質譜儀部分

質量分析器種類很多，最常用的是四極桿分析器（簡寫為Q），其次是離子阱分析器（Trap）和飛行時間分析器（TOF）。為了增加結構信息，大多采用具有串聯質譜功能的質量分析器,串聯方式很多，如Q-Q-Q，Q-TOF等。

 

串聯質譜的工作原理

為了得到更多的有關分子離子和碎片離子的結構信息，早期的質譜工作者把亞穩離子作為一種研究對象。所謂亞穩離子(metastable ion)是指離子源出來的離子，由于自身不穩定，前進過程中發生了分解，丟掉一個中性碎片后生成的新離子，這個新的離子稱為亞穩離子。

 

這個過程可以表示為： m1+m2+ +N , 新生成的離子在質量上和動能上都不同于m1+ , 由于是在行進中途形成的，它也不處在質譜中m2的質量位置。研究亞穩離子對搞清離子的母子關系，對進一步研究結構十分有用。于是，在雙聚焦質譜儀中設計了各種各樣的磁場和電場聯動掃描方式，以求得到子離子，母離子和中性碎片丟失。盡管亞穩離子能提供一些結構信息，但是由于亞穩離子形成的幾率小，亞穩峰太弱，檢測不容易，而且儀器操作也困難，因此，后來發展成在磁場和電場間加碰撞活化室，人為地使離子碎裂，設法檢測子離子，母離子，進而得到結構信息。這是早期的質譜-質譜串聯方式。

 

隨著儀器的發展，串聯的方式越來越多。尤其是20世紀80年代以后出現了很多軟電離技術，如ESI、APCI、FAB、MALDI等，基本上都只有準分子離子，沒有結構信息，更需要串聯質譜法得到結構信息。因此，近年來，串聯質譜法發展十分迅速。

 

串聯質譜法可以分類

空間串聯和時間串聯。空間串聯是兩個以上的質量分析器聯合使用，兩個分析器間有一個碰撞活化室，目的是將前級質譜儀選定的離子打碎，由后一級質譜儀分析。而時間串聯質譜儀只有一個分析器，前一時刻選定-離子，在分析器內打碎后，后一時刻再進行分析。本節將敘述各種串聯方式和操作方式。

 

串聯質譜的主要串聯方式

質譜-質譜的串聯方式很多，既有空間串聯型，又有時間串聯型。空間串聯型又分磁扇型串聯，四極桿串聯，混合串聯等。如果用B表示扇形磁場，E表示扇形電場，Q表示四極桿，TOF表示飛行時間分析器，那么串聯質譜主要方式有：

①　空間串聯

　　磁扇型串聯方式： BEB EBE BEBE等

　　四極桿串聯： Q-Q-Q

　　混合型串聯： BE-Q Q-TOF EBE-TOF

②　時間串聯

　　離子阱質譜儀

　　回旋共振質譜儀

無論是哪種方式的串聯，都必須有碰撞活化室，從第一級MS分離出來的特定離子，經過碰撞活化后，再經過第二級MS進行質量分析，以便取得更多的信息。 

 

碰撞活化分解

利用軟電離技術（如電噴霧和快原子轟擊）作為離子源時，所得到的質譜主要是準分子離子峰，碎片離子很少，因而也就沒有結構信息。為了得到更多的信息，最好的辦法是把準分子離子“打碎”之后測定其碎片離子。在串聯質譜中采用碰撞活化分解(Collision activated dissociation, CAD)技術把離子“打碎”。

 

碰撞活化分解也稱為碰撞誘導分解(Collision Induced dissociation, CID)，碰撞活化分解在碰撞室內進行，帶有一定能量的離子進入碰撞室后，與室內情性氣體的分子或原子發生碰撞，離子發生碎裂。為了使離子碰撞碎裂，必須使離子具有一定動能，對于磁式質譜儀，離子加速電壓可以超過1000V，而對于四極桿，離子阱等，加速電壓不超過100V，前者稱為高能CAD，后者稱為低能CID。二者得到的子離子譜是有差別的。

