质谱仪为什么要在真空下工作如果真空不好就开始工作可能会造成什么影响

气质联用仪是什么？是用来做什么测试的呢？

气质联用仪是指将气相色谱仪和质谱仪联合起来使用的仪器。质谱法可以进行有效的定性分析，但对复杂有机化合物的分析就显得无能为力；而色谱法对有机化合物是一种有效的分离分析方法，特别适合于进行有机化合物的定量分析，但定性分析则比较困难。

因此，这两者的有效结合必将为化学家及生物化学家提供一个进行复杂有机化合物高效的定性、定量分析工具。像这种将两种或两种以上方法结合起来的技术称之为联用技术，将气相色谱仪和质谱仪联合起来使用的仪器叫做气-质联用仪。

  

气质联用仪一般应用于什么？色谱仪与质谱仪是如何实现联用的呢？

气质联用仪被广泛应用于复杂组分的分离与鉴定，其具有GC的高分辨率和质谱的高灵敏度，是生物样品中药物与代谢物定性定量的有效工具。质谱仪的基本部件有：离子源、滤质器、检测器三部分组成，它们被安放在真空总管道内。接口：由GC出来的样品通过接口进入到质谱仪，接口是气质联用系统的关键。

接下来由实验室专家为您介绍气质联用仪主要组成部分。

GC-MS主要由以下部分组成：色谱部分、气质接口、质谱仪部分（离子源、质量分析器、检测器）和数据处理系统。

一、色谱部分

色谱部分和一般的色谱仪基本相同，包括柱箱、气化室和载气系统。除特殊需要，多数不再装检测器，而是将MS作为检测器。此外，在色谱部分还带有分流／不分流进样系统，程序升温系统，压力、流量自动控制系统等。色谱部分的主要作用是分离，混合物样品在合适的色谱条件下被分离成单个组分，然后进入质谱仪进行鉴定。色谱仪是在常压下工作，而质谱仪需要高真空，因此，如果色谱仪使用填充柱，必须经过一种接口装置-分子分离器，将色谱载气去除，使样品气进入质谱仪。如果色谱仪使用毛细管柱，因为毛细管中载气流量比填充柱小得多，不会破坏质谱仪真空，可以将毛细管直接插入质谱仪离子源。

二、气质接口

气质接口是GC到MS的连接部件。最常见的连接方式是直接连接法，毛细管色谱柱直接导入质谱仪，使用石墨垫圈密封（85%Vespel+15%石墨），接口必须加热，防止分离的组分冷凝，接口温度设置一般为气相色谱程序升温最高值。

三、质谱仪部分

质谱仪既是一种通用型的检测器，又是有选择性的检测器。它是在离子源部分将样品分子电离，形成离子和碎片离子，再通过质量分析器按照质荷比的不同进行分离，最后在检测器部分产生信号，并放大、记录得到质谱图。

1、离子源

离子源的作用是接受样品产生离子，常用的离子化方式有:

电子轰击离子化(electron impact ionization，EI)EI是最常用的一种离子源，有机分子被一束电子流(能量一般为70eV)轰击，失去一个外层电子，形成带正电荷的分子离子(M+)，M+进一步碎裂成各种碎片离子、中性离子或游离基，在电场作用下，正离子被加速、聚焦、进入质量分析器分析。

EI特点:

⑴、结构简单，操作方便。

⑵、图谱具有特征性，化合物分子碎裂大，能提供较多信息，对化合物的鉴别和结构解析十分有利。

⑶、所得分子离子峰不强，有时不能识别。

本法不适合于高分子量和热不稳定的化合物。

化学离子化(chemicalionization，CI)将反应气(甲烷、异丁烷、氨气等)与样品按一定比例混合，然后进行电子轰击，甲烷分子先被电离，形成一次、二次离子，这些离子再与样品分子发生反应，形成比样品分子大一个质量数的(M+1)离子，或称为准分子离子。准分子离子也可能失去一个H2，形成(M-1)离子。

CI特点

⑴、不会发生象EI中那么强的能量交换，较少发生化学键断裂，谱形简单。

⑵、分子离子峰弱，但(M+1)峰强，这提供了分子量信息。

3、场致离子化(fieldionization，FI)适用于易变分子的离子化，如碳水化合物、氨基酸、多肽、抗生素、苯丙胺类等。能产生较强的分子离子峰和准分子离子峰。

场解吸离子化(field desorption ionization，FD)用于极性大、难气化、对热不稳定的化合物。

负离子化学离子化(negative ion chemical ionization，NICI)是在正离子MS的基础上发展起来的一种离子化方法，其给出特征的负离子峰，具有很高的灵敏度(10-15g)。

2、质量分析

其作用是将电离室中生成的离子按质荷比(m/z)大小分开，进行质谱检测。常见质量分析器有:

四极质量分析器(quadrupoleanalyzer)

原理:由四根平行圆柱形电极组成，电极分为两组，分别加上直流电压和一定频率的交流电压。样品离子沿电极间轴向进入电场后，在极性相反的电极间振荡，只有质荷比在某个范围的离子才能通过四极杆，到达检测器，其余离子因振幅过大与电极碰撞，放电中和后被抽走。因此，改变电压或频率，可使不同质荷比的离子依次到达检测器，被分离检测。

扇形质量分析器

磁式扇形质量分析器(magnetic-sector massanalyzer)被电场加速的离子进入磁场后，运动轨道弯曲了，离子轨道偏转可用公式表示:当H，V一定时，只有某一质荷比的离子能通过狭缝到达检测器。

特点:分辨率低，对质量同、能量不同的离子分辨较困难。

双聚焦质量分析器(double-focusing massassay)由一个静电分析器和一个磁分析器组成，静电分析器允许有某个能量的离子通过，并按不同能量聚焦，先后进入磁分析器，经过两次聚焦，大大提高了分辨率。

3、检测器

离子阱检测器(iontrap detector)

原理类似于四极分析器，但让离子贮存于井中，改变电极电压，使离子向上、下两端运动，通过底端小孔进入检测器。

检测器的作用是将离子束转变成电信号，并将信号放大，常用检测器是电子倍增器。当离子撞击到检测器时引起倍增器电极表面喷射出一些电子，被喷射出的电子由于电位差被加速射向第二个倍增器电极，喷射出更多的电子，由此连续作用，每个电子碰撞下一个电极时能喷射出2~3个电子，通常电子倍增器有14级倍增器电极，可大大提高检测灵敏度。

4、真空系统

由于质谱仪必须在真空条件下才能工作，因此真空度的好坏直接影响了气质联用仪的性能。一般真空系统由两级真空组成，前级真空泵和高真空泵。前级真空泵的主要作用是给高真空泵提供一个运行的环境，一般为机械旋片泵。高真空泵主要有油扩散泵和涡轮分子泵，目前主要应用的是涡轮分子泵

谢谢您的解答，言简意赅，容易理解。那么气质联用仪有哪些性能指标呢？

气质联用仪的整体性能指标主要有以下几个：质量范围、分辨率、灵敏度、质量准确度、扫描速度、质量轴稳定性、动态范围。

质量范围指的是能检测的最低和最高质量，决定了仪器的应用范围，取决于质量分析器的类型。四极杆质量分析器的质量范围下限1~10，上限500~1200。

分辨率是指质谱分辨相邻两个离子质量的能力，质量分析器的类型决定了质谱仪的分辨能力。四极杆质量分析器的分辨率一般为单位质量分辨力。

灵敏度：气质联用仪一般采用八氟萘作为灵敏度测试的化合物，选择质量数272的离子，以1pg八氟萘的均方根（RMS）信噪比来表示。灵敏度的高低不仅与气质联用仪的性能有关，测试条件也会对结果产生一定影响。

