SCIEX 质谱使用教程：认识 SCIEX 5500+ system
声明：本内容主要参考《SCIEX Triple Quad™ 5500+ System System User Guide》1相关内容，SCIEX 为不同型号设备都准备了相应的 System User Guide。
前言
SCIEX 5500+ system 是一套三重四极杆液质联用（LC-MS/MS）系统，其中质谱仪的 Q3 同时也是一个轴向抛出的线性离子阱，在激活单独购买的 QTRAP® Ready 许可证授权后，可以通过控制软件切换 Q3 作为四极杆或离子阱使用。
不过我对离子阱部分不熟悉，因此这里只介绍的四极杆，不涉及离子阱功能，如果后面有机会学习再作相关介绍。此外，不同厂家不同型号质谱仪有所不同，本内容基于 SCIEX 5500+ system，对 SCIEX 其他型号质谱仪可能有一定参考价值，但仍强烈建议参阅相关资料具体分析（如相应型号的 System User Guide）。
系统组成
SCIEX 5500+ system 由计算机、HPLC、质谱仪（集成真空系统）和氮气发生器组成。
Figure 1. SCIEX 5500 系列系统组成（图中具体型号为 SCIEX Triple Quad 5500）2
| 编号 | 描述 |
|---|---|
| 1 | 计算机 |
| 2 | HPLC |
| 3 | 质谱仪 |
| 4 | 氮气发生器 |
质谱仪外观
Triple Quad™ 5500+ System 质谱仪如 Figure 2 所示，正面有四个部分：分流阀、离子源、注射泵和面板符号（见 Figure 3）。
Figure 2. SCIEX Triple Quad 5500+ 质谱仪正面图
Figure 3. SCIEX Triple Quad 5500+ 质谱仪正面示意图
| 编号 | 名称 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | 面板符号 | 指示系统状态（见 Table 1） |
| 2 | 注射泵 | 手动进样时使用 |
| 3 | 离子源 | 配置 Turbo V 离子源 |
| 4 | 分流阀 | A：进质谱；B：进废液 |
面板符号的指示不同的系统状态，具体见下表：
Table 1. 面板符号
| LED | 颜色 | 名称 | 描述 |
|---|---|---|---|
 |
绿色 | 电源 | 当系统通电启动时 LED 灯亮。 |
 |
绿色 | 真空 | 达到正确的真空度时 LED 灯亮。真空度 不正确时 LED 灯闪烁（抽气和排气过程 中）。 |
 |
绿色 | 准备就绪 | 当系统处于就绪状态时，LED
灯亮。系统 必须处于就绪状态才能运行。 |
 |
蓝色 | 扫描 | 当系统采集数据时，LED 灯闪烁。 |
 |
红色 | 故障 | 当系统遭遇系统错误时，LED 灯亮。 |
在系统开启后，所有 LED 灯均亮起。电源 LED 灯保持亮起状态；其他 LED 灯闪烁两秒钟，然 后关闭。真空 LED 灯开始闪烁。在达到正确的真空度后，真空 LED 灯保持常亮。
样品引入
SCIEX 5500+ 主要有四种方将样品溶液引入质谱仪中，这些样品引入方式适用于不同的场景。
柱上进样（On-column injection）
柱上进样（On-column injection）：即标准的 LC-MS 进样模式，样品经进样器引入流路中，经过色谱柱分离后，最终引入到质谱仪中。
Figure 4. 柱上进样模式3
针泵进样（Infusion）
针泵进样（Infusion）：注射泵以恒定流速将样本溶液推注引入质谱仪，流速可以通过 Analyst 软件控制。该模式可以提供稳定持续的样品信号，常用在调谐或质谱分析方法优化中。
Figure 5. 针泵进样模式3
注：也可点击 这里 观看针泵进样准备操作视频4。
流动注射进样（FIA）
流动注射进样（Flow Injection Analysis, FIA）：区别于柱上进样，FIA 模式下，液相不接色谱柱而是接二通接头，样品由进样器直接注入到流动相中，最终引入到质谱仪中。由于不经过色谱柱分离，可以迅速获得样品信号，常用于离子源的参数优化中，如优化离子源雾化气、温度等。
Figure 6. 流动注射进样模式3
三通进样（T-infusion）
三通进样（T-infusion）合并了针泵进样和 FIA 进样模式，使用三通接头将来自注射泵的样品溶液和 FIA 模式的流动相混合后，最终引入质谱仪。在该模式下，能够同时提供稳定的样品信号和流动相。
Figure 7. 三通进样模式3
Figure 8. 三通接头5
离子源
SCIEX Triple Quad 5500+ 配置 Turbo V 离子源，通过更换探针并调节电晕放电针位置，可以切换电喷雾电离（ESI）或大气压化学电离（APCI）两种模式。
离子源结构
本节内容主要参考《Turbo V Ion Source Operator Guide》6。
