四极杆质谱仪：介绍、原理及优劣势

青草

在本文中，四级杆质谱仪是指使用四极杆质量分析器的质谱仪，实际的质谱仪还包括样品引入模块、检测器模块以及数据处理等单元。而本期内容主要探讨四极杆质量分析器。

01介绍

由于四极杆质量分析器能够选择单一m/z（质荷比）值的离子进行分析，因此有时也被称为质量过滤器。虽然四极杆质谱仪在灵敏度、分辨率和上限质量范围方面不如扇形磁场质谱仪，但由于其使用方便、价格相对低廉、体积小巧并可随时与气相色谱（GC）或液相色谱（LC）系统连接，因此成为临床实验室中使用最广泛的质谱仪。



▲ 图1.四极杆质量分析器示意图

02原理
四极杆质量分析器由四根平行的双曲线截面圆柱杆组成。这些杆通过直流电和交流电压充电，以影响离子的运动，其充电方式为：斜对角的两根杆具有相同的电压，而垂直的两根杆具有符号相反的电压。



▲ 图2. 四极杆质量分析器主视图

离子必须缓慢进入四极场（只有几eV 的动能），才能与位于两杆之间的振动电磁场相互作用。在直流电中，电压（U）是恒定的，而在交流电（Vcosωt）中，电压的方向是变化的。如果施加的是交流电压，那么撞击金属杆的几率取决于离子的质量(m)和电荷(z)，也取决于磁场强度和振荡频率。仪器操作人员可以调整电场强度和振荡频率。

电子伏特（electron volt），符号为eV，是能量的单位。代表一个电子（所带电量为1.6×10-19C的负电荷）经过1伏特的电位差加速后所获得的动能。

如果施加的频率很高，那么离子根本来不及做出反应，什么也不会发生；但如果频率太低，那么离子就会在电位翻转之前撞到杆上。如果是正离子，具有正电位的杆会排斥离子，而具有负电位的杆会吸引离子并将其捕获。

四极杆质量分析器通过改变交流和直流电压来进行质量选择。让我们考虑一下，如果只施加一个交流电压，那么在这种情况下，当电压为正时，正离子将被排斥并停留在两根棒的中心。同样，当电位为负时，正离子会加速向两根棒移动，不会被检测到。
如果同时向这对棒提供交流电和正直流电，不同质量的离子对所施加的电压会有不同的反应。重离子不受交流电的影响，因此会被检测器检测到，因为重离子会集中在棒的中心，即使在高频交流电压的作用下，重离子也不会受到太大的影响，因为重离子的运行速度比轻离子慢得多。在这种情况下，四极杆可以实现高分子量离子筛选的功能。
同样，另一对棒将受到交流/直流电压的反向作用，因此，它将具有负直流电位，由于它是负的，重离子将撞击电极而不会被检测到，但轻离子将对交流电压做出反应，并将集中在四极杆的中心。因此，在这种情况下，较轻的离子会有一个稳定的轨迹。因此，在这种情况下，四极杆又可以实现低分子量离子的筛选功能。
通过将两种电压合并到同一系统中，可以选择单一的m/z，并使其具有稳定的轨迹。如果改变交流电压和直流电压的大小，稳定轨迹也会发生变化。不同量级的离子具有不同的稳定轨迹，到达检测器的时间也不同。因此，只需改变交流和直流电压，就可以选择所需的质量范围。
总结：四极杆质量分析器由四根平行的圆柱形金属杆组成，与中心轴等距排列。为了确保只有所需的 m/z 离子能顺利通过四极杆并到达检测器，四极杆同时受到直流电和交流电的共同作用。进入检测器的离子数量会产生信号，并显示在计算机上。



▲ 图3.四极杆质量分析器侧视图



工作流程

首先，利用电喷雾电离（ESI）、化学电离（CI）、基质辅助激光解吸电离（MALDI）等电离技术对分析物进行电离。然后，分析物离子被传输到四极杆质量分析器中，只有轨迹稳定的离子才能被检测器检测，而轨迹不稳定的离子则无法被检测到。离子被检测到的可能性可以通过调整磁场强度和振荡频率来控制。

起初，只使用几百伏的小电压来加速电离装置中产生的连续离子束，使其在Z方向上的移动。这些离子通过一个小入口进入四极杆。极性相反的电压被施加到相邻的两极上，而相同极性的电压则被施加到对角相反的两极上。当交流电和直流电同时作用于每个杆时，杆会产生一个相位快速变化的电场。



▲ 图4. 具有不稳定轨迹的离子因为撞杆而无法被检测器检测（上）；具有稳定轨迹的离子则可以顺利通过四极杆并到达检测器（下）。

因此，通过该电场运动的离子会在 x 和 y 方向上波动，具有特定 m/z 值的离子会产生稳定的振荡，并在特定参数设置下通过四极杆，并到达检测器。另一方面，具有其它m/z值的离子，由于振荡会变得不稳定，导致它们撞杆，从而无法被检测到。


优势

• 相对便宜且动态
  
• 操作快速简单，可进行高通量分析
  
• 不需要很高的真空条件（> 10-7）
  
• 良好的重现性和经典质谱
  
• 体积小巧，扫描速度快，灵敏度高，适用于痕量分析
  
• 与标准气相色谱仪相比，检测器与微小离子源之间的距离更近，因此台式仪器的体积更小。
  
• 可调质量分辨率。
  

劣势

• 质量范围低（<4000 m/z）
  
• 分辨率低（< 4000）
  
• 质量精度差（>100 ppm）
  
• 扫描速度低
  
• MS/MS 需要多个分析器
  

单四极杆质量分析器

单四极杆质谱仪包含一个质量分析器。单四极杆质谱仪只能测量离子源产生的离子。这些离子可以是碎片离子，也可以是由源内破碎产生的完整分子离子。由于这种分析器的特异性不如串联四极杆分析器，而且不能提供太多的结构信息，因此需要使用三重四极杆质谱分析器。此外，它也无法检测分析物产生的信号与基质产生的信号之间的差异。


三重四极杆质量（QQQ）分析器

三重四极杆质量分析器，也称为串联四极杆质量分析器，由两个四极杆质量分析器组成，中间由碰撞室隔开。第一个四极杆质量分析器选择前体离子。

然后，被选中的前体离子在碰撞池中通过称为碰撞诱导解离（CID）的过程被分解或破碎。在此过程中，相关分析物与氮气或氩气等惰性气体发生碰撞。CID 产生的特定产物离子取决于所使用的碰撞气体和能量，以及前体离子分子结构中固有的键能。如果 CID 条件稳定可靠，产物离子模式和相对离子丰度的重复性就会很高。



最后，第二个或最后一个四极杆质量分析器对产物离子进行检测或选择，然后在检测器中进行检测。

三重四极杆质量分析器的优势

• 具有高度特异性，因为在电场和碰撞能量保持不变的情况下，只有具有特定m/z（前体/产物离子对）的分析离子才能到达检测器。
  
• 非常适合目标化合物的定量分析
  
• 作为结构选择性检测器工作，这意味着它能够从复杂基质中选择分析物。
  
• 四极杆的快速电气控制可在一次运行中检测数百种分析物或化合物。
  

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