質(zhì)譜儀是通過對被測樣品離子的質(zhì)荷比(m/z)的測定來進行分離和檢測的儀器。被分析的樣品首先要離子化，然后利用不同離子在電場或磁場中的運動行為不同，把離子按質(zhì)荷比分開而得到質(zhì)量譜圖，通過樣品的質(zhì)量譜圖和相關(guān)信息，可以得到樣品的定性定量結(jié)果。

作為一種功能強大的分析工具，質(zhì)譜具有高靈敏度和高質(zhì)量精度。質(zhì)譜技術(shù)作為最重要的研究手段在疾病發(fā)生發(fā)展、藥物治療、環(huán)境暴露等各領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。

串聯(lián)質(zhì)譜的工作原理

為了得到更多的有關(guān)分子離子和碎片離子的結(jié)構(gòu)信息，早期的質(zhì)譜工作者把亞穩(wěn)離子作為一種研究對象。所謂亞穩(wěn)離子(metastable ion)是指離子源出來的離子，由于自身不穩(wěn)定，前進過程中發(fā)生了分解，丟掉一個中性碎片后生成的新離子，這個新的離子稱為亞穩(wěn)離子。

這個過程可以表示為：m1+m2+ +N , 新生成的離子在質(zhì)量上和動能上都不同于m1+ , 由于是在行進中途形成的，它也不處在質(zhì)譜中m2的質(zhì)量位置。研究亞穩(wěn)離子對搞清離子的母子關(guān)系，對進一步研究結(jié)構(gòu)十分有用。于是，在雙聚焦質(zhì)譜儀中設(shè)計了各種各樣的磁場和電場聯(lián)動掃描方式，以求得到子離子，母離子和中性碎片丟失。盡管亞穩(wěn)離子能提供一些結(jié)構(gòu)信息，但是由于亞穩(wěn)離子形成的幾率小，亞穩(wěn)峰太弱，檢測不容易，而且儀器操作也困難，因此，后來發(fā)展成在磁場和電場間加碰撞活化室，人為地使離子碎裂，設(shè)法檢測子離子，母離子，進而得到結(jié)構(gòu)信息。這是早期的質(zhì)譜-質(zhì)譜串聯(lián)方式。

隨著儀器的發(fā)展，串聯(lián)的方式越來越多。尤其是20世紀80年代以后出現(xiàn)了很多軟電離技術(shù)，如ESI、APCI、FAB、MALDI等，基本上都只有準分子離子，沒有結(jié)構(gòu)信息，更需要串聯(lián)質(zhì)譜法得到結(jié)構(gòu)信息。因此，近年來，串聯(lián)質(zhì)譜法發(fā)展十分迅速。

常見質(zhì)譜儀的種類

質(zhì)譜儀的種類非常多，根據(jù)質(zhì)量分析器的不同，可將質(zhì)譜分為離子阱質(zhì)譜、四級桿質(zhì)譜、軌道阱質(zhì)譜、飛行時間質(zhì)譜、傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜、磁質(zhì)譜等等。

目前常見的質(zhì)譜多為它們的串聯(lián)形式，如四級桿串聯(lián)飛行時間(Q-TOF)、四級桿串聯(lián)軌道阱(QE)、三重四級桿(QQQ)、三重四級桿復(fù)合線性離子阱(Q-TRAP)。如果按分辨率劃分，前兩者屬于高分辨質(zhì)譜，后兩者屬于低分辨質(zhì)譜。為了增加結(jié)構(gòu)信息，大多采用具有串聯(lián)質(zhì)譜功能的質(zhì)量分析器,串聯(lián)方式很多，如Q-Q-Q，Q-TOF等。

? 基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜(MALDI-TOF MS)

一種常用的MS技術(shù)。MALDI是一種軟電離技術(shù)，通過使用激光能量產(chǎn)生具有最小碎片的離子。在TOF中，質(zhì)子化離子通過一個電場加速，使離子具有與有相同電荷的任何其他離子相同的動能。離子的速度取決于質(zhì)荷比(m/z)，離子到達檢測器所需的時間被測量。MALDI-TOF質(zhì)譜儀可以分析多種生物分子，包括肽和碳水化合物。

? 三重四極桿質(zhì)譜(TQMS或QQQ)

