實驗室分析儀器--質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器種類及特點原理
質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器位于離子源和檢測器之間，它的功能是利用不同方式將樣品離子按質(zhì)量大小分開。質(zhì)量分析器的主要類型有磁式質(zhì)量分析器、雙聚焦質(zhì)量分析器、飛行時間質(zhì)量分析器、四極濾質(zhì)器（即四極桿）等。質(zhì)量分析器是質(zhì)譜儀器的主體部分。一個理想的質(zhì)量分析器應(yīng)具備分辨率高、質(zhì)量范圍寬、分析速度快、傳輸效率高及無“記憶”、質(zhì)量歧視效應(yīng)等特點，不同類型的質(zhì)量分析器具有各自的優(yōu)缺點。下面是質(zhì)譜儀器常用到的幾種質(zhì)量分析器。
一、磁式質(zhì)量分析器
磁式質(zhì)量分析器又稱單聚焦質(zhì)量分析器，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等特點，見圖1。由于磁式質(zhì)量分析器只做方向聚焦，故分辨能力較低。
在電動力學(xué)里，運動的帶電粒子會受到磁場的作用力，這個力又叫作洛倫茲力。
洛倫茲力定律是一個基本公理，不是從別的理論推導(dǎo)出來的定律，而是由多次重復(fù)完成的實驗所得到的同樣的結(jié)果。假設(shè)初始速度為0質(zhì)量為m、電荷為z的離子，在加速電壓U作用下，進入磁場強度為B的磁場內(nèi)，會受到磁場力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在加速電壓的作用下，離子在進入磁場時的瞬時速度v為:
?D＝（2Uz/m）1/2
在磁場中受到與運動方向垂直的磁場力的作用發(fā)生偏離，離子運動軌道變成圓周運動，即
?mu2/r＝Bzv
合并兩式，質(zhì)荷比m/z等于:
?m/z＝r2B2/2U
式中，r為偏轉(zhuǎn)軌道半徑；m是原子量單位；z是離子的電荷量。
該方程式為磁式質(zhì)譜的基本方程。從方程式可知偏轉(zhuǎn)軌道半徑r為:
r＝（1/B）（2Um/z）1/2
從該式可知，只要改變加速電壓U和磁場強度B的數(shù)值，就可使不同質(zhì)荷比（m/z）的離子運動軌道半徑相同。這就是磁式質(zhì)量分析器工作的基本原理。在離子加速電壓不變的條件下，改變磁場強度B的數(shù)值，就可使不同質(zhì)荷比（m/z）離子沿一個固定運動軌跡到達離子接收器。
圖1 磁式質(zhì)量分析器示意圖
磁式質(zhì)量分析器的工作原理是依照帶電粒子的質(zhì)荷比來分離的，而且上面公式（?D＝（2Uz/m）1/2）的一個理想條件是離子的初始動能為0，進入磁場的動能完全由加速電壓來決定。但實際上離子在離子化和加速過程中初始動能并不相同且不等于0，如果同一質(zhì)量的離子進入磁場時能量不同，它的運動軌跡也會不同，這就無法實現(xiàn)同一質(zhì)量數(shù)離子的正常聚焦。這種離子能量分散現(xiàn)象會嚴(yán)重影響儀器的分辨率。
為了克服離子能量分散對分辨率的影響，通常會在磁分析器前面加一個靜電分析器，利用靜電分析器對離子進行能量聚集，這就是我們下面要介紹的雙聚焦質(zhì)量分析器。
二、雙聚焦質(zhì)量分析器
雙聚焦質(zhì)量分析器除了磁分析器外，還有一個靜電分析器。靜電分析器和磁分析器的放置順序有兩種形式:
①順置形式，即靜電場在前面磁場在后面；
②反置形式，即磁場在前面，靜電場在后面。反置形式除了與順置形式有相同的功能外，還具有一些獨特的功能。多數(shù)雙聚焦質(zhì)量分析器采用順置形式，見圖2。離子束首先通過一個靜電分析器（ESA）進行能量聚集，在ESA出口狹縫處完成能量聚焦；接著這些具有相同能量的離子再進入后面的磁分析器進行質(zhì)量聚焦。前者使質(zhì)量相同而速度不同（即能量不同）的離子做能量聚焦，使符合一定偏轉(zhuǎn)大小即速度相同的離子才能通過狹縫進入后者，再進行后面的磁式質(zhì)量分析器做質(zhì)量的聚焦。
