题，但目前最重要的问题实际上是“什么才能使其获得商业成功？”这对于任何技术的可持续发展都至关重要，尤其是在微型质谱仪已经走过了20多年的历程之后。到目前为止，如何让它们迅速普及并被公众所理解仍不清楚。
正如实验室超级计算机向手持式手机的转变一样，随着微型质谱系统的出现，质谱分析的潜在用户群体有望显著扩大。然而开发这些系统的研究人员渴望尽快找到一种方法，将其推广到比现有分析化学家群体大10倍甚至100倍的用户群体。这也有助于最终完成商业化循环，但面临的挑战是“杀手级应用的成功案例是什么?”
在医院甚至患者家中进行即时检验（POC）应用，可能触达更广泛的潜在用户，让他们了解并感受到质谱分析的价值。需要克服的障碍也不容小觑，例如临床意义的论证以及通过临床试验获得即时检验医疗器械注册证书。此外，我们还可以想象，在不久的将来，质谱系统将与现有的设备一起出现在每个用于普通化学教学的实验室中。
然而，其营销模式必须与目前实验室规模质谱仪的营销模式截然不同，因为后者的购置和运行成本都很高。微型质谱仪系统配备的一次性试剂盒无疑可以作为耗材，以促进大规模的临床环境或课堂中使用的MS系统商业化模式的改变。因此，当前或下一阶段质谱分析系统微型化技术的发展，需要继续专注于开发适用于广泛应用的试剂盒解决方案。重要的策略包括采用新的功能材料以实现快速富集和萃取，开发简化的定量分析程序，以及实施简化的数据处理以便直接报告结果。
微型质谱系统的评判标准应为它们是否智能，即它们能够多好地帮助用户做出决策，而不是实验室规模质谱仪所采用的标准，例如质量范围、质量分辨率或质量准确度。人工智能将不可避免地应用于微型质谱系统，提供新的解决方案，使其易于操作、维护并提供令人满意的结果。
写在最后：微型质谱综述三期回顾
本期是关于微型质谱综述的最后一期，通过三期的报道，我们将微型质谱这个新型的分析设备与技术完整的展现在了读者面前，并对它的未来做了设想。
回到质谱仪小型化进程之初的一个最初问题：“质谱仪最终能做到多小？”到目前为止，我们知道，这个答案会因为分析目标是否为凝聚相样品中的非挥发性分析物，而有很大差异，这直接决定了仪器所需的真空系统类型——相较于电子控制系统，真空系统不仅是机械结构最复杂的部件，更是质谱仪微型化进程中最大的技术瓶颈。尽管原型机已经验证了新型的真空泵技术，但这些技术尚未在当前微型质谱系统商业化开发中得到充分应用。遗憾的是，由于缺乏其他具有相似需求且成熟的大规模市场支撑，仅仅针对微型质谱仪专用的小型真空系统的持续创新与工程改进始终动力不足，或许随着微型质谱系统商业化潜力得到更深入的理解和验证，这一现状将迎来转机。
回顾微型质谱系统的发展历程，颠覆性的概念在推动仪器设计与分析流程发生根本性变革等方面发挥了决定性作用。其中两个典型案例：(1) 基于原位电离技术的设计理念，放弃复杂样品前处理环节，转而采用可抛式的样品试剂盒；(2) 通过非连续大气压接口技术，允许质谱仪内部真空度波动以实现高效离子传输。这些突破性尝试在初期可能根本无法达到实验室级质谱系统的性能指标，但最终取得的成果却也是基于大型质谱系统进行渐进式改良所永远无法实现的。因此，当我们努力验证当前微型质谱系统面向即时检测市场之应用价值的同时，我们更应保持想象力，在研究方面保持强劲势头，尝试不同寻常的方法。
关键词中英文对照
质谱：mass spectrometry (MS)
大气压电离：atmospheric pressure ionization (API)
非连续大气压电离：discontinuous API (DAPI)
原位电离：ambient ionization
串联质谱：tandem mass spectrometry (MS/MS)
离子阱：ion trap
线性离子阱：linear ion traps (LITs)
即时检测：point-of-care (POC)
