质谱基础知识 03：质量分析器
声明：本内容主要来自《质谱分析技术原理与应用》1相关章节。
不同质量分析器比较
Table 1. 不同质量分析仪的优点和局限性2
| 质量分析仪 | 描述 | 优势 | 局限性 |
|---|---|---|---|
| 四极杆 | 连续扫描 质量过滤器 |
- 紧凑而简单 - 相对便宜 - 良好的选择性 （SIM） - 需要适度真空（非常适合与 LC 联用） |
- 有限的质量范围 - 低分辨率 - 定性信息少 |
| 离子阱 | 陷阱 脉冲 |
- 体积小，相对便宜 - 高灵敏度 - 良好的分辨率 - 紧凑的 |
- 有限的动态范围 - 有限离子阱体积 - 分辨率有限 - 需要脉冲引入 MS |
| 飞行时间 | 非扫描脉冲 | - 高灵敏度和离子透射率 - 高分辨率 - 出色的扫描范围 - 扫描速度快 |
- 需要脉冲引入 MS - 需要快速数据采集 |
四极杆质量分析器
四极杆质量分析器，由四个平行的杆状电极组成，可以产生不同的电场。在特定的电场下，离子的运动轨迹与质荷比有关，只有特定（范围）质荷比的离子才能稳定运动并通过四极杆，最终到达检测器。
Figure 1. 四极杆质谱工作原理图2
三重四极杆质量分析器是目前目前最广泛使用的空间串联质谱仪，它是由三个四极杆质量分析器组成的线性序列。第一个（Q1）和第三个（Q3）四极杆充当质量过滤器，而第二个（Q2）四极杆则通过让离子与氩气、氦气或氮气碰撞来使离子解离。
Figure 2. 三重四极杆质量分析器示意图3
离子阱质量分析器
离子阱质量分析器通过施加一个射频（Radio Frequency, RF）交流电压，将一定范围内质荷比的离子困在阱内运动；随后通过改变电场，使离子按质荷比从低到高的顺序依次被清出离子阱，检测器记录下离子到达的时间（对应于特定的电场）和强度，最终绘制成质谱图。
2002 年，J. C. Schwartz、M. W. Senko 和 J. E. Syka 提出径向开口的线性离子阱质量分析器设计，离子在两根相对的电极上的开口进入和抛出，并在开口外设置检测器收集离子。
Figure 3. 径向开口线性离子阱质量分析器示意图2
同年，SCIEX 公司提出轴向抛出的线性离子阱质量分析器。发展到 SCIEX 5500+ system 上，离子阱被整合进了 Q3，可以通过控制软件切换离子阱或四极杆模式。
下面简要描述一下离子阱母离子和子离子检测过程：
母离子的检测
离子捕获（Ion Trapping）：通过施加一个射频（Radio Frequency, RF）交流电压，将一定范围内的离子困在阱内运动。为了提高捕获效率，离子阱中通常会充入少量惰性气体（如氦气），离子与分子碰撞，会损失一部分动能，更易于被捕获。
质量扫描（Mass Scanning）：当 RF 电压升高时，不同离子按质荷比从低到高的顺序依次被清出离子阱，检测器记录下离子到达的时间（对应于特定的 RF 电压）和强度，最终绘制成质谱图。
离子排空（Ion Emptying）：通过施加一个宽范围的 RF 电压或宽频率的 AC 电压，将离子阱内的离子排空，避免污染下一次循环。
子离子的检测
离子捕获（Ion Trapping）：同上。
母离子选择 (Precursor Ion Isolation)：在特定 RF 电压下，稳定囚禁的离子都有其固有的振荡频率，称为久期频率 (secular frequency)，该频率与其质荷比相关。当在 RF 电压外施加与久期频率匹配的 AC 电压（除母离子外），稳定的离子就会发生共振，振幅增大轨迹不稳定而被清出阱外，最终只保留母离子。
碰撞诱导解离（Collision-Induced Dissociation, CID）：选择保留母离子后，施加一个与母离子久期频率匹配的但较小的 AC 电压，使母离子运动变得不稳定，但不足以清出阱外；离子获得外加的能量与气体分子碰撞解离，产生子离子。
质量扫描（Mass Scanning）：同上。
离子排空（Ion Emptying）：同上。
注：从离子阱质量分析器的检测过程可以知道，离子从捕获到排空是一个循环，必须完成上一批离子排空，才能进行下一批捕获，即脉冲式质量分析器，而四极杆质量分析器是连续式的。
飞行时间质量分析器
在飞行时间质量分析器中，不同离子在同一电场中同时被加速后，飞过相同长度的无场飞行管。离子质荷比越小，速度越快，到达检测器的时间也就越短，通过记录飞行时间就能推算出离子的质荷比。
Figure 4. 飞行时间质量分析器示意图4
由于依赖离子到达检测器的飞行时间，飞行时间质量检测器质荷比检测范围非常广，没有理论上限（\(\frac{m}{z}∝t^2\)）。此外，飞行时间质量分析器要必须等到离子全部到达检测后，才能对下一批离子加速，避免产生干扰，因此飞行时间质量分析器也是脉冲型的。
References
台湾质谱学会 编著. 质谱分析技术原理与应用[M]. 北京：科学出版社, 2019.