雙聚焦質(zhì)量分析器的特點:同時做速度（或能量）和方向的聚焦，分辨能力較高，能準(zhǔn)確測定相對分子質(zhì)量；但掃描速度慢，操作、調(diào)整比較困難，傳輸效率低，造價昂貴。
圖2 雙聚焦質(zhì)量分析器示意圖
三、飛行時間質(zhì)量分析器
飛行時間質(zhì)量分析器（time-of--flight，TOF）技術(shù)始于20世紀(jì)40年代，但由于當(dāng)時電子技術(shù)和儀器設(shè)計的落后，儀器分辨率很低，很難推廣使用。到80年代末，高速發(fā)展的新技術(shù)使得TOF質(zhì)譜儀器的分辨率大幅度提高，成為生命科學(xué)領(lǐng)域中重要的分析工具，在多肽、蛋白質(zhì)、糖、核苷酸、高聚物的分析中得到廣泛應(yīng)用。
TOF質(zhì)量分析器是一種無磁動態(tài)質(zhì)量分析器根據(jù)不同質(zhì)荷比的離子在無場分離區(qū)中的速度不同，引起漂移時間的差異來實現(xiàn)分離。TOF飛行模式分線性及反射飛行模式兩類。
1、線性模式（圖3）
離子在加速電壓U作用下獲得的電勢能（zU）轉(zhuǎn)化為動能:
?mu2/2＝zU
以速度v進入到長度為L的離子漂移管（drift tube，或稱飛行管），飛行時間為t，
t= L/u
兩式合并后有:
?t=L（m/2zU）1/2
即U、L恒定時，離子飛行時間與其質(zhì)荷比的平方根成正比。質(zhì)荷比最小的離子最先到達檢測器，最大的則最后到達，產(chǎn)生質(zhì)譜。適當(dāng)增加漂移管的長度可以增加分辨率。但是，由于進入漂移管之前離子產(chǎn)生的時間先后、空間前后和初始動能大小存在差異，因此質(zhì)量相同的離子到達檢測器的時間也不相同，因而線性模式的分辨率較低。
圖3 線性模式
2、反射飛行模式
反射飛行模式是在線性模式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，飛行時間質(zhì)譜改進的一個重要問題是如何使離子在被注入漂移區(qū)后既無空間發(fā)散又無能量發(fā)散。如果相同質(zhì)量的離子在不同時間離開離子源或存在能量發(fā)散，分辨率都將大為下降。解決辦法之一是采用離子反射技術(shù)，利用離子反射使不同動能的離子得到聚焦，如圖4所示。在經(jīng)過漂移管后，離子進入減速反射區(qū)；動能較大的離子在該區(qū)中進入較深（存在運動慣性），反射過來所需的時間也較長，這使動能較小的離子可以趕上。因此，經(jīng)過反射，質(zhì)量相同而動量不同的離子可以同時到達檢測器。這樣就很大程度地提高了TOF質(zhì)量分析器的分辨率。
飛行時間質(zhì)譜儀分辨率的定義:
R＝△M/M
式中，M是擬確定的質(zhì)量；△M是半峰高時的峰寬
圖4 反射飛行模式示意圖
四、四極濾質(zhì)器
四極濾質(zhì)器又稱四極桿質(zhì)量分析器（quadrupole mass analyzer），由四根平行電極組成，見圖5。四根平行的棒狀電極對角相連，在一對電極上加電壓U＋Vcoswt，另一對加上電壓-（U+Vcoswt）。式中，U是直流電壓； Vcoswt是射頻電壓。由此形成一個四極場。當(dāng)一組質(zhì)荷比不同的離子進入四極濾質(zhì)器時，離子將按m/z和RF/DC值開始以一種復(fù)雜的形式振蕩。只有滿足特定條件的離子做穩(wěn)定振動，通過四極桿，到達檢測器。其他離子均做不穩(wěn)定振動而與四極桿相撞，不能通過四極桿而被四極桿中和，從而達到質(zhì)量分離的目的。
圖5 四極質(zhì)量分析器示意圖
