四极杆质谱仪：介绍、原理及优劣势

在本文中，四级杆质谱仪是指使用四极杆质量分析器的质谱仪，实际的质谱仪还包括样品引入模块、检测器模块以及数据处理等单元。而本期内容主要探讨四极杆质量分析器。01介绍由于四极杆质量分析器能够选择单一m/z（质荷比）值的离子进行分析，因此有时也被称为质量过滤器。虽然四极杆质谱仪在灵敏度、分辨率和上限质量范围方面不如扇形磁场质谱仪，但由于其使用方便、价格相对低廉、体积小巧并可随时与气相色谱（GC）或液相色谱（LC）系统连接，因此成为临床实验室中使用最广泛的质谱仪。▲图1.四极杆质量分析器示意图02原理四极杆质量分析器由四根平行的双曲线截面圆柱杆组成。这些杆通过直流电和交流电压充电，以影响离子的运动，其充电方式为：斜对角的两根杆具有相同的电压，而垂直的两根杆具有符号相反的电压。▲图2.四极杆质量分析器主视图离子必须缓慢进入四极场（只有几eV

的动能），才能与位于两杆之间的振动电磁场相互作用。在直流电中，电压（U）是恒定的，而在交流电（Vcosωt）中，电压的方向是变化的。如果施加的是交流电压，那么撞击金属杆的几率取决于离子的质量(m)和电荷(z)，也取决于磁场强度和振荡频率。仪器操作人员可以调整电场强度和振荡频率。电子伏特（electronvolt），符号为eV，是能量的单位。代表一个电子（所带电量为1.6×10-19C的负电荷）经过1伏特的电位差加速后所获得的动能。如果施加的频率很高，那么离子根本来不及做出反应，什么也不会发生；但如果频率太低，那么离子就会在电位翻转之前撞到杆上。如果是正离子，具有正电位的杆会排斥离子，而具有负电位的杆会吸引离子并将其捕获。四极杆质量分析器通过改变交流和直流电压来进行质量选择。让我们考虑一下，如果只施加一个交流电压，那么在这种情况下，当电压为正时，正离子将被排斥并停留在两根棒的中心。同样，当电位为负时，正离子会加速向两根棒移动，不会被检测到。

如果同时向这对棒提供交流电和正直流电，不同质量的离子对所施加的电压会有不同的反应。重离子不受交流电的影响，因此会被检测器检测到，因为重离子会集中在棒的中心，即使在高频交流电压的作用下，重离子也不会受到太大的影响，因为重离子的运行速度比轻离子慢得多。在这种情况下，四极杆可以实现高分子量离子筛选的功能。

同样，另一对棒将受到交流/直流电压的反向作用，因此，它将具有负直流电位，由于它是负的，重离子将撞击电极而不会被检测到，但轻离子将对交流电压做出反应，并将集中在四极杆的中心。因此，在这种情况下，较轻的离子会有一个稳定的轨迹。因此，在这种情况下，四极杆又可以实现低分子量离子的筛选功能。

通过将两种电压合并到同一系统中，可以选择单一的m/z，并使其具有稳定的轨迹。如果改变交流电压和直流电压的大小，稳定轨迹也会发生变化。不同量级的离子具有不同的稳定轨迹，到达检测器的时间也不同。因此，只需改变交流和直流电压，就可以选择所需的质量范围。

总结：四极杆质量分析器由四根平行的圆柱形金属杆组成，与中心轴等距排列。为了确保只有所需的m/z离子能顺利通过四极杆并到达检测器，四极杆同时受到直流电和交流电的共同作用。进入检测器的离子数量会产生信号，并显示在计算机上。

▲图3.四极杆质量分析器侧视图工作流程首先，利用电喷雾电离（ESI）、化学电离（CI）、基质辅助激光解吸电离（MALDI）等电离技术对分析物进行电离。然后，分析物离子被传输到四极杆质量分析器中，只有轨迹稳定的离子才能被检测器检测，而轨迹不稳定的离子则无法被检测到。离子被检测到的可能性可以通过调整磁场强度和振荡频率来控制。起初，只使用几百伏的小电压来加速电离装置中产生的连续离子束，使其在Z方向上的移动。这些离子通过一个小入口进入四极杆。极性相反的电压被施加到相邻的两极上，而相同极性的电压则被施加到对角相反的两极上。当交流电和直流电同时作用于每个杆时，杆会产生一个相位快速变化的电场。▲图4.具有不稳定轨迹的离子因为撞杆而无法被检测器检测（上）；具有稳定轨迹的离子则可以顺利通过四极杆并到达检测器（下）。因此，通过该电场运动的离子会在x和y方向上波动，具有特定m/z值的离子会产生稳定的振荡，并在特定参数设置下通过四极杆，并到达检测器。另一方面，具有其它m/z值的离子，由于振荡会变得不稳定，导致它们撞杆，从而无法被检测到。优势相对便宜且动态操作快速简单，可进行高通量分析不需要很高的真空条件（>10-7）良好的重现性和经典质谱体积小巧，扫描速度快，灵敏度高，适用于痕量分析与标准气相色谱仪相比，检测器与微小离子源之间的距离更近，因此台式仪器的体积更小。可调质量分辨率。劣势质量范围低（<4000m/z）分辨率低（<4000）质量精度差（>100ppm）扫描速度低MS/MS需要多个分析器单四极杆质量分析器单四极杆质谱仪包含一个质量分析器。单四极杆质谱仪只能测量离子源产生的离子。这些离子可以是碎片离子，也可以是由源内破碎产生的完整分子离子。由于这种分析器的特异性不如串联四极杆分析器，而且不能提供太多的结构信息，因此需要使用三重四极杆质谱分析器。此外，它也无法检测分析物产生的信号与基质产生的信号之间的差异。三重四极杆质量（QQQ）分析器三重四极杆质量分析器，也称为串联四极杆质量分析器，由两个四极杆质量分析器组成，中间由碰撞室隔开。第一个四极杆质量分析器选择前体离子。然后，被选中的前体离子在碰撞池中通过称为碰撞诱导解离（CID）的过程被分解或破碎。在此过程中，相关分析物与氮气或氩气等惰性气体发生碰撞。CID产生的特定产物离子取决于所使用的碰撞气体和能量，以及前体离子分子结构中固有的键能。如果CID条件稳定可靠，产物离子模式和相对离子丰度的重复性就会很高。最后，第二个或最后一个四极杆质量分析器对产物离子进行检测或选择，然后在检测器中进行检测。三重四极杆质量分析器的优势具有高度特异性