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质谱仪是通过对被测样品离子的质荷比(m/z)的测定来进行分离和检测的仪器。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场中的运动行为不同，把离子按质荷比分开而得到质量谱图，通过样品的质量谱图和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。

作为一种功能强大的分析工具，质谱具有高灵敏度和高质量精度。质谱技术作为最重要的研究手段在疾病发生发展、药物治疗、环境暴露等各领域中发挥着重要作用。

串联质谱的工作原理

为了得到更多的有关分子离子和碎片离子的结构信息，早期的质谱工作者把亚稳离子作为一种研究对象。所谓亚稳离子(metastable ion)是指离子源出来的离子，由于自身不稳定，前进过程中发生了分解，丢掉一个中性碎片后生成的新离子，这个新的离子称为亚稳离子。

这个过程可以表示为：m1+m2+ +N , 新生成的离子在质量上和动能上都不同于m1+ , 由于是在行进中途形成的，它也不处在质谱中m2的质量位置。研究亚稳离子对搞清离子的母子关系，对进一步研究结构十分有用。于是，在双聚焦质谱仪中设计了各种各样的磁场和电场联动扫描方式，以求得到子离子，母离子和中性碎片丢失。尽管亚稳离子能提供一些结构信息，但是由于亚稳离子形成的几率小，亚稳峰太弱，检测不容易，而且仪器操作也困难，因此，后来发展成在磁场和电场间加碰撞活化室，人为地使离子碎裂，设法检测子离子，母离子，进而得到结构信息。这是早期的质谱-质谱串联方式。

随着仪器的发展，串联的方式越来越多。尤其是20世纪80年代以后出现了很多软电离技术，如ESI、APCI、FAB、MALDI等，基本上都只有准分子离子，没有结构信息，更需要串联质谱法得到结构信息。因此，近年来，串联质谱法发展十分迅速。

常见质谱仪的种类

质谱仪的种类非常多，根据质量分析器的不同，可将质谱分为离子阱质谱、四级杆质谱、轨道阱质谱、飞行时间质谱、傅里叶变换离子回旋共振质谱、磁质谱等等。

目前常见的质谱多为它们的串联形式，如四级杆串联飞行时间(Q-TOF)、四级杆串联轨道阱(QE)、三重四级杆(QQQ)、三重四级杆复合线性离子阱(Q-TRAP)。如果按分辨率划分，前两者属于高分辨质谱，后两者属于低分辨质谱。为了增加结构信息，大多采用具有串联质谱功能的质量分析器,串联方式很多，如Q-Q-Q，Q-TOF等。

• 基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)

一种常用的MS技术。MALDI是一种软电离技术，通过使用激光能量产生具有最小碎片的离子。在TOF中，质子化离子通过一个电场加速，使离子具有与有相同电荷的任何其他离子相同的动能。离子的速度取决于质荷比(m/z)，离子到达检测器所需的时间被测量。MALDI-TOF质谱仪可以分析多种生物分子，包括肽和碳水化合物。

• 三重四极杆质谱(TQMS或QQQ)

一种串联质谱仪，目前普遍使用的四极杆质谱，第一级四极杆选母离子，第二级四极杆作为碰撞室对母离子进行碰撞解离，第三级四极杆作为质量分析器完成离子分析。TQMS可能是著名和使用广泛的串联质谱，它相对简单易用，并且具有良好的可重复性，可以低成本提供各种应用。三重四极杆质谱仪可用于结构解析，提供有关碎片模式的信息。TQMS对于定量研究非常有用。由于提高了灵敏度和特异性降低了检测和定量限，因此TQMS是许多领域的一个重要选择，如药物开发、临床研究、环境研究等。

• 四极-阱质谱(Quadrupole Trap MS)

一种混合三重质谱仪。与经典的三重四极杆质谱仪不同，Q3可以作为一个标准的四极杆质谱过滤器也可以作为一个线性离子阱(LIT)，其灵敏度高于传统的3D离子阱。该仪器保留了经典的三重四极杆扫描功能(如选定反应监测，SRM)，也可用于灵敏的离子阱实验。

• 混合线性离子阱轨道质谱

结合了线性离子阱和高分辨率Orbitrap，是串联质谱仪中的一种。LIT使用一组四极杆在径向上限制离子，在端电极上使用静态电势在轴向上限制离子。Orbitrap由一个轴对称的质量分析器组成，使离子绕着主轴做轨道运动。然后，检测图像电流，并通过傅立叶变换将其转换为质谱。这种混合质谱仪广泛应用于蛋白质组学和代谢组学分析。

