三重四级杆质谱仪原理详解

三重四级杆质谱仪原理当前第1页\共有74页\编于星期三\17点内容质量分析–基础知识–质量分析器的性能特点•分辨率•准确率•质量范围多级质量分析–什么是多级质谱？–多级质谱如何工作？–碰撞诱导解离(CID)–采集方式•SRM•MRMQQQ的优点（选择性、灵敏度和速度）当前第2页\共有74页\编于星期三\17点质量分析:基本基础知识在质量分析器里所产生的离子是根据他们的质荷比(m/z).进行分离的当前第3页\共有74页\编于星期三\17点质荷比

与小分子不同，一个更大分子的同位素质量簇中丰度最大的离子可能不是最低同位素质量。注意这个变化是同位素分布，它将影响你分析的结果。当前第4页\共有74页\编于星期三\17点质量分析器的性能特点分辨率=M/ΔM分辨率为200时，准确率是～2000ppm分辨率为2500时，准确率是～100ppm当前第5页\共有74页\编于星期三\17点准确率（ppm级误差的例子）一个质量为1000道尔顿的化合物

1000±2.0Da(or±2000ppm)1000±0.5Da(or±500ppm)1000±0.1Da(or±100ppm)1000±0.01Da(or±10ppm)1000±0.002Da(or±2ppm)当前第6页\共有74页\编于星期三\17点一个单四极杆质谱仪当前第7页\共有74页\编于星期三\17点四极杆质量过滤器合成电压在两个对杆上数量是相同的，极性是相反的。当前第8页\共有74页\编于星期三\17点四极杆质量过滤器如何工作的？当前第9页\共有74页\编于星期三\17点四极杆质量过滤器稳定性图表马修稳定图当前第10页\共有74页\编于星期三\17点选择性离子监测与全扫描对比当前第11页\共有74页\编于星期三\17点三重四极杆与其他液相/质谱联用技术的比较–在质谱应用领域里三重四极杆是最灵敏和定量重现性最好的仪器。–在质谱应用领域里三重四极杆在执行中性丢失扫描和母子扫描模式具有最好的灵敏性和准确性。三重四极杆不是最好的获取质谱图的仪器，平行测量的质谱系统会更好些：

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三重四极杆质谱/质谱不如离子阱质谱仪（TRAPS）灵敏（定性）•三重四极杆质谱不如飞行时间质谱仪（TOF）所获取的质谱图那么有说服力（定性）当前第12页\共有74页\编于星期三\17点质量分析器的性能特点•

质量范围–不同类型质量分析器质荷比的范围。四极杆分析器典型的扫描范围高达3000m/z。当前第13页\共有74页\编于星期三\17点多级质量分析——质谱/质谱方式的介绍当前第14页\共有74页\编于星期三\17点多级质量分析通常通过由惰性气体分子，例如氮气，氩气或氦气，碰撞所选择的分子离子来实现的。这个过程就是所谓的碰撞诱导解离（CID)。对所得的碎片离子进行质量分析。碎片离子被用于对原来的分子离子的结构判断。多质谱分析可用于缩氨酸顺序，碳水化合物的结构特性，低聚核苷酸以及酯类药物类的分子等的测定。当前第15页\共有74页\编于星期三\17点什么是碰撞诱导解离（CID）？这是一个通过中性分子的碰撞把能量传递给离子的过程。这种能量传递足以使分子键断裂和所选择的离子重排。

为什么它那么重要？在70年代初期McLafferty(JACS,95,3886,1973)论证了从离子观测得的键断裂和重排，表明了CID是中性分子的分子结构的典型代表。结构阐述用主要的分裂机理方式解释CID谱图。当前第16页\共有74页\编于星期三\17点多级质谱分析两种型号的质谱时间串联的质谱空间串联的质谱当前第17页\共有74页\编于星期三\17点时间串联多级质谱分析：通过离子阱质量分析器实现时间串联多级质量分析是通过同一个分析器实现的，分离出所需的离子，使之断裂，并分析碎片离子。当前第18页\共有74页\编于星期三\17点时间串联的多级质谱:离子阱（质谱n）离子在离子阱中静电捕获（无线电频率场见下图）通过改变阱里的电场，从而选择特定的离子留在阱里，把其他的排除出离子阱。在与惰性气体原子（氦，氩或者氮）碰撞后，所选择的离子被激活，所产生的更大动能使它们变成碎片。所得的碎片离子通过分析后，得到碎片离子谱图。当前第19页\共有74页\编于星期三\17点时间串联的多级质谱：优点•离子阱的一个优点就是它们能够分离出某种离子，把其他的离子排除出离子阱。•

