正文
分析系统
如图
1
所示，主要由自制机械臂、微型质谱仪（
mini-MS
）、自制可切换采样器、自制直接电离组件和仿生四足机器人构成。通过机械臂连接的柔性管路，实现了可切换采样器与电离装置的耦合。微型质谱仪采用开放式常压接口设计，其开放窗口的设计支持在常压环境下集成新型电离技术与采样装置。在
MS Robot
系统中，可切换采样器采用模块化设计，用于采集不同类型（气体
/
气溶胶、液体和块状固体）的样品（图
1a
）。气体和气溶胶样品可通过机械臂直接引入纳升电喷雾电离源（
nESI
）电离区域进行实时分析（图
1b
）；液体样品通过机械臂泵送至由滤纸和毛细管组成的纸毛细管喷雾电离源（
PCSI
）进行分析（图
1c
）；而对于块状矿石等固体样品，系统配备了专用钻取装置，可将其研磨成均匀粉末后进行萃取，最终输送至
PCSI
装
置盒进行分析（图
1d
）。
MS Robot
分析系统可以在复杂地形中稳定行走，准确到达指定区域进行远程采样与分析作业，如图
2
所示（更多现场图片视频见论文支撑材料）。
危险化学品的现场快速分析
通过
MS Robot
系统可以实现危险化学场所中气体、气溶胶、液体样品中有毒有害物质的远程快速检测。图
3a
显示了空气中化学战剂模拟物甲基磷酸二甲酯（
DMMP
）的检测结果，此外还成功识别出二乙基硫醚（
DS
）和磷酸三甲酯（
TP
）等典型有毒挥发物，这些结果均经实验室高分辨质谱验证。因此该系统特别适用于无法直接获取有毒空气样本的远程检测场景。图
3b
展示了气溶胶中非挥发性爆炸物（
TNT
）的检测结果，在负离子模式下准确识别出去质子化
TNT
特征峰（
m/z 226.0
→
196.0
）。此外还成功识别出爆炸烟雾中的高氯酸根成分（
ClO
4
-
在
m/z
99.0
和
m/z
101.0
处的特征峰比例约为
3:1
）。
MS Robot
成功检测到空气中非挥发性的
TNT
和高氯酸盐烟雾，是因为
nESI
电离装置可通过二次电喷雾电离或电喷雾萃取电离过程使气溶胶高效电离。图
3c
显示了废水中剧毒物质克百威的检测结果，该物质具有极高急性毒性。此外，系统还成功鉴定了乐果、毒死蜱和百草枯等多种有毒化合物。这些农药在农业上虽对害虫有显著杀灭或抑制作用，但若残留成分进入水体会对人体健康和生态环境构成威胁。在
MS Robot
系统的采样器中，
PCSI
通过毛细管为痕量分析物提供高效电离，同时使用过滤膜对废水进行过滤，有效提升了有毒化合物检测的灵敏度和准确性。
图
3. MS Robot
检测空气和废水中典型的有毒化合物：（
a
）空气中挥发性有毒化学战剂（
DMMP
），（
b
）气溶胶中的非挥发性爆炸烟雾（
TNT
），（
c
）废水中的危险有毒物质（克百威）。
辐射矿石的现场环境快速分析
任何人员贸然进入放射性化学信息不明的环境，如铀矿、矿渣、或核废料区域都存在极大的安全健康风险。放射性现场环境的分析的主要挑战在于难以快速识别放射源及其化学组分，同时面临辐射危害、复杂基质干扰以及放射性同位素鉴别困难等问题。本研究利用配备自制机械臂采样器和辐射探测器的
MS Robot
系统，对普通矿石与放射性矿石进行对比分析。图
4a
显示，空气（
<0.1 μSv/h
）和普通大理石矿石（约
0.24 μSv/h
）的辐射值显著低于检测到的放射性矿石样本（约
0.42 μSv/h
），初步证实了放射性元素的存在。图
4b
显示了
MS Robot
系统对铜矿石的检测结果，系统检测到
Cu-63
和
Cu-65
同位素络合物，其同位素比例经高分辨质谱验证为
2.26 (
±
0.18)
，与自然丰度（
2.24
）高度吻合。通过串联质谱获得的特征碎片离子（图
4b
插图）有效排除了基质干扰，确保了检测特异性。图
4c
展示了铀矿石的检测结果，硝酸
铀
酰络合物以
[
235
UO
₂
(NO
₃
)
₃
]
⁻
(
m/z
453.0)
和
[
238
UO
₂
(NO
₃
)
₃
]
⁻
(
m/z
456.0)
形式被检出，并通过特征碎片（
NO
2
丢失）确认
U-235
的放射性来源。测得
U-235/U-238
信号比为
0.90% (
±
0.19)
（
n=6
），略高于自然丰度比（
0.73%
），但仍为放射性铀鉴定提供了可靠依据。通过机械臂钻探获得的微米级矿石颗粒，结合在线电离与质谱检测，实现了钙、镁、铁、铜及铀等关键元素的精准识别（见支撑材料）。这些数据表明，
MS Robot
系统可以在极端放射性环境中完成从样品采集到分析鉴定的全流程作业，为核材料监测和环境放射性评估提供了新的技术手段。
图
4.
（
a
）不同环境下的辐射检测，（
b
）铜矿石中的醋酸铜络合物，（
c
）铀矿石中的硝酸铀酰络合物。
