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【质谱学快讯】科技奇迹发源地—不来梅质谱创新之路(作者:Curt Brunnee)

已有 827 次阅读 2023-10-19 18:22 |个人分类:地球科学|系统分类:科普集锦

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作者:Curt Brunnée

摘要: 1947年,德国不来梅的Atlas-Werke公司年轻物理学家Ludolf Jenckel博士有了一个想法:他租了医院的地下室,并利用业余时间尝试建造质谱仪。在完成了一个简陋的原型机后,Jenckel说服了Atlas公司管理层成立一个小部门,名为MAT,用于生产并销售质谱仪。该原型经过重新设计,1950年推出了第一批系列仪器,名为CH3。MAT成立初期销售额一直很低,但Jenckel并未放弃。他推动了后续型号CH4的后续型号的开发,该型号是60度扇形磁场质谱仪,于1958年推出。随后的几年中,这种仪器的安装数量超过400台,巩固了MAT在市场中的地位。1967年,MAT被美国帕洛阿尔托的Varian Associates收购,之后继续发展壮大。MAT引入了新技术,开发了各种应用的新质谱仪,成为世界领先的质谱仪生产商之一。到1976年,已交付了1000多台仪器。1981年,在美国旧金山的Finnigan公司接管了MAT,德国不来梅和旧金山之间展开了富有成果的技术合作。今年MAT庆祝其成立50周年。它是为数不多的几家多年来一直处于领先地位的质谱公司之一。

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1. 不来梅市

  不来梅是一座古老的城市。其历史可追溯到公元780年,查理曼大帝将其建立为主教辖区。1358年,不来梅成为汉萨同盟的成员国,在那个时代控制着波罗的海的贸易。贸易和海洋活动在几个世纪以来决定了不来梅的生活。商人和船长在公共生活中扮演着主导角色。这座城市没有大学,科学是次要的。不来梅的每个人都熟悉不来梅音乐家雕像的冒险故事。有关不来梅的自然科学早期活动,只有对天文学感兴趣的人才熟知:18世纪末,欧洲大陆上最大的天文望远镜建于不来梅利廉塔尔。为纪念其创始人约翰·H·施罗特尔(1745-1816),月球表面的一个深谷被命名为他的名字。弗里德里希·W·贝塞尔(1784-1846)曾在施罗特尔的天文台工作。贝塞尔后来去了蒂尔辛,成为世界上著名的天文学家之一。贝塞尔的早期导师和朋友是海因里希·W·M·奥尔伯斯(1758-1840),他是不来梅的医生和天文学家。他发现了小行星帕拉斯和维斯塔,还发现了五颗彗星。有一颗彗星以及一个令人费解的问题以他的名字命名(“奥尔伯斯悖论”):“为什么夜空是黑暗的?它应该被众多的星星明亮照亮!”答案绝非简单,只能根据现代宇宙学理论来解释。

第二次世界大战使不来梅陷入困境:65%的住房被摧毁,大部分其余住房都遭到严重破坏。1945年对不来梅来说意味着是起点。该市开始了修复战争创伤、重建贸易和商业的漫长任务。新的工业企业得到建立(例如,用于汽车、飞机和航空航天设备的现代生产设施)。尽管有了这些新的活动,几个世纪以来的海事传统仍然在许多地方存在。1971年,不来梅大学成立,现有约19,000名注册学生。

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图1. 不来梅音乐家雕像位于历史悠久的市政厅前(建筑始于1405年,后来在1609年增加了文艺复兴风格的外立面)。市政厅内设有德国最著名的酒窖,收藏有600种不同的葡萄酒,其中最古老的可以追溯到1727年。

2. MAT的初年(1947-1957)

不来梅如何成为欧洲质谱学中心,有些是偶然的:因为它恰好是其创始人Ludolf Jenckel博士(1912-1990)的家乡。1947年,年轻的物理学家Jenckel向Atlas-Werke AG(最初是造船厂)的管理层提出了一个发展质谱仪的申请,当时他正在该公司从事电医学仪器的工作。这个想法是由他与友人、哥廷根大学物理学教授Wilhelm Walcher的讨论而产生的,自1937年以来,后者在德国开创了同位素分离技术和扇形磁场质谱。然而,管理层拒绝了Jenckel的申请;这样一个显然异乎寻常的项目会偏离公司的主要业务领域。Jenckel并没有放弃,他是一个坚定的人。在管理层的许可下,他每天半天请假,冒着风险追求自己的想法。他租了医院的一个地下室,与一名同事一起尝试建造质谱仪。磁铁和其他部件由Walcher提供(后者在五十年代是作者的尊敬导师)。

在德国建造商业用途的质谱仪的想法需要极度乐观,因为当时在英国(Metropolitan Vickers Electrical Company Ltd.,Metro Vick)和美国(Consolidated Engineering Corporation,CEC)已经开始生产商业质谱仪。这些仪器的技术是基于汤姆森、阿斯顿、班布里奇、登普斯特、尼尔等人的开拓性工作;他们都曾在英国或美国的研究机构工作过。德国的相应技术落后于这些国家。尽管如此,Jenckel仍然坚持下去。经过约一年的艰苦工作,一个原型仪器完成了。他再次联系了Atlas的管理层,最终说服他们成立了一个小部门,Atlas MAT(测量与分析技术),用于建造(并希望销售)质谱仪。该原型仪器是安装在木质框架上的60°扇区仪(图2),相当简陋。镍镉电池作为磁铁的电源,这些磁铁是从一台旧回波测深仪上取下的。通过在电池的极之间放置分流器来引发在有限质量范围内的磁扫描,这会导致电压缓慢降低。经过各种修改,这台原型机被卖给了化学公司拜尔股份公司。