• 四极-Orbitrap质谱

结合了高性能四极杆前体选择与高分辨率、精确质量(HR/AM)Orbitrap检测，其第一个质量分析器是四极杆，第二个是高分辨率Orbitrap。可以达到亚PPM级，其核心部分是一个具有离子储存功能的C-Trap和质量分析器Obitrap。它可以广泛应用于蛋白质组学、代谢组学、食品安全、毒理学等各个领域。百泰派克生物科技可以使用四极杆-Orbitrap质谱仪提供各种服务。

• 四极杆(Q)质谱仪

有多种组合类型，早期主要是单级四极杆质谱仪，该仪器与ESI或APCI离子源联用可以对分析物进行定性和定量分析。单级四极杆质谱仪依靠选择离子监控(SIM)方式完成定量分析，但是单级四极杆不能进行真正意义上的串级质谱分析(MS/MS)，只能通过源内裂解模式得到部分碎片离子而实现类似MS/MS的功能。多级四极杆的发展使四极杆质谱具有了强大的分析功能，可以实现所有的MS/MS扫描方式，包括子离子扫描、母离子扫描、中性丢失扫描等。

• 离子回旋共振(ICR)质谱仪

傅立叶变换离子回旋共振质谱(FTICRMS)是质谱中十分重要的一类仪器，它是根据离子在磁场中会进行回旋运动的特性设计的。FTICR是一种具有超高分辨率和质量准确度的质谱仪器，其核心部分是由超导磁体组成的强磁场，和置于磁场中的ICR盒组成。FTICR因有超导体存在，必须在液氦的温度和超高真空的真空系统下工作，因此对环境的要求非常高。Obitrap质谱仪与FTICR质谱相比可以获得更高的质量精确度和分辨率，但是却不需要超导磁场环境，维护起来也更方便。

• 混合型质谱仪- Q-ToF

由四极杆质谱和飞行时间质谱组成的串联型质谱仪，因此无论是在MS或MS/MS模式下均具有较高的分辨率和质量精确度。在MS模式下，四极杆具有离子导向作用；在MS/MS模式下，四极杆具有质量分选功能，第一级四极杆对母离子进行选择，离子的碰撞解离则在第二级四极杆中进行。装有反射器的飞行时间(TOF)分析装置与四极杆垂直配置，在MS和MS/MS状态下均有质量分析功能。在进行MS/MS质谱实验时，第一级四极杆质谱选取单一离子并将它送入碰撞活化室与惰性气体发生碰撞并使母离子发生诱导裂解，碰撞活化室由六极杆组成，在工作状态下四极杆上仅有射频电位，因而所有离子均能通过碰撞活化室，到达垂直飞行时间质谱的加速器中，在推斥极的作用下，离子进入TOF-MS进行质量分离，仪器的最终检测器为高敏感性的微通道板。由于此仪器配以电喷雾电离源(ESI)和基质辅助激光电离源(MALDI)，可以分别实现与高效液相色谱联用或直接进样。为适应研究的需要进一步提高分辨率，此仪器装有多级反射器(W型)，由于多级反射，其分辨率可达20000(FWHM)左右，Q-Tof可以进行多种模式的质量检测，主要包括MS Scan、TOF MS和TOFMS/MS，这些模式同样可以用于负离子的检测。

• 混合型质谱仪- Q-IT

由四极杆和离子阱组成的混合型质谱。例如，美国应用生物系统公司研制的QTRAP就是这一类仪器的代表。该质谱仪是将三重四极杆质谱仪(QqQ)中的最后一级四极杆(Q3)改为线性离子阱(LIT)设计而成，并可以通过电喷雾(ESI)和大气压化学电离(APCI)与HPLC联用。其独特之处在于Q3同时具有线性离子阱和传统四极杆的功能，且在离子阱模式下MS/MS的灵敏度比常规的三重四极杆型高出数十倍至数百倍，同时作为四极杆操作时保留传统三重四级杆型的扫描模式，可以选择子离子扫描(PROS)、母离子扫描(PRES)、中性丢失扫描(NLS)以及多反应监测或选择反应监测(MRM 或SRM)，并且使全扫描方式的灵敏度提高。同时克服传统3D 离子阱的一些缺点，如低质量截止现象(1/ 3 效应)、碰撞效率低和定量分析性能较差等。因此，QTRAP的这种设计方式不但提高灵敏度而且也增加信息量，兼有定性和定量分析的功能，而且增加多种扫描功能和IDA(Information Dependant Acquistion)等软件功能，使得QTRAP™型串联质谱仪很快在有机化合物结构分析、药物筛选及其代谢物定性及定量分析和蛋白分子研究等方面发挥独特作用。

