质谱分析仪
质量分析仪的常见类型是什么?
任何事情的核心质谱计是质量分析仪。该组件取电离质量，并根据质量电荷比(m/z)将它们分开。类型包括飞行时间(ToF)，四极，磁扇形，离子阱和Orbitrap质量分析仪或组合系统(串联质谱(MS))。在本文中，我们考虑一些常见类型的质量分析仪，它们的优点和缺点。
飞行时间(ToF)质量分析仪
最常见的质谱仪类型之一是ToF仪器。ToF质谱仪背后的基本原理依赖于这样一个事实:离子可以根据它们通过已知长度的飞行管到达探测器所需的时间长度，根据它们的m/z比进行分离。m/z较低的离子速度最快，最先到达探测器，而m/z较大的离子速度最慢，最后到达探测器。由于ToF原理，这些质谱仪几乎总是与脉冲离子源一起使用。也正是由于这个原因，它们经常耦合到矩阵辅助激光解吸电离(MALDI)源，因为激光也经常以脉冲模式工作。
ToF系统的一大优势在于，它们可以并行获取非常广泛的m/z值——这些数据始终被存储，并且可以在分析后检索。它们也有很好的质量分辨率，特别是当反射器被纳入飞行管，以补偿不同动能的分析物离子如图1所示。
图1: ToF系统的原理图。备有动画版本 在这里．图源:Abigail Koss, TOFWERK
四极质量分析仪
四极质量分析仪由两对金属棒组成，彼此等距离，并以相等和相反的电位偏压。这些双电势包含一个固定的直流电(DC)和交流射频(RF)组件，其中射频组件的强度可以变化。任何进入四极的离子，其轨迹都会因势而发生偏转，其偏转的方式与其m/z值成正比。在特定的射频值下，只有一个特定的m/z值将与场发生共振，并能够导航到四极杆的末端并被检测到。具有其他m/z值的离子将与四极子碰撞，失去电荷而不被检测到。基本概念在图2的动画中进行了说明。
图2:动画显示如何四极质量分析仪的工作。信贷:阿比盖尔·科斯，TOFWERK．
由于四极杆质谱系统的分离原理简单明了，操作和维护相对容易。此外，四极杆设计紧凑，坚固耐用，相对便宜。因此，它们被广泛采用作为一种通用的分析仪器。此外，与其他需要高真空水平的MS不同，四极杆MS可以在较低的真空水平下充分工作(～10－2到103Pa)。即使它们与气相色谱法或液相色谱法单元，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界面。
四极杆系统的优点包括良好的扫描速度和灵敏度，以及高达2000米/z的质量范围。此外，它允许高速极性切换，从而便于同时监测多个不同极性的选定离子。然而，当它作为单一系统使用，而不是与其他分离或质谱方法串联使用时，质量分辨率相对较差。
磁扇形质量分析仪
磁扇形质量分析仪依赖于这样一个事实，即磁场可以根据m/z比在轨道上分散离子，其方式类似于玻璃棱镜如何将光分散到其不同波长或颜色(图3)。
图3:磁扇形质谱仪示意图。
存在几种变体，包括“双聚焦”版本，其中包含静电扇区，以补偿离子的动能差异(图4)。其他使用多收集器检测系统，允许使用静态磁场并行检测几个质量，而不是通过循环场，以连续测量所需的质量(图5)。
图4: 双聚焦磁扇形质谱计的原理图，包括氧等离子体源和Cs电离源。
图5: 结合多收集器系统和静态磁场的双聚焦磁切片质谱仪-纳米级二次离子质谱仪(NanoSIMS)的原理图。
这种系统的特点是高灵敏度和高分辨率，但它们价格昂贵，需要熟练和有经验的操作人员。还需要在超高真空下保持这些质谱仪，因此它们不能很好地与LC等分离技术耦合。
离子阱质量分析仪
离子阱质谱背后的原理与四极子有点相似，但有一些关键的区别。离子阱通常由夹在两个端盖电极之间的环形电极组成。电离单元位于入口，检测器位于出口。环形电极可以被认为有点类似于四极的入口和出口。然而，在离子阱中，电极通常没有电压，就像在四极系统中一样，导致离子沿水平轴运动。在分析过程中，端盖电极首先接地，然后对环形电极施加低射频电压。离子以脉冲方式引入陷阱，它们都暂时被困在电极内。此时，不同质量的离子在阱内经历稳定的振荡。为了检测特定的离子，射频电压逐渐增加。随着电压的增加，特定m/z比的离子振荡变得不稳定，这些离子通过端盖电极上的孔放电。 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.