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就性能和可靠性而言,该原型机无法与英国和美国制造的商业仪器相竞争。然而,这些仪器需要非常细心和熟练的操作才能保持运行。美国的一位早期用户对质谱仪做了现在经典的描述:“差一点就能工作的机器”。另一位著名的先驱,为CEC工作的人则叹道:“一定有更容易谋生的方式”。Atlas也有类似的想法。新成立的MAT部门亏损严重。由于战后的法规不允许公司继续发展船舶产品线,而裁员频繁发生,Atlas-Werke整体处于危机之中。尽管环境极为不利,MAT设法维持了两名研发人员,到了1950年,改进型原型仪器问世,即CH3(图3)。销售量相当低,这个部门一直濒临解散边缘。1952年,该仪器首次在法兰克福的ACHEMA展会上展出,吸引了一些人的兴趣。一位参观者,与仪器上的MAT工程师并不熟悉,注意到了许多真空连接,并问道:“如果发生泄漏,你们怎么处理?”

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工程师笑着回答说:“我们做得像保罗博士一样,一只手堵住泄漏,另一只手进行测量。”参观者笑着说:“我能介绍一下自己吗?我是保罗博士。”后来,保罗(是Jenckel的朋友)发明了四极质谱仪和离子阱,于1989年获得了诺贝尔奖。

到1954年,销售额达到了每年约10万美元,还不足以维持部门中工作的20人的生计。因此,不得不做出一个决定:要么放弃,要么孤注一掷。Jenckel在不来梅发起了一次“质谱会议”,以吸引科学界和化学工业的关注。在会议期间,Jenckel对不来梅的质谱仪的未来提出了乐观的展望。晚上,在不来梅最著名和豪华的地点之一(其名字“金色大厅”绝对不符合Atlas MAT的财务状况)举办了一个非常豪华的自助餐。作者参加了这次会议,对此印象深刻,决定加入MAT:一个能够组织如此卓越活动的公司,显然必须有足够的资金来支持有趣的项目。尽管这种推理被证明是错误的,作者在那里工作了35年。

当时,质谱仪的主要应用是对烃混合物进行定量分析。这种应用需要裂解模式的良好长期稳定性,以及进样系统中的样品压力与记录的离子电流之间的精确比例关系。由Consolidated Engineering Corporation的CEC 21-103在很大程度上满足了这些要求,并建立了一种标准,Atlas CH3无法完全应对。CH3的主要缺点之一是,样品压力(离子电流)越高,离子源中的空间电荷效应就越会影响离子聚焦。此外,出于各种原因,分辨率(最大300)偶尔会下降。一次在潜在客户访问期间发生了这种情况。为了挽救尴尬的局面,有人想出了一个“好主意”:为仪器的离子源 - 分析器 - 放大器直接连接一个电压源,绕过它们。因此,一名技术员站在仪器后面。他跪在地上看着仪表,然后根据表格上的数据,调整变压器电压分压器,生成了一个可接受的汞光谱。

 通常情况下,汞扩散泵会产生所需的丰富背景以展示分辨率。当仪器从生产中送来时,偶尔会在质量范围64到70 u(锌)出现不必要的背景,这表明有人错误地使用了错误的焊料,或将某些分析仪的部件制成了黄铜,而不是不锈钢。要找出并更换这些部件通常是一项耗时的任务。在接下来的几年里,必须解决各种技术和组织问题。建立一个声誉良好的公司是激励该部门中工作的28人的目标。他们经历了许多挫折,开始取得一些利润。 1956年,该部门搬进了韦泽尔河的另一边的新建筑。由于与母公司Atlas现在在空间上分开,MAT部门必须证明它能够独立存在。

3. 起飞(1958-1967)

   尽管销售额增长缓慢,MAT仍然处于CEC和MetroVick的阴影之下。这些公司的质谱仪在技术上仍然优越。唯一的出路是设计一种新一代仪器。经过两年的开发,CH4扇区仪器问世(1958年),并在公司历史上标志着一个里程碑。先进的CH4仪器(图4)得到了良好的接受(到1967年已安装了400多台)。最初交付的仪器的应用包括:咖啡香气的顶空分析,香烟烟雾中致癌化合物的检测,香水混合物的分析等。CH4的成功使MAT得以扩张(查姆福特在《Maximes et Pensées》1803年写道:“成功孕育成功,正如金钱孕育金钱”)。直到六十年代中期,有机质谱的先前主要应用,即定量混合物分析,已被有机化合物的定性分析所取代。在此之前半个世纪,质谱的创始人J·J·汤姆逊已经预测:“我确信有很多化学问题通过质谱仪比通过任何其他方法都更容易解决”(1913年10月4日,剑桥)。他之后的许多质谱学家都不太确定。相当多的人宣称质谱法不太适合定性分析,特别是结构分析,因为电子轰击源中经常会引起待分析化合物的结构变化。直到实际应用揭示出了这个事实(离子源就像一个试管),在许多情况下这个事实可以有利地利用(约翰·济慈:“直到经历了,一切才变得真实”)。

对于“非挥发”样品的定性分析(在当时是一个神奇的词),MAT开发了一种系统,通过该系统可以将这些样品直接蒸发到源的电子束中进行电离。由于整个离子体积和样品都可以在不破坏真空的情况下交换,因此消除了记忆效应。这个系统相当复杂,类似一个小研钵(图5)。一位顶尖的质谱学家试图说服作者,这不是正确的方法。固体样品应该被化学转化为挥发性化合物,然后可以通过加热的全玻璃进样系统非常容易地引入到源中(温斯顿·丘吉尔:“和先知争论是没有用的;你只能不相信他”)。更优雅和简化的直接进样系统后来成为几乎所有有机质谱仪的标准。