被分离的离子能够通过CID的方式变成碎片然后被测定。•

质谱/质谱试验能快速进行。•

离子阱允许对碎片离子和碎片片段进行多重质谱/质谱(akaMSn)实验，以获得更多的结构信息。•

另外一个优点就是它们能够富集离子，以提供更好的离子信号。当前第20页\共有74页\编于星期三\17点时间串联的多级质谱：缺点•

缺乏三重四极杆（QQQ）类型的母离子扫描和和中性丢失扫描的高灵敏度。•

因为空间电荷效应的影响，离子阱的动态范围有限。因为如果过多的离子积累在阱里，它们的电荷相斥会对仪器的分辨率和定量分析造成有害的影响。当前第21页\共有74页\编于星期三\17点空间串联的多级质谱：通过QQQ质量分析器完成•

空间串联的多级质谱分析通过连续的质量分析器实现，例如QQQ。当前第22页\共有74页\编于星期三\17点空间串联多级质谱：QQQ•

必须通过连续放置多个分析器来实现空间串联的多级质谱分析。•

对于QQQ，每个分析器有以下单独的作用：

–第一个四极杆(Q1)根据设定的质荷比范围扫描和选择所需的离子。–第二个四极杆(Q2)，也称碰撞池，用于聚集和传送离子。在所选择离子的飞行途中，引入碰撞气体，例如氮气等。–第三个四极杆(Q3)用于分析在碰撞池中产生的碎片离子。当前第23页\共有74页\编于星期三\17点空间串联多级质谱：QQQ•QQQ质谱仪对于液相色谱－质谱/质谱应用来说是权威的分析工具，特别是需要精确定量时。•

可以通过三重四极杆质谱仪可以进行如下几类试验：

–子离子扫描–母离子扫描–中性丢失扫描–单个反应监测–多重反应监测当前第24页\共有74页\编于星期三\17点QQQ多级质谱：子离子扫描•

Q1选择了某一特定质量的母离子，Q2碰撞池产生碎片离子，然后在Q3中分析。此过程产生典型的质谱质谱碎片谱图。第一个四极杆在选择性离子监测模式，第二个在全扫描监测模式当前第25页\共有74页\编于星期三\17点QQQ多级质谱：母离子扫描•

在母离子扫描中，Q1测定母离子，Q3测定某个特定的碎片离子，因此可在非常复杂的混合物中监测某种特定的分子。•

在下面的例子中，睾丸激素在母碎片（m/z367）中碎片m/z97得到选择性监测，具有极高的灵敏度和精确的定量分析。当前第26页\共有74页\编于星期三\17点QQQ多级质谱：中性丢失扫描

在QQQ中进行中性丢失扫描，Q1和Q3分析器的结合使灵敏度和选择性得到最大化。Q1/Q3中性丢失扫描可监测母离子特定的中性丢失，例如缩氨酸磷酸盐中一个磷酸根的丢失。在这个例子中，Q1和Q3的扫描得到母离子的谱图，这张谱图是母离子为了磷酸化，丢失了碎片98而得到的。当前第27页\共有74页\编于星期三\17点QQQ多级质谱：单个反应监测(SRM)选择某一质量的母离子，Q2碰撞单元产生碎片离子。Q3只分析一个碎片离子。此过程产生一个简单的单个离子碎片谱图。当前第28页\共有74页\编于星期三\17点QQQ多级质谱：多反应监测Q1选择某一质量的母离子，碰撞单元产生碎片离子。Q3用于搜寻多个选择反应监测，这就是多重反应监测（MRM）。当前第29页\共有74页\编于星期三\17点采集类型：QQQ质谱仪当前第30页\共有74页\编于星期三\17点三重四极杆:SRM或MRM当前第31页\共有74页\编于星期三\17点多反应监测（MRM）当前第32页\共有74页\编于星期三\17点QQQ应用•采用QQQ,分析者可以采用最少的样品制备步骤。•