 

串聯質譜法工作方式和主要信息 

 

三級四極質譜儀（Q-Q-Q）的工作方式和主要信息

三級四極質譜儀有三組四極桿，第一組四級桿用于質量分離(MS1)，第二組四極桿用于碰撞活化(CAD),第三組四極桿用于質量分離(MS2)。主要工作方式有四種。

圖中a為子離子掃描方式，這種工作方式由MSI選定-質量，CAD碎裂之后，由MS2掃描得子離子譜。b為母離子掃描方式，在這種工作方式，由MS2選定一個子離子，MS1掃描，檢測器得到的是能產生選定子離子的那些離子，即母離子譜。C是中性丟失譜掃描方式，在這種方式是MS1和MS2同時掃描。只是二者始終保持一定固定的質量差(即中性丟失質量)，只有滿足相差-固定質量的離子才得到檢測。d是多離子反應監測方式,由MS1選擇一個或幾個特定離子(圖中只選一個)，經碰撞碎裂之后,由其子離子中選出一特定離子，只有同時滿足MS1和MS2選定的一對離子時,才有信號產生。用這種掃描方式的好處是增加了選擇性，即便是兩個質量相同的離子同時通過了MS1，但仍可以依靠其子離子的不同將其分開。這種方式非常適合于從很多復雜的體系中選擇某特定質量,經常用于微小成分的定量分析。

 

 

離子阱質譜儀MS-MS工作方式和主要信息 

離子阱質譜儀的MS-MS屬于時間串聯型，它的操作方式見上圖，在A階段,打開電子門此時基礎電壓置于低質量的截止值，使所有的離子被阱集,然后利用輔助射頻電壓拋射掉所有高于被分析母離子的離子。進入B階段，增加基頻電壓，拋射掉所有低于被分析母離子的離子。以阱集即將碰撞活化的離子。在C階段，利用加在端電極上的輔助射頻電壓激發母離子，使其與阱內本底氣體碰撞，在D階段，掃描基頻電壓,拋射并接收所有CID過程形成的子離子，獲得子離子譜。以此類推,可以進行多級MS分析。由離子阱的工作原理可以知道，它的MS-MS功能主要是多級子離子譜，利用計算機處理軟件，還可以提供母離子譜,中性丟失譜和多反應監測（MRM）。

 

 

傅里葉變換質譜儀MS-MS工作方式和主要信息

FTMS的掃描方式是依據快速掃頻脈沖對所有離子“同時”激發。具有MS-MS功能的FTMS，其快速掃頻脈沖可以選擇性的留下頻率“缺口”，用頻率“缺口”選擇性的留下欲分析的母離子，其它離子被激發并拋射到接收極。然后使母離子受激，使其運動半徑增大又控制其軌道不要與接收極相撞。此時母離子在室內與本底氣體或碰撞氣體碰撞產生子離子。然后再改變射頻頻率接收子離子。還可由子離子譜中選一個離子再做子離子譜。由于離子損失很少。因此，FTMS可以做到5-6級子離子譜。

 

 

飛行時間質譜儀的源后裂解

離子在飛行過程中如果發生裂解，新產生的離子仍然以母離子速度飛行。因此在直線型漂移管中觀測不到新生成的離子。如果采用帶有反射器的漂移管，因為新生成的離子與其母離子動能不同，可在反射器中被分開。這種操作方式稱為源后裂解（Post source decomposition ，PSD）。通過PSD操作可以得到結構信息。因此，可以認為反射型TOFMS也具有MS-MS功能。

 

另外TOF-TOF串聯質譜儀已經出現。關于磁式質譜儀串聯和混合型串聯，小析姐后續也會進行相應的介紹。

 

十種質譜大比拼

 

 

一、 四極桿質譜儀，QMS

QMS是最常見的質譜儀器，定量能力突出，在GC-MS中QMS占絕大多數。
優點:  結構簡單、成本低；維護簡單；SIM功能的定量能力強；是多數檢測標準中采用的儀器設備。
缺點: 無串極能力，定性能力不足；分辨力較低（單位分辨），存在同位素和其他m/z近似的離子干擾；速度慢；質量上限低（小于1200u）。
 