全玻璃进样系统对MAT来说是一场噩梦。它们经常在安装前就损坏。在早期,Jenckel自己做了所有的吹玻璃工作。后来,MAT用搪瓷内衬的不锈钢取代了玻璃。然而,搪瓷经常会在几周后裂开。经过一年多的时间,这项新技术才变得可靠,MAT能够提供市场上唯一的350°C进样系统,可以随意踢来踢去而不会破裂。

六十年代初另一个新技术是气相色谱质谱联用(GC/MS),这项技术在美国首创。德国的大多数化学家都在观望。Jenckel从一个化学公司到另一个化学公司旅行,试图引起对这一显然有前途的新技术的兴趣,但反应却相当糟糕。在六十年代初在法兰克福举行的ACHEMA展览会上展示的一台与GC耦合的CH4仪器被视为一种稀奇事。该仪器配备了一种新型的“双离子源”,即两个离子源背靠背安装并并行操作,其中一个的电子能量低于20 eV(消除了过多的He+离子电流),用于连续记录GC示踪。这样做是为了避免任何混合物在质谱仪和GC的火焰离子化探测器(FID)之间分流(这会导致同步问题并且还会降低质谱仪的灵敏度)。

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ASTM于1963年在旧金山举行的会议改变了形势。在会议大厅对面的酒吧里,MAT安装了一台与毛细管柱连接的CH4仪器(未经主办方许可)。会议开幕前一天晚上,项目主席出现并愤怒地要求移走仪器(显然在1963年展示仪器违反了规定)。詹克尔仍然固执,GC/MS系统吸引了整个会议的许多参与者。在会议上,MAT与位于美国加利福尼亚州蒙罗维亚的应用物理公司(Cary)建立了相互营销/销售协议。

该集团现在已经相当稳定。它已成为Atlas的独立子公司,詹克尔担任总经理。他在1962年至1974年担任该职位。CH4仪器继续为其他质谱仪的发展提供坚实的平台。然而,危险仍潜伏在平台边缘等待着他们。在六十年代,公司推出了一种泄漏探测器。该仪器的性能远远超出了满意。它在几年的时间里生产出来。但从长远来看,真空公司接管了市场。他们更容易接触到相关应用领域的用户,并且在大规模生产方面装备更好。

残余气体分析仪也遭遇了与泄漏探测器相同的命运:MAT开发了“世界上最小的扇区仪器”,带有磁性扫描的MAT 31。磁铁非常紧凑,可以放入大衣口袋中。为那些需要出色的灵敏度和长期稳定性的真空技术应用交付了数量相对较少的仪器。对于普通的残余气体分析,真空公司提供的面向大众市场的更小、更便宜的四极系统更为适用。公司有时倾向于坚持他们习惯于的某种技术。德国提供了一种在背面集成电子计算器的装置。当然,没有人需要这样的设备。与“世界上最小的扇区仪器”一起,MAT还开发了“世界上最便宜的扇区仪器”(包括电磁设备在内的完整分析仪的成本约为1000美元)。Varian有意将其用于学校的教学目的,但该项目并未进入生产阶段。自六十年代初开始,高分辨率技术引起了有机质谱学家的兴趣。

尽管物理学家从早期就建造了用于准确确定原子质量的高分辨质谱仪,但直到五十年代末才将其应用于有机化学问题。基于Beynon的开创性工作,AEI有限公司(原MetroVick)于1955年推出了一台原型双聚焦仪器,使用户能够通过准确的质量测量确定分子的原子组成。主要来自英国和美国的一系列出版物展示了这一新技术的强大威力。MAT没有可比的仪器提供。他们匆忙在CH4仪器前面放置了一个电场(环形电容器),使其成为双聚焦仪器。但这个系统没有起作用。赶上的另一种尝试是应用Ewald在德国制定的先进离子光学理念。从理论上讲,Ewald计算出的双聚焦系统是领先的:在两个方向上的离子聚焦(环形电容器的电场),增强的质量色散(不均匀磁场)。

MAT试图尝试由Ewald的团队建造的这样一个系统,但并未成功。事后,为什么无法实现适当的运作变得很清楚。从理论上讲,磁场和电场的(大)图像误差应该互相抵消。然而,实际场与计算场的最轻微偏差就会导致图像误差增加,从而破坏离子聚焦。为什么不“大胆设想”并建造一个大锤来对抗竞争对手(奥维德:“最好的防御难道不是良好的进攻吗”)?MAT设计并建造了一台大型双聚焦机器(半径70厘米),旨在胜过其他高分辨仪器。初步结果很有希望。然而,公司认为财务风险太高,项目被终止:MAT错过了一个机会。这些零件被出售给了斯旺西的Beynon团队,后来用于离子激光辐照的研究工作(该团队称之为“大香蕉”)。CH4平台的中心似乎更安全。1931年,Mattauch和Herzog已经发表了使用双聚焦系统(照相板记录)获得的出色结果。此外,在六十年代初,Biemann证明了这种高分辨系统(CEC 21-110)在用于定性分析时的优越性。因此,MAT决定设计一种基于经过验证的Mattauch-Herzog离子光学的仪器,詹克尔在慕尼黑建立了一个独立的研发小组(不受布雷门日常活动的干扰),并于1966年推出了新仪器。

