质量分析仪的常见类型是什么？

任何核心质谱仪是质量分析仪。该成分将离子质量取决于其质量与电荷比（M/z）。类型包括飞行时间（TOF），四极杆，磁性扇形，离子陷阱和Orbitrap质量分析仪或组合系统（串联质谱（MS））。在本文中，我们考虑了一些常见的大众分析仪类型，它们的优势和缺点。

飞行时间（TOF）质量分析仪

质谱仪最常见的类型之一是TOF仪器。TOF质谱仪背后的基本原理取决于以下事实：离子可以根据其M/z比率分开，根据它们经过已知长度的飞行管以达到探测器的时间的长度。M/Z较低的离子将运行最快并首先到达检测器，而M/Z较大的离子将传播最慢并最后到达检测器。由于原理，这些质谱仪几乎总是与脉冲离子源一起使用。正是由于这个原因，由于激光器也经常以脉冲模式运行，因此它们经常与基质辅助激光解离电离（MALDI）源耦合。

TOF系统的一个很大的优点是，它们在非常广泛的M/z值范围内获取 - 数据始终存储并且可以在分析后检索。它们也具有很好的质量分辨率，尤其是当将反射子掺入飞行管中以补偿分析物离子的不同动能能量时，如图1所示。

图1： TOF系统的示意图。可用的动画版本 这里。图片来源：Abigail Koss，Tofwerk。

四极群分析仪

四极质量分析仪由两对彼此等距的金属棒组成，并在相等和相反的电势下偏置。这些双电势包含固定的直流电流（DC）和交替的射频（RF）组件，其中可以改变RF组件的强度。进入四极杆的任何离子都以与其M/z值成正比的方式使其轨迹偏转。在特定的RF值下，只有一个特定的m/z值将与该场产生共鸣，并能够导航到四极杆的末端并被检测到。具有其他m/z值的离子将与四尖连碰撞，失去电荷并且未被检测到。基本概念在图2中的动画中说明。

图2：动画展示了四极群分析仪的工作方式。信用：阿比盖尔·科斯（Abigail Koss），托夫沃克（Tofwerk）。

由于四极MS系统的分离原理很简单，因此它们的操作和维护相对较容易。同样，四极杆的设计，健壮且相对便宜。因此，它们被广泛用作通用分析仪器。此外，与其他需要高真空水平的MS不同，四极杆可以在较低的真空水平上充分发挥作用（〜10^-2到10^-3PA）。即使它们与气相色谱（GC）要么液相色谱（LC）单位，由界面引起的真空水平下降对质量分离性能的影响最小，使其最适合与色谱技术接口。

四极系统的优势包括良好的扫描速度和灵敏度以及高达2,000 m/z的质量范围。此外，它允许高速极性切换，从而有助于同时监测多个不同极性的离子。但是，当用作单个系统时，它的质量分辨率相对较差，而不是与其他分离或MS方法相关。

磁性部门质量分析仪

磁性扇形分析仪依赖于以下事实：磁场可以根据其M/z比率以类似于玻璃棱镜将光线分散到其各种波长或颜色的方式类似（图3）。

图3：磁性扇形质谱仪的示意图。

存在几种变体，包括“双重聚焦”版本，该版本结合了静电扇区以补偿离子中的动能差异（图4）。其他人则使用多策略检测系统，该系统允许通过使用静态磁场而不是通过循环磁场来平行检测几个质量，以测量串行中所需的尽可能多的质量（图5）。