Figure 9. Turbo V 离子源正面图（右）和背面（左）图6
Figure 10. 离子源组件6
| 序号 | 项目描述 | 主要材料 |
|---|---|---|
| 1 | 样本供应设备的样本导管 | 红色 PEEK |
| 2 | 喷针调节螺母 | 聚甲醛 |
| 3 | 固定环 | PEEK |
| 4 | 探针塔座 | 不锈钢 |
| 5 | 电晕放电针调节螺钉 | PEEK |
| 6 | 用来在水平轴线上对探针进行定位的千分尺，以调节离子源的灵敏度 | 玻璃 |
| 7 | 窗口 | 不锈钢 |
| 8 | 两个插锁将离子源固定在质谱仪上 | 不锈钢 |
| 9 | 接地接头位于离子源盖板下方 | 不锈钢 |
| 10 | 用来在垂直轴线上对探针进行定位的千分尺，以调节离子源的灵敏度 | 聚甲醛 |
Figure 11. 离子源内腔3
在 Turbo V 离子源内腔中可以看到：
- 两个辅助加热头，可用于 ESI 模式的加热气控制；
- 电晕放电针：用于 APCI 模式，借助电晕放电产生试剂离子；
- 探针：可以更换成 TurboIonSpray 或 APCI 探针，以切换 ESI 或 APCI 模式，参数如 Table 2。
Table 2. TurboIonSpray 和 APCI 探针参数6
| 参数 | TurboIonSpray 探针 | APCI 探针 |
|---|---|---|
| 温度范围 | 从环境温度到 750 °C，具体取决于液体流速 | 从环境温度到 750 °C，具体取决于液体流速 |
| 液流进口 | 5 μL/min–3,000 μL/min | 200 μL/min–3,000 μL/min |
| 电晕放电针 | 电晕放电针指向远离帘板小孔 | 电晕放电针指向帘板小孔 |
附：观看如何切换 Turbo V 离子源探针7
From: @SCIEX: Switching Source Probes for the Turbo V™ Ion Source
当使用 APCI 探针时，电晕放电针一定要指向小孔。当使用 TurboIonSpray 探针时，确保电晕针放电针指向远离小孔的方向。
离子源有关参数
ESI 及 APCI 电离原理已在《质谱基础知识 02：离子源》详细介绍，下面将结合 SCIEX 5500+ system 介绍有关参数。
ESI 有关参数
Figure 12. ESI 原理示意图（正离子模式）4
Table 3. TurboIonSpray (ESI) 有关参数
| 参数 | 参数类型 | 用途 |
|---|---|---|
| IonSpray Voltage (IS) | 离子源和气体 | IS 参数控制施加到 TurboIonSpray®
探针内喷针的电压（在离子源中使样本电离）。此参数依赖于极性,会影响喷雾稳定性和灵敏度。 此参数可能是化合物相关参数，应必须为每一种化合物进行优化。 |
| Ion Source Gas 1 (GS1) | 离子源和气体 | 对于 Turbo V™ 离子源，GS1 参数会控制 TurboIonSpray® 和 APCI 探针的雾化气。 |
| Ion Source Gas 2 (GS2) | 离子源和气体 | 对于 Turbo V™ 离子源，GS2 参数控制 TurboIonSpray® 探针的加热气。 |
| Temperature (TEM) | 离子源和气体 | TEM 参数控制 TurboIonSpray® 探针加热气的温度或 APCI 探针的温度。 |
| Curtain Gas (CUR) | 离子源和气体 | CUR 参数控制 Curtain Gas™ 接口的气体流量。Curtain Gas™ 接口位于气帘板和小孔之间。它可以防止离子光学系统的污染。 |
| Declustering Potential (DP) | 化合物 | 去簇电压参数会控制孔上的电压，此电压会控制孔与 IonDrive™ QJet
离子导向器之间的离子去簇能力。它用于尽量减少在样本离子进入真空腔后仍残留在其上的溶剂簇，必要时用于产生碎片离子。电压越高，传递给离子的能量越高。如果
DP
参数过高，则可能会出现不需要的碎片。 使用预设值，并根据化合物进行优化。 |
Table 4. Turbo V™ 离子源 TurboIonSpray (ESI) 推荐参数（适用 SCIEX 6500 和 5500 系列）4
| 英文名（简称） | 中文译名（单位） | 低流速（约 5–100 µL/min） | 中等流速（约 200–600 µL/min） | 高流速（800 µL/min 以上） |
|---|---|---|---|---|
| Curtain Gas (CUR) | 气帘气（psi） | 15–20 | 35–40\(</sup> | 40<sup>\) | |
| IonSpray Voltage (IS) | 离子化电压（V） | +5500 -4500 |
+5500 -4500 |