一種串聯(lián)質(zhì)譜儀，目前普遍使用的四極桿質(zhì)譜，第一級四極桿選母離子，第二級四極桿作為碰撞室對母離子進行碰撞解離，第三級四極桿作為質(zhì)量分析器完成離子分析。TQMS可能是著名和使用廣泛的串聯(lián)質(zhì)譜，它相對簡單易用，并且具有良好的可重復(fù)性，可以低成本提供各種應(yīng)用。三重四極桿質(zhì)譜儀可用于結(jié)構(gòu)解析，提供有關(guān)碎片模式的信息。TQMS對于定量研究非常有用。由于提高了靈敏度和特異性降低了檢測和定量限，因此TQMS是許多領(lǐng)域的一個重要選擇，如藥物開發(fā)、臨床研究、環(huán)境研究等。

? 四極-阱質(zhì)譜(Quadrupole Trap MS)

一種混合三重質(zhì)譜儀。與經(jīng)典的三重四極桿質(zhì)譜儀不同，Q3可以作為一個標(biāo)準的四極桿質(zhì)譜過濾器也可以作為一個線性離子阱(LIT)，其靈敏度高于傳統(tǒng)的3D離子阱。該儀器保留了經(jīng)典的三重四極桿掃描功能(如選定反應(yīng)監(jiān)測，SRM)，也可用于靈敏的離子阱實驗。

? 混合線性離子阱軌道質(zhì)譜

結(jié)合了線性離子阱和高分辨率Orbitrap，是串聯(lián)質(zhì)譜儀中的一種。LIT使用一組四極桿在徑向上限制離子，在端電極上使用靜態(tài)電勢在軸向上限制離子。Orbitrap由一個軸對稱的質(zhì)量分析器組成，使離子繞著主軸做軌道運動。然后，檢測圖像電流，并通過傅立葉變換將其轉(zhuǎn)換為質(zhì)譜。這種混合質(zhì)譜儀廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)分析。

? 四極-Orbitrap質(zhì)譜

結(jié)合了高性能四極桿前體選擇與高分辨率、精確質(zhì)量(HR/AM)Orbitrap檢測，其第一個質(zhì)量分析器是四極桿，第二個是高分辨率Orbitrap?？梢赃_到亞PPM級，其核心部分是一個具有離子儲存功能的C-Trap和質(zhì)量分析器Obitrap。它可以廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、食品安全、毒理學(xué)等各個領(lǐng)域。百泰派克生物科技可以使用四極桿-Orbitrap質(zhì)譜儀提供各種服務(wù)。

? 四極桿(Q)質(zhì)譜儀

有多種組合類型，早期主要是單級四極桿質(zhì)譜儀，該儀器與ESI或APCI離子源聯(lián)用可以對分析物進行定性和定量分析。單級四極桿質(zhì)譜儀依靠選擇離子監(jiān)控(SIM)方式完成定量分析，但是單級四極桿不能進行真正意義上的串級質(zhì)譜分析(MS/MS)，只能通過源內(nèi)裂解模式得到部分碎片離子而實現(xiàn)類似MS/MS的功能。多級四極桿的發(fā)展使四極桿質(zhì)譜具有了強大的分析功能，可以實現(xiàn)所有的MS/MS掃描方式，包括子離子掃描、母離子掃描、中性丟失掃描等。

? 離子回旋共振(ICR)質(zhì)譜儀

傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FTICRMS)是質(zhì)譜中十分重要的一類儀器，它是根據(jù)離子在磁場中會進行回旋運動的特性設(shè)計的。FTICR是一種具有超高分辨率和質(zhì)量準確度的質(zhì)譜儀器，其核心部分是由超導(dǎo)磁體組成的強磁場，和置于磁場中的ICR盒組成。FTICR因有超導(dǎo)體存在，必須在液氦的溫度和超高真空的真空系統(tǒng)下工作，因此對環(huán)境的要求非常高。Obitrap質(zhì)譜儀與FTICR質(zhì)譜相比可以獲得更高的質(zhì)量精確度和分辨率，但是卻不需要超導(dǎo)磁場環(huán)境，維護起來也更方便。

