如何选择质谱仪？十种质谱大比拼！

007

质谱仪是一种很好的定性鉴定用仪器，目前，在有机质谱仪中，除激光解吸电离-飞行时间质谱仪和傅立叶变换质谱仪之外，所有质谱仪都是和气相色谱或液相色谱组成联用仪器。这样，使质谱仪无论在定性分析还是在定量分析方面都十分方便。
同时，为了增加未知物分析的结构信息，为了增加分析的选择性，采用串联质谱法（质谱-质谱联用），也是目前质谱仪发展的一个方向。也就是说，目前的质谱仪是以各种各样的联用方式工作的。
质量分析器种类很多，最常用的是四极杆分析器（简写为Q），其次是离子阱分析器（Trap）和飞行时间分析器（TOF）。为了增加结构信息，大多采用具有串联质谱功能的质量分析器,串联方式很多，如Q-Q-Q，Q-TOF等。

串联质谱工作原理
为了得到更多的有关分子离子和碎片离子的结构信息，早期的质谱工作者把亚稳离子作为一种研究对象。所谓亚稳离子(metastable ion)是指离子源出来的离子，由于自身不稳定，前进过程中发生了分解，丢掉一个中性碎片后生成的新离子，这个新的离子称为亚稳离子。这个过程可以表示为：m1+m2+ +N , 新生成的离子在质量上和动能上都不同于m1+ , 由于是在行进中途形成的，它也不处在质谱中m2的质量位置。研究亚稳离子对搞清离子的母子关系，对进一步研究结构十分有用。于是，在双聚焦质谱仪中设计了各种各样的磁场和电场联动扫描方式，以求得到子离子，母离子和中性碎片丢失。尽管亚稳离子能提供一些结构信息，但是由于亚稳离子形成的几率小，亚稳峰太弱，检测不容易，而且仪器操作也困难，因此，后来发展成在磁场和电场间加碰撞活化室，人为地使离子碎裂，设法检测子离子，母离子，进而得到结构信息。这是早期的质谱-质谱串联方式。
随着仪器的发展，串联的方式越来越多。尤其是20世纪80年代以后出现了很多软电离技术，如ESI、APCI、FAB、MALDI等，基本上都只有准分子离子，没有结构信息，更需要串联质谱法得到结构信息。因此，近年来，串联质谱法发展十分迅速。

可以分为哪几类？

空间串联和时间串联。空间串联是两个以上的质量分析器联合使用，两个分析器间有一个碰撞活化室，目的是将前级质谱仪选定的离子打碎，由后一级质谱仪分析。而时间串联质谱仪只有一个分析器，前一时刻选定-离子，在分析器内打碎后，后一时刻再进行分析。下面小析姐带你了解各种串联方式和操作方式。

串联质谱的主要串联方式
质谱-质谱的串联方式很多，既有空间串联型，又有时间串联型。空间串联型又分磁扇型串联，四极杆串联，混合串联等。如果用B表示扇形磁场，E表示扇形电场，Q表示四极杆，TOF表示飞行时间分析器，那么串联质谱主要方式有：
1、空间串联磁扇型串联方式：BEB EBE BEBE等四极杆串联：Q-Q-Q混合型串联：BE-Q Q-TOF EBE-TOF2、时间串联离子阱质谱仪回旋共振质谱仪无论是哪种方式的串联，都必须有碰撞活化室，从第一级MS分离出来的特定离子，经过碰撞活化后，再经过第二级MS进行质量分析，以便取得更多的信息。碰撞活化分解利用软电离技术（如电喷雾和快原子轰击）作为离子源时，所得到的质谱主要是准分子离子峰，碎片离子很少，因而也就没有结构信息。为了得到更多的信息，最好的办法是把准分子离子“打碎”之后测定其碎片离子。在串联质谱中采用碰撞活化分解(Collision activated dissociation, CAD)技术把离子“打碎”。碰撞活化分解也称为碰撞诱导分解(Collision Induced dissociation, CID)，碰撞活化分解在碰撞室内进行，带有一定能量的离子进入碰撞室后，与室内情性气体的分子或原子发生碰撞，离子发生碎裂。为了使离子碰撞碎裂，必须使离子具有一定动能，对于磁式质谱仪，离子加速电压可以超过1000V，而对于四极杆，离子阱等，加速电压不超过100V，前者称为高能CAD，后者称为低能CID。二者得到的子离子谱是有差别的。串联质谱法工作方式和主要信息1、三级四极质谱仪（Q-Q-Q）的工作方式和主要信息三级四极质谱仪有三组四极杆，第一组四级杆用于质量分离(MS1)，第二组四极杆用于碰撞活化(CAD),第三组四极杆用于质量分离(MS2)。主要工作方式有四种。



