液质联用中的质谱——质量分析器（上）

　　质量分析器目前已知的有6种，2023年ASMS上赛默飞推出了一种新型的质量分析器，它类似于TOF的原理，但和传统的TOF设计有较大差别，所以也可以称为第7种质量分析器。这7种质量分析器分别为：扇形磁场、四极杆、离子阱、飞行时间、FTICR、Orbitrap、Astral。扇形磁场常配合EI源使用，所以在LC-MS中不再介绍，下面分别介绍其它6种。真正的LC-MS仪器中，还常常采用多个质量分析器串联的方式，下面也会介绍几种典型的串联质谱。此部分内容篇幅较长，将分为上下两篇。

　　四极杆Quadruple

　　1953年，德国的Wolfgang Paul和Helmut Steinwedel描述了四极杆（Quadruple）质谱仪，其原理是控制离子随着交流（AC）、直流（DC）电场运动。在特定电场作用下，离子运动轨迹与质荷比有关，如果运动轨迹不稳定就会撞击分析器的电极或偏离电场区无法被利用。简而言之，通过控制电场可选择特定质荷比的离子稳定地通过四极杆到达检测器。

四极杆示意图：红色离子通过，蓝色离子无法通过

　　四极杆的几何形状参照双曲面设计，理论的四极场中，四极杆的内表面为双曲面，但加工难度过高，因此绝大部分四极杆目前都采用圆柱状杆。加入直流与交流电场后，离子的运动模式遵循马修方程（Mathieu Equation），可得到离子运动的稳定区与不稳定区。通过扫描质量，可使特定质荷比的离子依次通过稳定区检测。

　　若要增加四极杆的质量分析上限，可以（1）增加射频电压振幅、（2）降低射频频率或（3）降低四极杆电极间的距离。但（1）和（3）容易造成电极间放电，破坏稳定场条件而无法让离子通过；（2）会牺牲质量分辨能力，因此设计时需综合考虑性能需求。目前商用四极杆质量分析器m/z不会超过4000 Da，分辨率约为单位质量分辨（m/z 500时分辨率1000）。

　　若将直流电场设为零，只保留交流电压（RF Only），此时四极杆成为一个离子传输管（见上文离子传输部分），并可与六极杆、八极杆组合使用。这时的四极杆相当于一个带通滤波器，只有质荷比适中的离子才能稳定地通过四极杆。

　　四极杆的突出优点是：连续流（非脉冲）从而“忠实”于离子源产生的离子流，可以精确地选择离子到达检测器，因此定量最为准确；除了作为质量分析器，还可以作为离子传输装置。

　　离子阱Ion Trap

　　两位德国科学家Paul和Dehmelt因“发展了离子阱技术”而共同获得了1989年的诺贝尔物理学奖。其中，Paul于1953年提出了一种“没有磁场的新型质谱仪”；Dehmelt在荷兰科学家Penning工作的基础上，在1959 年创造了第一个“磁控管”式的离子陷阱，并将其命名为“Penning 阱”。此处主要介绍的是仅需电场的Paul阱。1985年，Kelley、Stafford、Stephens共同提出了质量选择不稳定性理论，并成为离子阱最重要的操作模式。

　　离子阱（Ion trap）也属于四极质量分析器，不同的是在z轴增加了一个束缚场，形成一个可以捕获离子的三维电场。它由一对环形电极和一对上下对称的端盖电极组成，这些电极的几何形状为双曲面。

离子阱示意图

　　当离子阱要捕获所有离子时，常关闭直流电场仅保留交流电场，在马修方程中，有一个重要的操作参数是q_z=0.908，如果离子对应的q_z值超过0.908就会被抛出离子阱。当扫描离子时，在环形电极加入射频场（即交流电场），而上下端盖电极则同时接地。通过扫描环形电极的交流电场可使离子逼近不稳定区而离开离子阱进入检测器。

　　商品化的离子阱还需考虑几个因素：高阶场的影响、缓冲气体的作用与共振激发。在端盖电极上开洞后会造成四极场变形产生高阶场，会影响离子阱性能，改善该问题如商用的LCQ离子阱，它伸长了端盖距离，可调控高阶项的作用改善性能。此外，商用离子阱均会加入氦气作为缓冲气体，气压约为1mTorr数量级，能够有效提升质谱的分辨率。第三种改善是共振抛出，将离子阱运行在较小的q_z值，可扩展质荷比范围。

　　离子阱的突出优点是：储存富集离子可获得高灵敏度；可以做多级MSⁿ从而更好地解析结构；由于离子阱体积小且对真空度要求较低，因此成本较低。

　　二维线性离子阱Linear Trap

　　三维离子阱的容量较小，有效捕获区域小，为了增加离子阱的容量、提升灵敏度、分辨率等性能，质谱学家们设计了二维线性离子阱，即在二维四极杆的轴向方向，用电场将离子束缚起来，可将被捕获离子的数量从百万个提升到千万个。赛默飞的Schwartz、Senko、Syka等于2002年提出径向开口的二维线性离子阱质量分析器设计，即商用的LTQ。由于径向（侧面）开口，还可以设计两个检测器接收离子。同年，SCIEX的Hager设计了轴向抛出的二维线性离子阱，它可与四极杆串联，成为QTrap质谱。后来的科学家们还设计了矩形离子阱等类似的二维线性离子阱。