? 混合型質(zhì)譜儀- Q-ToF

由四極桿質(zhì)譜和飛行時間質(zhì)譜組成的串聯(lián)型質(zhì)譜儀，因此無論是在MS或MS/MS模式下均具有較高的分辨率和質(zhì)量精確度。在MS模式下，四極桿具有離子導(dǎo)向作用；在MS/MS模式下，四極桿具有質(zhì)量分選功能，第一級四極桿對母離子進行選擇，離子的碰撞解離則在第二級四極桿中進行。裝有反射器的飛行時間(TOF)分析裝置與四極桿垂直配置，在MS和MS/MS狀態(tài)下均有質(zhì)量分析功能。在進行MS/MS質(zhì)譜實驗時，第一級四極桿質(zhì)譜選取單一離子并將它送入碰撞活化室與惰性氣體發(fā)生碰撞并使母離子發(fā)生誘導(dǎo)裂解，碰撞活化室由六極桿組成，在工作狀態(tài)下四極桿上僅有射頻電位，因而所有離子均能通過碰撞活化室，到達垂直飛行時間質(zhì)譜的加速器中，在推斥極的作用下，離子進入TOF-MS進行質(zhì)量分離，儀器的最終檢測器為高敏感性的微通道板。由于此儀器配以電噴霧電離源(ESI)和基質(zhì)輔助激光電離源(MALDI)，可以分別實現(xiàn)與高效液相色譜聯(lián)用或直接進樣。為適應(yīng)研究的需要進一步提高分辨率，此儀器裝有多級反射器(W型)，由于多級反射，其分辨率可達20000(FWHM)左右，Q-Tof可以進行多種模式的質(zhì)量檢測，主要包括MS Scan、TOF MS和TOFMS/MS，這些模式同樣可以用于負離子的檢測。

? 混合型質(zhì)譜儀- Q-IT

由四極桿和離子阱組成的混合型質(zhì)譜。例如，美國應(yīng)用生物系統(tǒng)公司研制的QTRAP就是這一類儀器的代表。該質(zhì)譜儀是將三重四極桿質(zhì)譜儀(QqQ)中的最后一級四極桿(Q3)改為線性離子阱(LIT)設(shè)計而成，并可以通過電噴霧(ESI)和大氣壓化學(xué)電離(APCI)與HPLC聯(lián)用。其獨特之處在于Q3同時具有線性離子阱和傳統(tǒng)四極桿的功能，且在離子阱模式下MS/MS的靈敏度比常規(guī)的三重四極桿型高出數(shù)十倍至數(shù)百倍，同時作為四極桿操作時保留傳統(tǒng)三重四級桿型的掃描模式，可以選擇子離子掃描(PROS)、母離子掃描(PRES)、中性丟失掃描(NLS)以及多反應(yīng)監(jiān)測或選擇反應(yīng)監(jiān)測(MRM 或SRM)，并且使全掃描方式的靈敏度提高。同時克服傳統(tǒng)3D 離子阱的一些缺點，如低質(zhì)量截止現(xiàn)象(1/ 3 效應(yīng))、碰撞效率低和定量分析性能較差等。因此，QTRAP的這種設(shè)計方式不但提高靈敏度而且也增加信息量，兼有定性和定量分析的功能，而且增加多種掃描功能和IDA(Information Dependant Acquistion)等軟件功能，使得QTRAP?型串聯(lián)質(zhì)譜儀很快在有機化合物結(jié)構(gòu)分析、藥物篩選及其代謝物定性及定量分析和蛋白分子研究等方面發(fā)揮獨特作用。

三重四級桿質(zhì)譜儀的掃描模式

? 全掃描(Full Scan)

原理是Q1掃描并放行一定質(zhì)荷比m/z范圍內(nèi)的所有母離子，母離子可直接穿過Q2和Q3并到達信號檢測器。一般想要得知未知物質(zhì)的分子量以及相應(yīng)的所有的碎片離子，都會進行全掃描，通過掃描得到的全譜，進行相應(yīng)的譜庫檢索從而得到未知物質(zhì)的相應(yīng)信息。該模式主要用于尋找母離子和對未知化合物進行定性。

? 單離子檢測(SIM，Selected Ion Monitoring)