经常用于少量化合物的高通量定量分析，而不用于大量化合物同时高通量分析。。•

一些例子：•食品中的农药和除草剂•人类体液中的违禁药物•地表水的药物•生物基体中的药物当前第33页\共有74页\编于星期三\17点酸性氯代除草剂的基本知识•常用于除去草地和谷类农作物中阔叶杂草•潜在的地下水污染物•公众的误用•需要对痕量级别定量当前第34页\共有74页\编于星期三\17点传统方法•

液－液萃取•

重氮甲烷衍生化•

气相色谱方法和选择性检测器（例如电子捕获检测器）•

仪器二次运行确认•

存在问题•溶剂的过量使用•

问题数据的解释•

甲基化试剂的安全关注当前第35页\共有74页\编于星期三\17点为什么使用HPLC/MS/MS?•不需进行衍生化。•

在单个分析中实现确认定量。•

在复杂很脏的基体中的低检测限•

提高实验室效率/产出率（使用固相萃取技术）•

更可靠和可值得信赖的测试结果。当前第36页\共有74页\编于星期三\17点无基体效应(土壤)在380微升每个土壤萃取物中注射进20微升混标当前第37页\共有74页\编于星期三\17点三重四级杆质谱仪原理当前第38页\共有74页\编于星期三\17点内容质量分析–基础知识–质量分析器的性能特点•分辨率•准确率•质量范围多级质量分析–什么是多级质谱？–多级质谱如何工作？–碰撞诱导解离(CID)–采集方式•SRM•MRMQQQ的优点（选择性、灵敏度和速度当前第39页\共有74页\编于星期三\17点质量分析:基本基础知识在质量分析器里所产生的离子是根据他们的质荷比(m/z).进行分离的当前第40页\共有74页\编于星期三\17点质荷比与小分子不同，一个更大分子的同位素质量簇中丰度最大的离子可能不是最低同位素质量。注意这个变化是同位素分布，它将影响你分析的结果。当前第41页\共有74页\编于星期三\17点质量分析器的性能特点分辨率=M/ΔM分辨率为200时，准确率是～2000ppm分辨率为2500时，准确率是～100ppm当前第42页\共有74页\编于星期三\17点准确率（ppm级误差的例子）一个质量为1000道尔顿的化合物1000±2.0Da(or±2000ppm)1000±0.5Da(or±500ppm)1000±0.1Da(or±100ppm)1000±0.01Da(or±10ppm)1000±0.002Da(or±2ppm)当前第43页\共有74页\编于星期三\17点一个单四极杆质谱仪当前第44页\共有74页\编于星期三\17点四极杆质量过滤器合成电压在两个对杆上数量是相同的，极性是相反的。当前第45页\共有74页\编于星期三\17点四极杆质量过滤器如何工作的？当前第46页\共有74页\编于星期三\17点四极杆质量过滤器稳定性图表马修稳定图当前第47页\共有74页\编于星期三\17点选择性离子监测与全扫描对比当前第48页\共有74页\编于星期三\17点三重四极杆与其他液相/质谱联用技术的比较–在质谱应用领域里三重四极杆是最灵敏和定量重现性最好的仪器。–在质谱应用领域里三重四极杆在执行中性丢失扫描和母子扫描模式具有最好的灵敏性和准确性。三重四极杆不是最好的获取质谱图的仪器，平行测量的质谱系统

会更好些：

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三重四极杆质谱/质谱不如离子阱质谱仪（TRAPS）灵敏（定性）•三重四极杆质谱不如飞行时间质谱仪（TOF）所获取的质谱图那么有说服力（定性）当前第49页\共有74页\编于星期三\17点质量分析器的性能特点•质量范围–不同类型质量分析器质荷比的范围。四极杆分析器典型的扫描范围高达3000m/z。当前第50页\共有74页\编于星期三\17点多级质量分析质谱/质谱方式的介绍当前第51页\共有74页\编于星期三\17点多级质量分析通常通过由惰性气体分子，例如氮气，氩气或氦气，碰撞所选择的分子离子来实现的。这个过程就是所谓的碰撞诱导解离（CID)。对所得的碎片离子进行质量分析。碎片离子被用于对原来的分子离子的结构判断。多质谱分析可用于缩氨酸顺序，碳水化合物的结构特性，低聚核苷酸以及酯类药物类的分子等的测定。当前第52页\共有74页\编于星期三\17点什么是碰撞诱导解离（CID）？这是一个通过中性分子的碰撞把能量传递给离子的过程。这种能量传递足以使分子键断裂和所选择的离子重排。为什么它那么重要？在70年代初期McLafferty(JACS,95,3886,1973)论证了从离子观测得的键断裂和重排，表明了CID是中性分子的分子结构的典型代表。