(见图6的SMl)。有两个版本可供选择:一个用于有机分析,另一个用于火花源工作(SMlF)。现在MAT可以被视为高分辨领域的重要参与者。在一些分析技术中,MAT甚至能够占据领先地位,例如场电离/解吸和高分辨应用。SM1后来进行了重新设计,并以MAT 731(照相板记录,见图7)和MAT 711(磁扫描)的形式提供,直到1977年。

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如今,复杂且耗时的照相板记录技术似乎令人惊讶,因为除了需要购买相当昂贵的照相板读取器外,它还能与更加优雅的扫描技术竞争。然而,将导致卓越灵敏度和质量准确性的离子电流集成在一起以及照相板记录的高可靠性弥补了其缺点。请记住,那时与照相板技术相比,扫描技术无法提供整个光谱的确切质量。仍然是选择的方法是耗时的“峰匹配”。直到后来AEI能够证明,即使在快速高分辨扫描期间达到收集器的每个峰的离子非常少的情况下,也可以确定其精确质量。有一天晚上,实验室中有人把照相板放在桌子上。第二天早上,清洁工对工程师说:“抱歉,我没能把那边的玻璃尺上的污垢擦掉”。直到20年后,主要的质谱公司开始提供“电子照相板”,这些缺点才得以消除。1965年,MAT的销售额达到了400万美元,公司有400名员工。CH4磁场质谱仪器仍然是业务的支柱,但它现在已经七岁了。其他公司的仪器已经展示了采用水平安装的开放式设计的优势。因此,为了不错过机会,公司启动了一个项目来替代成功的CH4。经过两年的努力,一个全新的仪器问世,单聚焦扇形磁场仪器CH5(图8)。

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CH5仪器背后的有些冒险,使其比当时市场所需的更加强大(因此更昂贵)。全晶体管电路(尚不普遍)更稳定,机械精度也更高(伏尔泰:“多余之物是一件非常必要的事情”)。因此,令人印象深刻的性能数据得以实现:例如,分辨率可以推到10000。尽管只有少数人利用了(“低分辨率”)单聚焦扇区仪器的这种性能,尽管它价格昂贵,但市场接受了它,并且在1975年之前没有进行重大更改。

    这种理念并不是基于深入的市场研究,也不是基于利润预测。预期的研发成本并未详细估计。在那个时候,MAT主要受到技术驱动,换句话说,是受到物理学家、化学家和工程师的热情推动,他们希望探索他们能力的极限(伟大的数学家亨利·庞加莱:“科学家研究自然不是因为它有用,而是因为他对其感到愉悦,是因为它是美丽的”)。在许多情况下,这是行之有效的,但在某些情况下,它会导致失败。在六十年代末,MAT建造了一台联合的电子/离子显微探针(通过用聚焦粒子束对表面进行栅格分析无机固体材料)。该仪器基于利布尔的先进设计,利布尔是德国领先的离子光学研究人员之一。然而,涉及的技术问题被大大低估,该项目被放弃。所有努力的结果是一篇出版物和一些经验,这些并不能弥补巨大亏损。另一个活动从技术角度来看“有趣”,但从财务角度来看并非如此:根据要求为CH4/CH5仪器开发特殊的外围设备(例如用于高温研究的Knudsen电池,用于表观能量测量的Fox型离子源,用于细菌质谱表征的闪热裂解系统)。

4. 瓦里安MAT(1967-1981年)

中期六十年代,质谱技术迅速发展,其他分析仪器公司也对进入这个快速增长的市场表示出了兴趣。其中一些公司与MAT进行了收购谈判。加州帕洛阿尔托的瓦里安联合公司(Varian Associates)作为世界知名的核磁共振设备、气相色谱仪和计算机生产商,在1967年赢得了这场收购竞争(一年前,克虏伯集团收购了包括MAT在内的阿特拉斯公司)。 在瓦里安的全球营销活动的支持下,MAT成为了质谱仪的主要生产商之一。收购之后不久,瓦里安和MAT之间开始了富有成果的技术交流。然而,一个令人不安的问题已经出现。在MAT开发CH5仪器的同时,瓦里安也在研发一种用于化学分析的新型质谱仪。该仪器(M 66)的离子光学系统基于旋线离子运动规律(交叉电场和磁场)。这两种仪器都面向同一市场,并且在大致相同的时间内推出。换句话说,它们彼此竞争。显然只有一种仪器会留存下来。M 66的旋线系统提供了完美的双聚焦离子光学(理论上没有像差),而且该仪器的工程设计非常高标准,外观现代化。实践战胜了理论:旋线原理要求将离子源和收集器放置在磁场内部,这导致这些部件的更换变得困难。此外,使用先进的进样系统(例如直接探测器)和其他探测器(次级电子倍增器取代法拉第收集器)也引起了技术问题。由于这些缺点,该仪器的交付数量相对较少。值得注意的是,公司之间的竞争并没有引起任何挫败感。两个研发团队持开放态度,互相欣赏彼此的工作。市场决定了CH5的胜出,为接下来的十八年创造了MAT仪器家族。 有时候,工业产品具有比竞争产品更好的理论优势,但由于技术问题而未能胜出。六十年代,费利克斯·万克尔发明了发动机。它没有曲轴和活塞,只有几个旋转部件,非常轻巧。全世界的汽车制造商都被吸引了,开始研发这种发动机。万克尔发动机被视为未来的汽车发动机。然而,实际问题(转子密封的可靠性,高油耗)无法解决。因此,古老但可靠的奥托和柴油发动机至今仍未被取代。 在被瓦里安收购后,销售额持续攀升,在1971年达到1000万美元,此时有超过600名员工。尽管事实如此,MAT在不断增长的高分辨率市场上仍未完全具备竞争力。尽管MAT的Mattauch-Herzog仪器711和731的性能良好(特别是在可靠性方面),但其生产成本及因此定价太高。市场仍然由AEI的精心设计的MS 9仪器主导。几年前,MAT曾尝试通过在磁铁前放置电场来使CH4双聚焦。为什么不用相同的方法尝试新的主力机型CH5,但现在将电场放在磁铁后面?根据离子光学的基本定律(与光学相似),当系统以相反方式运行时,聚焦性能得以保持。尽管此BE配置以前已经由Beynon尝试过,但尚未商业化。当首个MAT系统(称为CH5-DF)进行测试时,其行为与理论一致。此外,这种配置具有固有优势:它可以以串联模式(MS/MS)使用,并使所谓的质谱分析离子动能(MIKE)测量成为可能。对于这种技术的先驱之一赞赏MAT的远见是对MAT的一种褒奖。实际上,触发这个项目的并不是远见,而是时间不足和资源短缺。采取了最简单的方法:附加电场不需要对基本的CH5及其前端外围设备进行任何更改。CH5-DF后来发展成更加集成的双聚焦仪器MAT 311(请参见图9)。为了满足混合技术(MS/MS分析)日益增长的需求,该仪器的BE-QQ版本(HSQ 30)也可供选择。