也稱選擇離子掃描，是指針對一級質(zhì)譜而言，進行只掃一個離子的模式，并不是連續(xù)掃描某一范圍內(nèi)的質(zhì)量，而是通過設(shè)定有針對的掃描某幾個選定的質(zhì)量。選擇離子監(jiān)測模式時Q1掃描并只允許特定質(zhì)荷比m/z的母離子通過，母離子可直接穿過Q2和Q3并到達信號檢測器。該模式使用較少，主要用于不容易碰撞裂解產(chǎn)生碎片的化合物的監(jiān)測。

? 選擇反應(yīng)檢測(SRM，Selected Reaction Monitoring)

原理是Q1掃描并放行特定質(zhì)荷比m/z的母離子，到達Q2后和氮氣惰性氣體碰撞并裂解產(chǎn)生碎片離子，碎片離子進入Q3后被掃描并放行特定質(zhì)荷比m/z的子離子。Q1和Q3起到過濾離子的功能，而Q2的主要作用是打碎目標(biāo)物離子，形成子離子碎片。同時對多對母-子離子對的檢測，成為多選擇反應(yīng)檢測(MRM)。該掃描模式篩選特定的母離子及其碎片子離子，可大大提高選擇性，有效降低了假陽性率，是臨床檢測中常用的工作模式。

? 母離子掃描(Precursor Scan)

原理是Q1掃描并放行一定質(zhì)荷比范圍內(nèi)的所有母離子，這些母離子到達Q2后經(jīng)氮氣碰撞裂解產(chǎn)生子離子碎片，Q3只選擇掃描并放行特定的子離子。該模式主要用于子離子已知，母離子未知，尋找能產(chǎn)生該子離子的母離子。臨床上使用串聯(lián)質(zhì)譜法開展新生兒遺傳代謝病篩查時，可使用該模式來檢測樣本中的肉堿類化合物。

? 子離子掃描(Product Scan)

原理是Q1對特定質(zhì)核比的母離子放行，該母離子到達Q2后和氮氣分子碰撞裂解產(chǎn)生子離子碎片，Q3只掃描特定范圍質(zhì)核比的子離子。該模式主要用于判定質(zhì)荷比已知的母離子在碰撞裂解后能產(chǎn)生哪些子離子碎片，可用于化合物結(jié)構(gòu)解析和定性等。

? 中性碎片丟失掃描(Neutral Loss)

原理是Q1掃描并放行給定質(zhì)荷比范圍內(nèi)的所有母離子，這些母離子到達Q2后經(jīng)氮氣碰撞裂解產(chǎn)生子離子碎片，Q3只選擇掃描并放行母離子與子離子有特定質(zhì)量數(shù)差異的子離子。該模主要用于尋找能產(chǎn)生特定中性碎片的母離子。臨床上使用串聯(lián)質(zhì)譜法開展新生兒遺傳代謝病篩查時，可使用該模式來檢測樣本中的部分氨基酸類化合物。

高分辨質(zhì)譜儀的掃描模式

? 全掃描(Full Scan)

對一定范圍內(nèi)的質(zhì)核比均進行一級和二級掃描、所需檢測時間較長。

? 數(shù)據(jù)依賴性掃描(DDA，Data Dependent Scan)

對選定范圍內(nèi)的質(zhì)核比的母離子進行全掃描，然后對從全掃描質(zhì)譜中選擇的多個母離子(強度依賴)進行二級掃描。

? 數(shù)據(jù)非依賴模式掃描(DIA，data independent acquisition)

將選定范圍內(nèi)的質(zhì)核比分成若窗口，每個窗口的所有一級和二級碎片進行連續(xù)和無偏倚的采集。

質(zhì)譜儀是一種很好的定性鑒定用儀器，目前，在有機質(zhì)譜儀中，除激光解吸電離-飛行時間質(zhì)譜儀和傅立葉變換質(zhì)譜儀之外，所有質(zhì)譜儀都是和氣相色譜或液相色譜組成聯(lián)用儀器。這樣，使質(zhì)譜儀無論在定性分析還是在定量分析方面都十分方便。

同時，為了增加未知物分析的結(jié)構(gòu)信息，為了增加分析的選擇性，采用串聯(lián)質(zhì)譜法(質(zhì)譜-質(zhì)譜聯(lián)用)，也是目前質(zhì)譜儀發(fā)展的一個方向。也就是說，目前的質(zhì)譜儀是以各種各樣的聯(lián)用方式工作的。