质量分析器

二、质量分析器

质量分析器的作用是将加速后的带有样品信息的离子进行分离，并按质荷比（m/z）大小依次抵达检测器，记录各种离子的质量数和丰度，即得到按不同质荷比排列的离子质量谱，也就是质谱（mass spectrum）。质量分析器的主要技术参数是所能测定的质荷比的范围和分辨率。质量分析器是液质联用仪的核心，是确保仪器具有高灵敏性、高准确性、高选择性、宽检测范围等强大功能的重要部分。依据设计原理的不同，质量分析器分为以下类型：磁质谱仪、四级杆质谱仪、离子阱质谱仪、飞行时间质谱仪、傅里叶变换离子回旋共振质谱仪等。经液相色谱分离、离子源离子化的大量离子进入高真空的质谱体系，并进行一级碎裂、二级碎裂甚至多级碎裂，实现MS₁，MS₂以至MS_n的功能，从而使质谱能够分析质荷比从几十个到几万个道尔顿不等的质量碎片，更好地满足了分析检测的需要。

（一）质谱质量分析器的种类

1．扇形磁场质谱仪（magnetic sector mass spectrometer）离子源中生成的离子通过扇形磁场和狭缝聚焦形成离子束。离子束离开离子源后，进入垂直于其前进方向的磁场。不同质荷比的离子在磁场的作用下，前进方向产生不同的偏转，从而使离子束发散。由于不同质荷比的离子在扇形磁场中有特有的运动曲率半径，因此通过改变磁场强度，可以检测依次通过狭缝出口的离子，实现离子的空间分离，形成质谱。

磁质谱仪具有高分辨能力，常用于准确测定质量和高分辨选择离子监测。分辨率取决于狭缝宽度，提高分辨率会损失灵敏度。磁质谱仪是扫描式质谱仪器，灵敏度同时还取决于扫描速率，较慢的扫描速率具有较高的灵敏度。其与色谱技术联用时，由于需要较高的采样速率，这就限制了扇形磁场质谱仪的应用。

2．四极杆质谱仪（quadrupole mass spectrometer）四极杆质谱仪的基本结构如图30－3（彩插）所示，由4根平行的圆柱形金属杆电极组成，因而得名。2对电极之间的电位相反，当离子源所产生的离子束通过由直流固定电压和交流电压相重叠的高频双曲线电场（射频电场），在与电极平行的轴上聚焦，对于给定的直流和射频电压，满足分析条件的特定质荷比的离子沿着轴向稳定振动，而其他质荷比的离子则与电极碰撞而湮灭。将直流和射频电压以固定的斜率变化，可以实现质谱扫描功能。

四级杆质谱属于低分辨质谱，只有在测定成分是纯的且无化学杂质与之重叠时，才有可能进行准确质量测定。单极四极杆质谱仪对目标分析物的分析可以采用全扫描（scan）或选择离子监测（selected ion monitoring，SIM）两种不同的扫描模式。四级杆质谱仪性能稳定可靠，成本较低，扫描速度快，灵敏度高。尤其是SIM检测方式，它有最大的采集效率，有选择性地检测单个或几个质量离子，从而可降低信噪比，将灵敏度提高几个数量级，特别适用于定量分析。因此，与其他质谱仪相比，四级杆质谱仪是LC/MS应用最为广泛的一种质量分析器。

3．离子阱质谱仪（ion trap mass spectrometer）离子阱质谱仪亦称四级离子阱质谱仪（quadrupole ion trap mass spectrometer），由2个端盖电极和位于它们之间的类似四极杆的环电极构成（图30－4，见彩插）。端盖电极施加直流电压或接地，环电极施加射频（radio frequency，RF）电压，通过施加适当电压就可以形成一个势能阱（离子阱）。根据RF电压的大小，离子阱就可捕获某一质量范围的离子并加以储存，待离子累积到一定数量后，升高RF电压，离子按质量从大到小的次序依次离开离子阱，被电子倍增检测器检测。

