未來化學偵察兵——質譜走進機器人時代

　　暨南大學胡斌團隊在 Analytical Chemistry再次發表封面文章《Lab-on-Robot: Unmanned Mass Spectrometry Robot for Direct Sample Analysis in Hazardous and Radioactive Environments》。本研究報道了一種智能質譜機器人的開發，該機器人集成了微型質譜儀、四足機器人、可切換機械臂采樣器和直接離子化技術，用于在難以到達的危險及放射性環境中遠程控制復雜樣品的化學分析。

圖1. 質譜機器人實物圖。

研究背景與目的

Research Background and Purpose

　　質譜技術具備高靈敏度、高特異性和高準確性，但傳統實驗室質譜技術依賴復雜前處理及專業人員操作，且無法適應戶外工作環境，亟需發展無人化遠程控制系統以實現危險環境（如放射性、有毒或爆炸現場）的實時直接分析。

　　胡斌團隊開發的質譜機器人實現了以下突破：

　　1.自動化實時檢測——成功分析空氣中的揮發性有毒物質和氣溶膠爆炸顆粒；

　　2.復雜環境適應力——直接從原始廢水中檢出有害化合物；

　　3.放射性場景應用——完成放射性礦石樣品的現場化學分析。

　　質譜機器人在分析不同氣體、氣溶膠、液體和固體樣品時，獲得了低檢測限（ng/g或ng/mL，信噪比S/N = 3)和良好的相對標準偏差（RSD < 12.0%，n = 6）。進一步驗證了質譜機器人的遠程檢測結果。

　　該研究驗證了質譜機器人遠程檢測能力，為未來開發智能機器人實驗室提供了新思路，其功能與智能操作相結合，可替代傳統實驗室程序，用于危險化學品和環境樣品的現場質譜分析。

研究方法

Research Method

　　儀器

　　微型質譜儀（型號：Cell，清譜科技，蘇州，中國），8.5kg。

　　商用四足機器狗（型號：AlienGo，宇樹科技，杭州，中國）。

　　進樣接口：實驗室自制機械臂進樣裝置。

　　高分辨質譜儀（型號：QE，賽默飛，美國）。

　　掃描電子顯微鏡SEM（型號：EVOMA15，卡爾蔡司，德國）。

　　核輻射探測器（型號：cestsen mr-50，萬儀科技，深圳，中國）。

　　進樣過程

　　通過控制采樣臂上的三個電動機，機器人可以實現360度全方位采樣。機器人采樣臂前端安裝了采樣器。

　　為了采集礦石，鉆頭從特氟龍帽中伸出并高速運轉，礦粉通過鉆頭的槽口進入特氟龍帽側面的混合室（體積：200 μL)。該室含有180 μL的萃取溶劑用于提取礦粉。萃取液經軟管（內徑：0.5mm）過濾后直接泵入PCSI裝置。采樣完成后，泵遠程啟動以提取粉末樣品進行質譜分析。

　　液體樣品直接泵入PCSI（0.2 mL/s），約200 μL的樣品溶液被引入PCSI柱后部的溶劑窗口。

　　氣體和氣溶膠樣品則以0.2 cm3/s的速度泵入nESI的離子化區域。

圖2. a)質譜機器人通過機械臂實現可切換采樣器的示意圖，b）使用采樣管采集氣體和氣溶膠的采樣器，c）使用采樣管采集液體樣本的采樣器，d）使用鉆孔裝置、提取裝置和采樣管采集散裝固體的采樣器。

圖3. 質譜機器人中采樣和離子化裝置的照片：(a)自制機械臂；(b)采樣器細節；(c)MS進樣口；(d)nESI氣體注入盒；(e)PCSI液體注入盒；(f)固體樣品鉆孔裝置。

　　所有數據，經過實驗室高分辨四級桿-軌道阱質譜儀Q Exactive（Thermo Scientific，Bremen，Germany）實驗驗證。

實驗過程

Experimental Procedure

　　在這項研究中，我們首次報道了一種新的質譜機器人（圖1)。該機器人能夠在危險和放射性環境中進行遠程無人敏感分析，這些環境對人類極其危險。更重要的是，我們展示了如何使用該機器人處理多種樣本形式，包括放射性礦石、危險廢水和有毒氣溶膠。可切換的機械臂采樣器，這是質譜機器人分析所必需的。還展示了質譜機器人在不同領域、白天和夜晚的無人操作和應用（圖4，視頻S1、S2、S3、S4和S5)。

圖4. 質譜機器人在不同條件下的照片：(a)建筑工地；(b)礦區；(c)河邊；(d)夜間。

質譜機器人操作 (視頻 S1)

質譜機器人操作 (視頻 S2)

質譜機器人操作 (視頻 S3)

質譜機器人操作 (視頻 S4)

質譜機器人操作 (視頻 S5)