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    除了这些高分辨率双聚焦仪器外,MAT CH5还有其他衍生产品:CH7(简化版)和CH6(“出口版”)。后者的存在归功于一项关于出口到“东方集团”国家的国际规定。磁铁的半径不得超过12.5厘米(CEC 21-103的半径)。显然,涉及的律师对离子光学知识了解有限。他们并不知道即使半径相对较小,通过离子束斜入磁场等方式仍然可以实现足够的色散和分辨率,就像MAT之前曾尝试过的那样(MAT 31)。现在,这种系统在CH6上得到了更大范围的实现。该仪器是标准的CH5,唯一的修改是21厘米磁铁被一个具有斜置磁场边界的12.4厘米磁铁所取代,从而使色散加倍。此外,它导致了离子束的双向聚焦。缺点(无法欺骗大自然):相对较小的半径使质量范围减少了一半。 后来证明,双向聚焦(增强灵敏度)和增加的色散是非常有利的特点,尤其是在用于同位素分析的仪器中实现(仅需要低质量范围)。这种方法今天被所有制造商普遍应用。 在瓦里安时期,除了有机化学之外,还推出了其他应用仪器,例如用于气体分析的小型(180°永磁铁)扇区仪(GD 150)。该仪器是其他小型质谱仪的基础:用于肺功能诊断的M3和用于在线高炉控制的P2。

除了这些高分辨率双聚焦仪器外,MAT CH5还有其他衍生产品:CH7(简化版)和CH6(“出口版”)。后者的存在归功于一项关于出口到“东方集团”国家的国际规定。磁铁的半径不得超过12.5厘米(CEC 21-103的半径)。显然,涉及的律师对离子光学知识了解有限。他们并不知道即使半径相对较小,通过离子束斜入磁场等方式仍然可以实现足够的色散和分辨率,就像MAT之前曾尝试过的那样(MAT 31)。现在,这种系统在CH6上得到了更大范围的实现。该仪器是标准的CH5,唯一的修改是21厘米磁铁被一个具有斜置磁场边界的12.4厘米磁铁所取代,从而使色散加倍。此外,它导致了离子束的双向聚焦。缺点(无法欺骗大自然):相对较小的半径使质量范围减少了一半。后来证明,双向聚焦(增强灵敏度)和增加的色散是非常有利的特点,尤其是在用于同位素分析的仪器中实现(仅需要低质量范围)。这种方法今天被所有制造商普遍应用。

在瓦里安时期,除了有机化学之外,还推出了其他应用仪器,例如用于气体分析的小型(180°永磁铁)扇区仪(GD 150)。该仪器是其他小型质谱仪的基础:用于肺功能诊断的M3和用于在线高炉控制的P2。

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4.数据处理

在六十年代中期,人们意识到手动评估大量质谱数据的耗时方式已不再合适,这些数据通常记录在条形图上。在此之前,人们通过“计数”和用尺测量峰高来确定峰的质量(作者的秘书在几周这种枯燥的工作后离开了公司,感到绝望)。为了让生活更舒适,MAT开发了一个“数字化仪”,它可以对质谱进行采样,并将峰高和质量数以编码形式打印在金属化纸带上。这种“模拟”用户无法阅读这样的纸带,因此这个设备失败了。MAT在自动分配峰的质量方面更为成功,这项工作也成为了一个创新单元。

虽然调整这种“质量标记器”复杂电阻链最初需要数小时,但它成为了一种有用的工具,并在接下来的许多年中得到了使用。直到首批“紧凑型”计算机出现后,真正进入数字世界才开始。Biemann、Burlingame等人应用这一新技术的出版物在全球各地的实验室引发了活动。MAT在1967年开始了其活动,使用了一台体积和一个冰箱一样大、售价超过10万美元的16位Honeywell计算机。需要各种编程技巧才能将适当的(汇编)程序压缩到4k内存中。后来,著名的Varian计算机620 i开始使用。通过这样的4k系统,到1970年可以在线记录低分辨率光谱,无需在磁带上进行中间存储(MAT Datanorm和Datamass)。额外的4k内存使得可以在线评估高分辨率扫描(每十年10秒)。