+5500 -4500 |
| Temperature (TEM) | 温度（°C） | 0 | 450–550 | ≥ 550 |
| Ion Source Gas1 (GS1) | 喷雾气（psi） | 15–20 | 40–55 | 55–70 |
| Ion Source Gas2 (GS2) | 辅助加热气（psi） | 0 | 40–60 | 50–70 |
| **Collision Gas* (CAD)** | 喷撞气 | Medium | Medium | Medium |
- * 不同扫描方式可能不同；
- $ 3200 与 4000 系列调整为 25。
APCI 有关参数
Figure 13. APCI 原理示意图（正离子模式）4
Table 5. APCI 有关参数
| 参数 | 参数类型 | 用途 |
|---|---|---|
| Nebulizer Current (NC) | 离子源和气体 | NC 参数控制流经 APCI 探针 (用于 Turbo V™ 离子源) 内电晕放电针的电流。放电会电离溶剂分子，而这反过来会使样本分子电离。 |
| Ion Source Gas 1 (GS1) | 离子源和气体 | 对于 Turbo V™ 离子源,GS1 参数会控制 TurboIonSpray® 和 APCI 探针的雾化气。 |
| Ion Source Gas 2 (GS2) | 离子源和气体 | 对于 Turbo V™ 离子源,GS2 参数控制 TurboIon Spray® 探针的加热气。 |
| Temperature (TEM) | 离子源和气体 | TEM 参数控制 TurboIon Spray® 探针加热气的温度或 APCI 探针的温度。 |
| Curtain Gas (CUR) | 离子源和气体 | CUR 参数控制 Curtain Gas™ 接口的气体流量。Curtain Gas™ 接口位于气帘板和小孔之间。它可以防止离子光学系统的污染。 |
| Declustering Potential (DP) | 化合物 | 去簇电压参数会控制孔上的电压,此电压会控制孔与 IonDrive™ QJet
离子导向器之间的离子去簇能力。它用于尽量减少在样本离子进入真空腔后仍残留在其上的溶剂簇,必要时用于产生碎片离子。电压越高,传递给离子的能量越高。如果
DP
参数过高,则可能会出现不需要的碎片。 使用预设值，并根据化合物进行优化。 |
Table 6. Turbo V™ 离子源 APCI 推荐参数（适用 SCIEX 6500 和 5500 系列）4
| 英文名（简称） | 中文译名（单位） | ≥ 600 µL/min |
|---|---|---|
| Curtain Gas (CUR) | 气帘气（psi） | 40$ |
| IonSpray Voltage (IS) | 离子化电压（V） | +5500 -4500 |
| Temperature (TEM) | 温度（°C） | 150–550 |
| Ion Source Gas1 (GS1) | 喷雾气（psi） | ≥ 40 |
| Ion Source Gas2 (GS2) | 辅助加热气（psi） | NA |
| Interface Heater (ihe) | 接口加热 | On |
| Collision Gas* (CAD) | 喷撞气 | Medium |
- * 不同扫描方式可能不同；
- $ 3200 与 4000 系列调整为 25。
离子轨道
分析物在离子源中被离子化后，穿过气帘板和锥孔板，按如下离子轨道路径最终到达检测器。
Figure 14. 离子轨道
| 编号 | 名称 |
|---|---|
| 1 | 气帘板（Curtain plate）和锥孔板（Orifice plate） |
| 2 | QJet 离子导向器（QJet ion guide） |
| 3 | Q0 区域（Q0 region） |
| 4 | Q1 四极杆（Q1 quadrupole） |
| 5 | Q2 碰撞池（Q2 collision cell） |
| 6 | Q3 四极杆（Q3 quadrupole） |
| 7 | 检测器（Detector） |
IonDriveTM QJet 在离子进入 Q0 区域之前对其进行聚集。通过对由宽孔口产生的较大离子流进行预聚焦，IonDriveTM QJet 离子导向器提高了系统灵敏度，增大了信噪比。
在 Q0 区域，离子在进入 Q1 四极杆之前再次聚集。
Q1 四极杆是一种过滤四极杆，可在离子进入 Q2 碰撞池之前对其进行分类。
在 Q2 碰撞池，通过碰撞，气体分子到达某点，分子键断裂，产生产物离子，离子的内部能量增加。此技术允许用户设计测量产物离子 m/z 以确定母离子组成的实验。
通过 Q2 碰撞池后，离子进入 Q3 四极杆进行额外过滤，然后进入检测器。