质量准确度为离子质量测定的准确性，与分辨率一样取决于质量分析器的类型。四极杆质量分析器属于低分辨质谱，质量准确度为0.1u。

扫描速度定义为每秒钟扫描的最大质量数，是数据采集的一个基本参数，对于获得合理的谱图和好的峰形有显著的影响。

质量轴稳定性是指在一定条件下，一定时间内质量标尺发生偏移的程度，一般多以24h内某一质量测定值的变化来表示。

动态范围决定了气质联用仪的检测浓度范围。

质谱法是通过将试样转化为运动的气态离子并按质荷比m/z大小进行分离记录的分析方法，所得结果即为质谱图。根据质谱图提供的信息，可以进行多种有机物及无机物的定性定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素的测定及固体表面结构和组成分析。

质谱法是利用带电粒子在磁场或电场中的运动规律，按其质荷比m/z实现分离分析，测定离子质量及其强度分布。质谱法主要特点是：能同时提供有机样品的精确相对分子质量、元素组成、经验式及分子结构（碳骨架及官能团结构）信息；具有定性专属性强又能进行定量分析；灵敏度高（样品取样μg级）；检测速度快；能最有效地与各种色谱法在线联用

质谱仪器按其用途可分为：同位素质谱仪（测定同位素丰度）、无机质谱仪（测定无机化合物）、有机质谱仪（测定有机化合物）等

质谱仪一般由进样系统、离子源、质量分析器、检测器组成

质谱分析仪器的一般流程：通过合适的进样装置将样品引入并进行汽化，汽化后的样品引入离子源进行离子化，然后离子经过适当的加速后进入质量分析器，按不同的质荷比进行分离，到达检测器，产生不同信号而进行分析。

质谱仪的结构

按照所用的质量分析器不同，可把质谱仪分为双聚焦质谱仪、四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪、傅里叶变换质谱仪等

1、真空系统 质谱检测的是气体离子，离子从离子源到达检测器不能偏离正常轨道。为了精确控制离子的运动轨迹，保证离子束具有良好的聚焦，得到应有的分辨率和灵敏度，需要限制影响离子运动的各种因素。

质谱的真空系统需要两级真空泵组成，首先由前级真空泵获得预真空，再由高真空泵抽至所需要的真空。一般由机械真空泵和扩散泵组成。

2、进样系统 进样系统的作用是高效重复地将样品引入到离子源中并且不能造成真空度的降低。

3、离子源 离子源的作用是将试样分子或原子转化为带有样品信息的正离子，将离子聚焦、并加速进入质量分析器。离子源是质谱仪的心脏，可以将离子源看做高级的反应器，其中样品发生一系列的特征降解反应，分解作用在很短的时间内发生。通常称能给样品较大能量的离子化方法为硬离子化方法，给样品较小的能量的离子化方法称为软离子化方法。常用的有电子轰击离子源、化学电离源、场致电离源、快原子轰击离子源、场致电离源、快原子轰击离子源、电喷雾离子化和大气压化学电离等。采用哪种离子源取决于：样品的状态、挥发性和稳定性，欲知道的样品信息种类。

4、质量分析器 质量分析器位于离子源与检测器之间、依据不同方式，将离子源产生的样品离子按m/z顺序排列成谱。质量分析器的主要类型有：磁分析器、四极滤质器、离子阱、飞行时间质量分析器、傅里叶变换回旋共振分析器。

5、离子检测器 离子检测器的功能是接受由质量分析器分离的离子，进行离子计数并转换成电压信号放大输出，输出的信号经过计算机采集和处理，最终得到不同质荷比排列和对应离子丰度的质谱图。

质谱仪器的主要性能指标

1、质量数与质量范围 在质谱中，化合物分子或原子都是以离子形式记录的。若离子仅带一个正电荷，则对于低分辨质谱，离子的质荷比在数值上就等于它的质量数。如离子质荷比28.05，则质量数为28.

质谱仪的质量范围，是指仪器能测量的离子质荷比范围。若离子只带一个正电荷，则仪器可测范围实际上就是可测相对分子质量或相对原子质量范围。

2、分辨率 质谱仪的分辨率是分开两个相邻质量数离子的能力。其一般定义：对于两个相等强度的相邻峰，当两峰间的峰谷不大于其峰高10%时，则认为两峰已经分开。

3、灵敏度 质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法。绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量；相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分和小组分含量之比。

真空泵是指利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。通俗来讲，真空泵是用各种方法在某一封闭空间中改善、产生和维持真空的装置。 按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分为两种类型，即气体捕集泵和气体传输泵。其广泛用于冶金、化工、食品、电子镀膜等行业。

气体传输泵

气体传输泵是一种能使气体不断的吸入和排出，借以达到抽气目的的真空泵，这种泵基本上有两种类型：

变容真空泵

利用泵腔容积的周期性变化来完成吸气和排气过程的一种真空泵，气体在排出前被压缩。这种泵分为往复式及旋片式两种：

（1）往复式真空泵：是利用泵腔内活塞做往复式运动，将气体吸入、压缩并排出。因此，又称为活塞式真空泵。

（2） 旋片式真空泵：是利用泵腔内活塞做旋转运动，将气体吸入、压缩并排出。旋转真空泵又有如下几种形式：

① 油封式真空泵：它是利用油类密封各运动部件之间的间隙，减少有害空间的一种旋转变容真空泵。这种泵通常带有气镇装置，故又称气镇式真空泵。按其结构特点分为如下五种形式。

a旋片式真空泵：转子以一定的偏心距装在泵壳内并与泵壳内表面的固定面靠近，在转子槽内装有两个（或两个以上）旋片，当转子旋转时旋片能沿其径向槽往复滑动且与泵壳内壁始终接触，此旋片随转子一起旋转，可将泵腔分成几个可变容积。

b.滑阀式真空泵：在偏心转子外部装有一个滑阀，转子旋转带动滑阀沿泵壳内壁滑动和滚动，滑阀上部的滑阀杆能在可摆动的滑阀导轨中滑动，而泵腔分成两个可变容积。

c.定片式真空泵：在泵壳内装有一个与泵内表面靠近的偏心转子，泵壳上装有一个始终与转子表面接触的径向滑片，当转子旋转时，滑片能上下滑动将泵腔分成两个可变容积。

d.余摆线式真空泵：在泵腔内偏心装有一个型线为余摆线的转子，它沿泵腔内壁转动并将泵腔分成两个可变容积。

e.多室旋片式真空泵：在一个泵壳内并联装有由同一个电动机驱动的多个独立工作室的旋片真空泵。

②干式螺杆真空泵：它是一种不用油类（或液体）密封的变容真空泵。

③液环式真空泵：带有多叶片的转子偏心装在泵壳内，当它旋转时，把液体（通常为水或油）抛向泵壳内形成泵壳同心的环液，环液同转子叶片形成了容积周期性变化的几个小容积，故亦称旋转变容真空泵。

④罗茨真空泵：泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶形或多叶形的转子，转子间、转子同泵壳内壁之间均保持一定的间隙。它属于旋转变容真空泵。机械增压泵即为这种形式的真空泵。