到1973年,约有100套数据系统已经安装。独立系统(SS100/200/300)一直到1986年都是质谱仪的一个整合部分。在那些开创性的日子里,专家们之间进行了热烈的讨论,关于是应该偏爱小型专用计算机系统还是功能强大的中央系统(为整个分析实验室提供服务)。廉价计算机的可用性结束了这场争论,在七十年代为当今完全计算机控制的质谱仪铺平了道路。这种类型的第一个系统来自不莱梅,是用于GC/MS分析的四极仪MAT 44。

5. 四极杆(1962-1981)

MAT在1962年推出了商业四极体分析仪AMP 3(图12),后来推出了AMP 4。该系统具有开放式离子源,主要设计用于残余气体分析,而不是用于有机化学应用。除了约为10-13毫巴的优异检测限外,总体性能无法与磁质谱仪器相竞争。因此,MAT低估了四极杆质谱的分析潜力,并没有启动长期计划。是1967年由罗伯特·菲尼根与同事共同创立的菲尼根公司成功开发了四极体技术。R.菲尼根后来说:“我们认为它固有的优点,如简单性、低成本、紧凑性、能够在相对高的离子源压力下工作以及最重要的是易于计算机化,将使其成为GC/MS应用的合乎逻辑的选择。”

菲尼根的成功促使MAT重新启动其四级杆质谱。为了取代MAT 111磁质谱,于1977年推出了一款引人注目的GC/MS四极杆仪器MAT 44。它是市场上第一台完全计算机控制的分析质谱仪,还赢得了奖项。然而,市场似乎还没有准备好接受这样的系统(莎士比亚:“太快的行动和太慢的行动一样令人迟钝”)。用户习惯了旋钮,不信任只能通过键盘操作的仪器。他们并没有完全错。键盘控制的可靠性并不总是足够。部分原因是因为在那个时代,已经证明的可供内置仪器的计算机板尚未上市。它们刚刚在MAT 44推出的时候面世,为时已晚。

MAT 44分析仪的性能,特别是分辨率方面,相当令人印象深刻。例如:在约1200道尔顿的质量处可以实现最大分辨率为12000(50%峰宽)。原因是使用了双曲四极棒,而不是通常使用的圆形四极棒。公司中只有两个人(父亲和儿子)能够操作安装在机械公差为0.001毫米的超高精度研磨机,用于制造这些棒。研磨机已安装在一个严格禁止好奇访客进入的独立房间里。

6. 菲尼根MAT(1981年-现在)

意识到MAT 44的缺点后,该公司开发了一个全新的计算机控制系统,同时保留了分析仪的双曲棒。其目的是在由菲尼根主导的GC/MS市场上占据相当大的份额。该系统的准备工作(内部名称为C7)比MAT历史上任何时候都更加广泛:已建立并测试了七套用于演示和展示的系统。目的(图13)。然而,在1981年春季,就在宣布这款新的GC/MS系统之前,瓦里安将MAT出售给了菲尼根。菲尼根和MAT四极杆的硬件和软件结构不兼容,C7的推出被取消了。七台已经完成的仪器被报废。然而,C7分析仪的核心存活了下来。直到90年代,非尼根的顶级四极体仪器都配备了不莱梅的双曲棒系统。

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菲尼根和MAT合并后不久,菲尼根在圣何塞与不莱梅之间建立了富有成果的技术合作关系。两个组织的研发人员定期会面,其中一些人在两岸工作了几个星期或几个月。不莱梅特别利用了圣何塞的广泛软件专业知识。双方建立了联合的“战略会议”,并在两个组织之间紧密协调下组织了年度研究会议。现代管理技术被不莱梅组织采纳,例如通过没有等级结构的团队执行研发项目。MAT的员工也了解了美国语言的一些微妙之处。例如:单词“问题”必须被替换为“挑战”

在80年代,各种新的质谱技术(如快速原子轰击、液相色谱/质谱联用、QQ附件的质谱/质谱、离子储存、电喷雾、大气压电离等)开始传播,主要的质谱公司忙于为其仪器开发所需的选项。一个主要的仪器问题(由生物化学应用提出)是:如何通过增加磁场半径来扩展质量范围,同时保持仪器的整体紧凑尺寸?曼彻斯特的VG公司成为了MAT的主要竞争对手,他们通过将离子束斜入磁场(入射角与同位素机器相比方向相反)解决了这个问题。MAT尝试了另一种解决方案,即采用非均匀磁场(歌德:“不能做得更好的人,至少做得不同”)。然而,所需的极高精度无法加工。只有一台仪器(MAT 8500)被交付。曼彻斯特的Kratos公司(原AEI公司)经过长时间的艰苦开发工作,最终能够生产轮廓分段极面,这些极面随后被用于成功的MS9仪器:这是一项令人钦佩的离子光学和技术成就。

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高质量市场仍在不断扩大。因此,MAT着手进行“飞跃”:开发未来十年的新一代扇区仪器。为此项目组建了一个相对庞大的研发团队。由于大多数团队成员在前两年一直忙于开发上述C 7四极杆仪器,因此此项目早些时候无法启动。当第一批设计研究报告提交给菲尼根管理层时,反应是:“非常好,但把价格降低一半!”(歌德:“这是不可能的,因此它值得相信”)。因此,工作重新开始。与领先大学专家合作进行了非常详细的离子光学研究。以“忘掉你到目前为止所做的一切,让一切都变新变好,最重要的是更容易制造”为口号组织了会议。提出的建议之一是将所有电子设备放在一个单独的电路板上,该电路板应放置在仪器顶部的一种“屋顶”上,连接的电缆简单地“垂直悬挂”在源、管、磁铁和收集器上(以避免昂贵的电缆形式)。后来,屋顶演变成了分析仪后面的平坦背板,这使得可以自由访问所有电子子单元。这个名为MAT 90的新系统于1986年在匹兹堡会议上展示。这是世界上第一台商业双聚焦质谱仪,完全由计算机控制。

