液質聯用中的質譜——質量分析器（上）
質量分析器目前已知的有6種，2023年ASMS上賽默飛推出了一種新型的質量分析器，它類似于TOF的原理，但和傳統的TOF設計有較大差別，所以也可以稱為第7種質量分析器。這7種質量分析器分別為：扇形磁場、四極桿、離子阱、飛行時間、FTICR、Orbitrap、Astral。扇形磁場常配合EI源使用，所以在LC-MS中不再介紹，下面分別介紹其它6種。真正的LC-MS儀器中，還常常采用多個質量分析器串聯的方式，下面也會介紹幾種典型的串聯質譜。此部分內容篇幅較長，將分為上下兩篇。
四極桿Quadruple
1953年，德國的Wolfgang Paul和Helmut Steinwedel描述了四極桿（Quadruple）質譜儀，其原理是控制離子隨著交流（AC）、直流（DC）電場運動。在特定電場作用下，離子運動軌跡與質荷比有關，如果運動軌跡不穩定就會撞擊分析器的電極或偏離電場區無法被利用。簡而言之，通過控制電場可選擇特定質荷比的離子穩定地通過四極桿到達檢測器。
四極桿示意圖：紅色離子通過，藍色離子無法通過
四極桿的幾何形狀參照雙曲面設計，理論的四極場中，四極桿的內表面為雙曲面，但加工難度過高，因此絕大部分四極桿目前都采用圓柱狀桿。加入直流與交流電場后，離子的運動模式遵循馬修方程（Mathieu Equation），可得到離子運動的穩定區與不穩定區。通過掃描質量，可使特定質荷比的離子依次通過穩定區檢測。
若要增加四極桿的質量分析上限，可以（1）增加射頻電壓振幅、（2）降低射頻頻率或（3）降低四極桿電極間的距離。但（1）和（3）容易造成電極間放電，破壞穩定場條件而無法讓離子通過；（2）會犧牲質量分辨能力，因此設計時需綜合考慮性能需求。目前商用四極桿質量分析器m/z不會超過4000 Da，分辨率約為單位質量分辨（m/z 500時分辨率1000）。
若將直流電場設為零，只保留交流電壓（RF Only），此時四極桿成為一個離子傳輸管（見上文離子傳輸部分），并可與六極桿、八極桿組合使用。這時的四極桿相當于一個帶通濾波器，只有質荷比適中的離子才能穩定地通過四極桿。
四極桿的突出優點是：連續流（非脈沖）從而“忠實”于離子源產生的離子流，可以精確地選擇離子到達檢測器，因此定量最為準確；除了作為質量分析器，還可以作為離子傳輸裝置。
離子阱Ion Trap
兩位德國科學家Paul和Dehmelt因“發展了離子阱技術”而共同獲得了1989年的諾貝爾物理學獎。其中，Paul于1953年提出了一種“沒有磁場的新型質譜儀”；Dehmelt在荷蘭科學家Penning工作的基礎上，在1959 年創造了第一個“磁控管”式的離子陷阱，并將其命名為“Penning 阱”。此處主要介紹的是僅需電場的Paul阱。1985年，Kelley、Stafford、Stephens共同提出了質量選擇不穩定性理論，并成為離子阱最重要的操作模式。
離子阱（Ion trap）也屬于四極質量分析器，不同的是在z軸增加了一個束縛場，形成一個可以捕獲離子的三維電場。它由一對環形電極和一對上下對稱的端蓋電極組成，這些電極的幾何形狀為雙曲面。
離子阱示意圖
當離子阱要捕獲所有離子時，常關閉直流電場僅保留交流電場，在馬修方程中，有一個重要的操作參數是qz=0.908，如果離子對應的qz值超過0.908就會被拋出離子阱。當掃描離子時，在環形電極加入射頻場（即交流電場），而上下端蓋電極則同時接地。通過掃描環形電極的交流電場可使離子逼近不穩定區而離開離子阱進入檢測器。
商品化的離子阱還需考慮幾個因素：高階場的影響、緩沖氣體的作用與共振激發。在端蓋電極上開洞后會造成四極場變形產生高階場，會影響離子阱性能，改善該問題如商用的LCQ離子阱，它伸長了端蓋距離，可調控高階項的作用改善性能。此外，商用離子阱均會加入氦氣作為緩沖氣體，氣壓約為1mTorr數量級，能夠有效提升質譜的分辨率。第三種改善是共振拋出，將離子阱運行在較小的qz值，可擴展質荷比范圍。
離子阱的突出優點是：儲存富集離子可獲得高靈敏度；可以做多級MSn從而更好地解析結構；由于離子阱體積小且對真空度要求較低，因此成本較低。
二維線性離子阱Linear Trap
三維離子阱的容量較小，有效捕獲區域小，為了增加離子阱的容量、提升靈敏度、分辨率等性能，質譜學家們設計了二維線性離子阱，即在二維四極桿的軸向方向，用電場將離子束縛起來，可將被捕獲離子的數量從百萬個提升到千萬個。賽默飛的Schwartz、Senko、Syka等于2002年提出徑向開口的二維線性離子阱質量分析器設計，即商用的LTQ。由于徑向（側面）開口，還可以設計兩個檢測器接收離子。同年，SCIEX的Hager設計了軸向拋出的二維線性離子阱，它可與四極桿串聯，成為QTrap質譜。后來的科學家們還設計了矩形離子阱等類似的二維線性離子阱。
左：徑向檢測的線性離子阱 右：軸向檢測的線性離子阱
飛行時間TOF
1946年，W.E.Stephens提出飛行時間（Time-of-Flight，TOF）質量分析器，它利用靜電場加速離子后，以離子飛行速度差異來分離不同質荷比的離子。在施加同樣能量的電場后，離子進入一個無場的飛行管，質荷比大的離子飛得慢，質荷比小的離子飛得快。1955年，W.C. Wiley和 I.C.McLaren發明了第一臺商用線性TOF質譜儀。