實驗結果

Experimental Results

　　本研究通過質譜機器人成功實現了對高危空氣中化學戰劑（CWAs）的遠程直接檢測，包括甲基磷酸二甲酯（DMMP）（圖5a）、二乙基硫醚（DS）和磷酸三甲酯（TP）等典型有毒揮發物。這些有毒化合物還通過實驗室高分辨質譜儀檢測進一步確認。這一特性對于多種遠程應用具有實際意義，尤其是在無法獲取有毒空氣樣本的情況下。

　　通過質譜機器人成功實現了氣溶膠中非揮發性爆炸物的快速檢測（圖5b），主要包括：TNT精準識別：根據全掃MS和MS/MS掃描，在負離子模式下檢測到去質子化TNT特征峰（m/z 226.0→196），與實驗室結果一致。爆炸煙霧中高氯酸鉀同位素驗證：通過m/z 99.0（35ClO4-）與m/z 101.0（37ClO4-）比例為3:1，與高氯酸根陰離子(35ClO4?）及其同位素峰（37ClO4?）比例一致。該技術的優勢是利用nESI技術突破非揮發性化合物氣溶膠檢測瓶頸，結合二次/萃取ESI實現多組分實時分析，凸顯系統在危險氣溶膠監測中的卓越性能。

　　高毒性廢水可以直接通過機械臂采樣器引入PCSI進行無人質譜分析。例如，克百威是人類吸入和皮膚接觸后急性毒性最高的物質之一，該研究通過質譜機器人直接從廢水中檢測到克百威（圖5c)，并經過實驗室質譜驗證。

　　此外，各種有毒的非揮發性和揮發性化合物如樂果、毒死蜱、百草枯也在廢水樣本中進一步被鑒定出來。該采樣器不僅通過毛細管高效電離分析物，還能夠過濾原始廢水樣品。

圖5. 質譜機器人檢測空氣或廢水中典型的有毒和有害化合物。a）空氣中揮發性有毒化學戰劑（DMMP），b）氣溶膠中的非揮發性TNT爆炸煙霧，c）廢水中危險的有毒物質（克百威）。

　　人們接觸疑似放射化學環境如鈾礦石、尾礦和核廢料存在極高風險。通過遠程質譜機器人對真實環境樣本進行放射化學分析，減少人類暴露將大有裨益。

　　在這項工作中，使用自制機械臂采樣器和輻射探測器的質譜機器人研究了常見礦石和放射性礦石。與X射線機（圖6a)相比，檢測到了非常低的背景輻射（空氣中的<0.1 μSv/h）和普通大理石礦石（約0.24 μSv/h)。然而，從礦石樣本中檢測到了相對較高的輻射（約0.42 μSv/h)，表明礦石樣本中含有放射性元素。

　　通過醋酸（HAc）作為提取溶劑，質譜機器人成功檢測普通礦石中的金屬-醋酸絡合物（鈣、鎂、鐵），并在銅礦石中精準識別Cu-63/Cu-65同位素（實測比值2.26±0.18，與理論值RCu-63/Cu-65=2.24一致）。通過MS/MS碎片離子排除基質干擾（圖6b)，驗證了銅加合物的特異性信號，展現了其在復雜礦物分析中的高準確性。

　　通過稀硝酸作為提前溶劑，質譜機器人成功檢測到硝酸鈾酰絡合物即 [235UO2(NO3)3]? m/z 403.0和 [238UO2(NO3)3]? m/z 406.0，并通過特征碎片（NO2丟失）確認U-235的放射性來源。經實驗室質譜驗證后，測得U-235/U-238信號比為0.90%（±0.19）（n=6），略高于天然鈾比率（0.73%），但仍為放射性鈾鑒定提供了可靠依據。

圖6. a)不同環境下的輻射檢測。b）使用質譜機器人直接檢測銅礦石中的銅乙酸鹽絡合物。c）使用質譜機器人直接檢測鈾礦石中的鈾酰三硝酸鹽配合物。

　　由于在取樣過程中對固體礦石進行了鉆探，大塊礦石被鉆成了微米級的細顆粒，從而獲得了感興趣的礦物元素（如Ca、Mg、Fe、Cu和U）。通過機械臂隨后進行離子化和質譜檢測。

結論

Conclusions

　　質譜機器人系統通過可切換采樣器和直接離子化技術，實現了危險環境（有毒、放射性等）中氣體/液體/固體樣品的無人化精準分析，將人類與高危場景分離。其核心優勢在于智能化、安全性及多基質適應性，但仍需提升環境耐受性、定量分析能力以及高通量分析。這些技術的進步未來有望將傳統實驗室繁瑣程序淘汰。

　　清譜科技是一家專注于現場質譜化學分析和脂質組學產品開發、生產和制造的高科技公司。公司開發的便攜式質譜分析系統為開發現場化學檢測應用提供了實時準確和簡單易用的分析解決方案。目前公司已經在公共安全、生物制藥、醫療診斷、食品安全等領域為不同客戶提供眾多的現場即時檢測應用方案。