液質聯用中的質譜——串聯質譜篇（上）

發布時間：2023-09-19 16:50 原文鏈接：液質聯用中的質譜——串聯質譜篇（上）

　　在連接了前面的離子源、離子傳輸后，質譜的質量分析器還可以空間或時間的方式進行串聯分析（MS/MS或MSⁿ）。此時，第一個質量分析器用于選擇與分離母離子（Parent Ion，又稱前體離子Precursor Ion），被選擇的母離子碎裂后產生子離子（Daughter Ion，又稱產物離子Product Ion）及中性碎片。子離子被傳送到第二個質量分析器中分析獲得MS²。離子阱和FTICR型串聯質譜儀還可選擇MS²譜圖中的某個子離子，將其選擇與分離后再次碎裂為MS³，甚至得到更多級的MSⁿ。實際應用中僅靠空間串聯一般只能獲得MS²，而加入阱類（離子阱、FT-ICR）等時間串聯分析器后可以獲得MSⁿ。當然多次碎裂后，離子的數目會快速遞減，造成信號過低無法檢測。本文舉幾例常見的串聯質譜儀，篇幅較長分為上、中、下三篇。

　　三重四極桿質譜儀

　　三重四極桿質譜儀（串聯四極桿質譜儀）是目前最廣泛使用的空間串聯質譜儀。最早的設計是采用三組四極桿（Q），但只有Q1和Q3具有質量分析功能，以組合射頻和直流電位的方式進行質量選擇；Q2用作碰撞室，僅以射頻電位方式操作，讓不同質量的離子均能通過，并實現離子的聚焦。在許多商品儀器中，Q2已不是四極桿，前面介紹的用于離子傳輸的Q0也有很多不是四極桿。

三重四極桿質譜儀示意圖

　　Q2碰撞室一般充入氦氣或氮氣，氣體壓力約10^-3 mbar，和分析物離子發生碰撞，碰撞能量數量級約在百電子伏特內。這種碰撞稱為碰撞誘導解離（Collision-Induced Dissociation，CID），有時也稱為碰撞活化解離（Collision-Activated Dissociation）。實驗中可以選擇碰撞能量，一般來說質荷比越大所需碰撞能量越高。所以在三重四極桿質譜做定量工作時，可以針對分析物不同的母離子來優化碰撞能量，找到比較適合的碰撞能量。

　　三重四極桿質譜儀之所以使用最為廣泛，是由于它最適合于定量分析。根據目標物實現定量分析后，一般可以將方法普及為標準，就會有更多人使用。適合定量分析的原因有幾點：首先，在所有的質量分析器中，只有磁質譜和四極桿適合于連續流分析，其它都是秒沖式傳入離子。四極桿非常“忠實”于液相流入的連續流，沒有在非脈沖的時間間隔里丟失離子。其次，四極桿可以精確地選擇離子并傳送到后面的四極桿或檢測器，對于目標物分析來說非常可靠。第三，如果四極桿工作在SIM（選擇離子監測）或MRM（多重反應監測）模式時，分析通量/速度非常高，而上述模式正是定量所需要的。第四，在液質聯用中，基質比氣質聯用更為復雜，在Q1選擇離子后，可以大幅降低基質背景的干擾，而當Q2也選擇離子后，即以MRM方式采集信號時，去除了絕大部分背景，定量的靈敏度非常高。

　　時間串聯質譜儀

　　串聯質譜法可以在某些具有離子儲存功能的質量分析器上進行，其離子在不同時間點，可分別進行母離子選擇后儲存、離子活化（激發、解離）、子離子分離、掃描后排除扽該模式，這類儀器包括離子阱（包括三維離子阱和線性離子阱）、FT-ICR，它們通常可進行MSⁿ。離子阱和FT-ICR的不同在于，FT-ICR采用感應檢測、離子不必送出ICR池，因此可以連續檢測每一個階段的子離子；而離子阱需要將離子送出阱檢測，因此只能檢測一次子離子。即如果要檢測MS³，FT-ICR可以連續獲得MS、MS²、MS³譜圖，離子阱只能獲得MS³譜圖。

　　三維離子阱進行串聯質譜分析的步驟主要包括預掃描和分析掃描，分析掃描包括：離子注入，選擇隔離，活化碰撞碎裂，掃描推出檢測。預掃描主要用以計算單位時間的離子流量，來推算離子注入的時間，以避免離子進入過多產生空間電荷效應，預掃描的程序稱為自動增益控制（Auto Gain Control，AGC）。