在检测器中，离子产生电流，转换成电压脉冲。离开检测器的电压脉冲与进入该检测器的离子数量成正比。系统监测这些电压脉冲，然后将信息转换成信号。此信号代表具有特定 m/z 值的离子强度，系统以质谱图显示此信息。
三重四极杆的扫描模式
注：为了更好理解三重四极杆的扫描模式，建议先阅读《质谱基础知识 03：质量分析器》中“四极杆质量分析器”和《质谱基础知识 04：详解四极杆原理》中“四极杆运行模式”两节内容。
| 扫描模式 | Q1 状态 | Q2 状态 | Q3 状态 | 主要用途 |
|---|---|---|---|---|
| Q1 MS (Q1 Scan) | SCAN | CID OFF | RF-only | Q1 全扫描，获取样品中所有母离子的质谱图，用于初步定性分析 |
| Q1 Multiple Ions (Q1 MI) | SIM | CID OFF | RF-only | Q1 选择多个特定母离子进行监测，用于高灵敏度定量分析 |
| Q3 MS (Q3 Scan) | RF-only | CID OFF | SCAN | Q3 全扫描（较少使用） |
| Q3 MI (Q3 MI) | RF-only | CID OFF | SIM | Q3 选择多个特定离子进行监测（较少使用） |
| MRM | SIM | CID ON | SIM | 多重反应监测（Multiple Reaction Monitoring），Q1 选择固定母离子，Q2 CID 碎裂，Q3 选择固定子离子（即离子对）；用于高选择性、高灵敏度定量分析，是金标准定量方法 |
| Product Ion Scan (MS2) | SIM | CID ON | SCAN | 产物离子扫描，对特定母离子进行碎裂，获取其全部子离子谱图，用于结构鉴定、碎片归属和确证 |
| Precursor Ion Scan (Prec) | SCAN | CID ON | SIM | 前体离子扫描，筛选所有能产生某一特定子离子的母离子（如含特定官能团的化合物） |
| Neutral Loss Scan (NL) | SCAN | CID ON | SCAN（与 Q1 维持固定的质荷比差） | 中性丢失扫描，筛选具有相同中性丢失的化合物（如丢失 \(\ce{H2O}\)、\(\ce{NH3}\) 等）；常用于代谢物筛查或结构相似物发现 |
注：CID (Collision Induced Dissociation)，碰撞诱导解离；在 SCIEX 系统中称为 CAD (Collision Activated Dissociation)。
离子轨道有关参数
| 位置 | 参数 | 参数类型 | 用途 | 扫描类型 |
|---|---|---|---|---|
| Q0 | Entrance Potential (EP) | 化合物 | 入口电势参数控制 Q0
和接地装置之间的电势差。入口电势引导并聚焦离子使其通过 Q0
区域的高压。 使用预设值。 |
全部 |
| Q2 | CAD Gas | 离子源和气体 | CAD 气体参数控制 Q3、MS/MS 扫描期间。 碰撞池中 CAD
气体的压力。 对于 Q3 扫描，碰撞气体有助于在离子穿过 Q2 碰撞池时聚集离子。CAD 参数的预设值呈固定模式。对于串联质谱扫描类型，CAD 气体有助于使前体离子碎裂。当前体离子与碰撞气体发生碰撞时,它们离解形成产物离子。 使用预设值，并根据化合物进行优化 |
Q3 MI、Q3 MS、MRM、Prec 和 NL。 |
| Q0 和 Q2 之间 | Collision Energy (CE) | 化合物 | 碰撞能量参数控制 Q0 区域与 Q2
碰撞池之间的电势差。它仅用于串联质谱扫描类型。此参数是前体离子在加速进入
Q2
碰撞池（在此池中，它们与气体分子碰撞并发生碎裂）时接受的能量大小。 使用预设值，并根据化合物进行优化。 |
MRM、 MS2、Prec 和 NL |
| Q2 出口 | Collision Cell Exit Potential (CXP) | 化合物 | CXP 参数仅用于 Q3 和 MS/MS 扫描类型。此参数会将离子传输到 Q3
四极杆中。 使用预设值,并根据化合物进行优化 |
Q3 MI、Q3 MS、MRM、 MS2、Prec 和 NL |
| 检测器 | CEM | 检测器 | CEM 参数控制施加到检测器上的电压。此电压会控制检测器的响应。 | 全部 |
质谱中的图谱
质谱的实验结果主要由图谱表示。Q1 MS 模式为例，通过一定速率改变电压 \((V, U)\)，以指定的间隔（如 0.5 s）完成一轮质荷比的扫描，而检测器实时检测离子强度，根据信号强度和时间得到 Intensity-Time 关系图（如 Figure 15 Top，图中圆点表示一轮扫描结束）。
质谱仪循环地改变电压，即 Voltage-Time 关系图（如 Figure 15 Middle），以完成一轮又一轮质荷比的扫描；每个特定电压又代表着特定的质荷比，因此结合 Intensity-Time 和 Voltage- Time，可以绘制出 Figure 15 Bottle，\(x\) 表示时间，\(y\) 轴表示质荷比，\(z\) 表示信号强度。