动量传输泵：这种泵是依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给气体或气体分子，使气体连续不断地从泵的入口传输到出口。具体可分为下述几种类型。

（1） 分子真空泵：它是利用高速旋转的转子把能量传输给气体分子，使之压缩、排气的一种真空泵。它有如下几种型式：

① 牵引分子泵：气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得力量，被送到出口，因此，是一种动量传输泵。

②涡轮分子泵：泵内装有带槽的圆盘或带叶片的转子，它在定子圆盘（或定片）间旋转。转子圆周的线速度很高。这种泵通常在分子流状态下工作。

③ 复合分子泵：它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联起来的一种复合式分子真空泵。

（2） 喷射真空泵：它是利用文丘里（VENTURI）效应的压力降生产的高速射流把气体输送到出口的一种动量传输泵，适于在粘滞留和过渡流状态下工作。这种泵又可详细地分成以下几种：

① 液体喷射真空泵：以液体（通常为水）为工作介质的喷射真空泵。

② 气体喷射真空泵：以非可凝性气体作为工作介质的喷射真空泵。

③ 蒸汽喷射真空泵：以蒸汽（水、油或汞蒸汽）作为工作介质的饿喷射真空泵

（3） 扩散泵：以低压高速蒸汽流（油或汞等蒸汽）作为工作介质的喷射真空泵。气体分子扩散到蒸汽射流中，被送到出口。在射流中气体分子密度始终是很低的，这种泵适于在分子流状态下工作。可分为：

① 自净化扩散泵：泵液中易挥发的杂质经专门的机械输送到出口而不回到锅炉中的一种油扩散泵

② 分馏式扩散泵：这种泵具有分馏装置，使蒸汽压强较低的工作液蒸汽进入高真空工作的喷嘴，而蒸汽压强较高的工作液蒸汽进入低真空工作的喷嘴，它是一种多级油扩散泵。

（4） 扩散喷射泵：它是一种有扩散泵特性的单级或多级喷嘴与具有喷射真空泵特性的单级或多级喷嘴串联组成的一种动量传输泵。油增压泵即属于这种形式。

（5） 离子传输泵：它是将被电离的气体在电磁场或电场的作用下，输送到出口的一种动量传输泵。

气体捕集泵

这种泵是一种是气体分子被吸附或凝结在泵的内表面上，从而减小了容器内的气体分子数目而达到抽气目的的真空泵，有以下几种型式。

吸附泵：它主要依靠具有大表面的吸附剂（如多孔物质）的物理吸附作用来抽气的一种捕集式真空泵

吸气剂泵：它是一种利用吸气剂以化学结合方式捕获气体的真空泵。吸气剂通常是以块状或沉积新鲜薄膜形式存在的金属或合金。升华泵即属于这种形式。

吸气剂离子泵：它是使被电离的气体通过电磁场或电场的作用吸附在有吸气材料的表面上，以达到抽气的目的。它有如下几种型式。

（1）蒸发离子泵：泵内被电离的气体吸附在以间断或连续方式升华（或蒸发）而覆在泵内壁的吸气材料上，以实现抽气的一种真空泵。

（2）溅射离子泵：泵内被电离的气体吸附在由阴极连续溅射散出来的吸气材料上，以实现抽气目的的一种真空泵。

低温泵：利用低温表面捕集气体的真空泵

按其真空度可以分为：粗真空、高真空、超高真空三大类。

粗真空系

主要用来抽除空气和其它有一定腐蚀性、不溶于水、允许含有少量固体颗粒的气体。广泛用于食品、纺织、医药、化工等行业的真空蒸发、浓缩、浸渍、干燥等工艺过程中。该型泵具有真空度高、结构简单，使用方便、工作可靠、维护方便的特点。

主要用于粗真空。抽气量大的工艺过程中。它主要用来抽除空气和其它无腐蚀，不溶于水，含有少量固体颗粒的气体，以便在密闭容器中形成真空。所吸气体中允许混有少量液体。它被广泛应用于机械、制药、食品、石油化工等行业中。

是获得粗真空的主要真空设备之一。广泛应用于化工、食品、建材等部门，特别是在真空结晶、干燥、过滤、蒸发等工艺过程中更为适宜。

无油(耐腐蚀)立式往复真空泵是卧式真空泵的更新换代产品，是获得粗真空的主要设备。由于采用全密封装置，实现了曲轴箱和汽缸的完全隔离；加上活塞环使用了自润滑材料，便实现了先进的无油润滑。由于无污水排放，所以该型真空泵特别适用于化工、医药和食品等行业的真空蒸馏、真空蒸发、真空干燥、真空浓缩、真空浸渍等工艺过程中。

高真空系

滑阀式真空泵

（Rotary Piston Vacuum Pump）

广泛应用于真空拉晶、真空镀膜、真空冶金、真空热处理、真空浸渍、真空干燥、真空蒸馏、真空练泥、航空航天模拟试验等新材料、新技术、新工艺的生产与研制中。

滑阀真空泵可单独使用，也可作为罗茨真空泵、油增压泵、油扩散泵的前级泵的使用。当抽吸对黑色金属有腐蚀、对真空油起化学反应、含大量蒸汽、大量粉尘的气体时，需附加装置。优点：相比旋片式真空泵耐用性要高好几倍且抽气速率大，价格相对高一点。

用来抽除密闭容器的气体的基本设备之一。它可以单独使用，也可作为增压泵、扩散泵、分子泵的前级泵使用。该型泵广泛应用于冶金、机械、电子、化工、石油、医药等行业的真空冶炼、真空镀膜、真空热处理，真空干燥等工艺过程中。

真空泵

旋片式真空泵

( Sliding Vane Rotary Vacuum Pump )

具有结构紧凑，体积小，重量轻，噪音低，振动小等优点。所以，它适用于作扩散泵的前级泵，而且更适用于精密仪器配套和实验室使用。例如：质谱仪器，冰箱流水线，真空冷冻干燥机等。

罗茨真空泵

( Roots Vacuum Pump )

是一种旋转式变容真空泵，须有前级泵配合方可使用在较宽的压力范围内，有较大的抽速，对被抽除气体中含有灰尘和水蒸汽不敏感。广泛用于冶金、化工、食品、电子镀膜等行业。主要用于真空机组的主泵，需要用前级泵辅助。如：水环式真空泵，滑阀真空泵，立式无油真空泵，分子真空泵等。国内最大罗茨真空泵保持纪录为20000L/S。

质谱分析法主要是通过对样品的离子的质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法。因此，质谱仪都必须有电离装置把样品电离为离子，有质量分析装置把不同质荷比的离子分开,经检测器检测之后可以得到样品的质谱图，由于有机样品,无机样品和同位素样品等具有不同形态、性质和不同的分析要求,所以，所用的电离装置、质量分析装置和检测装置有所不同。但是，不管是哪种类型的质谱仪，其基本组成是相同的。都包括离子源、质量分析器、检测器和真空系统。本节主要介绍有机质谱仪的基本结构和工作原理。

离子源（Ion source）

离子源的作用是将欲分析样品电离，得到带有样品信息的离子。质谱仪的离子源种类很多，现将主要的离子源介绍如下。

电子电离源(Electron Ionization EI)