離子阱串聯質譜全譜圖掃描的時間程序圖

　　在定性鑒定時，我們常希望獲得全掃描MS/MS譜圖，這時離子阱質譜儀的靈敏度優于三重四極桿質譜儀。比如在各種多組學的應用中，離子阱更多被使用。然而離子阱分析器受限于低質量截止（Low Mass Cut-off，LMCO）效應，碎裂后的低質量碎片離子將無法穩定于離子阱內，使得串聯質譜遺失部分結構信息。此外，離子阱中，母離子是被以本征頻率相同的射頻激發活化而產生碎裂，且解離后的碎片離子已冷卻而無法再次碎裂；三重四極桿的碎片離子則可以持續遭遇碰撞活化而再次碎裂。比如，有時有些化合物容易形成脫水峰，即母離子脫水后的碎片為主要子離子，無法獲得更進一步的分子結構信息。這時可用寬帶激發（WideBand Activation）功能，使能量帶寬涵蓋母離子及子離子的共振激發頻率，使子離子形成后再度被激發活化碎裂，獲得豐富的結構信息。

離子阱質譜的寬帶激發獲得的MS/MS，上圖僅看到較強的脫水峰，下圖可得到豐富的結構信息

　　新一代的線性離子阱質譜儀是由兩段相同的線性離子阱串聯組成，前后兩段離子阱的差異在于其在不同的氣壓環境下操作。離子阱中導入氣體（如氦氣）可以借由碰撞冷卻來提升捕獲效率，進而提升分辨率，同時作為碰撞氣。在單段式線性離子阱中，各項離子操作及檢測在同一空間進行，因此為兼顧各項操作的效率，需選擇一個折衷的優化氣壓（2.0×10^-3~3.0×10^-3 Torr），在此氣壓下，離子捕獲效率約為60%。兩段式串接的線性離子阱中間以一片具有直徑2.5mm小孔的隔板電極，分隔前后兩端離子阱內部的氣壓。前端阱為高壓阱（約5.0×10^-3 Torr），可用于捕獲、選擇隔離、碰撞裂解離子，好處包括：（1）捕獲效率可提升至90%以上，而捕獲效率越高，填滿離子阱所需時間越短，因此可大幅縮短掃描循環時間。（2）對于碰撞活化來說，在相同的碎裂效率下所需時間可從35毫秒縮短至10毫秒。（3）離子碎裂效率提升，因此可提高MSⁿ的靈敏度。

　　第二段線性阱是低壓阱（3.5×10^-4 Torr），進行質量分析（母離子-子離子掃描、共振推出阱）操作，低壓環境提供較快的掃描速度及較高的分辨率。在相同分辨率下，兩段式線性阱的掃描速度約是單段阱的2倍。除此之外，前后兩端可同時進行不同的程序，即后段阱掃描離子時，前段阱在準備下一個循環的離子捕獲、激發、碎裂，因此兩段式線性阱可大幅縮短掃描循環所需的時間。

兩段式二維線性離子阱質譜儀示意圖

　　四極桿-飛行時間質譜儀（Q-TOF MS）

　　在串聯質譜儀中，如果不同種類的質量分析器串聯，則稱為雜合質譜儀（Hybrid Mass Spectrometer，或復合質譜儀）。四極桿-飛行時間質譜儀（Q-TOF MS）結合了四極桿和TOF的優勢，1995年推出第一臺商品化儀器后，很快成為受歡迎的雜合質譜儀。

四極桿-飛行時間雜合質譜儀（Q-TOF MS）示意圖

　　Q-TOF質譜儀的Q1和Q2區類似三重四極桿的功能，母離子在Q2碰撞室碎裂后產生的子離子，進入TOF中完成MS/MS的串聯分析。商品化的Q-TOF多采用脈沖式正交加速設計。Q-TOF還可彈性搭配MALDI或ESI源。

　　比較三重四極桿QqQ和Q-TOF質譜儀，在子離子全譜掃描分析時，QqQ的Q3四極桿掃描記錄任何一個質荷比的工作周期（Duty Cycle）很低，甚至可低于0.1%，因此靈敏度低；而將Q3改為TOF來記錄全譜圖，因為離子是同時間記錄，Duty Cycle高于QqQ，因此子離子掃描模式下，Q-TOF比QqQ靈敏度高。但當QqQ工作在SRM（選擇反應監測）模式下時，對于被選擇的質荷比的Duty Cycle可達100%，這時QqQ的靈敏度很高；而對于Q-TOF，即使采用SRM，靈敏度和子離子掃描也沒有什么區別。

　　當然Q-TOF的Duty Cycle很難達到100%，因為一次脈沖推出后，必須等待所有離子抵達檢測器后才會施加再一次的脈沖推出離子，相鄰兩次的脈沖均有時間間隔。大部分正交加速設計的Q-TOF的Duty Cycle約為5%~30%，取決于質荷比、掃描質量范圍、儀器硬件參數等。較新的儀器設計，多以設置具有離子堆積功能的裝置（Ion Gate）或具有離子儲存功能的線性離子阱來提高Duty Cycle。比如，布魯克的TimsTOF系列采用的離子淌度裝置兼有儲存離子的功能，SCIEX的ZenoTOF系列也采用了Zeno阱，Waters的SELECT Series，島津的RF carpet trap均有類似設計。接下來會專門介紹離子淌度技術。

　　目前，商品化的Q-TOF質譜儀的TOF分辨率大概為20,000~80,000，Waters新推出的MRT系統，TOF利用了多反射的原理，可以達到優于20萬的分辨率。