Figure 15. 质谱扫描结果示意图8
质谱图（Mass spectrum）：以质荷比作为横坐标，纵坐标表示离子强度或相对强度。
Figure 16. 质谱图示例9
TIC（Total Ion Chromatogram）：以时间作为为横坐标，总离子流信号作为纵坐标，通过将总离子流作为时间的函数而绘得的图形（如 Figure 15 Top）。
Figure 17. TIC 示例
EIC/XIC（Extracted ion chromatogram）：通过从一系列质谱扫描中在单个、不连续的质量数或一个质量范围内提取产生的强度数值而创建的离子色谱图。它表示一个给定的质量数或质量范围随时间变化的行为。
Figure 18. EIC 示例
Cycle Time 和 Dwell Time
Cycle Time
在 Figure 15 中，对于每个特定的质荷比，每次循环（如 0.5 s）只扫描一次，这个循环时间被称为 Cycle Time。Cycle Time 不仅包括电压变化的扫描时间，还包括系统复位准备好下一次扫描的暂停时间（Pause Time）。
Cycle Time 的设置，影响色谱峰能否被准确重复定量。我们知道，理想色谱峰为对称形正态分布曲线。只有获得足够的数据点来描绘色谱峰，才能准确重复定量，一般一个色谱峰一般至少需要采集 15–20 个数据点10。
因此，合适的 Cycle Time 可以按下式计算，数据点数一般取 15 足够：
\[ \text{Cycle Time} = \frac{\text{峰宽}}{\text{数据点数}} = \frac{\text{峰宽}}{15} \]
Dwell Time
Dwell Time 指在一个 Cycle Time 内，某一或某范围内质荷比的扫描时间。Dwell Time 越长，采集到的的离子信号越多，灵敏度也就越好；但 Dwell Time 过长，会使 Cycle Time 变大，导致采集不到最够的数据点来描绘一个色谱峰。
以 Q1 MI 为例，共扫描 3 个离子，每个离子的 Dwell Time 都是 20 ms，从扫描一个离子切换到另一个离子的 Pause Time 为 5 ms，那么 Cycle Time 为 75 ms。
| \(m/z\) | Dwell Time | Pause time |
|---|---|---|
| 192.10 | 20 ms | 5 ms |
| 210.12 | 20 ms | 5 ms |
| 256.45 | 20 ms | 5 ms |
References
SCIEX Triple Quad™ 5500+ System System User Guide (RUO-IDV-05-8450-A)
Research Resources and Analytical Facility | Research | College of Pharmacy | UTHSC: https://www.uthsc.edu/pharmacy/research/resources.php
AB SCIEX QTRAP® 液相色谱质谱联用系统基础应用培训, ABSCIEX 亚太区技术支持中心（中国上海 田林）
@SCIEX应用支持中心: SCIEX 三重四极杆质谱: https://www.bilibili.com/video/BV1Mf4y1p765/
PEEK™ Tee High-Pressure HPLC Connection: https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/P-727
Turbo V Ion Source Operator Guide (RUO-IDV-05-6147-C)
@SCIEX: Switching Source Probes for the Turbo V™ Ion Source: https://www.youtube.com/watch?v=eznzO0seiiQ
Scan Mode : SHIMADZU: https://www.shimadzu.com/an/service-support/technical-support/analysis-basics/gcms/fundamentals/retention/scanmode.html
Spettro di massa del toluene: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63233923 (CC BY-SA 3.0)
Enough Data Points across a LC peak: https://www.agilent.com/cs/library/support/documents/FAQ_Approved_PDF_Template_enough_datapoints.pdf