質(zhì)譜儀是一種很好的定性鑒定用儀器,目前,在有機質(zhì)譜儀中,除激光解吸電離-飛行時間質(zhì)譜儀和傅立葉變換質(zhì)譜儀之外,所有質(zhì)譜儀都是和氣相色譜或液相色譜組成聯(lián)用儀器。這樣,使質(zhì)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(jié)構(gòu)信息,為了增加分析的選擇性,采用串聯(lián)質(zhì)譜法(質(zhì)譜-質(zhì)譜聯(lián)用),也是目前質(zhì)譜儀發(fā)展的一個方向。也就是說,目前的質(zhì)譜儀是以各種各樣的聯(lián)用方式工作的。
質(zhì)量分析器種類很多,最常用的是四極桿分析器(簡寫為Q),其次是離子阱分析器(Trap)和飛行時間分析器(TOF)。為了增加結(jié)構(gòu)信息,大多采用具有串聯(lián)質(zhì)譜功能的質(zhì)量分析器,串聯(lián)方式很多,如Q-Q-Q,Q-TOF等。
為了得到更多的有關(guān)分子離子和碎片離子的結(jié)構(gòu)信息,早期的質(zhì)譜工作者把亞穩(wěn)離子作為一種研究對象。所謂亞穩(wěn)離子(metastable ion)是指離子源出來的離子,由于自身不穩(wěn)定,前進過程中發(fā)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(wěn)離子。這個過程可以表示為:m1+m2+ +N , 新生成的離子在質(zhì)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(zhì)譜中m2的質(zhì)量位置。研究亞穩(wěn)離子對搞清離子的母子關(guān)系,對進一步研究結(jié)構(gòu)十分有用。于是,在雙聚焦質(zhì)譜儀中設(shè)計了各種各樣的磁場和電場聯(lián)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(wěn)離子能提供一些結(jié)構(gòu)信息,但是由于亞穩(wěn)離子形成的幾率小,亞穩(wěn)峰太弱,檢測不容易,而且儀器操作也困難,因此,后來發(fā)展成在磁場和電場間加碰撞活化室,人為地使離子碎裂,設(shè)法檢測子離子,母離子,進而得到結(jié)構(gòu)信息。這是早期的質(zhì)譜-質(zhì)譜串聯(lián)方式。
隨著儀器的發(fā)展,串聯(lián)的方式越來越多。尤其是20世紀80年代以后出現(xiàn)了很多軟電離技術(shù),如ESI、APCI、FAB、MALDI等,基本上都只有準分子離子,沒有結(jié)構(gòu)信息,更需要串聯(lián)質(zhì)譜法得到結(jié)構(gòu)信息。因此,近年來,串聯(lián)質(zhì)譜法發(fā)展十分迅速。
空間串聯(lián)和時間串聯(lián)。空間串聯(lián)是兩個以上的質(zhì)量分析器聯(lián)合使用,兩個分析器間有一個碰撞活化室,目的是將前級質(zhì)譜儀選定的離子打碎,由后一級質(zhì)譜儀分析。而時間串聯(lián)質(zhì)譜儀只有一個分析器,前一時刻選定-離子,在分析器內(nèi)打碎后,后一時刻再進行分析。本節(jié)將敘述各種串聯(lián)方式和操作方式。
串聯(lián)質(zhì)譜的主要串聯(lián)方式
質(zhì)譜-質(zhì)譜的串聯(lián)方式很多,既有空間串聯(lián)型,又有時間串聯(lián)型。空間串聯(lián)型又分磁扇型串聯(lián),四極桿串聯(lián),混合串聯(lián)等。如果用B表示扇形磁場,E表示扇形電場,Q表示四極桿,TOF表示飛行時間分析器,那么串聯(lián)質(zhì)譜主要方式有:
磁扇型串聯(lián)方式:BEB EBE BEBE等混合型串聯(lián):BE-Q Q-TOF EBE-TOF無論是哪種方式的串聯(lián),都必須有碰撞活化室,從第一級MS分離出來的特定離子,經(jīng)過碰撞活化后,再經(jīng)過第二級MS進行質(zhì)量分析,以便取得更多的信息。利用軟電離技術(shù)(如電噴霧和快原子轟擊)作為離子源時,所得到的質(zhì)譜主要是準分子離子峰,碎片離子很少,因而也就沒有結(jié)構(gòu)信息。為了得到更多的信息,最好的辦法是把準分子離子“打碎”之后測定其碎片離子。在串聯(lián)質(zhì)譜中采用碰撞活化分解(Collision activated dissociation, CAD)技術(shù)把離子“打碎”。碰撞活化分解也稱為碰撞誘導(dǎo)分解(Collision Induced dissociation, CID),碰撞活化分解在碰撞室內(nèi)進行,帶有一定能量的離子進入碰撞室后,與室內(nèi)情性氣體的分子或原子發(fā)生碰撞,離子發(fā)生碎裂。為了使離子碰撞碎裂,必須使離子具有一定動能,對于磁式質(zhì)譜儀,離子加速電壓可以超過1000V,而對于四極桿,離子阱等,加速電壓不超過100V,前者稱為高能CAD,后者稱為低能CID。二者得到的子離子譜是有差別的。串聯(lián)質(zhì)譜法工作方式和主要信息1、三級四極質(zhì)譜儀(Q-Q-Q)的工作方式和主要信息三級四極質(zhì)譜儀有三組四極桿,第一組四級桿用于質(zhì)量分離(MS1),第二組四極桿用于碰撞活化(CAD),第三組四極桿用于質(zhì)量分離(MS2)。主要工作方式有四種。
圖中a為子離子掃描方式,這種工作方式由MSI選定-質(zhì)量,CAD碎裂之后,由MS2掃描得子離子譜。b為母離子掃描方式,在這種工作方式,由MS2選定一個子離子,MS1掃描,檢測器得到的是能產(chǎn)生選定子離子的那些離子,即母離子譜。C是中性丟失譜掃描方式,在這種方式是MS1和MS2同時掃描。只是二者始終保持一定固定的質(zhì)量差(即中性丟失質(zhì)量),只有滿足相差-固定質(zhì)量的離子才得到檢測。d是多離子反應(yīng)監(jiān)測方式,由MS1選擇一個或幾個特定離子(圖中只選一個),經(jīng)碰撞碎裂之后,由其子離子中選出一特定離子,只有同時滿足MS1和MS2選定的一對離子時,才有信號產(chǎn)生。用這種掃描方式的好處是增加了選擇性,即便是兩個質(zhì)量相同的離子同時通過了MS1,但仍可以依靠其子離子的不同將其分開。這種方式非常適合于從很多復(fù)雜的體系中選擇某特定質(zhì)量,經(jīng)常用于微小成分的定量分析。2、離子阱質(zhì)譜儀MS-MS工作方式和主要信息
離子阱質(zhì)譜儀的MS-MS屬于時間串聯(lián)型,它的操作方式見上圖,在A階段,打開電子門此時基礎(chǔ)電壓置于低質(zhì)量的截止值,使所有的離子被阱集,然后利用輔助射頻電壓拋射掉所有高于被分析母離子的離子。進入B階段,增加基頻電壓,拋射掉所有低于被分析母離子的離子。以阱集即將碰撞活化的離子。在C階段,利用加在端電極上的輔助射頻電壓激發(fā)母離子,使其與阱內(nèi)本底氣體碰撞,在D階段,掃描基頻電壓,拋射并接收所有CID過程形成的子離子,獲得子離子譜。以此類推,可以進行多級MS分析。由離子阱的工作原理可以知道,它的MS-MS功能主要是多級子離子譜,利用計算機處理軟件,還可以提供母離子譜,中性丟失譜和多反應(yīng)監(jiān)測(MRM)。3、傅里葉變換質(zhì)譜儀MS-MS工作方式和主要信息FTMS的掃描方式是依據(jù)快速掃頻脈沖對所有離子“同時”激發(fā)。具有MS-MS功能的FTMS,其快速掃頻脈沖可以選擇性的留下頻率“缺口”,用頻率“缺口”選擇性的留下欲分析的母離子,其它離子被激發(fā)并拋射到接收極。然后使母離子受激,使其運動半徑增大又控制其軌道不要與接收極相撞。此時母離子在室內(nèi)與本底氣體或碰撞氣體碰撞產(chǎn)生子離子。然后再改變射頻頻率接收子離子。還可由子離子譜中選一個離子再做子離子譜。由于離子損失很少。因此,F(xiàn)TMS可以做到5-6級子離子譜。離子在飛行過程中如果發(fā)生裂解,新產(chǎn)生的離子仍然以母離子速度飛行。因此在直線型漂移管中觀測不到新生成的離子。如果采用帶有反射器的漂移管,因為新生成的離子與其母離子動能不同,可在反射器中被分開。這種操作方式稱為源后裂解(Post source decomposition ,PSD)。通過PSD操作可以得到結(jié)構(gòu)信息。因此,可以認為反射型TOFMS也具有MS-MS功能。