左：径向检测的线性离子阱 右：轴向检测的线性离子阱

　　飞行时间TOF

　　1946年，W.E.Stephens提出飞行时间（Time-of-Flight，TOF）质量分析器，它利用静电场加速离子后，以离子飞行速度差异来分离不同质荷比的离子。在施加同样能量的电场后，离子进入一个无场的飞行管，质荷比大的离子飞得慢，质荷比小的离子飞得快。1955年，W.C. Wiley和 I.C.McLaren发明了第一台商用线性TOF质谱仪。

　　早期离子产生时的动能及位置差异会造成飞行时间差，分辨率不高。后来Wiley和McLaren使用延迟的高电压脉冲（时间延迟聚焦，Time-Lag Focusing）技术提升了分辨率；1973年Mamyrin还提出反射的TOF，进一步提升了分辨率。TOF与脉冲的MALDI配合最容易，而为了配合ESI等连续性离子源，人们设计了正交加速TOF质谱仪。这时可以用脉冲电压，让连续式的离子束经一狭缝脉冲式地、同一时间点进入TOF飞行管中。由于飞行管方向同离子源出口方向正交，离子初始速度差异小；但若仅以静电场聚焦，离子在不同方向上会扩散，改进方法时引入四极离子传输管，以射频场聚焦离子束，可提升TOF的分辨率。

正交加速反射TOF质谱仪示意图

　　打个比方来说，TOF的原理是让离子先获得相同的能量，站在同一起跑线上，同时开始赛跑。由于起始能量相同，质量小的跑得更快。飞行管这个赛道越长，TOF的分辨率就越高。但仅增长飞行管不是好办法，所以反射将增加飞行距离，除了“V形”一次反射，研发人员还设计了“W形”二次反射甚至多次反射的方法。当然，离子折返一次也会导致灵敏度下降。

TOF使用的各种多次反射示意图

　　TOF的突出优点是：在分辨率、灵敏度、速度方面均有不错的综合表现，反射型TOF常常可以获得超过10,000的高分辨，全扫描时的谱图采集速度很快。

　　傅里叶变换离子回旋共振FT-ICR

　　1949年J.A.Hipple首次描述了ICR技术，受到傅里叶变换（FT）技术应用于NMR、IR的启发，Marshall和Comisarow将FT技术用于ICR，并于1985年做出第一台商品化的FT-ICR MS。傅里叶变换离子回旋共振（Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance，FT-ICR）质量分析器是目前分辨率最高的质量分析器，适合准确质量的测定、多级质谱（MSⁿ）和进行离子/分子反应等。但分辨能力越高，需要的信号检测时间越长，对真空度的要求也越高。

　　FT-ICR的质量分析器由捕获电极、激发电极和检测电极组成，其结构可以是立方体、圆柱形或长方体等。离子在均匀的磁场中做回旋运动，当离子回旋频率与激发电极发出的射频电场频率相当而产生共振时，离子运动半径会逐渐扩大到足以在两个平行的检测电极上感应产生像电荷（Image Charge）。此时关闭激发电极的无线电场，并记录像电荷形成时域的ICR信号，使用傅里叶变换可将时域信号转换成频域谱图，谱图中的频率为离子质量与电荷的函数，所以可以直接转换为质谱图。值得注意的是，FT-ICR不需要将离子传送到检测器中，它检测的是感应信号。

傅里叶变换离子回旋共振质量分析器示意图

　　FT-ICR可进行宽频检测或窄频检测，前者检测的质量范围大，后者的分辨率更高、但缩小了质量范围。傅立叶变换（FT）分析测定离子回旋共振（指每秒完成的回旋数），不是作为频率的函数缓慢扫描，而是通过记录离子接近和离开探测器板时的回旋运动在探测器板中感应的所有振荡电荷。时域数据的FT变换一次产生所有的回旋频率，节省了约10,000倍的时间。

　　ICR具有更高分辨率和质量精度的原因是：超导磁体的稳定性为每小时十亿分之几（ppb）。四极杆和TOF仪器都需要约1-10 keV的电压，到目前为止不可能将这种电压稳定到优于万分之一。因此，FT-ICR 的分辨能力提高了10-100倍。基本上，ICR频率与磁场强度B成正比，任何两个ICR频率之间的差异也会增加，因此分辨能力与B成正比。

　　同时，磁体还可以将离子限制在垂直于B的平面中，ICR的动态范围和质量上限性能提高也需要更大的磁体。维持这样的磁体通常需要超导磁体，需要液氦的温度（<4K）来维持。目前FT-ICR MS的商品化仪器的市售磁体尺寸为4T，7T，9.4T，12T，15T，18T和21T。此外，时域信号维持越长，质量分辨率越高。目前FT-ICR MS最高可获得2,000万分辨率。FT-ICR需维持离子较长时间的回旋共振，因此需要超高真空。液氦维持超导磁体以及超高真空，都使FT-ICR质谱仪对环境的要求非常高。FT-ICR极其昂贵且维护成本极高。

接下来请见下篇：液质联用中的质谱：质量分析器（下）

目录：

前言：液质联用（LC-MS）简述

Chapter1、液质联用中的液相色谱

Chapter2、液质联用中的质谱

2.1离子源

2.2离子传输

2.3 质量分析器

2.4串联质谱（Tandem Mass Spectrometry，MS/MS）

2.5 检测器

2.6 真空系统

Chapter3、液质联用中的数据采集和分析