图中a为子离子扫描方式，这种工作方式由MSI选定-质量，CAD碎裂之后，由MS2扫描得子离子谱。b为母离子扫描方式，在这种工作方式，由MS2选定一个子离子，MS1扫描，检测器得到的是能产生选定子离子的那些离子，即母离子谱。C是中性丢失谱扫描方式，在这种方式是MS1和MS2同时扫描。只是二者始终保持一定固定的质量差(即中性丢失质量)，只有满足相差-固定质量的离子才得到检测。d是多离子反应监测方式,由MS1选择一个或几个特定离子(图中只选一个)，经碰撞碎裂之后,由其子离子中选出一特定离子，只有同时满足MS1和MS2选定的一对离子时,才有信号产生。用这种扫描方式的好处是增加了选择性，即便是两个质量相同的离子同时通过了MS1，但仍可以依靠其子离子的不同将其分开。这种方式非常适合于从很多复杂的体系中选择某特定质量,经常用于微小成分的定量分析。2、离子阱质谱仪MS-MS工作方式和主要信息



离子阱质谱仪的MS-MS属于时间串联型，它的操作方式见上图，在A阶段,打开电子门此时基础电压置于低质量的截止值，使所有的离子被阱集,然后利用辅助射频电压抛射掉所有高于被分析母离子的离子。进入B阶段，增加基频电压，抛射掉所有低于被分析母离子的离子。以阱集即将碰撞活化的离子。在C阶段，利用加在端电极上的辅助射频电压激发母离子，使其与阱内本底气体碰撞，在D阶段，扫描基频电压,抛射并接收所有CID过程形成的子离子，获得子离子谱。以此类推,可以进行多级MS分析。由离子阱的工作原理可以知道，它的MS-MS功能主要是多级子离子谱，利用计算机处理软件，还可以提供母离子谱,中性丢失谱和多反应监测（MRM）。3、傅里叶变换质谱仪MS-MS工作方式和主要信息FTMS的扫描方式是依据快速扫频脉冲对所有离子“同时”激发。具有MS-MS功能的FTMS，其快速扫频脉冲可以选择性的留下频率“缺口”，用频率“缺口”选择性的留下欲分析的母离子，其它离子被激发并抛射到接收极。然后使母离子受激，使其运动半径增大又控制其轨道不要与接收极相撞。此时母离子在室内与本底气体或碰撞气体碰撞产生子离子。然后再改变射频频率接收子离子。还可由子离子谱中选一个离子再做子离子谱。由于离子损失很少。因此，FTMS可以做到5-6级子离子谱。4、飞行时间质谱仪的源后裂解离子在飞行过程中如果发生裂解，新产生的离子仍然以母离子速度飞行。因此在直线型漂移管中观测不到新生成的离子。如果采用带有反射器的漂移管，因为新生成的离子与其母离子动能不同，可在反射器中被分开。这种操作方式称为源后裂解（Post source decomposition ，PSD）。通过PSD操作可以得到结构信息。因此，可以认为反射型TOFMS也具有MS-MS功能。
另外TOF-TOF串联质谱仪已经出现。关于磁式质谱仪串联和混合型串联，小析姐后续也会进行相应的介绍。