另外TOF-TOF串聯(lián)質(zhì)譜儀已經(jīng)出現(xiàn)。關(guān)于磁式質(zhì)譜儀串聯(lián)和混合型串聯(lián),小析姐后續(xù)也會進行相應(yīng)的介紹。
QMS是最常見的質(zhì)譜儀器,定量能力突出,在GC-MS中QMS占絕大多數(shù)。優(yōu)點: 結(jié)構(gòu)簡單、成本低;維護簡單;SIM功能的定量能力強;是多數(shù)檢測標準中采用的儀器設(shè)備。缺點: 無串極能力,定性能力不足;分辨力較低(單位分辨),存在同位素和其他m/z近似的離子干擾;速度慢;質(zhì)量上限低(小于1200u)。TOFMS是速度最快的質(zhì)譜儀,適合于LC-MS方面的應(yīng)用。優(yōu)點:分辨能力好,有助于定性和m/z近似離子的區(qū)別,能夠很好的檢測ESI電噴霧離子源產(chǎn)生多電荷離子;速度快,每秒2~100張高分辨全掃描(如50~2000u)譜圖,適合于快速LC系統(tǒng)(如UPLC);質(zhì)量上限高(6000~10000u);缺點:無串極功能,限制了進一步的定性能力;售價高于QMS;較精密,需要認真維護。QQQ質(zhì)譜給四極桿質(zhì)譜儀在保留QMS原有定量能力強的特點上,提供了串級功能,加強了質(zhì)譜的定性能力,檢測標準中常作為QMS的確認檢測手段。優(yōu)點:有串極功能,定性能力強;定量能力非常好,MRM信噪比高于QMS的SIM;是常用的QMS結(jié)果確認儀器;除一般子離子掃描功能外,QQQ還具有SRM、MRM、母離子掃描、中性丟失(Neutral loss)等功能(離子阱不行)對特征基團的結(jié)構(gòu)研究有很大幫助。缺點:分辨力不足,容易受m/z近似的離子干擾;售價較高;需要認真維護。技術(shù)上而言,在傳統(tǒng)QQQ的四極桿中加入了輔助射頻,可以做選擇性激發(fā);或者就功能而言,為QQQ提供了多級串級的功能。優(yōu)勢:同時具備MRM、SRM、中性丟失和多級串級功能,非常適合于未知樣品的結(jié)構(gòu)解析。優(yōu)點:相對于傳統(tǒng)3D離子阱,靈敏度高10倍以上;多級串級質(zhì)譜.缺點:相對于QQQ,還是不能做MRM、中性丟失等特征基團篩選功能.六、 四極桿飛行時間串聯(lián)質(zhì)譜,QTOFQTOF以QMS作為質(zhì)量過濾器,以TOFMS作為質(zhì)量分析器。優(yōu)點:能夠提供高分辨譜圖;定性能力好于QQQ;速度快,適合于生命科學(xué)的大分子量復(fù)雜樣品分析。七、離子阱-飛行時間質(zhì)譜,Trap TOF以3D離子阱作為質(zhì)量選擇器和反應(yīng)器,結(jié)合了離子阱的多級質(zhì)譜能力和飛行時間質(zhì)譜的高分辨能力。
優(yōu)點:同時具有多級串級和高分辨能力,適合于未知樣品的定性工作,如糖蛋白的定性。
缺點:由于離子阱容量限制,對于混合樣品的靈敏度欠佳;定量能力弱。
磁質(zhì)譜的定量能力是各種質(zhì)譜中最強的,F(xiàn)在已較少使用,僅用于地質(zhì)元素和痕量二惡英的檢測。優(yōu)點:技術(shù)經(jīng)典、成熟,NIST等MS庫采用的儀器;分辨力非常好(100k,m/&Delta m FWHM),干擾少;靈敏度高,定量能力是各種質(zhì)譜中最好的。缺點:體積、重量大;售價很高;速度慢;維護復(fù)雜,很費電。九、傅立葉變換質(zhì)譜儀,F(xiàn)T-ICR-MS據(jù)說是質(zhì)譜中的貴族,質(zhì)量精度超級好,幾個月都不需要校正。但是價格也是貴的讓人心寒啊。傅立葉變換質(zhì)譜儀的分辨能力最高,常作為高端科學(xué)研究的裝備。優(yōu)點:能夠做多級串級,定性能力極好;分辨力極高;靈敏度很好;缺點:體積重量大;售價極高;速度也較慢;維護費用非常昂貴。十、 靜電場傅立葉變換質(zhì)譜,Orbitrap優(yōu)點:高分辨,60k~120kFWHM,質(zhì)量精度高;相對FT-ICR而言,價格稍低(~450kUSD);缺點:不能單獨做串級;分辨力、靈敏度、質(zhì)量穩(wěn)定性等離FT-ICR還有距離。