几年后推出了这种仪器的一个扩展版本,代表了MAT的顶级扇形磁场仪器(MAT 900)。它可以配备一种新型的“电子光板”,即使在扫描模式下也可以提供光谱积分。MAT 90后来发展成MAT 95 S,目前仍在生产中。与旧型号相比,这些新仪器的GC/MS痕量分析检测限约为10-15克。在1996年亚特兰大奥运会上,三套MAT 95 S系统被用于兴奋剂检测。这种分析需要出色的检测灵敏度。在过去的十年中,将磁分析仪与四极体或离子阱分析仪组合在一起作为第二阶段证明是先进MS/MS分析(组合化学)的有力工具。基于MAT 95 S和900 S仪器实现了这种混合系统,MA最近完成了这一项目。

7. 同位素分析

自然界在地球上经营着一个巨大的同位素实验室:所有化学(或核)反应都会使同位素比率发生一定程度的变化。因此,在许多情况下,可以通过同位素测量来重建反应路径。同位素质谱法可以回答的问题涉及各个学科。例如:阿尔卑斯山的年龄是多少?(铷锶方法)。一万年前的气候如何?(18O/16O)。最后一次冰消期间加勒比海的海平面上升了多少?(铀钍方法)。地球上人为甲烷的百分比是多少?(13C/12C)。这蜂蜜是不是掺假了?(13C/12C)。意大利都灵神圣的耶稣裹尸布有多大年龄?(14C/12C,加速器质谱)。这个爆炸品是从哪里来的?(13C/15N)等等。除了自然发生的同位素比率变化外,人为的改变也引发了同位素质谱法在过去几十年中的巨大增长(例如核燃料循环的控制、同位素稀释法的超微量分析、生物学和医学中的示踪工作)。

由于同位素比率的变化通常非常微小,同位素仪器的使用者必须从机器中获得最大的精确度和准确性。在相当长的一段时间里,同位素专家更喜欢自制仪器,因为人们普遍认为商业机器无法达到他们要求的标准。在MAT的历史上,同位素活动起到了重要作用,但受到了不同所有者(Atlas、Krupp、Varian、Finnigan)优先考虑的影响较小。MAT在50年代初开始进行同位素活动,即在阿斯顿证实事实上,各种不同的元素确实由具有不同质量的原子组成,大约40年后,MAT早期的同位素仪器基于改装的标准仪器(CH3、CH4)。第一台专门用于同位素工作的仪器于1962年推出(图14)。由于其价格为86千德国马克,它被市场经理命名为M86。那时,市场经理不仅负责市场营销(和命名),还负责各种其他活动,从家政管理、零部件采购到运输等等。在那个开拓时代,他的一项更令人不快的任务是在仪器不能按时交付时安抚客户(这在开拓时代并不少见)。为了完成这项任务,有一天他的秘书送给他一份特别的礼物:一个可以放在桌子上的可旋转鼓和曲柄。上面写着他所有的借口,从:运输卡车突发故障、测试工程师生病、缺少库存零件、材料有缺陷等等。

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8.6万德国马克被认为有点贵。因此,对于对C、O、N和H(如CO2、N2和H2)的测量需要低成本仪器,导致将小型GD 150转变为气体同位素仪器,该仪器一直生产到1975年。在此期间,首台科学应用桌面计算机推出,即惠普9815(1.8 k内存)。立即将这个惊人的盒子连接到GD 150上,MAT自豪地宣布市场上第一台“计算机控制”的商业质谱仪(HP计算机控制进样阀和在线数据处理)。

六十年代末,MAT被要求是否可以生产一种用于气态六氟化铀同位素分析的特殊质谱仪。UF6是令人讨厌的东西。由于会形成绝缘层,正常的电子轰击离子源在引入该气体后不久被堵塞,仪器就会损坏(莎士比亚:“当头颅没了,身体算什么?”)。这些层也会导致过度记忆效应。MAT为样品引入开发了一种独特的分子束系统(其喷嘴由100个超薄波纹金属片制成)。通过这个装置,腐蚀性的UF6不再能与(开放式)离子源接触。该技术导致了出色的结果,并且直到今天仍在MAT 281中使用。

尽管MAT在这个和其他同位素质谱仪方面相当成功,但在七十年代初期,VG是这个应用领域的市场领导者。VG已经为同位素工作开发了一些特殊的仪器。另一个成功的竞争对手是Nuclide,一家专门从事同位素仪器的美国小公司。与这些公司不同,MAT是从它们的有机产品线中派生出同位素仪器的(例如CH5-TH/TH5和CH 5的成功UF5/511)。为了在同位素市场中获得更大的份额,Varian MAT在1975年启动了一项长期计划。开发并于1978年推出了完全新一代气体和固体同位素仪器(气体用MAT 250和固体用MAT 260)。两台仪器均围绕同一强大的质谱仪设计,具有非常高的透射率和增强色散(斜置磁场边界)。此外,使用这些仪器进行的测量完全由计算机控制。然而,许多固体源专家对计算机控制持怀疑态度,因为固体源工作被认为是一种艺术,显然计算机无法模仿。一些专家还建议刚刚起步的MAT复制经过验证的设计,而不是提出不同的设计,尽管有好的结果,客户也不愿接受MAT的不同方法。怀疑的另一个来源是:气体仪器MAT 250(图15)被认为“太大了”,但MAT增大了尺寸以达到测量同位素比率的终极精度和准确度。MAT 250确立了一个新标准,全球领先实验室的订单数量显著增加。

