質譜儀是通過對被測樣品離子的質荷比(m/z)的測定來進行分離和檢測的儀器。被分析的樣品首先要離子化，然后利用不同離子在電場或磁場中的運動行為不同，把離子按質荷比分開而得到質量譜圖，通過樣品的質量譜圖和相關信息，可以得到樣品的定性定量結果。

作為一種功能強大的分析工具，質譜具有高靈敏度和高質量精度。質譜技術作為最重要的研究手段在疾病發生發展、藥物治療、環境暴露等各領域中發揮著重要作用。

串聯質譜的工作原理

為了得到更多的有關分子離子和碎片離子的結構信息，早期的質譜工作者把亞穩離子作為一種研究對象。所謂亞穩離子(metastable ion)是指離子源出來的離子，由于自身不穩定，前進過程中發生了分解，丟掉一個中性碎片后生成的新離子，這個新的離子稱為亞穩離子。

這個過程可以表示為：m1+m2+ +N , 新生成的離子在質量上和動能上都不同于m1+ , 由于是在行進中途形成的，它也不處在質譜中m2的質量位置。研究亞穩離子對搞清離子的母子關系，對進一步研究結構十分有用。于是，在雙聚焦質譜儀中設計了各種各樣的磁場和電場聯動掃描方式，以求得到子離子，母離子和中性碎片丟失。盡管亞穩離子能提供一些結構信息，但是由于亞穩離子形成的幾率小，亞穩峰太弱，檢測不容易，而且儀器操作也困難，因此，后來發展成在磁場和電場間加碰撞活化室，人為地使離子碎裂，設法檢測子離子，母離子，進而得到結構信息。這是早期的質譜-質譜串聯方式。

隨著儀器的發展，串聯的方式越來越多。尤其是20世紀80年代以后出現了很多軟電離技術，如ESI、APCI、FAB、MALDI等，基本上都只有準分子離子，沒有結構信息，更需要串聯質譜法得到結構信息。因此，近年來，串聯質譜法發展十分迅速。

常見質譜儀的種類

質譜儀的種類非常多，根據質量分析器的不同，可將質譜分為離子阱質譜、四級桿質譜、軌道阱質譜、飛行時間質譜、傅里葉變換離子回旋共振質譜、磁質譜等等。

目前常見的質譜多為它們的串聯形式，如四級桿串聯飛行時間(Q-TOF)、四級桿串聯軌道阱(QE)、三重四級桿(QQQ)、三重四級桿復合線性離子阱(Q-TRAP)。如果按分辨率劃分，前兩者屬于高分辨質譜，后兩者屬于低分辨質譜。為了增加結構信息，大多采用具有串聯質譜功能的質量分析器,串聯方式很多，如Q-Q-Q，Q-TOF等。

? 基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF MS)

一種常用的MS技術。MALDI是一種軟電離技術，通過使用激光能量產生具有最小碎片的離子。在TOF中，質子化離子通過一個電場加速，使離子具有與有相同電荷的任何其他離子相同的動能。離子的速度取決于質荷比(m/z)，離子到達檢測器所需的時間被測量。MALDI-TOF質譜儀可以分析多種生物分子，包括肽和碳水化合物。

? 三重四極桿質譜(TQMS或QQQ)

一種串聯質譜儀，目前普遍使用的四極桿質譜，第一級四極桿選母離子，第二級四極桿作為碰撞室對母離子進行碰撞解離，第三級四極桿作為質量分析器完成離子分析。TQMS可能是著名和使用廣泛的串聯質譜，它相對簡單易用，并且具有良好的可重復性，可以低成本提供各種應用。三重四極桿質譜儀可用于結構解析，提供有關碎片模式的信息。TQMS對于定量研究非常有用。由于提高了靈敏度和特異性降低了檢測和定量限，因此TQMS是許多領域的一個重要選擇，如藥物開發、臨床研究、環境研究等。

? 四極-阱質譜(Quadrupole Trap MS)

一種混合三重質譜儀。與經典的三重四極桿質譜儀不同，Q3可以作為一個標準的四極桿質譜過濾器也可以作為一個線性離子阱(LIT)，其靈敏度高于傳統的3D離子阱。該儀器保留了經典的三重四極桿掃描功能(如選定反應監測，SRM)，也可用于靈敏的離子阱實驗。

? 混合線性離子阱軌道質譜

結合了線性離子阱和高分辨率Orbitrap，是串聯質譜儀中的一種。LIT使用一組四極桿在徑向上限制離子，在端電極上使用靜態電勢在軸向上限制離子。Orbitrap由一個軸對稱的質量分析器組成，使離子繞著主軸做軌道運動。然后，檢測圖像電流，并通過傅立葉變換將其轉換為質譜。這種混合質譜儀廣泛應用于蛋白質組學和代謝組學分析。