电子电离源又称EI源，是应用最为广泛的离子源，它主要用于挥发性样品的电离。图9.1是电子电离源的原理图，由GC或直接进样杆进入的样品，以气体形式进入离子源，由灯丝F发出的电子与样品分子发生碰撞使样品分子电离。一般情况下,灯丝F与接收极T之间的电压为70伏,所有的标准质谱图都是在70ev下做出的。在70ev电子碰撞作用下,有机物分子可能被打掉一个电子形成分子离子，也可能会发生化学键的断裂形成碎片离子。由分子离子可以确定化合物分子量,由碎片离子可以得到化合物的结构。对于一些不稳定的化合物,在70ev的电子轰击下很难得到分子离子。为了得到分子量，可以采用1020ev的电子能量，不过此时仪器灵敏度将大大降低，需要加大样品的进样量。而且，得到的质谱图不再是标准质谱图。

离子源中进行的电离过程是很复杂的过程，有专门的理论对这些过程进行解释和描述。在电子轰击下，样品分子可能有四种不同途径形成离子：

样品分子被打掉一个电子形成分子离子。

分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。

分子离子发生结构重排形成重排离子。

通过分子离子反应生成加合离子。

此外，还有同位素离子。这样，一个样品分子可以产生很多带有结构信息的离子，对这些离子进行质量分析和检测，可以得到具有样品信息的质谱图。

电子电离源主要适用于易挥发有机样品的电离，GC-MS联用仪中都有这种离子源。其优点是工作稳定可靠，结构信息丰富，有标准质谱图可以检索。缺点是只适用于易汽化的有机物样品分析，并且，对有些化合物得不到分子离子。

化学电离源(Chemical Ionization , EI )。

有些化合物稳定性差，用EI方式不易得到分子离子,因而也就得不到分子量。为了得到分子量可以采用CI电离方式。CI和EI在结构上没有多大差别。或者说主体部件是共用的。其主要差别是CI源工作过程中要引进一种反应气体。反应气体可以是甲烷、异丁烷、氨等。反应气的量比样品气要大得多。灯丝发出的电子首先将反应气电离，然后反应气离子与样品分子进行离子-分子反应，并使样品气电离。现以甲烷作为反应气，说明化学电离的过程。在电子轰击下，甲烷首先被电离:

甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：

加合离子与样品分子反应：

生成的XH2+ 和 X+ 比样品分子XH多一个H或少一个H，可表示为(M1)，称为准分子离子。事实上，以甲烷作为反应气，除(M+1)+之外，还可能出现(M+17)+，(M+29)+ 等离子，同时还出现大量的碎片离子。化学电离源是一种软电离方式，有些用EI方式得不到分子离子的样品，改用CI后可以得到准分子离子，因而可以求得分子量。对于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负离子的灵敏度远高于正离子的灵敏度，因此，CI源一般都有正CI和负CI，可以根据样品情况进行选择。由于CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。

EI和CI源主要用于气相色谱-质谱联用仪，适用于易汽化的有机物样品分析。

快原子轰击源（Fast Atomic bombardment, FAB）

是另一种常用的离子源，它主要用于极性强、分子量大的样品分析。其工作原理如图9.2所示：

氩气在电离室依靠放电产生氩离子，高能氩离子经电荷交换得到高能氩原子流，氩原子打在样品上产生样品离子。样品置于涂有底物（如甘油）的靶上。靶材为铜，原子氩打在样品上使其电离后进入真空，并在电场作用下进入分析器。电离过程中不必加热气化，因此适合于分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。FAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰，而且有较丰富的结构信息。但是，它与EI源得到的质谱图很不相同。其一是它的分子量信息不是分子离子峰M，而往往是（M+H）+或（M+Na）+等准分子离子峰；其二是碎片峰比EI谱要少。

FAB源主要用于磁式双聚焦质谱仪。

4．电喷雾源(Electron spray Ionization，ESI)

ESI是近年来出现的一种新的电离方式。它主要应用于液相色谱-质谱联用仪。它既作为液相色谱和质谱仪之间的接口装置，同时又是电离装置。它的主要部件是一个多层套管组成的电喷雾喷咀。最内层是液相色谱流出物，外层是喷射气，喷射气常采用大流量的氮气，其作用是使喷出的液体容易分散成微滴。另外，在喷嘴的斜前方还有一个补助气喷咀，补助气的作用是使微滴的溶剂快速蒸发。在微滴蒸发过程中表面电荷密度逐渐增大，当增大到某个临界值时，离子就可以从表面蒸发出来。离子产生后，借助于喷咀与锥孔之间的电压，穿过取样孔进入分析器（见图9.3）。

加到喷嘴上的电压可以是正，也可以是负。通过调节极性，可以得到正或负离子的质谱。其中值得一提的是电喷雾喷嘴的角度，如果喷嘴正对取样孔，则取样孔易堵塞。因此，有的电喷雾喷嘴设计成喷射方向与取样孔不在一条线上，而错开一定角度。这样溶剂雾滴不会直接喷到取样孔上，使取样孔比较干净，不易堵塞。产生的离子靠电场的作用引入取样孔，进入分析器。

电喷雾电离源是一种软电离方式，即便是分子量大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发生分解，它适合于分析极性强的大分子有机化合物，如蛋白质、肽、糖等。电喷雾电离源的最大特点是容易形成多电荷离子。这样，一个分子量为10000Da的分子若带有10个电荷，则其质荷比只有1000Da，进入了一般质谱仪可以分析的范围之内。根据这一特点，目前采用电喷雾电离，可以测量分子量在300000Da以上的蛋白质。图9.4是由电喷雾电离源得到的肌红蛋白的质谱图：

5．大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI)

它的结构与电喷雾源大致相同，不同之处在于APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，使空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+ 和O+ 等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与分析物分子进行离子-分子反应，使分析物分子离子化，这些反应过程包括由质子转移和电荷交换产生正离子，质子脱离和电子捕获产生负离子等。图9.5是大气压化学电离源的示意图:

大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。有些分析物由于结构和极性方面的原因，用ESI不能产生足够强的离子，可以采用APCI方式增加离子产率，可以认为APCI是ESI的补充。APCI主要产生的是单电荷离子，所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子，主要是准分子离子。

以上两种电离源主要用于液相色谱-质谱联用仪。

大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。有些分析物由于结构和极性方面的原因，用ESI不能产生足够强的离子，可以采用APCI方式增加离子产率，可以认为APCI是ESI的补充。APCI主要产生的是单电荷离子，所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子，主要是准分子离子。

以上两种电离源主要用于液相色谱-质谱联用仪。

由上式可知，在一定的B、V条件下，不同m/z的离子其运动半径不同，这样，由离子源产生的离子,经过分析器后可实现质量分离,如果检测器位置不变（即R不变）、连续改变V或B可以使不同m/z的离子顺序进入检测器，实现质量扫描，得到样品的质谱。图9.6是单聚焦分析器原理图,这种单聚焦分析器可以是180°的（如图9.6）,也可以是90°或其它角度的,其形状象一把扇子, 因此又称为磁扇形分析器。单聚焦分析结构简单，操作方便但其分辨率很低。不能满足有机物分析要求，目前只用于同位素质谱仪和气体质谱仪。单聚集质谱仪分辨率低的主要原因在于它不能克服离子初始能量分散对分辨率造成的影响。在离子源产生的离子当中，质量相同的离子应该聚在一起，但由于离子初始能量不同，经过磁场后其偏转半径也不同，而是以能量大小顺序分开，即磁场也具有能量色散作用。这样就使得相邻两种质量的离子很难分离，从而降低了分辨率。