尽管其相对较大的尺寸,但仪器的产品成本可以保持适中,因为MAT 250和260的分析仪基本相同,因此可以大规模生产。由于其卓越的测量精度,MAT 250导致了MAT 251 HDT(用于氢/氘/氚测量)和MAT 271(用于精确气体混合物分析)的推出(附图16-17)。如众所周知,技术产品的后期命运在很大程度上取决于所实现的基本设计原则。在有利的情况下,当这些原则恰好符合未来需求时,产品可能会有“永恒”的生命(例如大众甲壳虫)。250/60设计原则属于这种类型,并且在今天的MAT 252(图18)和MAT 262中仍然存在。最近,作为MAT 262的附件,一种新型的减速电位四极棒(RPQ)问世。这种特殊的收集系统提高了丰度灵敏度,可达10-8,这对于铀钍失衡的应用而言是必需的,其中同位素比率<10-5必须被确定。MAT 260/262固体源仪器的一个后续产品于1986年推出,即专门用于热电子同位素稀释分析的紧凑型THQ(附图19)。

由于大多数同位素比率应用需要质谱测量前的特定样品制备,因此许多不同的制备设备已经在研究实验室中开发。同位素应用的扩展导致了方法的标准化以及更多的自动化。因此,从1980年左右开始,越来越多的用户要求集成系统来处理天然材料(例如H2O、CaCO3、有机物)。因此,MAT一直开发各种自动化制备系统直到今天。为了取代低成本的GD 150(以及其后继产品MAT 230),研发小组内的一些专人开始了一个“史密斯工程”项目,这是一项未经管理层批准的项目,经过一年的努力,一个紧凑的气体同位素仪器原型完成了,然后转变为DELTA产品(1983年)。它的继任者DELTAplus是MAT同位素线的主要产品之一。

8. 最近的发展

在90年代,MAT寻求扩大其质谱产品线。新的MALDI技术(基质辅助激光解析和电离)在生物化学应用中开辟了新的前景,这是首次允许对极高分子量化合物进行分析(高达100万道尔顿)。这意味着经过大约100年的发展,地球上大多数化学化合物现在都可以用质谱技术获得(见图16)。MAT与这项技术的先驱者(位于布雷梅附近的Hillenkamp小组)密切合作,于1991年推出了一款用于生物化学研究的飞行时间仪器(VISION 2000,现在由英国Thermo Bioanalysis生产)。MAT感兴趣的另一项技术是ICP-MS(电感耦合等离子体)和GD-MS(辉光放电)的元素微量分析。八十年代发表的所有最初的ICP工作都是使用四极质谱仪(低分辨率)进行的。与许多有机应用一样,相同质量离子的干扰通常限制了检测灵敏度。明显的解决办法是高分辨率。然而,将ICP火炬与双聚焦磁性分析器的离子源聚焦系统(通常在高电位下操作)耦合并不是一件容易的事。MAT通过保持源区接地并使整个分析器浮动在高电位来解决这个问题。相应的质谱仪(ELEMENT)于1993年问世。该仪器的典型应用是超微量分析,可达到1016中的一部分。最近推出了多种选项(辉光放电源、激光剥离系统),扩大了该仪器的应用范围。

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    今年Finnigan MAT庆祝成立50周年(Finnigan Corporation现在是ThermoQuest Corporation的一部分,ThermoQuest Corporation是Thermo Instruments Systems Inc.的子公司,ThermoElectron的一部分,ThermoElectron于1990年收购了Finnigan)。它是少数几家多年来一直处于最前沿的质谱公司之一。MAT仪器已经安装在全球大约60个国家。回顾MAT充满事件的历史,这句话再次出现(这次带着一个问号):“难道没有更轻松的赚钱方式吗?”。是的,当然有!但并不多的活动提供了与化学、生物学、医学、物理学、物理化学、考古学、地球科学甚至宇宙学等几乎整个自然科学领域密切接触的机会。从事这个领域的工作是有回报的。

致谢: 作者对已故的Erika Jenckel(于1997年2月9日去世)和Wilhelm Watcher表示感谢,感谢他们的意见。感谢他的前同事Karleugen Habfast、Stefan Meier、Ernst Schroder和Karl-Heinz Katenkamp进行讨论,以及Chuck Douthitt对文本的知识性修订。

Zu den drei Birken 24, D-27721, Ritterhude, Germany

RAPID COMMUNICATIONS IN MASS SPECTROMETRY, VOL 11, 694-707 (1997)

文章收到日期:1997年2月1日;接受日期:1997年2月4日(Rapid. Commun. Mass Spectrom.) 11, 694-707 (1997)


参考文献:

REFERENCES 1. Olbers assumed a steady-state universe of infinite size. An observer on Earth would then in fact see a firmament covered with stars, i.e. it would appear luminous to him. This is not the case, because the (expanding) universe is not infinite and stars have a limited lifetime. 2. S. Meyerson, ASMS Conference 1984, Retrospective lectures, p. 64. 3. T. Peters, Thriving on Chaos: Handbook for a Management Revolution, Harper & Row, New York (1988). 4. R. Finnigan, ASMS Conference 1984, Retrospective Lectures. p. 117.

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图 17.  MAT 271气体成分质谱

(图片来源:中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心网站)

网址:http://www.lig.cas.cn/huaxuefenxi/sypt/202209/t20220917_6514079.html

图18. Mat 262 热电离质谱 (图片来源:美国匹斯堡大学地质系网站)

http://www.geology.pitt.edu/facility/isotope-ratio-mass-spectrometers








https://m.sciencenet.cn/blog-3549522-1406520.html

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