离子阱质谱仪属于低到中分辨质量分析器，也具有全扫描和选择离子扫描功能。此外，还可利用离子储存技术，选择任意质量离子进行碰撞解离，实现二级或多级质谱（MS_n）的功能。但它由于通过采用离子储存技术，即在某一瞬间选择一母离子进行碰撞裂解，扫描获得子离子谱，而下一瞬间从子离子中再选择一个离子作为母离子再进行碰撞裂解，扫描获得更下一级的子离子谱。因此离子阱质谱只是在时间上实现多级质量分离，属于时间串联质谱。因其体积小，结构简单，价格便宜，故在需要对多级质谱进行定性分析时，其应用较为广泛。

4．飞行时间质谱仪（time of flight mass spectrometer，TOFMS）飞行时间质谱仪是结构最为简单的质量分析器，它由一段线性同轴的无场飞行管构成，具有相同动能、不同质量的离子，因其飞行速度不同而分离，质量小的离子由于飞行时间短而首先到达检测器。新发展的飞行时间分析器具有大的质量分析范围和较高的质量分辨率，尤其适用于蛋白质等生物大分子的分析。

5．傅里叶变换离子回旋共振质谱仪（Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer，FTI-CRMS）傅里叶变换离子回旋共振质谱仪，简称傅里叶变换质谱仪（FTMS），其基本原理基于离子回旋共振技术。在一定强度的磁场中，离子被迫做任意圆周运动，离子运行轨道受共振变换电场限制。当射频电场频率和离子回旋频率相同时，离子回旋速度和运动轨道半径增大，动能也越来越大。当大量不同质量离子存在时，只有能与射频产生共振的离子才给出响应信号。当射频电场消失时，沿轨道环形的离子在电极上因感应产生交变电流信号。对信号频率信息进行傅里叶变换，可获得相应质谱信息。

傅里叶变换质谱仪的优点为分辨率非常高，可检测的质量范围也较宽。但其需采用超导磁场及高真空，硬件、软件均较为复杂，仪器价格和使用费用均较高，因而多应用于高端研究。

（二）串联质谱

由于LC/MS的电离方式多采用软电离技术，质谱所获基本上是准分子离子，而其他的碎片离子较少。为了获得更丰富的结构信息，加强其定性能力，因此LC/MS的MS部分常常采用串联技术。2个或更多的质谱连接在一起，即称为串联质谱。

串联质谱可分为2类：时间串联（tandem in time）和空间串联（tandem in space）。时间串联质谱仪只有一个质量分析器，且具有时间顺序上的离子储存能力，可在前一时刻选定某一个或几个特定的离子，在分析器内进行碰撞裂解，然后在后一时刻获得其子离子谱。离子阱质谱仪和离子回旋共振质谱仪属于时间串联型质谱仪，二者均只有一个质量分析器，但其具有多级质谱的功能。离子阱质谱仪因其价格相对低廉而又具有多级质谱的功能，故在法医毒物定性分析方面应用较为广泛。

空间串联由2个以上的质量分析器组成，两个分析器间有一个碰撞活化室。空间串联可分为2种形式，一种为同种类型的质量分析器串联，如四级杆串联等；而另一种为混合型串联质谱（hybrid mass spectrometry），如四级杆－离子阱串联质谱（quadrupole ion traps mass spectrometer）。最简单的空间串联质谱（MS/MS）由2个质谱串联而成，其中第一级质量分析器（MS₁）将离子预分离或加以能量修饰，由第二级质量分析器（MS₂）分析结果。最常见的串联质谱为三重四极杆串联质谱（triple quadrupole mass spectrometer），其原理如图30－5（彩插）所示。第一级（Q1）和第三级四极杆分析器（Q3）分别为MS₁和MS₂，第二级四极杆分析器（Q2）所起的作用是进行碰撞诱导解离：选择从MS₁得到一定质量的离子作为母体离子进入碰撞室，与室内充有的碰撞气体（常用气体为He，Ar，Xe，CH₄等）进行碰撞诱导裂解，发生离子－分子碰撞反应，从而实现母离子碎裂，产生的“子离子”进入MS₂再行分析。

三重四级杆质谱的高稳定性使其在定量分析上有广泛应用，同时它的子离子、母离子、中性碎片丢失扫描、多反应离子监测等强大功能使其在法医毒物及滥用药物快速筛选分析应用方面备受青睐。