为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇形磁场前加一扇形电场，扇形电场是一个能量分析器，不起质量分离作用。质量相同而能量不同的离子经过静电电场后会彼此分开。即静电场有能量色散作用。如果设法使静电场的能量色散作用和

磁场的能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分散对分辨率的影响。只要是质量相同的离子，经过电场和磁场后可以会聚在一起。另外质量的离子会聚在另一点。改变离子加速电压可以实现质量扫描。这种由电场和磁场共同实现质量分离的分析器，同时具有方向聚焦和能量聚焦作用，叫双聚焦质量分析器（见图9.7）. 双聚焦分析器的优点是分辨率高，缺点是扫描速度慢，操作、调整比较困难,而且仪器造价也比较昂贵。

四极杆分析器(Quadrupole analyzer)

离子从离子源进入四极场后，在场的作用下产生振动，如果质量为m，电荷为e的离子从Z方向进入四极场，在电场作用下其运动方程是：

离子运动轨迹可由方程9.2的解描述，数学分析表明，在a, q取某些数值时，运动方程有稳定的解，稳定解的图解形式通常用a, q参数的稳定三角形表示。（图9.9)当离子的a, q值处于稳定三角形内部时，这些离子振幅是有限的，因而可以通过四极场达到检测器。在保持Vdc/Vrf不变的情况下改变Vrf值，对应于一个Vrf值，四极场只允许一种质荷比的离子通过，其余离子则振幅不断增大，最后碰到四极杆而被吸收。通过四极杆的离子到达检测器被检测。改变Vrf值,可以使另外质荷比的离子顺序通过四极场实

现质量扫描。设置扫描范围实际上是设置Vrf值的变化范围。当Vrf值由一个值变化到另一个值时,检测器检测到的离子就会从m1变化到m2，也即得到m1到m2的质谱。

Vrf的变化可以是连续的，也可以是跳跃式的。所谓跳跃式扫描是只检测某些质量的离子，故称为选择离子监测（select ion monitoring SIM）。当样品量很少，而且样品中特征离子已知时，可以采用选择离子监测。这种扫描方式灵敏度高，而且，通过选择适当的离子使干扰组份不被采集，可以消除组分间的干扰。SIM适合于定量分析,但因为这种扫描方式得到的质谱不是全谱，因此不能进行质谱库检索和定性分析。

飞行时间质量分析器(Time of flight analyzer)

飞行时间质量分析器的主要部分是一个离子漂移管。图9.10是这种分析器的原理图。离子在加速电压V作用下得到动能，则有：

式中： m：离子的质量

e：离子的电荷量

V：离子加速电压

离子以速度v进入自由空间（漂移区），假定离子在漂移区飞行的时间为T，漂移区长度为L，则：

由式(9.4)可以看出，离子在漂移管中飞行的时间与离子质量的平方根成正比。也即，对于能量相同的离子，离子的质量越大，达到接收器所用的时间越长，质量越小，所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子分开。适当增加漂移管的长度可以增加分辨率。

飞行时间质量分析器的特点是质量范围宽，扫描速度快，既不需电场也不需磁场。但是，长时间以来一直存在分辨率低这一缺点，造成分辨率低的主要原因在于离子进入漂移管前的时间分散、空间分散和能量分散。这样，即使是质量相同的离子，由于产生时间的先后，产生空间的前后和初始动能的大小不同，达到检测器的时间就不相同，因而降低了分辨率。目前，通过采取激光脉冲电离方式，离子延迟引出技术和离子反射技术，可以在很大程度上克服上述三个原因造成的分辨率下降。现在，飞行时间质谱仪的分辨率可达20000以上。最高可检质量超过300000Da，并且具有很高的灵敏度。目前，这种分析器已广泛应用于气相色谱-质谱联用仪，液相色谱-质谱联用仪和基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪中。下图是基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪原理图:

离子阱质量分析器

离子阱的结构如图9.11所示。离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖电极，环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴旋转的双曲面，并满足r20=2Z20（ r0 为环形电极的最小半径，Z0为两个端盖电极间的最短距离）。直流电压U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间，两端盖电极都处于地电位。

离子阱的特点是结构小巧，质量轻，灵敏度高，而且还有多级质谱功能（见9.2.2.3节）。它可以用于GC-MS，也可以用于LC-MS。

傅立叶变换离子回旋共振分析器（Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer, FTICR）

这种分析器是在原来回旋共振分析器的基础上发展起来的。因此，首先叙述一下离子回旋共振的基本原理。假定质荷比m/e的离子进入磁感应强度为B的磁场中，由于受磁场力的作用，离子作圆周运动，如果没有能量的损失和增加，圆周运动的离心力和磁场力相平衡，即：

式中 为离子运动的回旋频率（单位为弧度/秒）。由式(9.6)可以看出，离子的回旋频率与离子的质荷比成线性关系，当磁场强度固定后，只需精确测得离子的共振频率，就能准确的得到离子的质量。测定离子共振频率的办法是外加一个射频辐射，如果外加射频频率等于离子共振频率，离子就会吸收外加辐射能量而改变圆周运动的轨道，沿着阿基米德螺线加速，离子收集器放在适当的位置就能收到共振离子。改变辐射频率，就可以接收到不同的离子。但普通的回旋共振分析器扫描速度很慢，灵敏度低，分辨率也很差。傅立叶变换离子回旋共振分析器采用的是线性调频脉冲来激发离子，即在很短的时间内进行快速频率扫描，使很宽范围的质荷比的离子几乎同时受到激发。因而扫描速度和灵敏度比普通回旋共振分析器高得多。图9.12是这种分析器的结构示意图：

分析室是一个立方体结构，它是由三对相互垂直的平行板电极组成，置于高真空和由超导磁体产生的强磁场中。第一对电极为捕集极，它与磁场方向垂直，电极上加有适当正电压，其目的是延长离子在室内滞留时间；第二对电极为发射极，用于发射射频脉冲；第三对电极为接收极，用来接收离子产生的信号。样品离子引入分析室后，在强磁场作用下被迫以很小的轨道半径作回旋运动，由于离子都是以随机的非相干方式运动，因此不产生可检出的信号。如果在发射极上施加一个很快的扫频电压，当射频频率和某离子的回旋频率一致时共振条件得到满足。离子吸收射频能量，轨道半径逐渐增大，变成螺旋运动，经过一段时间的相互作用以后，所有离子都做相干运动，产生可被检出的信号。做相干运动的正离子运动至靠近接收极的一个极板时，吸收此极板表面的电子，当其继续运动到另一极板时，又会吸引另一极板表面的电子。这样便会感生出“象电流”（见图9.13）,象电流是一种正弦形式的时间域信号，正弦波的频率和离子的固有回旋频率相同,其振幅则与分析室中该质量的离子数目成正比。如果分析室中各种质量的离子都满足共振条件，那么,实际测得的信号是同一时间内作相干轨道运动的各种离子所对应的正弦波信号的叠加。将测得的时间域信号重复累加,放大并经模数转换后输入计算机进行快速傅立叶变换,便可检出各种频率成分,然后利用频率和质量的已知关系,便可得到常见的质谱图。

利用傅立叶变换离子回旋共振原理制成的质谱仪称为傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer），简称FT-MS。FT-MS有很多明显的优点：

① 分辨率极高，商品仪器的分辨可超过1×106，而且在高分辨率下不影响灵敏度,而双聚焦分析器为提高分辨率必须降低灵敏度。同时，FT-MS的测量精度非常好，能达到百万分之几，这对于得到离子的元素组成是非常重要的。