十种质谱的比较
一、 四极杆质谱仪，QMSQMS是最常见的质谱仪器，定量能力突出，在GC-MS中QMS占绝大多数。优点: 结构简单、成本低；维护简单；SIM功能的定量能力强；是多数检测标准中采用的仪器设备。缺点: 无串极能力，定性能力不足；分辨力较低（单位分辨），存在同位素和其他m/z近似的离子干扰；速度慢；质量上限低（小于1200u）。二、飞行时间质谱仪，TOFMSTOFMS是速度最快的质谱仪，适合于LC-MS方面的应用。优点：分辨能力好，有助于定性和m/z近似离子的区别，能够很好的检测ESI电喷雾离子源产生多电荷离子；速度快，每秒2～100张高分辨全扫描（如50～2000u）谱图，适合于快速LC系统（如UPLC）;质量上限高（6000～10000u）；缺点：无串极功能，限制了进一步的定性能力；售价高于QMS；较精密，需要认真维护。三、三重四极杆质谱仪，QQQQQQ质谱给四极杆质谱仪在保留QMS原有定量能力强的特点上，提供了串级功能，加强了质谱的定性能力，检测标准中常作为QMS的确认检测手段。优点：有串极功能，定性能力强;定量能力非常好，MRM信噪比高于QMS的SIM;是常用的QMS结果确认仪器;除一般子离子扫描功能外，QQQ还具有SRM、MRM、母离子扫描、中性丢失（Neutral loss）等功能（离子阱不行）对特征基团的结构研究有很大帮助。缺点：分辨力不足，容易受m/z近似的离子干扰;售价较高;需要认真维护。四、 四极离子阱，QTrap技术上而言，在传统QQQ的四极杆中加入了辅助射频，可以做选择性激发；或者就功能而言，为QQQ提供了多级串级的功能。优势：同时具备MRM、SRM、中性丢失和多级串级功能，非常适合于未知样品的结构解析。缺点：分辨力还是低了点。五、线性离子阱，Linear Ion Trap传统3D离子阱的增强版本.优点：相对于传统3D离子阱，灵敏度高10倍以上;多级串级质谱.缺点：相对于QQQ，还是不能做MRM、中性丢失等特征基团筛选功能.六、 四极杆飞行时间串联质谱，QTOFQTOF以QMS作为质量过滤器，以TOFMS作为质量分析器。优点：能够提供高分辨谱图;定性能力好于QQQ;速度快，适合于生命科学的大分子量复杂样品分析。缺点：成本高;需要仔细维护。七、离子阱-飞行时间质谱，Trap TOF以3D离子阱作为质量选择器和反应器，结合了离子阱的多级质谱能力和飞行时间质谱的高分辨能力。
优点：同时具有多级串级和高分辨能力，适合于未知样品的定性工作，如糖蛋白的定性。
缺点：由于离子阱容量限制，对于混合样品的灵敏度欠佳;定量能力弱。
八、 磁质谱，Sector MS磁质谱的定量能力是各种质谱中最强的。现在已较少使用，仅用于地质元素和痕量二恶英的检测。优点：技术经典、成熟，NIST等MS库采用的仪器;分辨力非常好（100k，m/&Delta m FWHM），干扰少;灵敏度高，定量能力是各种质谱中最好的。缺点：体积、重量大;售价很高;速度慢;维护复杂，很费电。九、傅立叶变换质谱仪，FT-ICR-MS据说是质谱中的贵族，质量精度超级好，几个月都不需要校正。但是价格也是贵的让人心寒啊。傅立叶变换质谱仪的分辨能力最高，常作为高端科学研究的装备。优点：能够做多级串级，定性能力极好;分辨力极高;灵敏度很好;缺点：体积重量大;售价极高;速度也较慢;维护费用非常昂贵。十、 静电场傅立叶变换质谱，Orbitrap优点：高分辨，60k～120kFWHM，质量精度高；相对FT-ICR而言，价格稍低（～450kUSD）；缺点：不能单独做串级；分辨力、灵敏度、质量稳定性等离FT-ICR还有距离。目前，质谱联用技术已经非常成熟，凭借其应用范围广、灵敏度高、分析速度快、信息量大、重现性好等特点被广泛应用于食品、药学、环境等领域。

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/673023029