液質(zhì)聯(lián)用中的質(zhì)譜——串聯(lián)質(zhì)譜篇（上）

2023.9.19

　　在連接了前面的離子源、離子傳輸后，質(zhì)譜的質(zhì)量分析器還可以空間或時(shí)間的方式進(jìn)行串聯(lián)分析（MS/MS或MSⁿ）。此時(shí)，第一個(gè)質(zhì)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(chǎn)生子離子（Daughter Ion，又稱產(chǎn)物離子Product Ion）及中性碎片。子離子被傳送到第二個(gè)質(zhì)量分析器中分析獲得MS²。離子阱和FTICR型串聯(lián)質(zhì)譜儀還可選擇MS²譜圖中的某個(gè)子離子，將其選擇與分離后再次碎裂為MS³，甚至得到更多級(jí)的MSⁿ。實(shí)際應(yīng)用中僅靠空間串聯(lián)一般只能獲得MS²，而加入阱類（離子阱、FT-ICR）等時(shí)間串聯(lián)分析器后可以獲得MSⁿ。當(dāng)然多次碎裂后，離子的數(shù)目會(huì)快速遞減，造成信號(hào)過(guò)低無(wú)法檢測(cè)。本文舉幾例常見的串聯(lián)質(zhì)譜儀，篇幅較長(zhǎng)分為上、中、下三篇。

　　三重四極桿質(zhì)譜儀

　　三重四極桿質(zhì)譜儀（串聯(lián)四極桿質(zhì)譜儀）是目前最廣泛使用的空間串聯(lián)質(zhì)譜儀。最早的設(shè)計(jì)是采用三組四極桿（Q），但只有Q1和Q3具有質(zhì)量分析功能，以組合射頻和直流電位的方式進(jìn)行質(zhì)量選擇；Q2用作碰撞室，僅以射頻電位方式操作，讓不同質(zhì)量的離子均能通過(guò)，并實(shí)現(xiàn)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?shù)腝0也有很多不是四極桿。

三重四極桿質(zhì)譜儀示意圖

　　Q2碰撞室一般充入氦氣或氮?dú)?，氣體壓力約10^-3 mbar，和分析物離子發(fā)生碰撞，碰撞能量數(shù)量級(jí)約在百電子伏特內(nèi)。這種碰撞稱為碰撞誘導(dǎo)解離（Collision-Induced Dissociation，CID），有時(shí)也稱為碰撞活化解離（Collision-Activated Dissociation）。實(shí)驗(yàn)中可以選擇碰撞能量，一般來(lái)說(shuō)質(zhì)荷比越大所需碰撞能量越高。所以在三重四極桿質(zhì)譜做定量工作時(shí)，可以針對(duì)分析物不同的母離子來(lái)優(yōu)化碰撞能量，找到比較適合的碰撞能量。

　　三重四極桿質(zhì)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(jù)目標(biāo)物實(shí)現(xiàn)定量分析后，一般可以將方法普及為標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)有更多人使用。適合定量分析的原因有幾點(diǎn)：首先，在所有的質(zhì)量分析器中，只有磁質(zhì)譜和四極桿適合于連續(xù)流分析，其它都是秒沖式傳入離子。四極桿非?！爸覍?shí)”于液相流入的連續(xù)流，沒(méi)有在非脈沖的時(shí)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(cè)器，對(duì)于目標(biāo)物分析來(lái)說(shuō)非?？煽?。第三，如果四極桿工作在SIM（選擇離子監(jiān)測(cè)）或MRM（多重反應(yīng)監(jiān)測(cè)）模式時(shí)，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(zhì)聯(lián)用中，基質(zhì)比氣質(zhì)聯(lián)用更為復(fù)雜，在Q1選擇離子后，可以大幅降低基質(zhì)背景的干擾，而當(dāng)Q2也選擇離子后，即以MRM方式采集信號(hào)時(shí)，去除了絕大部分背景，定量的靈敏度非常高。

　　時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜儀

　　串聯(lián)質(zhì)譜法可以在某些具有離子儲(chǔ)存功能的質(zhì)量分析器上進(jìn)行，其離子在不同時(shí)間點(diǎn)，可分別進(jìn)行母離子選擇后儲(chǔ)存、離子活化（激發(fā)、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?？蛇M(jìn)行MSⁿ。離子阱和FT-ICR的不同在于，F(xiàn)T-ICR采用感應(yīng)檢測(cè)、離子不必送出ICR池，因此可以連續(xù)檢測(cè)每一個(gè)階段的子離子；而離子阱需要將離子送出阱檢測(cè)，因此只能檢測(cè)一次子離子。即如果要檢測(cè)MS³，F(xiàn)T-ICR可以連續(xù)獲得MS、MS²、MS³譜圖，離子阱只能獲得MS³譜圖。

　　三維離子阱進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜分析的步驟主要包括預(yù)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(cè)。預(yù)掃描主要用以計(jì)算單位時(shí)間的離子流量，來(lái)推算離子注入的時(shí)間，以避免離子進(jìn)入過(guò)多產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)，預(yù)掃描的程序稱為自動(dòng)增益控制（Auto Gain Control，AGC）。