早期離子產生時的動能及位置差異會造成飛行時間差，分辨率不高。后來Wiley和McLaren使用延遲的高電壓脈沖（時間延遲聚焦，Time-Lag Focusing）技術提升了分辨率；1973年Mamyrin還提出反射的TOF，進一步提升了分辨率。TOF與脈沖的MALDI配合最容易，而為了配合ESI等連續性離子源，人們設計了正交加速TOF質譜儀。這時可以用脈沖電壓，讓連續式的離子束經一狹縫脈沖式地、同一時間點進入TOF飛行管中。由于飛行管方向同離子源出口方向正交，離子初始速度差異?。坏魞H以靜電場聚焦，離子在不同方向上會擴散，改進方法時引入四極離子傳輸管，以射頻場聚焦離子束，可提升TOF的分辨率。
正交加速反射TOF質譜儀示意圖
打個比方來說，TOF的原理是讓離子先獲得相同的能量，站在同一起跑線上，同時開始賽跑。由于起始能量相同，質量小的跑得更快。飛行管這個賽道越長，TOF的分辨率就越高。但僅增長飛行管不是好辦法，所以反射將增加飛行距離，除了“V形”一次反射，研發人員還設計了“W形”二次反射甚至多次反射的方法。當然，離子折返一次也會導致靈敏度下降。
TOF使用的各種多次反射示意圖
TOF的突出優點是：在分辨率、靈敏度、速度方面均有不錯的綜合表現，反射型TOF常常可以獲得超過10,000的高分辨，全掃描時的譜圖采集速度很快。
傅里葉變換離子回旋共振FT-ICR
1949年J.A.Hipple首次描述了ICR技術，受到傅里葉變換（FT）技術應用于NMR、IR的啟發，Marshall和Comisarow將FT技術用于ICR，并于1985年做出第一臺商品化的FT-ICR MS。傅里葉變換離子回旋共振（Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance，FT-ICR）質量分析器是目前分辨率最高的質量分析器，適合準確質量的測定、多級質譜（MSn）和進行離子/分子反應等。但分辨能力越高，需要的信號檢測時間越長，對真空度的要求也越高。
FT-ICR的質量分析器由捕獲電極、激發電極和檢測電極組成，其結構可以是立方體、圓柱形或長方體等。離子在均勻的磁場中做回旋運動，當離子回旋頻率與激發電極發出的射頻電場頻率相當而產生共振時，離子運動半徑會逐漸擴大到足以在兩個平行的檢測電極上感應產生像電荷（Image Charge）。此時關閉激發電極的無線電場，并記錄像電荷形成時域的ICR信號，使用傅里葉變換可將時域信號轉換成頻域譜圖，譜圖中的頻率為離子質量與電荷的函數，所以可以直接轉換為質譜圖。值得注意的是，FT-ICR不需要將離子傳送到檢測器中，它檢測的是感應信號。
傅里葉變換離子回旋共振質量分析器示意圖
FT-ICR可進行寬頻檢測或窄頻檢測，前者檢測的質量范圍大，后者的分辨率更高、但縮小了質量范圍。傅立葉變換（FT）分析測定離子回旋共振（指每秒完成的回旋數），不是作為頻率的函數緩慢掃描，而是通過記錄離子接近和離開探測器板時的回旋運動在探測器板中感應的所有振蕩電荷。時域數據的FT變換一次產生所有的回旋頻率，節省了約10,000倍的時間。
ICR具有更高分辨率和質量精度的原因是：超導磁體的穩定性為每小時十億分之幾（ppb）。四極桿和TOF儀器都需要約1-10 keV的電壓，到目前為止不可能將這種電壓穩定到優于萬分之一。因此，FT-ICR 的分辨能力提高了10-100倍。基本上，ICR頻率與磁場強度B成正比，任何兩個ICR頻率之間的差異也會增加，因此分辨能力與B成正比。
同時，磁體還可以將離子限制在垂直于B的平面中，ICR的動態范圍和質量上限性能提高也需要更大的磁體。維持這樣的磁體通常需要超導磁體，需要液氦的溫度（<4K）來維持。目前FT-ICR MS的商品化儀器的市售磁體尺寸為4T，7T，9.4T，12T，15T，18T和21T。此外，時域信號維持越長，質量分辨率越高。目前FT-ICR MS最高可獲得2,000萬分辨率。FT-ICR需維持離子較長時間的回旋共振，因此需要超高真空。液氦維持超導磁體以及超高真空，都使FT-ICR質譜儀對環境的要求非常高。FT-ICR極其昂貴且維護成本極高。
接下來請見下篇：液質聯用中的質譜：質量分析器（下）
目錄：
前言：液質聯用（LC-MS）簡述
Chapter1、液質聯用中的液相色譜
Chapter2、液質聯用中的質譜
2.1離子源
2.2離子傳輸
2.3 質量分析器
2.4串聯質譜（Tandem Mass Spectrometry，MS/MS）
2.5 檢測器
2.6 真空系統
Chapter3、液質聯用中的數據采集和分析
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綜述
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綜述
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焦點事件