② 分析灵敏度高，由于离子是同时激发同时检测，因此比普通回旋共振质谱仪高4个量级，而且在高灵敏度下可以得到高分辨率。

③ 具有多级质谱功能，详细请见第9.2.2.3节

④ 可以和任何离子源相联，扩宽了仪器功能。

此外还有诸如扫描速度快，性能稳定可靠，质量范围宽等优点。当然，另一方面，FT-MS由于需要很高的超导磁场，因而需要液氦，仪器售价和运行费用都比较贵。

检测器(Detecter)

质谱仪的检测主要使用电子倍增器，也有的使用光电倍增管。图9.14是电子倍增器示意图。由四极杆出来的离子打到高能打拿极产生电子，电子经电子倍增器产生电信号，记录不同离子的信号即得质谱。信号增益与倍增器电压有关，提高倍增器电压可以提高灵敏度，但同时会降低倍增器的寿命，因此，应该在保证仪器灵敏度的情况下采用尽量低的倍增器电压。由倍增器出来的电信号被送入计算机储存，这些信号经计算机处理后可以得到色谱图，质谱图及其它各种信息。

真空系统(Vacuum system)

为了保证离子源中灯丝的正常工作，保证离子在离子源和分析器正常运行，消减不必要的离子碰撞，散射效应，复合反应和离子-分子反应，减小本底与记忆效应,因此，质谱仪的离子源和分析器都必须处在优于10-5 mbar的真空中才能工作。也就是说，质谱仪都必须有真空系统。一般真空系统由机械真空泵和扩散泵或涡输分子泵组成。机械真空泵能达到的极限真空度为10-3 mbar,不能满足要求,必须依靠高真空泵。扩散泵是常用的高真空泵，其性能稳定可靠，缺点是启动慢，从停机状态到仪器能正常工作所需时间长；涡轮分子泵则相反，仪器启动快，但使用寿命不如扩散泵。但由于涡轮分子泵使用方便，没有油的扩散污染问题，因此，近年来生产的质谱仪大多使用涡轮分子泵。涡轮分子泵直接与离子源或分析器相连，抽出的气体再由机械真空泵排到体系之外。

以上是一般质谱仪的主要组成部分。当然，若要仪器能正常工作，还必须要供电系统，数据处理系统等，因为没有特殊之处，不再叙述。

这样，一个有机化合物样品，由于其形态和分析要求不同，可以选用不同的电离方式使其离子化,再由质量分析器按离子的m/z将离子分开并按一定顺序排列成谱,经检测器检测即得到样品的质谱。图9.15是α-紫罗酮的质谱图。质谱图的横坐标是质荷比m/z ，纵坐标是各离子的相对强度。通常把最强的离子的强度定为100，称为基峰（图9.15 中为m/z=121），其他离子的强度以基峰为标准来决定。对于一定的化合物，各离子间的相对强度是一定的，因此，质谱具有化合物的结构特征。

转发自 http://crickcollege.com/news/220.html

质谱仪性能参数

我们作为质谱仪的使用者，怎么来评估一台质谱仪的性能呢？或者说，我们如何选择质谱仪呢？质谱仪主要的性能参数如下图，就让我来依次为大伙儿解释一下这些高大上的参数名称到底是啥意思吧。

检测限

“官方”的定义是，与三倍噪音相当的物质的量，我们可以理解为这是质谱仪能够检测到的最低含量化合物的浓度，或者量。比这个值再低的化合物，这台质谱仪就无能为力了。

我怎么知道我的质谱仪的检测限是多少呢？通常，我们会用利血平来作为一个标准的化合物测定质谱仪的检测限。比如，当我们在质谱仪中注入50 fg（飞克）利血平，如果我们获得的信噪比能达到100-1000，那么可以认为这台质谱仪的检测限是不错的。50 fg（飞克）利血平中大概只包含了几万个利血平分子，也就是说，如果能实现对含有几万个小分子的化合物进行检测，那么这台质谱仪的灵敏度是挺高的了。大家可以认为，灵敏度与检测限评估的是同一种性能。

线性范围

这个性能参数也是挺重要的。它表示在什么样的浓度范围之内，质谱仪检测到的信号与样品浓度之间成线性的关系。说得简单点，就是这个浓度范围内的样品，用这台质谱仪检测是比较合适的，高于或低于这个浓度范围的样品，需要浓缩或者稀释后才能用这台质谱仪检测。

通常情况下，质谱仪的线性范围是在3-6个数量级，也就是1,000 – 1,000,000这个范围之内。大部分质谱仪是在1,000 – 10,000这个范围内。

这个参数之所以重要，是因为当我们分析的样品含量分布非常广的时候，比如有的样品含量只有几十μg/ml，而有的样品含量可以达到几mg/ml。在这个比较宽的浓度范围内，如果质谱仪的线性范围非常好，我们不需要浓缩低浓度的样品，也不需要稀释高浓度的样品，可以直接进样，这样可以大大减少样品前处理的复杂程度，很好地节省时间，节省实验步骤。

分辨率和质量准确度

这是两个非常重要的参数，我们常说的高分辨质谱，指的就是分辨率特别高，且质量准确度特别高。这两个参数怎么理解呢？我们先来看看下面这个图：

分辨率

就是质谱仪可以分辨的最近两个质谱峰的质量差值。

这是啥意思呢？假设我有两个强度相同的质谱峰，当这两个峰很靠近的时候，我在什么情况下可以明确地判断出这是两个峰，而不是一个呢？基本准则就是，这两峰的重叠部分的高度，不超过任何一个质谱峰峰高10%的时候，我们认为这是两个可分离的峰。反之，如果这两个峰重叠的部分超过10%，就认为是不可分离的，也就是说，在处理质谱图时，是没办法按照两个峰值来处理的。

当两个峰实现10%基线分离时，我们来测定任何一个质谱峰的半峰宽（就是峰高一半处的峰宽），然后用任何一个峰的质荷比除以半峰宽，就可以得到分辨率。目前来讲，高分辨质谱仪的分辨率可以达到50,000-100,000的数量级，一般的四级杆可以达到5,000-10,000。

那么，高分辨质谱的优点如何体现呢？以上面的右图为例，当我们用低分辨质谱仪检测某种物质时，只能得到最外面蓝色的一个质谱峰，当我们不断提高分辨率，会慢慢发现，这一个质谱峰里面，其实包含了若干小的质谱峰，高分辨质谱仪得到的质荷比与低分辨获得的质荷比是有非常明显的差异。这对化合物鉴定来讲，是很重要的信息。如果我们把质荷比都算错了，我们是很难鉴定到正确的蛋白的。

下面这个图也能很直观地告诉我们质谱检测高分辨率的优势。

比如说，我们用17,500的分辨率来对一个化合物进行扫描，会发现在质荷比在280.09的这个位置，有一个非常胖的质谱峰（第一张谱图红色圆圈标记），我们可能会认为这是一个化合物，于是就开始对这个化合物进行鉴定。可是，当我们不断提高质谱仪的分辨率，到一定程度时，我们会发现，这其实是两个不同的峰（第四张谱图红色圆圈标记）。

也就是说，用低分辨率质谱里得到的质荷比来鉴定化合物，得到的信息其实是不完全的（不一定是错的），而通过高分辨质谱，我们就能获得更全面的化合物信息，帮助我们做出正确的判断。