離子阱串聯(lián)質(zhì)譜全譜圖掃描的時(shí)間程序圖

　　在定性鑒定時(shí)，我們常希望獲得全掃描MS/MS譜圖，這時(shí)離子阱質(zhì)譜儀的靈敏度優(yōu)于三重四極桿質(zhì)譜儀。比如在各種多組學(xué)的應(yīng)用中，離子阱更多被使用。然而離子阱分析器受限于低質(zhì)量截止（Low Mass Cut-off，LMCO）效應(yīng)，碎裂后的低質(zhì)量碎片離子將無(wú)法穩(wěn)定于離子阱內(nèi)，使得串聯(lián)質(zhì)譜遺失部分結(jié)構(gòu)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(fā)活化而產(chǎn)生碎裂，且解離后的碎片離子已冷卻而無(wú)法再次碎裂；三重四極桿的碎片離子則可以持續(xù)遭遇碰撞活化而再次碎裂。比如，有時(shí)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(wú)法獲得更進(jìn)一步的分子結(jié)構(gòu)信息。這時(shí)可用寬帶激發(fā)（WideBand Activation）功能，使能量帶寬涵蓋母離子及子離子的共振激發(fā)頻率，使子離子形成后再度被激發(fā)活化碎裂，獲得豐富的結(jié)構(gòu)信息。

離子阱質(zhì)譜的寬帶激發(fā)獲得的MS/MS，上圖僅看到較強(qiáng)的脫水峰，下圖可得到豐富的結(jié)構(gòu)信息

　　新一代的線性離子阱質(zhì)譜儀是由兩段相同的線性離子阱串聯(lián)組成，前后兩段離子阱的差異在于其在不同的氣壓環(huán)境下操作。離子阱中導(dǎo)入氣體（如氦氣）可以借由碰撞冷卻來(lái)提升捕獲效率，進(jìn)而提升分辨率，同時(shí)作為碰撞氣。在單段式線性離子阱中，各項(xiàng)離子操作及檢測(cè)在同一空間進(jìn)行，因此為兼顧各項(xiàng)操作的效率，需選擇一個(gè)折衷的優(yōu)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(nèi)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(shí)間越短，因此可大幅縮短掃描循環(huán)時(shí)間。（2）對(duì)于碰撞活化來(lái)說(shuō)，在相同的碎裂效率下所需時(shí)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M(jìn)Sⁿ的靈敏度。

　　第二段線性阱是低壓阱（3.5×10^-4 Torr），進(jìn)行質(zhì)量分析（母離子-子離子掃描、共振推出阱）操作，低壓環(huán)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(shí)進(jìn)行不同的程序，即后段阱掃描離子時(shí)，前段阱在準(zhǔn)備下一個(gè)循環(huán)的離子捕獲、激發(fā)、碎裂，因此兩段式線性阱可大幅縮短掃描循環(huán)所需的時(shí)間。

兩段式二維線性離子阱質(zhì)譜儀示意圖

　　四極桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（Q-TOF MS）

　　在串聯(lián)質(zhì)譜儀中，如果不同種類的質(zhì)量分析器串聯(lián)，則稱為雜合質(zhì)譜儀（Hybrid Mass Spectrometer，或復(fù)合質(zhì)譜儀）。四極桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（Q-TOF MS）結(jié)合了四極桿和TOF的優(yōu)勢(shì)，1995年推出第一臺(tái)商品化儀器后，很快成為受歡迎的雜合質(zhì)譜儀。

四極桿-飛行時(shí)間雜合質(zhì)譜儀（Q-TOF MS）示意圖

　　Q-TOF質(zhì)譜儀的Q1和Q2區(qū)類似三重四極桿的功能，母離子在Q2碰撞室碎裂后產(chǎn)生的子離子，進(jìn)入TOF中完成MS/MS的串聯(lián)分析。商品化的Q-TOF多采用脈沖式正交加速設(shè)計(jì)。Q-TOF還可彈性搭配MALDI或ESI源。

　　比較三重四極桿QqQ和Q-TOF質(zhì)譜儀，在子離子全譜掃描分析時(shí)，QqQ的Q3四極桿掃描記錄任何一個(gè)質(zhì)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(lái)記錄全譜圖，因?yàn)殡x子是同時(shí)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(dāng)QqQ工作在SRM（選擇反應(yīng)監(jiān)測(cè)）模式下時(shí)，對(duì)于被選擇的質(zhì)荷比的Duty Cycle可達(dá)100%，這時(shí)QqQ的靈敏度很高；而對(duì)于Q-TOF，即使采用SRM，靈敏度和子離子掃描也沒(méi)有什么區(qū)別。

　　當(dāng)然Q-TOF的Duty Cycle很難達(dá)到100%，因?yàn)橐淮蚊}沖推出后，必須等待所有離子抵達(dá)檢測(cè)器后才會(huì)施加再一次的脈沖推出離子，相鄰兩次的脈沖均有時(shí)間間隔。大部分正交加速設(shè)計(jì)的Q-TOF的Duty Cycle約為5%~30%，取決于質(zhì)荷比、掃描質(zhì)量范圍、儀器硬件參數(shù)等。較新的儀器設(shè)計(jì)，多以設(shè)置具有離子堆積功能的裝置（Ion Gate）或具有離子儲(chǔ)存功能的線性離子阱來(lái)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(chǔ)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(shè)計(jì)。接下來(lái)會(huì)專門介紹離子淌度技術(shù)。

　　目前，商品化的Q-TOF質(zhì)譜儀的TOF分辨率大概為20,000~80,000，Waters新推出的MRT系統(tǒng)，TOF利用了多反射的原理，可以達(dá)到優(yōu)于20萬(wàn)的分辨率。