MEMS质谱仪研究综述

　　质谱仪是现代分析领域最重要的仪器之一，在众多领域都发挥着关键性的作用。传统的质谱仪体积庞大，造价昂贵，检测、分析的过程更是相当复杂，即使如此，在所有可能的分析仪器中，比质谱仪的功能更加强大、应用更加广泛的仪器依然很少。

　　近年来，随着食品安全问题的凸显，空间探测活动的不断发展，突发事件、公共安全的迫切需求，质谱仪因其高准确度、高分辨率、高灵敏度等优点，开始越来越多地应用于这些领域。但是，这些领域的特性都要求仪器：体积小、功耗低、价格低廉、使用方便，而传统质谱仪显然并不满足这些要求。在这种情况下，MEMS 质谱仪的研究热情不断高涨，成为了当前质谱领域的研究重点和热点。

　　同其他分析仪器一样，质谱仪微型化的目标是要将样品处理、进样、离子分离、离子检测集中在一个芯片上，形成高度集成和自动化的芯片级质谱仪[1]。目前国际上对便携式(小型)质谱仪的研究已经取得了一些重要突破，如美国普渡大学的欧阳证研究开发的 MINI 11 便携式质谱仪，其体积已经减小为 22×12×18 cm，功耗降低到了 35 W，总重量不过 5 kg[2], 如图 1 所示。

　　而对于更小的 MEMS 质谱仪，虽然国外已经陆续出现了少数较为完整的 MEMS 质谱仪装置，但其研究主要还处于对其各组成单元(进样系统、离子源、质量分析器、离子检测器)单独进行微型化的阶段，如图 2 框中所示。

　　本文将对 MEMS 质谱仪及其组件的微型化情况进行详细介绍。

　　1　MEMS 质谱仪研究现状

　　1.1　MEMS 离子源

　　离子源(Ionizer)是将样品离子化为带电荷的样品离子，是质谱仪不可或缺的部分。质谱仪的离子源包括很多类型，例如：电子轰击离子源(EI)、电喷雾离子源(ESI)、大气压化学电离离子源(APCI)、基质辅助激光解吸离子源(MALDI)、常压解吸附离子源(DBDI)等等。

　　在众多的离子源离子源类型中，对电喷雾离子源(ESI)的研究最多[3]。由于 ESI 离子源的主体其实就是一根毛细管(管径约为数百微米)，而且其离子化样品的效率与样品溶液的流速无关，只与样品在溶液中的浓度有关，所以，减小 ESI 源的管径，不仅可以降低流速，减少样品消耗，而且可以提高样品在溶液中的浓度，提高离子化效率。所以，无论在结构还是原理上，ESI 离子源都是微型化的较好选择。

　　1996 年 Matthias Wilm 和 Matthias Mann 首次提出了纳升喷雾源(Nanospray Ionization)的概念[4]，引发了进一步缩小 ESI 源体积(主要是其喷嘴的内径)的研究热潮。最近，通过使用矽玻璃毛细管拉延技术和 MEMS 技术，研究人员已经将 ESI 源的喷嘴改进为极精细、再现性很高的、只有数十乃至数个微米直径的微型喷嘴[5-8]。在此基础上，国际上也相继出现了一些同微型样品分离系统耦合并集成的ESI 源芯片，如 Yin[9]、Liu[10]等团队研发的同高效液相柱耦合并集成的 ESI 芯片(如图 3 左)，Zhang[11]、Dahlin[12]、Sikanen[13]等团队研发的同毛细管电泳技术耦合并集成的 ESI 芯片(如图 3 右)。