液质联用中的质谱——质量分析器（下）

　　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。接下来介绍后面轨道阱Orbitrap和非对称轨道无损质量检测器（Asymmetric Ion Mirrors, Astral）。

　　轨道阱Orbitrap

　　轨道阱（Orbitrap）利用直流电场将离子局限于阱中，并运用傅里叶变换技术将时域信号转换到频域，再经换算得到离子的质荷比信号。离子被局限在固定的轨道内长时间高速周期运动，因此可获得数十万甚至上百万的高分辨率。在获得与FT-ICR近似分辨率性能的同时，Orbitrap不使用强磁场而使用直流电场，使用简单、维护成本低，是近年来质谱领域的重大突破。

　　1923年，Kingdon发明一个称为Kingdon trap的离子捕集装置。该装置不使用任何磁场或高频电场，仅使用静电场捕集离子。用于捕集离子的静电场是由一个作为外电极的金属圆筒和一条作为中心电极的细铜线构成。在两个电极之间施以直流电压，即可建立一个以中心电极为轴心的非线性对数电场。离子可沿轴线运动、可以稳定，不会撞壁，但却无法沿轴向引出。

　　受到Kindon阱启发，俄罗斯的Markarov发明了Orbitrap，1999年在ASMS首次发表时分辨率达15万。Markarov后加入赛默飞公司，第一台商品化的LTQ-Orbitrap串联质谱仪于2005年推出。Orbitrap的势能场包括四极势能场和对数形的柱状电容场，形成纺锤状的中心电极，再搭配围绕中心电极的左右两个外围电极。离子在 Orbitrap内飞行，受到中心静电场的引力，围绕中心纺锤形电极做圆周轨道运动，路径好比缠绕在纺锤上的线。被捕集到的离子在纺锤形电场中的运动轨迹是一个复杂的螺旋形，有径向、轴向和回旋三种运动，但只有轴向振荡频率ωz可用于质量分析，因为它完全独立于离子的能量以及空间分布。由于离子于轨道内像行星（如地球）绕行恒星（如太阳）一样进行简谐振动，所以这种质量分析器定名为轨道阱（Orbitrap）。

Orbitrap轨道阱示意图

　　离子在Orbitrap内的简谐运动可由左右两个外围电极检测，再将像电荷的时间信号进行傅里叶变换，得到高分辨率的质谱图。ESI是连续流的，如何使离子从外部进入Orbitrap是一项关键的设计。C-Trap是Markarov加入赛默飞后设计的，它具有富集离子，有效聚焦，有效注入离子到轨道的作用。

LTQ-Orbitrap的设计示意图

非对称轨道无损质量检测器（Asymmetric Ion Mirrors, Astral）

　　2023年，赛默飞推出Astral，目前它主要用于和Orbitrap配合使用，主要用于串联MS/MS检测。总体原理有点像多次往返的TOF，但离子的飞行轨道和传统TOF非常不同。它的主要特点是：可以在高达200 Hz的速度下碎裂离子，同时分辨率达到8万。

Astral质量分析器示意图

　　离子首先从离子导向多极杆传输到离子处理器（Ion processor）中，该处理器以高达200 Hz的速度捕获并碎裂离子。然后，所得离子通过一系列注入透镜（injection optics）使其准确地对齐离子束并提高灵敏度。离子进入一个开放式的静电阱，并通过无网格的非对称离子镜（ion mirrors）和离子箔（ion foil）的组合进行非对称横向振荡，该离子镜可产生27米的非对称轨道，分辨率高达80,000（@ m/z 524），离子箔则能在三个维度上使离子束保持形态和聚焦，以提高分辨率和灵敏度。离子的检测是由一个新型的高动态范围检测器进行检测，该检测器能够实现超高灵敏度的单个离子检测以及超过1000:1的高动态范围检测，并且低噪音和长寿命。Astral质量分析器的传输效率非常高，超过90%的离子进入质量分析器后到达检测器，实现超高灵敏度的同时不损失扫描速度和高分辨率。

　　赛默飞的技术人员谈到了几个方面来说明Astral的独特性。Astral不是TOF，而是结合了TOF、离子阱和Orbitrap技术的一种新型分析器。首先，TA借鉴了Orbitrap的特性。考虑Astral应该从离子处理器（Ion processor）开始，就像考虑Orbitrap也需考虑前端的C-Trap一样，离子注入Astral时必须“发射”到某一个点上，才能继续地运动，它也不是直线飞行，而是沿着曲线轨道路径，从这点上来说，Astral借鉴了很多Orbitrap的设计。其次，离子处理器具有类离子阱的特性，因为它可以储存和富集离子，但同时它也是一个碰撞池，由它产生MS/MS的子离子。第三，分辨率和离子沿轨道飞行的时间长短有关，而且在离子处理器中，离子进行了空间聚焦，有点类似TOF的延迟提取技术，从这些方面来说，它和TOF类似。

接下来请见下篇：液质联用中的质谱：串联质谱（上）

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