 

二、飛行時間質譜儀，TOFMS

TOFMS是速度最快的質譜儀，適合于LC-MS方面的應用。
優點：分辨能力好，有助于定性和m/z近似離子的區別，能夠很好的檢測ESI電噴霧離子源產生多電荷離子；速度快，每秒2～100張高分辨全掃描（如50～2000u）譜圖，適合于快速LC系統（如UPLC）;質量上限高（6000～10000u）；
缺點：無串極功能，限制了進一步的定性能力；售價高于QMS；較精密，需要認真維護。
 

 

三、三重四極桿質譜儀，QQQ

QQQ質譜給四極桿質譜儀在保留QMS原有定量能力強的特點上，提供了串級功能，加強了質譜的定性能力，檢測標準中常作為QMS的確認檢測手段。
優點：有串極功能，定性能力強;定量能力非常好，MRM信噪比高于QMS的SIM;是常用的QMS結果確認儀器;除一般子離子掃描功能外，QQQ還具有SRM、MRM、母離子掃描、中性丟失（Neutral loss）等功能（離子阱不行）對特征基團的結構研究有很大幫助.
缺點：分辨力不足，容易受m/z近似的離子干擾;售價較高;需要認真維護.
 

 

四、 四極離子阱，QTrap

技術上而言，在傳統QQQ的四極桿中加入了輔助射頻，可以做選擇性激發；或者就功能而言，為QQQ提供了多級串級的功能.
優勢：同時具備MRM、SRM、中性丟失和多級串級功能，非常適合于未知樣品的結構解析.
缺點:分辨力還是低了點.
 

 

五、線性離子阱，Linear Ion Trap

傳統3D離子阱的增強版本.
優點：相對于傳統3D離子阱，靈敏度高10倍以上;多級串級質譜.
缺點：相對于QQQ，還是不能做MRM、中性丟失等特征基團篩選功能.
 

 

六、 四極桿飛行時間串聯質譜，QTOF

QTOF以QMS作為質量過濾器，以TOFMS作為質量分析器。
優點：能夠提供高分辨譜圖;定性能力好于QQQ;速度快，適合于生命科學的大分子量復雜樣品分析.
缺點：成本高;需要仔細維護.
 

 

七、離子阱-飛行時間質譜，Trap TOF

以3D離子阱作為質量選擇器和反應器，結合了離子阱的多級質譜能力和飛行時間質譜的高分辨能力
優點:同時具有多級串級和高分辨能力，適合于未知樣品的定性工作，如糖蛋白的定性.
缺點:由于離子阱容量限制，對于混合樣品的靈敏度欠佳;定量能力弱.

 

 

八、 磁質譜，Sector MS

磁質譜的定量能力是各種質譜中最強的。現在已較少使用，僅用于地質元素和痕量二惡英的檢測。
優點：技術經典、成熟，NIST等MS庫采用的儀器;分辨力非常好（100k，m/&Delta m FWHM），干擾少;靈敏度高，定量能力是各種質譜中最好的.
缺點：體積、重量大;售價很高;速度慢;維護復雜，很費電.
 

 

九、傅立葉變換質譜儀，FT-ICR-MS

據說是質譜中的貴族，質量精度超級好，幾個月都不需要校正。但是價格也是貴的讓人心寒啊。
傅立葉變換質譜儀的分辨能力最高，常作為高端科學研究的裝備。
優點：能夠做多級串級，定性能力極好;分辨力極高;靈敏度很好;
缺點：體積重量大;售價極高;速度也較慢;維護費用非常昂貴.
 

 

十、 靜電場傅立葉變換質譜，Orbitrap

優點：高分辨，60k～120kFWHM，質量精度高；相對FT-ICR而言，價格稍低（～450kUSD）；
缺點：不能單獨做串級；分辨力、靈敏度、質量穩定性等離FT-ICR還有距離。