图4： 双聚焦磁扇区质谱仪的示意图，包括氧血浆源和CS电离源。

图5： 双聚焦磁段质谱仪的示意图，结合了多策略系统和静态磁场 - 纳米级离子质谱仪（Nanosims）。

这样的系统的特征是高灵敏度和质量分辨率，但它们昂贵，需要熟练和经验丰富的操作员。还必须在超高真空下维持这些质谱仪，因此它们不能很好地与分离技术（例如LC）耦合。

离子陷阱质量分析仪

离子陷阱MS背后的原理与四极杆有些相似，但有一些关键差异。离子陷阱通常由夹在两个端盖电极之间的环形电极组成。一个电离单元位于入口和检测器位于出口。可以认为环电极与四极杆的入口和出口有些类似。但是，在离子陷阱中，通常没有像四极系统中的电极电压，从而导致离子沿水平轴运动。在分析过程中，首先接地端盖电极，然后将低RF电压应用于环电极。离子以脉冲模式被引入陷阱中，在脉冲模式下它们都被暂时捕获在电极内。在这一点上，质量不同的离子正在陷阱内经历稳定的振荡。为了检测特定的离子，RF电压逐渐增加。随着电压的增加，特异性m/z比的离子的振荡变得不稳定，这些离子通过端盖电极中的一个孔排出。 While quadrupole systems separate and detect masses by allowing oscillating ions to pass through the quadrupole to reach a detector, ion trap systems separate and detect ions by discharging ions with unstable oscillations from the system and into the detector.

离子陷阱的优点是它们小且相对便宜，具有良好的敏感性和质量分辨率。

Orbitrap质量分析仪

Orbitrap从许多其他类型的大众分析师那里借用了技术。它由两个彼此面向对方的电隔离杯形外电极和一个将陷阱固定在一起的纺锤状的中央电极组成。当外部电极和中央电极之间施加电压时，所得的电场是沿轴线线性的，而磁场的径向分量强烈吸引离子到中心电极。将离子通过在外部电极之一中加工的插槽向切向中电极之间的体积注入或脉冲。

通过将内部电极上的电压升起来增加电场。离子朝内电极挤压，直到到达陷阱内的所需轨道。在那一刻，电场保持恒定，并且场变得静态。注射的离子将以不同的旋转频率移动，但轴向频率相同。这意味着特定的质量比率的离子扩散到沿着内轴旋转或轨道的环中（图6）。在中央电极和外部电极之间施加电压后，径向电场将离子轨迹弯曲向中央电极，而切向速度会产生相反的离心力。对于某些参数，离子保留在陷阱内的几乎圆形螺旋或轨道上。它们的旋转频率与M/z值直接相关。

图6： 轨道轨迹和示例质谱的轨道离子轨迹的示意图。信用：改编自²，在创意共享归因4.0国际许可证。

由电极的特殊圆锥形引起的轴向电场将离子推向陷阱的最宽部分。然后将外电极用于电流检测。时间域中的数字化图像电流被傅立叶转换为频域，然后转换为质谱。这是这里描述的唯一使用图像当前的方法，而不是某些检测设备来检测离子。

Orbitrap的主要优势是其相对较小的尺寸以及它可以实现的非常高的质量分辨率和质量精度。

串联质谱法（串联MS）

从一般意义上讲，串联MS是指涉及多种类型的质谱仪以提高特异性和/或质量解决能力的那些混合方法。它们通常被称为文献中的MS/MS技术。这些系统通常包括额外的分离技术，例如GC或LC。

通常：

1）在第一质量分析仪中对离子源形成的离子进行了质量过滤

2）这些过滤离子可能会在随后的反应细胞中经历某种形式的反应

3）然后通过第二质量分析仪分析从该单元中出现的带电产品

获得的数据的类型和质量可以取决于所使用的MS/MS系统的配置以及分析阶段之间执行的反应形式。Glish and Burinsky评论了几个串联MS变体。³

您可以通过遵循以下链接到有关电离源和离子检测器的文章来了解有关MS过程中其他主要步骤的更多信息。

参考

1.NuñezJ，Renslow R，Cliff JB，Anderton CR。生物应用的纳米菌素：当前的实践和分析。生物指导。2018; 13（3）：03B301。doi：10.1116/1.4993628

2. Hofmann AE，Chimiak L，Dallas B等。使用Orbitrap质谱法评估混合物中各个化合物的同位素组成。INT J质量光谱。2020; 457：116410。doi：10.1016/j.ijms.2020.116410

3. Glish GL，Burinsky DJ。串联质谱法的杂化质谱仪。J AM SOC质谱。2008; 19（2）：161-172。doi：10.1016/j.jasms.2007.11.013