离子阱的优点是它们体积小，相对便宜，具有良好的灵敏度和质量分辨率。
Orbitrap质量分析仪
Orbitrap借用了许多其他类型的质量分析仪的技术。它由两个相互相对的电隔离的杯状外部电极和一个纺锤状的中心电极组成，将陷阱固定在一起。当外部电极和中心电极之间施加电压时，产生的电场沿轴呈线性，而电场的径向分量强烈地将离子吸引到中心电极。离子通过在其中一个外部电极上加工的槽切线地注入或脉冲到中心电极和外部电极之间的体积中。
通过增加内部电极上的电压来增加电场。离子被挤压到内部电极，直到它们到达陷阱内所需的轨道。在那一刻，电场保持不变，电场变成静态的。注入的离子将以不同的旋转频率运动，但轴向频率相同。这意味着具有特定质量-电荷比的离子会扩散成环，沿内主轴振荡或绕行(图6)。在中心电极和外部电极之间施加电压，径向电场会使离子轨迹向中心电极弯曲，而切向速度会产生相反的离心力。对于一组特定的参数，离子保持在阱内的一个接近圆形螺旋或轨道上。它们的旋转频率与m/z值直接相关。
图6: 轨道轨道的轨道离子轨道的示意图和例子，结果质谱。资料来源:改编自2，转载于Creative Commons Attribution 4.0国际许可．
由电极特殊的锥形形状引起的轴向电场将离子推向阱的最宽部分。外层电极用于电流检测。将数字化后的图像电流在时域傅里叶变换到频域，再转换为质谱。这是这里描述的唯一一种使用图像电流而不是一些检测设备来检测离子的方法。
Orbitrap的主要优点是它相对较小的体积和它可以达到的非常高的质量分辨率和质量精度。
串联质谱(串联质谱)
在一般意义上，串联质谱是指那些涉及一种以上类型的质谱仪的混合方法，以提高特异性和/或质量分辨能力。它们在文献中通常被称为MS/MS技术。这些系统通常包括额外的分离技术，如GC或LC。
通常:
1)在离子源中形成的离子在第一质量分析仪中进行质量过滤
2)这些过滤后的离子可能在随后的反应池中进行某种形式的反应
3)从该电池中产生的带电产物由第二个质量分析仪进行分析
所获得的数据的类型和质量可以根据所使用的MS/MS系统的配置和分析阶段之间的反应形式而有很大差异。Glish和Burinsky回顾了几种串联MS变体。3.
你可以阅读更多关于在MS过程中的其他主要步骤，通过以下链接到文章电离源和离子探测器。
参考文献
1.Nuñez J, Renslow R, Cliff JB, Anderton CR.生物应用的纳米sims:当前实践和分析。Biointerphases。2018; 13 (3): 03 b301。doi:10.1116/1.4993628
2.李文杰，李志强，李志强，等。使用Orbitrap质谱法评估混合物中单个化合物的同位素组成。Int J质谱．2020; 457:116410。doi:10.1016 / j.ijms.2020.116410
3.Glish GL, Burinsky DJ。用于串联质谱的混合质谱仪。J Am Soc质谱。2008; 19(2): 161 - 172。doi:10.1016 / j.jasms.2007.11.013