? 四極-Orbitrap質譜

結合了高性能四極桿前體選擇與高分辨率、精確質量(HR/AM)Orbitrap檢測，其第一個質量分析器是四極桿，第二個是高分辨率Orbitrap。可以達到亞PPM級，其核心部分是一個具有離子儲存功能的C-Trap和質量分析器Obitrap。它可以廣泛應用于蛋白質組學、代謝組學、食品安全、毒理學等各個領域。百泰派克生物科技可以使用四極桿-Orbitrap質譜儀提供各種服務。

? 四極桿(Q)質譜儀

有多種組合類型，早期主要是單級四極桿質譜儀，該儀器與ESI或APCI離子源聯用可以對分析物進行定性和定量分析。單級四極桿質譜儀依靠選擇離子監控(SIM)方式完成定量分析，但是單級四極桿不能進行真正意義上的串級質譜分析(MS/MS)，只能通過源內裂解模式得到部分碎片離子而實現類似MS/MS的功能。多級四極桿的發展使四極桿質譜具有了強大的分析功能，可以實現所有的MS/MS掃描方式，包括子離子掃描、母離子掃描、中性丟失掃描等。

? 離子回旋共振(ICR)質譜儀

傅立葉變換離子回旋共振質譜(FTICRMS)是質譜中十分重要的一類儀器，它是根據離子在磁場中會進行回旋運動的特性設計的。FTICR是一種具有超高分辨率和質量準確度的質譜儀器，其核心部分是由超導磁體組成的強磁場，和置于磁場中的ICR盒組成。FTICR因有超導體存在，必須在液氦的溫度和超高真空的真空系統下工作，因此對環境的要求非常高。Obitrap質譜儀與FTICR質譜相比可以獲得更高的質量精確度和分辨率，但是卻不需要超導磁場環境，維護起來也更方便。

? 混合型質譜儀- Q-ToF

由四極桿質譜和飛行時間質譜組成的串聯型質譜儀，因此無論是在MS或MS/MS模式下均具有較高的分辨率和質量精確度。在MS模式下，四極桿具有離子導向作用；在MS/MS模式下，四極桿具有質量分選功能，第一級四極桿對母離子進行選擇，離子的碰撞解離則在第二級四極桿中進行。裝有反射器的飛行時間(TOF)分析裝置與四極桿垂直配置，在MS和MS/MS狀態下均有質量分析功能。在進行MS/MS質譜實驗時，第一級四極桿質譜選取單一離子并將它送入碰撞活化室與惰性氣體發生碰撞并使母離子發生誘導裂解，碰撞活化室由六極桿組成，在工作狀態下四極桿上僅有射頻電位，因而所有離子均能通過碰撞活化室，到達垂直飛行時間質譜的加速器中，在推斥極的作用下，離子進入TOF-MS進行質量分離，儀器的最終檢測器為高敏感性的微通道板。由于此儀器配以電噴霧電離源(ESI)和基質輔助激光電離源(MALDI)，可以分別實現與高效液相色譜聯用或直接進樣。為適應研究的需要進一步提高分辨率，此儀器裝有多級反射器(W型)，由于多級反射，其分辨率可達20000(FWHM)左右，Q-Tof可以進行多種模式的質量檢測，主要包括MS Scan、TOF MS和TOFMS/MS，這些模式同樣可以用于負離子的檢測。

? 混合型質譜儀- Q-IT

由四極桿和離子阱組成的混合型質譜。例如，美國應用生物系統公司研制的QTRAP就是這一類儀器的代表。該質譜儀是將三重四極桿質譜儀(QqQ)中的最后一級四極桿(Q3)改為線性離子阱(LIT)設計而成，并可以通過電噴霧(ESI)和大氣壓化學電離(APCI)與HPLC聯用。其獨特之處在于Q3同時具有線性離子阱和傳統四極桿的功能，且在離子阱模式下MS/MS的靈敏度比常規的三重四極桿型高出數十倍至數百倍，同時作為四極桿操作時保留傳統三重四級桿型的掃描模式，可以選擇子離子掃描(PROS)、母離子掃描(PRES)、中性丟失掃描(NLS)以及多反應監測或選擇反應監測(MRM 或SRM)，并且使全掃描方式的靈敏度提高。同時克服傳統3D 離子阱的一些缺點，如低質量截止現象(1/ 3 效應)、碰撞效率低和定量分析性能較差等。因此，QTRAP的這種設計方式不但提高靈敏度而且也增加信息量，兼有定性和定量分析的功能，而且增加多種掃描功能和IDA(Information Dependant Acquistion)等軟件功能，使得QTRAP?型串聯質譜儀很快在有機化合物結構分析、藥物篩選及其代謝物定性及定量分析和蛋白分子研究等方面發揮獨特作用。

