微譜科技WESPEC——聚焦工業MEMS質譜技術，開啟國產質譜2.0時代

　　2025年5月16日，微譜科技WESPEC TECH.開業盛典暨新品發布會璀璨啟幕，各界嘉賓歡聚一堂共同見證了微譜科技萬里長征上邁出的第一步。

　　微譜科技（湖州）有限公司WESPEC TECHNOLOGIES CO., LTD.是中國乃至全球第一家依托MEMS質譜技術發展各類質譜儀器的工業質譜制造商，聚焦解決工業各細分領域中的氣體組分在線分析及泄露檢測等問題，提升企業生產效能和現場安全，為千行百業提供高性價比的國產質譜 技術解決方案，讓實驗室儀器進入工業現場，真正踐行“讓高端儀器飛入尋常百姓家”的理念！微譜WESPEC愿同各界同仁精誠合作，共同推動新質生產力發展，實現中華民族偉大復興！

MEMS質譜技術研究進展——下一代顛覆性技術

1 前言

　　 讓質譜飛入尋常百姓家，相信大多從事質譜研發工作的同事都曾夢想過這樣的事情。MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系統)質譜是最希望實現這一夢想的革命性技術。要捋清MEMS質譜技術的發展那就不得不先從質譜的小型化發展開始說起。

　　 自上世紀末開始，質譜儀器的小型化逐漸成為了一個非常熱門的研究方向。到現在經過20多年的發展，基本逐個解決了質量分析器、離子源、進樣技術及真空系統等在小型化過程中遇到的問題。到目前為止，大部分類型的質譜儀均在不同程度上實現了小型化，而且市場上已經存在大量離子阱、飛行時間、四極桿等較為成熟的小型質譜儀器可供選擇。這些小型質譜的基本特點通常是單人可以攜帶或自由挪動，可依靠電池連續工作若干小時，省去了樣品大部分或者所有的前處理工作，基本勝任簡單場景的定性和半定量分析，等等。基于這些特點，小型質譜儀器的主要應用是在實驗室之外的現場分析，比如人流樞紐的安全篩查、執法取證、環境檢測、食品藥品監管，甚至是醫療診斷等領域。可以說小型質譜的發展大大伸展了質譜的觸角，讓質譜走出實驗室，走向樣品成為了現實。眾多國內外大學、研究機構和商業公司都在持續推動小型質譜技術的進步和商業化，相信未來10年質譜的小型化仍會是最熱門的發展方向之一。

　　 目前看來小型化質譜的進一步發展仍存在一些未解決的問題，這些問題基本可以分成兩個方面一是追求更好的分析性能，二是追求更極致的便攜性。前者是為了不斷向實驗室儀器的性能看齊，尤其是現在的定量和重現性都是需要解決的問題；而后者是持續的小型化。目前實現質譜小型化主要有三種方式：一是逼近傳統機械加工技術的極限，將核心器件按比例縮小；二是3D打印等基于增材制造的快速成型技術；三是基于MEMS微細加工技術。當前大部分小型化質譜采用的是第一種方法，儀器的綜合指標與小型化之間可以實現比較好的妥協和平衡。然而此類基于傳統機械加工的小型化質譜看上去已經進入了瓶頸期，尤其是受到真空泵的限制，很難再進一步降低質譜的重量、體積、功耗和成本。手持質譜基本是目前基于傳統機械加工技術能實現的極限水平。

圖為清華大學歐陽證教授在普渡大學工作期間研制的手持式質譜mini 11

圖為美國公司908 devices推出的全球首臺手持式質譜M908（上）和MX908（下）

　　 快速成型方法在復雜曲面結構的制造方面有很大的優勢，但是仍存在很多問題，包括加工精度低、機械性能差以及可選材料受限等。其在某些特殊零件的加工上有一定優勢，但是在整機集成制造上的潛力遠不如MEMS技術。