優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價格便宜、清洗方便；僅用電場而不用磁場，無磁滯現(xiàn)象（當(dāng)外加磁場施加于鐵磁性物質(zhì)時，其原子的偶極子按照外加場自行排列）；掃描速度快；操作時能容忍相對低的真空度，因而適合于與色譜聯(lián)機，特別是LC-MS，也適合于跟蹤快速化學(xué)反應(yīng)等。
缺點:分辨率不夠高；對較高質(zhì)量離子有質(zhì)量歧視效應(yīng)（對同樣濃度的大質(zhì)量樣品比小質(zhì)量樣品的信號強度顯得低）
五、離子阱質(zhì)量分析器
離子阱質(zhì)量分析器一般由一個環(huán)形電極和上下兩個呈雙曲面形的端蓋電極圍成一個離子捕集室（典型離子阱結(jié)構(gòu)如圖6所示）。某一質(zhì)量的離子在一定的電壓下可以處在穩(wěn)定區(qū)留在阱內(nèi)。改變電壓后，離子可能處于不穩(wěn)定區(qū)振幅很快增長，撞擊到電極即消失。在直流電壓和射頻電壓比值不變時用射頻電壓掃描，即可以將離子從阱內(nèi)引出獲取質(zhì)譜信號。
圖6 典型離子阱結(jié)構(gòu)圖
離子通過端蓋中的孔進入離子阱中振蕩，振蕩離子的穩(wěn)定性取決于其質(zhì)荷比（m/z）以及環(huán)電極的射頻頻率和電壓。通過改變射頻發(fā)生器的頻率，就能激發(fā)在離子阱的振蕩，不同質(zhì)量的離子就逐漸變得不穩(wěn)定，然后相繼離開離子阱而被檢測。質(zhì)量選擇不穩(wěn)定掃描（mass selective instability mode）的工作模式下，通過改變掃描的射頻電壓，可以獲得依據(jù)質(zhì)荷比分布的質(zhì)譜峰，或者通過改變輸出端端蓋電極的交流電電壓來選擇測量離子。
不過，這項技術(shù)存在一些缺陷，比如精確的定量問題以及很窄的動態(tài)范圍，這些因素限制了離子阱技術(shù)的發(fā)展。所以，盡管其質(zhì)量分辨率高離子阱質(zhì)譜分析儀還沒有被廣泛地應(yīng)用在無機質(zhì)譜，甚至沒有任何商用電感耦合等離子體離子陰質(zhì)譜（ICP-IT-MS）儀器的出現(xiàn)不過ICP-IT-MS技術(shù)存在問題可能和等離子中大量的氬離子有關(guān)，這些氬離子在離子阱中就會和需要分析的離子發(fā)生顯著的碰撞和散射作用，其結(jié)果就是分析物的靈敏度顯著下降。
六、傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)量分析器
傅里葉變換離子回旋共振是基于離子在均勻磁場中的回旋運動，離子的回旋頻率、半徑、速率和能量是離子質(zhì)量和離子電荷及磁場強度的函數(shù)。通過一個空間均勻的射頻場（激發(fā)電場）的作用，當(dāng)離子的回旋頻率與激發(fā)射頻場頻率相同（共振）時，離子將同相位加速至一較大的半徑回旋，從而產(chǎn)生可被接受的電流信號。傅里葉變換法所采用的射頻范圍覆蓋了測定的質(zhì)量范圍，所有離子同時被激發(fā)，所檢測的信號經(jīng)傅里葉變換處理，轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)譜圖。
傅里葉變換質(zhì)譜儀是一種高分辨率的質(zhì)譜儀，測定的準(zhǔn)確度高，數(shù)據(jù)采集速度快，可以與多種離子化方式連接，可進行多級質(zhì)譜MS的檢測，在化合物相對分子質(zhì)量測定、結(jié)構(gòu)信息獲取及反應(yīng)機理的研究等方面發(fā)揮著重要作用。近年來與基質(zhì)輔助激光解吸離子化（MALDI）及電解霧離子化（ESI）聯(lián)用，成為生物大分子研究中一個不可多得的工具。
特點：性能十分穩(wěn)定可靠；可以和任何離子源相聯(lián)，同時非常適合多級質(zhì)譜。但是碰撞能裝低，碎片不安全，需超導(dǎo)磁場，儀器價格偏高。
