几种常见的质谱仪器

　　长期以来，由于生物样品的非挥发性、热不稳定性以及分子量大等特征，质谱的应用仅局限于对小分子的分析。但上世纪80年代的两项电离技术的发明：基质辅助激光解吸附（MALDI）和电喷雾（ESI）技术，使这一情况发生了戏剧性变化，同时也促进了质谱仪器的巨大发展，包括新的质量分析器的研发和各种多级的复杂的仪器的设计和组合层出不穷，如混合型四极杆飞行时间质谱（Q-Q-ToF）、串联飞行时间质谱（ToF-ToF）、混合型离子阱傅利叶变换离子回旋共振质谱（IT-FTICR）、轨道回旋共振Orbitrap质谱等。如今的质谱不仅可以对生物分子进行简单的质量测定，还可以对其分子结构、修饰位点和修饰种类进行测定。

      生物质谱仪通常包括三个部分：离子源、质量分析器和检测器。质量分析器是质谱的核心元件，决定着生物质谱的灵敏度、分辨率、质量准确度和生成大量信息的碎片离子谱图的能力。

      目前在生物质谱领域有四种基本的质量分析器：飞行时间、四极杆、离子阱和傅利叶变换离子回旋共振、Orbitrap，它们的设计和性能不尽相同，各有其优点和劣势。这些分析器可以独立使用，也可以串联使用以发挥各自的优点。

　　1. 质谱仪器的种类

　　1.1 四极杆（Q）质谱仪

      四极杆质谱仪的质量分析器是由四根棒状的电极组成，两对电极中间施加交变射频场，在一定射频电压与射频频率下，只允许一定质量的离子通过四极杆分析器而达到检测器。四极杆质谱仪的突出优点是仪器结构简单，体积小，没有磁铁作分析器，所以没有磁滞效应，扫描响应速度快。其缺点是分辨率比较低。

      四极杆质谱仪有多种组合类型，早期主要是单级四极杆质谱仪，该仪器与ESI或APCI离子源联用可以对分析物进行定性和定量分析。单级四极杆质谱仪依靠选择离子监控（SIM）方式完成定量分析，但是单级四极杆不能进行真正意义上的串级质谱分析（MS/MS），只能通过源内裂解模式得到部分碎片离子而实现类似MS/MS的功能。

       多级四极杆的发展使四极杆质谱具有了强大的分析功能，可以实现所有的MS/MS扫描方式，包括子离子扫描、母离子扫描、中性丢失扫描等。三级四极杆是目前普遍使用的四极杆质谱，第一级四极杆选母离子，第二级四极杆作为碰撞室对母离子进行碰撞解离，第三级四极杆作为质量分析器完成离子分析。三级四极杆采集到的MS/MS质谱图信息量大，并且较少发生重排反应，因而四极杆的质谱数据质量要高于离子阱串联质谱数据。

　　1.2飞行时间（ToF）质谱仪

      对于飞行时间分析器，分析物的质荷比是根据分析物在真空飞行管中的飞行时间推算出的。飞行时间质谱的质量分析器由调制区、加速区、无场飞行空间和检测器等部分组成。样品分子电离以后，将离子加速并通过一个无场区，不同质量的离子具有不同的能量，通过无场区的飞行时间长短不同，可以依次被收集检测出来。早期的时间飞行质谱由于受飞行距离的限制，分辨率很低，近年来采用了一些调节离子飞行距离的离子光学系统和延迟技术，如各种离子反射透镜等，目前，飞行时间分析器的分辨率和质量精确度有了很大提高，一般的仪器的分辨率均可达到12000左右，质量准确度在经过严格的质量校正程序后可达到PPM级，而检测的离子质量范围达到几十万。

　　ToF质谱仪也经历了由单级向多级串联使用的发展历程。与四极杆质谱仪类似，单级ToF只具有简单的质量分析功能。不同的是，除了源内裂解外（当与MALDI联用时）离子在飞行过程中容易发生源后裂解（PSD）而产生亚稳离子，这种方式也能实现MS/MS分析的部分功能。ToF-ToF可能是目前应用最为广泛的质谱仪之一，其较快的图谱扫描速率（约100-200张图谱/秒）、高分辨率和高质量精确度极大地满足了蛋白质组学研究中的各种需求。AB公司生产的ABI4700 MALDI ToF-ToF是这类质谱仪器的代表，该仪器由MALDI离子源、两级ToF、高能碰撞池、离子反射镜及检测器等部分组成，离子在MALDI源中产生并被加速和聚焦，对于MS模式可以直接由线性检测器检测。MS/MS模式下，通过第一级ToF选择母离子进入高能碰撞池中碰碎，然后进入第二级ToF重新被加速并被分析。最近AB公司又推出了功能更加完善的ABI4800系统，可以看作是4700的升级产品。相对于ABI4700，ABI4800采用了垂直立式设计离子光路更长；另外，对靶系统和激光系统也进行了改进采用了与MALDI靶完全垂直的激光光路设计。