2 研究進展概述

　　 簡單地說，基于MEMS技術進行設計和制造的質譜即為MEMS質譜。盡管其尚未發展成熟，但已經展現出了極大的想象空間。尤其是基于MEMS開發的眾多nano-ESI（納升電噴霧）芯片已經被廣泛用于生物醫藥研發和組學研究等領域，產生了極大的應用價值。Nano-ESI之所以首當其沖，發展迅速，一方面是受到應用端對低樣本量消耗、高靈敏度檢測等迫切需求的驅動，另一方面則得益于ESI的靈敏度依賴于樣品濃度而非樣品流量的獨特性質。因此，即使nano-ESI的流量下降至納升水平其靈敏度仍不遜色于常規ESI。而且ESI芯片易于和LC（液相色譜）、CE（毛細管電泳）等各種微流控技術進行單片集成，極大提高了分析性能，簡化了工作流程。所以說ESI和MEMS的結合可謂是天作之合。不過由于ESI大多情況是針對液態樣品，所以當前幾乎都是搭配在常規質譜儀器上使用，尚未用于MEMS質譜。Advion BioSciences公司開發的納升噴霧芯片技術ESI ChipTM是最具代表性的納升噴霧產品之一，集成了400個微米尺度的納升噴霧單元，提高了分析通量和靈敏度。

圖為Advion公司開發的納升噴霧芯片ESI ChipTM

　　 針對氣態樣品分析，有大量的MEMS離子源吸引了研究者的興趣，而且取得了非常不錯的進展，包括熱致發射EI源、場致發射EI源，以及各種微等離子體電離源等。當前對MEMS離子源的研究不僅解決了工藝兼容性、單片集成以及電離效率等問題，還極大降低了功耗，非常有利于推動MEMS質譜的研制。

圖為帶金剛石涂層的場發射硅針陣列

　　 質量分析器是質譜儀器的核心，不僅直接影響最終分析性能，還是小型化發展的主要推動力。可以說質譜的小型化進程最初就是從質量分析器的小型化開始的。質量分析器進行小型化的同時，又帶動了電路和真空等子系統的小型化，因此推動了整機的小型化。尤其是離子阱質量分析器對高氣壓耐受性比較高，簡化模型的結構非常簡單，因此一直以來都是小型化研究的熱點。美國桑迪亞國家實驗室(Sandia National Lab)基于PECVD（等離子增強化學氣相沉積）和鎢大馬士革工藝在25mm2的芯片上制作了一百萬個內徑1μm的離子阱陣列。

　　 十多年前，筆者在中科大讀研期間剛開始接觸質譜研發工作，研究方向就是MEMS離子阱質量分析器，當時提出了平板線型離子阱結構。據筆者有限的知識所知，這大概是國內最早的MEMS質譜技術研究。

圖為桑迪亞國家實驗室開發的MEMS離子阱陣列芯片

　　 到目前為止，除了orbitrap、FTICR等加工困難亦或是工作條件要求苛刻的質量分析器之外，大部分的質量分析器包括四極桿、飛行時間、磁質譜、Wien濾質器等都已經實現了MEMS化。值得一提的是上世紀末提出的一種基于MEMS的四極桿質量分析器，經過10多年的發展和完善，終于在2011年由Microsaic Systems公司商業化，用于其小型化質譜MiD系列產品，實現了和常規質譜接近的性能。然而令人遺憾的是，盡管其離子源、真空接口、質量分析器等都基于MEMS技術開發，但最終整機仍然類似當前小型質譜的形態。

圖為Micosaic Systems公司推出的基于MEMS技術的MiD小型質譜

　　 真空泵是阻礙MEMS質譜真正實現最重要的因素之一。正如我們所知，在傳統質譜儀器中，在體積、重量、成本、功耗等諸多方面，真空泵都是“主力擔當”。而當前可以用于小型質譜的真空泵種類極為有限，在小型質譜市場未產生足夠的經濟規模之前，真空泵生產商幾乎沒有動力去推動微型真空泵的開發和推廣。正所謂，巧婦難為無米之炊。真空泵已然成為了小型化質譜進一步發展的主要瓶頸。幸運地是，大量基于MEMS技術的微型真空泵取得了令人興奮的進展。