三重四級桿質譜儀的掃描模式

? 全掃描(Full Scan)

原理是Q1掃描并放行一定質荷比m/z范圍內的所有母離子，母離子可直接穿過Q2和Q3并到達信號檢測器。一般想要得知未知物質的分子量以及相應的所有的碎片離子，都會進行全掃描，通過掃描得到的全譜，進行相應的譜庫檢索從而得到未知物質的相應信息。該模式主要用于尋找母離子和對未知化合物進行定性。

? 單離子檢測(SIM，Selected Ion Monitoring)

也稱選擇離子掃描，是指針對一級質譜而言，進行只掃一個離子的模式，并不是連續掃描某一范圍內的質量，而是通過設定有針對的掃描某幾個選定的質量。選擇離子監測模式時Q1掃描并只允許特定質荷比m/z的母離子通過，母離子可直接穿過Q2和Q3并到達信號檢測器。該模式使用較少，主要用于不容易碰撞裂解產生碎片的化合物的監測。

? 選擇反應檢測(SRM，Selected Reaction Monitoring)

原理是Q1掃描并放行特定質荷比m/z的母離子，到達Q2后和氮氣惰性氣體碰撞并裂解產生碎片離子，碎片離子進入Q3后被掃描并放行特定質荷比m/z的子離子。Q1和Q3起到過濾離子的功能，而Q2的主要作用是打碎目標物離子，形成子離子碎片。同時對多對母-子離子對的檢測，成為多選擇反應檢測(MRM)。該掃描模式篩選特定的母離子及其碎片子離子，可大大提高選擇性，有效降低了假陽性率，是臨床檢測中常用的工作模式。

? 母離子掃描(Precursor Scan)

原理是Q1掃描并放行一定質荷比范圍內的所有母離子，這些母離子到達Q2后經氮氣碰撞裂解產生子離子碎片，Q3只選擇掃描并放行特定的子離子。該模式主要用于子離子已知，母離子未知，尋找能產生該子離子的母離子。臨床上使用串聯質譜法開展新生兒遺傳代謝病篩查時，可使用該模式來檢測樣本中的肉堿類化合物。

? 子離子掃描(Product Scan)

原理是Q1對特定質核比的母離子放行，該母離子到達Q2后和氮氣分子碰撞裂解產生子離子碎片，Q3只掃描特定范圍質核比的子離子。該模式主要用于判定質荷比已知的母離子在碰撞裂解后能產生哪些子離子碎片，可用于化合物結構解析和定性等。

? 中性碎片丟失掃描(Neutral Loss)

原理是Q1掃描并放行給定質荷比范圍內的所有母離子，這些母離子到達Q2后經氮氣碰撞裂解產生子離子碎片，Q3只選擇掃描并放行母離子與子離子有特定質量數差異的子離子。該模主要用于尋找能產生特定中性碎片的母離子。臨床上使用串聯質譜法開展新生兒遺傳代謝病篩查時，可使用該模式來檢測樣本中的部分氨基酸類化合物。

高分辨質譜儀的掃描模式

? 全掃描(Full Scan)

對一定范圍內的質核比均進行一級和二級掃描、所需檢測時間較長。

? 數據依賴性掃描(DDA，Data Dependent Scan)

對選定范圍內的質核比的母離子進行全掃描，然后對從全掃描質譜中選擇的多個母離子(強度依賴)進行二級掃描。

? 數據非依賴模式掃描(DIA，data independent acquisition)

將選定范圍內的質核比分成若窗口，每個窗口的所有一級和二級碎片進行連續和無偏倚的采集。

質譜儀是一種很好的定性鑒定用儀器，目前，在有機質譜儀中，除激光解吸電離-飛行時間質譜儀和傅立葉變換質譜儀之外，所有質譜儀都是和氣相色譜或液相色譜組成聯用儀器。這樣，使質譜儀無論在定性分析還是在定量分析方面都十分方便。

同時，為了增加未知物分析的結構信息，為了增加分析的選擇性，采用串聯質譜法(質譜-質譜聯用)，也是目前質譜儀發展的一個方向。也就是說，目前的質譜儀是以各種各樣的聯用方式工作的。