三重四级杆质谱仪的扫描模式

• 全扫描(Full Scan)

原理是Q1扫描并放行一定质荷比m/z范围内的所有母离子，母离子可直接穿过Q2和Q3并到达信号检测器。一般想要得知未知物质的分子量以及相应的所有的碎片离子，都会进行全扫描，通过扫描得到的全谱，进行相应的谱库检索从而得到未知物质的相应信息。该模式主要用于寻找母离子和对未知化合物进行定性。

• 单离子检测(SIM，Selected Ion Monitoring)

也称选择离子扫描，是指针对一级质谱而言，进行只扫一个离子的模式，并不是连续扫描某一范围内的质量，而是通过设定有针对的扫描某几个选定的质量。选择离子监测模式时Q1扫描并只允许特定质荷比m/z的母离子通过，母离子可直接穿过Q2和Q3并到达信号检测器。该模式使用较少，主要用于不容易碰撞裂解产生碎片的化合物的监测。

• 选择反应检测(SRM，Selected Reaction Monitoring)

原理是Q1扫描并放行特定质荷比m/z的母离子，到达Q2后和氮气惰性气体碰撞并裂解产生碎片离子，碎片离子进入Q3后被扫描并放行特定质荷比m/z的子离子。Q1和Q3起到过滤离子的功能，而Q2的主要作用是打碎目标物离子，形成子离子碎片。同时对多对母-子离子对的检测，成为多选择反应检测(MRM)。该扫描模式筛选特定的母离子及其碎片子离子，可大大提高选择性，有效降低了假阳性率，是临床检测中常用的工作模式。

• 母离子扫描(Precursor Scan)

原理是Q1扫描并放行一定质荷比范围内的所有母离子，这些母离子到达Q2后经氮气碰撞裂解产生子离子碎片，Q3只选择扫描并放行特定的子离子。该模式主要用于子离子已知，母离子未知，寻找能产生该子离子的母离子。临床上使用串联质谱法开展新生儿遗传代谢病筛查时，可使用该模式来检测样本中的肉碱类化合物。

• 子离子扫描(Product Scan)

原理是Q1对特定质核比的母离子放行，该母离子到达Q2后和氮气分子碰撞裂解产生子离子碎片，Q3只扫描特定范围质核比的子离子。该模式主要用于判定质荷比已知的母离子在碰撞裂解后能产生哪些子离子碎片，可用于化合物结构解析和定性等。

• 中性碎片丢失扫描(Neutral Loss)

原理是Q1扫描并放行给定质荷比范围内的所有母离子，这些母离子到达Q2后经氮气碰撞裂解产生子离子碎片，Q3只选择扫描并放行母离子与子离子有特定质量数差异的子离子。该模主要用于寻找能产生特定中性碎片的母离子。临床上使用串联质谱法开展新生儿遗传代谢病筛查时，可使用该模式来检测样本中的部分氨基酸类化合物。

高分辨质谱仪的扫描模式

• 全扫描(Full Scan)

对一定范围内的质核比均进行一级和二级扫描、所需检测时间较长。

• 数据依赖性扫描(DDA，Data Dependent Scan)

对选定范围内的质核比的母离子进行全扫描，然后对从全扫描质谱中选择的多个母离子(强度依赖)进行二级扫描。

• 数据非依赖模式扫描(DIA，data independent acquisition)

将选定范围内的质核比分成若窗口，每个窗口的所有一级和二级碎片进行连续和无偏倚的采集。

质谱仪是一种很好的定性鉴定用仪器，目前，在有机质谱仪中，除激光解吸电离-飞行时间质谱仪和傅立叶变换质谱仪之外，所有质谱仪都是和气相色谱或液相色谱组成联用仪器。这样，使质谱仪无论在定性分析还是在定量分析方面都十分方便。

同时，为了增加未知物分析的结构信息，为了增加分析的选择性，采用串联质谱法(质谱-质谱联用)，也是目前质谱仪发展的一个方向。也就是说，目前的质谱仪是以各种各样的联用方式工作的。