质量准确度

是指质谱仪测到的质荷比与它实际的质荷比的差值，除以它真实的质荷比与1,000,000的乘积。所以它是以ppm为单位的（百万分之一），这个数值看起来更方便。目前高分辨质谱仪质量准确度在2-5个ppm的范围之内。

那么，我们怎么来测定一个质谱仪的实际分辨率及质量准确性呢？以李溱老师的一个实验数据为例：

比如，我们选质荷比是511.6这个峰，计算出它的半峰宽为0.012，于是它的分辨率就是511.6除以0.012，得到的值为42,500，而软件给出的分辨率是48,700，是很接近的。

同样的例子，我们来计算质量准确性。测到的质荷比是511.5978，而这个峰实际的质荷比是511.5995，于是计算出质量偏差为3.3ppm，也就是说此次实验的误差就是3.3ppm，这么一个质量偏差范围通常是可以接受的。

分辨率的重要性可能大伙儿容易理解，那质量准确性的高低到底对化合物鉴定会有怎样的影响呢？我们还是以利血平为例。

利血平分子，在质谱图中的609.28066处会有一个质谱峰。当我们用单四级杆来分析利血平的时候，单四级杆的质量准确性大约是在0.1个质量单位（165ppm）。也就是说，当把利血平注入一个四级杆质谱中，四级杆质谱会告诉我们，这个化合物的质荷比大概是在609.2-609.4这个范围之内。

那么问题就来了！在609.2-609.4范围内，我们用C、H、O和N四种元素可以组合出多少种在化学上可以存在的化合物呢？答案是：209种！也就是说，我们要判断这个化合物是不是利血平，得出正确结果的可能性只有1/209！

当我们将质量准确性不断提高，可以组合出来的可能的化合物就会越来越少。当质量准确性达到3 ppm的时候，只有4种可能的化合物。当达到2 ppm的时候，得到的可能的化合物就只剩下2种了。这时候我们再来判断化合物是不是利血平，那么准确性就会高很多很多。这就是为什么高分辨质谱仪对于化合物鉴定来说非常重要，它可以大大减少候选化合物的数量，提高鉴定的成功率。

可以这么说，分辨率与质量偏差分别评估了质谱仪的精密度与准确性。就像我们打靶，比如我每次都能打到右上角一个点上，说明打靶的精密度非常高，但如果我的目标是靶心，那说明准确性却比较差。另一种情况，比如我打靶很多次，打中的点很分散，东一枪西一枪，但平均起来的位置刚好在靶心上，可以认为质量准确性还可以，但精密度比较差。所以我们希望的是，质谱仪的精密度和准确性都非常高。

目前我们能用到的高分辨质谱仪，不管是QTOF或者Orbitrap系列，都可以达到50,000以上的分辨率，同时也可以达到2-3ppm的质量准确性。所以说，如今做蛋白质组学研究的童鞋们，比起以前，真是幸福了很多！

前面给大伙儿分享了评估质谱仪的几个重要参数。那接下来我们就针对不同质谱的性能做一个粗略的总结。

1、 四级杆和离子阱：它们的质量扫描范围是有限的，通常情况下是在10-4,000。超过4,000，四级杆和离子阱就只能作为离子传输用，而不能用于离子检测了。它们的分辨率通常是2,000-4,000，好一点的离子阱可以达到10,000-20,000。扫描速度都不是很快，它们的优势是价格非常低，而且整个仪器可以做得非常小。

2、 TOF：它最大的优势是可以测量的质量范围理论上可以无限大和无限小。如果待检测的离子没有质量，那么它的飞行时间将是0，于是可以测到质荷比是0的离子。同理，如果离子的质量是无限大的，那么它的飞行时间也是无限长的，理论上也是可以检测的。TOF的分辨率是5,000-60,000，扫描速度非常快，它的缺点是，TOF需要一个非常长的离子跑道，所以仪器的体积会很大。

3、 FTICR：优势是分辨率非常高，可以达到1,000,000甚至更高，缺点是扫描速度比较慢，而且它需要一个超导磁铁，运行费用非常高，而且FTICR质谱仪本身的价格也很高，通常都在100万美元以上。

4、 Orbitrap：克服了FTICR必须要使用超导磁铁的缺点，它的分辨率可以达到100,000到1,000,000万，扫描速度不是很快，价格比FTICR要低一些。它受专利保护，目前只有Thermo公司可以生产。

对于蛋白质组学研究来讲，我们对质谱仪器性能的最低要求是：分辨率至少在40,000-50,000，质量准确性应该优于5ppm，质量扫描范围应该在100-3,000，扫描速度是每秒至少获得一张高分辨的一级谱图和十张高分辨的二级谱图。达到以上条件的话，就算是满足了我们做蛋白质组学最基本的要求。

串联质谱

上面讲到各种质谱仪的优缺点，那么我们这里引入串联质谱的概念：将相同或者不同的质谱仪串联起来，实现串联或者并联工作。这样做的目的有两个：产生二级碎片离子（为什么要产生二级碎片离子我们后来会讲），以及实现不同质谱仪性能的优势互补。

我们知道，不同的质谱仪性能是不同的。比如说，四级杆质谱可以实现离子选择，但它的分辨率比较差，而TOF不能实现离子的选择，但分辨率比较高。那么我们能不能把不同性能的质谱仪串到一起，让它们协同工作呢？我们通常会利用串联质谱或者MS-MS来实现这个需求。它们的结合方式有很多种：

第一种：三重四级杆（Triple Quadrupole），或者串联四级杆，就是把三个四级杆串联起来，这样做的主要目的是为了实现二级质谱的扫描。

第二种：四级杆和飞行时间质谱仪串联到一起，就是我们经常听到的Q-TOF，它实际上是为了提高二级质谱的分辨率。

第三种：Orbitrap与四级杆组合，比如Orbitrap Fusion，或者Orbitrap与离子阱组合到一起，比如说Orbitrap Elite等，就是这样的组合。

首先，我们聊一聊怎么通过串联质谱仪获得二级碎片离子。

上面是一个串联四级杆结构的示意图。串联四级杆，或者叫三重四级杆，它是由三个四级杆串联起来。通常，第二个四级杆是由六级杆或八级杆来代替，但我们还是叫它四级杆。这个四级杆不是一个质量选择系统，而是一个collision cell，即碰撞池，用来碎裂离子。

当串联四级杆工作的时候，第一个四级杆是开启了质量选择的模式，它让特定质荷比的离子穿过质谱仪，而把其它的离子都甩掉（甩到四级杆上，或者甩到四级杆的空间当中去）。然后，当特定的离子被选择好后（称为母离子），会进入碰撞池。

在碰撞池里有这样一个结构，就是入口和出口存在电压差，通常入口电压会高于出口电压，当母离子进来以后，通过电压差的作用，就会被加速。而且碰撞池里会充上氦气或氮气，当离子被加速以后，它就会与碰撞池里的氦气或氮气分子发生碰撞、碎裂，形成一些碎片，叫做fragment ions，也就是碎片离子，或者子离子。这些碎片离子会进到第三个四级杆中，进行二级的扫描，得到二级质谱图。

下图就是一个串联四级杆质谱仪，我们可以看到，它仍然是一个非常紧凑的结构。

三重四级杆

我们以莱克多巴胺为例，来看看它的分子通过串联质谱仪，会发生哪些变化，得到怎样的谱图。

莱克多巴胺这是一种兽药。它的分子量是301.1672，结构式见上图。第一张图，测出来的质荷比为302.1744，这是一个一级质谱的扫描图，在302.1744处有一个莱克多巴胺的质谱峰。