　　1.3 离子阱质谱仪

      离子阱质谱仪是一种串联质谱仪，在分析前先将离子聚集储存，离子阱是该仪器的核心部分，既可以作为碰撞室，又可以作为质量分析器。传统的离子阱（三维离子阱，即3D离子阱）由三个双面电极围成一个离子捕集室（一个环形电极，两个端盖电极），在环形电极射频电压的作用下，离子聚集在捕集室中心运动，在端盖电极上加电压可以选择出不同共振频率的离子进入检测器，也可以选择只有一种离子留在捕集室中，再用高速惰性气体碰撞诱导解离产生子离子，进行串联分析。离子阱可以储存所有从离子源进入阱中的离子，因此灵敏度极高。但同时，随着阱内离子数目的增加，空间电荷效应以及其他电场效应会导致被测离子频率的偏移，从而影响测量的准确度和分辨率，这种问题可以通过自动增益控制（AGC）设置控制进入离子阱的离子数量得以部分解决。线性离子阱（即2D离子阱）在3D离子阱基础上对离子阱的设计作了改进，使2D离子阱具有更大的离子容量和扫描速度。由此可见，离子阱的构造决定了离子阱只是一种中低分辨率的质谱，离子阱的优势在于，它具有非常强的离子储存和选择功能（RF电压扫描）。

　　1.4 离子回旋共振（ICR）质谱仪

      傅立叶变换离子回旋共振质谱（FTICRMS）是质谱中十分重要的一类仪器，它是根据离子在磁场中会进行回旋运动的特性设计的。FTICR是一种具有超高分辨率和质量准确度的质谱仪器，其核心部分是由超导磁体组成的强磁场，和置于磁场中的ICR盒组成。FTICR因有超导体存在，必须在液氦的温度和超高真空的真空系统下工作，因此对环境的要求非常高。Obitrap质谱仪器是目前世界上质量精确度最高的仪器，可以达到亚PPM级，其核心部分是一个具有离子储存功能的C-Trap和质量分析器Obitrap。Obitap分析器由一个纺锤状电极组成。离子在高压射频作用下从从C-Trap注入Obitrap，在Obitrap中离子在磁场的作用下围绕中央的纺锤状电极震荡旋转，同时产生轴向的镜像电流，通过傅立叶转换后获得离子的质谱信号。C-Trap 除了具有储存离子功能外，还能起到静息离子的作用，因此可以有效消除离子空间电荷效应。Obitrap质谱仪器与FTICR质谱相比可以获得更高的质量精确度和分辨率，但是却不需要超导磁场环境，维护起来也更方便。

　　1. 5 混合型质谱仪

      Q-ToF是由四极杆质谱和飞行时间质谱组成的串联型质谱仪，因此无论是在MS或MS/MS模式下均具有较高的分辨率和质量精确度。在MS模式下，四极杆具有离子导向作用；在MS/MS模式下，四极杆具有质量分选功能，第一级四极杆对母离子进行选择，离子的碰撞解离则在第二级四极杆中进行。装有反射器的飞行时间（TOF）分析装置与四极杆垂直配置，在MS和MS/MS状态下均有质量分析功能。在进行MS/MS质谱实验时，第一级四极杆质谱选取单一离子并将它送入碰撞活化室与惰性气体发生碰撞并使母离子发生诱导裂解，碰撞活化室由六极杆组成，在工作状态下四极杆上仅有射频电位，因而所有离子均能通过碰撞活化室，到达垂直飞行时间质谱的加速器中，在推斥极的作用下，离子进入TOF-MS进行质量分离，仪器的最终检测器为高敏感性的微通道板。由于此仪器配以电喷雾电离源（ESI）和基质辅助激光电离源（MALDI），可以分别实现与高效液相色谱联用或直接进样。为适应研究的需要进一步提高分辨率，此仪器装有多级反射器（W型），由于多级反射，其分辨率可达20000（FWHM）左右，Q-Tof可以进行多种模式的质量检测，主要包括MS Scan、TOF MS和TOFMS/MS，这些模式同样可以用于负离子的检测。

      Q-IT，即由四极杆和离子阱组成的混合型质谱。 例如，美国应用生物系统公司研制的QTRAP就是这一类仪器的代表。该质谱仪是将三重四极杆质谱仪（QqQ） 中的最后一级四极杆（Q3） 改为线性离子阱（LIT） 设计而成，并可以通过电喷雾（ ESI） 和大气压化学电离（APCI）与HPLC 联用。其独特之处在于Q3 同时具有线性离子阱和传统四极杆的功能，且在离子阱模式下MS/MS的灵敏度比常规的三重四极杆型高出数十倍至数百倍，同时作为四极杆操作时保留传统三重四级杆型的扫描模式，可以选择子离子扫描（PROS） 、母离子扫描（ PRES） 、中性丢失扫描（NLS） 以及多反应监测或选择反应监测（MRM 或SRM），并且使全扫描方式的灵敏度提高。同时克服传统3D 离子阱的一些缺点，如低质量截止现象（1/ 3 效应） 、碰撞效率低和定量分析性能较差等。因此，QTRAP的这种设计方式不但提高灵敏度而且也增加信息量，兼有定性和定量分析的功能，而且增加多种扫描功能和IDA （ Information Dependant Acquistion） 等软件功能，使得QTRAP™型串联质谱仪很快在有机化合物结构分析、药物筛选及其代谢物定性及定量分析和蛋白分子研究等方面发挥独特作用。分析测试百科网L\'T(t8?9q