　　 2008年，有現實版神盾局之稱的美國國防部高級研究計劃局(DARPA)推出了一項名為CSVMP的研發計劃旨在推動芯片級微型真空泵技術的發展，該項目要求真空泵的尺寸小于1美分，在1mm3的真空腔體內實現100μP的真空度，功耗小于0.25瓦，還要求集成精確測量氣壓的真空規。2013年，DARPA宣布來自密歇根大學、麻省理工學院和霍尼韋爾公司的三個研究團隊分別完成了三種芯片級微型真空泵的基礎研究。

圖中從左到右分別為密歇根大學、麻省理工大學和霍尼韋爾公司開發的MEMS真空泵

　　 除此之外，波蘭的弗羅茨瓦夫理工大學(Wroclaw University of Technology)開發了一種基于MEMS的輝光放電離子吸附微型真空泵。該泵尺寸只有20mm×12mm×3.4mm，可以將25cm3的真空腔體在數分鐘內從0.5Pa抽至5×10-4Pa，且可以維持此真空度幾小時。目前，已經有大量基于不同原理的MEMS微泵、微真空規、微閥門、微進樣器件等被開發出來，其性能不斷提高的同時，多器件的單片集成技術也在持續發展中。相信在未來的MEMS質譜中，真空泵的將不會復現限制微型化發展的瓶頸地位。

　　 MEMS質譜技術不僅進一步縮小了離子光學系統、真空系統等關鍵部件的尺寸，還使得各部件的直接裝配變得更加簡單，減少了冗余設計，極大地提高了集成度。目前，離子源、質量分析器、檢測器、進樣技術、真空規以及真空泵在內的各關鍵MEMS質譜器件都已經取得了令人振奮的進展，單片集成了幾乎所有離子光學器件的MEMS質譜芯片也已經被陸續開發出來。盡管當前的性能由于尺寸縮小造成靈敏度和分辨率等性能的下降，與傳統質譜技術相比仍存在一定差距，但是在殘余氣體分析、過程監控、環境監測、POCT、極端環境原位探測、突發事件應對等領域仍表現出了極大的應用價值。

圖為德國漢堡工業大學研究人員開發的PIMMS質譜芯片

圖為哥斯達黎加大學研究人員開發的雙聚焦磁質譜芯片

3 展望

　　 真正意義上的MEMS質譜儀器尚未問世，但各個關鍵技術已經在不斷成熟，一個令人耳目一新的單片集成了大部分甚至所有核心組件的MEMS質譜模塊/儀器不久的將來就在眼前，“飛入尋常百姓家”的夢想亦會成為現實。到那時，傳統質譜儀器的內核全部都會被封裝到類似集成電路芯片的質譜芯片中。和所有電路芯片一樣，質譜芯片只是一種特殊的傳感芯片，一個PCB基的微型質譜儀器或質譜傳感器將成為現實。

　　 正如智能手機沒有取代超級計算機一樣，MEMS質譜亦不可能取代傳統質譜，尤其是高端質譜，也難以企及傳統質譜的性能，但毫無疑問其必將會開辟一片更廣闊的空間。

　　 我們已經看到了智能手機、新能源汽車、數字經濟、5G通信等眾多產業在技術升級換代過程中產生的翻天覆地的變化。同樣，MEMS質譜亦將是革命性的技術，其必將極大改變質譜行業未來的發展格局。

　　 當前正值國產質譜儀器快速發展的時機，我們應當未雨綢繆及早布局MEMS質譜技術的基礎研究，在下一輪質譜技術迭代來臨之前做好儲備，這是一次讓國產質譜技術和產業不再受制于人的絕佳機會。

關于微譜科技

微譜科技（湖州）有限公司WESPEC TECHNOLOGIES CO., LTD. 是第一家依托MEMS質譜技術發展各類質譜儀器的工業質譜制造商，聚焦解決工業各細分領域的氣體組分在線分析及泄漏檢測等問題，提升企業生產效能和現場安全，為千行百業提供高性價比的國產質譜技術解決方案，讓實驗室儀器進入工業現場，真正踐行“讓高端儀器飛入尋常百姓家”的理念！

參考資料：

[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1872204021000748

[2] https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac801275x

[3] https://908devices.com/

[4] https://www.advion.com/

[5] https://www.sandia.gov/

[6] https://www.microsaic.com/

[7] https://newatlas.com/darpa-mems-smallest-vacuum-pumps/27883/