结构阐述用主要的分裂机理方式解释CID谱图。当前第53页\共有74页\编于星期三\17点多级质谱分析两种型号的质谱/质谱时间串联的质谱/质谱或空间串联的质谱/质谱当前第54页\共有74页\编于星期三\17点时间串联多级质谱分析：通过离子阱质量分析器实现时间串联多级质量分析是通过同一个分析器实现的，分离出所需的离子，使之断裂，并分析碎片离子。当前第55页\共有74页\编于星期三\17点时间串联的多级质谱:离子阱（质谱n）离子在离子阱中静电捕获（无线电频率场见下图）通过改变阱里的电场，从而选择特定的离子留在阱里，把其他的排除出离子阱。在与惰性气体原子（氦，氩或者氮）碰撞后，所选择的离子被激活，所产生的更大动能使它们变成碎片。所得的碎片离子通过分析后，得到碎片离子谱图。当前第56页\共有74页\编于星期三\17点时间串联的多级质谱：优点•离子阱的一个优点就是它们能够分离出某种离子，把其他的离子排除出离子阱。•

被分离的离子能够通过CID的方式变成碎片然后被测定。•

质谱/质谱试验能快速进行。•

离子阱允许对碎片离子和碎片片段进行多重质谱/质谱(akaMSn)实验，以获得更多的结构信息。•

另外一个优点就是它们能够富集离子，以提供更好的离子信号。当前第57页\共有74页\编于星期三\17点时间串联的多级质谱：缺点•缺乏三重四极杆（QQQ）类型的母离子扫描和和中性丢失扫描的高灵敏度。•

因为空间电荷效应的影响，离子阱的动态范围有限。因为如果过多的离子积累在阱里，它们的电荷相斥会对仪器的分辨率和定量分析造成有害的影响。当前第58页\共有74页\编于星期三\17点空间串联的多级质谱：通过QQQ质量分析器完成•

空间串联的多级质谱分析通过连续的质量分析器实现，例如QQQ。当前第59页\共有74页\编于星期三\17点空间串联多级质谱：QQQ•

必须通过连续放置多个分析器来实现空间串联的多级质谱分析。•

对于QQQ，每个分析器有以下单独的作用：–第一个四极杆(Q1)根据设定的质荷比范围扫描和选择所需的离子。–第二个四极杆(Q2)，也称碰撞池，用于聚集和传送离子。在所选择离子的飞行途中，引入碰撞气体，例如氮气等。–第三个四极杆(Q3)用于分析在碰撞池中产生的碎片离子。当前第60页\共有74页\编于星期三\17点空间串联多级质谱：QQQ•QQQ质谱仪对于液相色谱－质谱/质谱应用来说是权威的分析工具，特别是需要精确定量时。•

可以通过三重四极杆质谱仪可以进行如下几类试验：–子离子扫描–母离子扫描–中性丢失扫描–单个反应监测–多重反应监测当前第61页\共有74页\编于星期三\17点QQQ多级质谱：子离子扫描•Q1选择了某一特定质量的母离子，Q2碰撞池产生碎片离子，然后在Q3中分析。此过程产生典型的质谱质谱碎片谱图。第一个四极杆在选择性离子监测模式，第二个在全扫描监测模式当前第62页\共有74页\编于星期三\17点QQQ多级质谱：母离子扫描•

在母离子扫描中，Q1测定母离子，Q3测定某个特定的碎片离子，因此可在非常复杂的混合物中监测某种特定的分子。

•在下面的例子中，睾丸激素在母碎片（m/z367）中碎片m/z97得到选择性监测，具有极高的灵敏度和精确的定量分析。当前第63页\共有74页\编于星期三\17点QQQ多级质谱：中性丢失扫描

在QQQ中进行中性丢失扫描，Q1和Q3分析器的结合使灵敏度和选择性得到最大化。Q1/Q3中性丢失扫描可监测母离子特定的中性丢失，例如缩氨酸磷酸盐中一个磷酸根的丢失。在这个例子中，Q1和Q3的扫描得到母离子的谱图，这张谱图是母离子为了磷酸化，丢失了碎片98而得到的当前第64页\共有74页\编于星期三\17点QQQ多级质谱：单个反应监测