然后呢，我们告诉质谱仪，把302.1744处的这个离子挑出来，将CID（碰撞诱导解离）电压设为10伏，即在碰撞池的入口与出口处增加一个10V的电压差，让离子以10V的碰撞能来进行碰撞。碰撞以后，在第二张图里，我们看到302处的信号强度变弱了，同时284和164的信号强度变强了，原来没有看到的107、121、136信号也出现了。

接下来，我们把碰撞电压从10V增加到25V，增加以后我们会发现，302处的信号完全消失了，表明原来在第一个四级杆中被选择出来的这个离子，经过高能量的碰撞后，完全碎裂了，碎成了91、107、121、136和164这样一些碎片离子。那么这些碎片离子都是什么呢？

我们通过分析结构会发现，它们分别对应着莱克多巴胺的不同的碎片结构，比如164其实对应着莱克多巴胺右端的局部，136对应的是左半部分，等等。

通过分析碎片的化学结构，我们就可以把它们拼装起来，拼成一个完整的莱克多巴胺分子。这就是我们如何通过二级质谱图，来实现对化合物的结构鉴定。而实际的鉴定过程常常会更复杂更伤脑筋一些，上面只是一个简单的示例。

那么对于多肽，或者说对于蛋白酶解后的多肽片段来说，我们可以通过同样的过程，通过分析一个多肽理论上可以得到哪些碎片，然后与谱图进行对比，就可以实现对多肽序列的鉴定。这部分后面会详细再讲。我们先来看个简单的例子，如下图：

比如说我们有左上角这样一个肽段，理论上可以得到灰色标记出的各种b-y离子，通过分析质谱图，可以从中找到对应的碎片离子（右边表格里红色标记的都是可以从质谱图中找到的碎片离子），通过将这些信息拼装起来，我们就可以知道多肽的序列是什么。

上面通过以三重四级杆为例，跟大伙儿分享了串联质谱仪是如何获取二级碎片离子及二级谱图的。那么，其它一些串联质谱仪也是类似的过程。

Q-TOF

Q-TOF与串联四级杆其实是非常像的，只不过它把第三个四级杆换成了一个飞行时间质谱仪。也就是说，一个四级杆，接一个碰撞池，然后接一个飞行时间质谱仪。为了增加飞行的距离，我们会让离子拐个弯再飞回来，这种叫反射模式飞行，让离子在更短的空间内可以飞得更远一些。

下面这个图就是一个Q-TOF质谱仪，是Bruker生产的。它的飞行时间管（flight tube）的长度可以达到3.6米，离子飞一个来回是7.2米。这个数字大伙儿可以留意一下，后面在讲真空度的时候，还会再次提到。

Orbitrap系列

Orbitrap系列比一般的串联质谱仪要复杂一些，大伙儿可以通过下面这个示意图感受一下。

这个系列有好几种串联质谱仪，比如Q Exactive质谱仪，它的Q1也是一个四级杆，Q2是碰撞池，Q3是被一个Orbitrap所取代。

再比如Orbitrap Elite，它的Q1是一个离子阱，Q2是一个碰撞池，Q3为一个Orbitrap，也就是说，Orbitrap Elite里面是没有四级杆的，它用一个离子阱代替了四级杆。

还有一款是Orbitrap Fusion（见下图），它是三种质谱仪混在一些的组合，它的第一级是四级杆，第二级是一个离子阱，第三级是一个Orbitrap，同时它还有一个碰撞池，整体是一个非常复杂的结构。它的特点是，Orbitrap与离子阱可以同步进行扫描。

一般的质谱仪里，两个质量检测量是不能同时扫描的，只能是一个作为质量检测的功能，另外一个作为过滤用。而Orbitrap Fusion里的离子阱和Orbitrap是同时可以进行扫描的，也就是说，它是一个并列的结构，而不仅仅是串联的，所以它的扫描速度会更快，性能也更好。Fusion的分辨率可以达到240,000 – 960,000。

上面我分享了几种常用的质谱仪，那么以Q-TOF为例，我们再来学习一下质谱仪的基本构造。

对于质谱仪来说，最核心的部分就是质量分析器，它包括两个部分，就是前面我们详细介绍的质量过滤器和质量检测器。质谱仪所有其它部分都是为这个核心部分来服务的。

除了这个核心的组件以外，质谱仪还需要以下几个部分辅助：

质谱辅助系统

真空系统：为什么需要有真空系统呢？我们知道，质谱仪是一台检测气态离子质荷比的仪器，当一个气态离子在空气中飞行时，它会与空气分子发生碰撞，它带的电荷可能就会被撞没了，而成为一个不带电荷的气态分子，那么质谱仪就无法再测量它的质荷比了。所以我们希望得到的这个气态离子能够在质谱仪中稳定存在，所以质谱仪需要一个真空系统，让离子可以稳定地飞行，不受其它空气分子的干扰。

真空系统通常需要有两级，一级是低真空，由机械泵或油泵来提供，它可以大概1-3个mbar，也就是千分之一个大气压的压力环境，低真空的目的是为了给高真空提供一个后备压力环境。高真空是用涡轮泵来提供的，它的真空程度是-1E-5~-1E-10 mbar，在这样一个真空环境里，空气分子基本上都被抽干净了。

可能你想问，为什么要求这个数量级的真空条件呢？

我们先引出一个概念，叫离子的平均自由程（mean free path），它的意思是，一个离子在一个真空环境中飞行多长的距离会碰到下一个空气分子。这就决定了离子在真空中可以稳定存在多久。

以串联四级杆为例，串联四级杆质谱仪大概有1米长左右，所以我们希望离子在飞行1米的过程中，不要碰到其它的空气分子。那么对于串联四级杆来讲，只要维持的真空度能保证1米距离内不会碰到空气分子就可以了。所以串联四级杆通常只需要-1E5 mbar的真空度。

而对于Q-TOF来说，离子的飞行距离大概是在5-7米（大伙儿还记得吗？前面介绍Q-TOF时专门提到了7米这个飞行距离），比串联四级杆的飞行距离长了将近一个数据级，所以Q-TOF质谱仪要求的真空度大约在-1E-6 ~ -1E-7 mbar，才能保证离子在飞行这么长的过程中，不会碰撞到其它空气分子。

而对于Orbitrap质谱仪，离子在里面飞行的时间可以达到1秒钟，会飞行非常远的距离，所以Orbitrap要求-1E-10 mbar这样的真空度。

离子源系统：我们需要把样品从外界大气压的非电离环境中导入质谱仪，变成一个气态的离子，所以需要一个离子源来实现这个功能。

计算机系统：实现质谱仪的控制和数据的采集。

气体系统：气体供应和废气处理（氮气、氩气）

电力供应：UPS不间断电源系统

加上核心组件质量分析器，以上就是组成质谱仪的六大系统。后面我们还会讨论每一部分的结构、使用以及维护。

安装好这六大组件的质谱仪可以用下面的示意图来表示。通常情况下，质量分析器和高真空的涡轮泵都会装在一个大盒子里，这个模块叫主机，而低真空泵（油泵）会放在主机的外面，因为这部分会产生很多的震动、噪音和热量，需要分开放置，从而防止震动对质谱仪产生的影响。质谱仪前面会有一个离子源，侧面会有一个废气口，质谱仪和泵产生的废气，通过这个排气管排到室外。尤其是泵产生的废气，通常是致癌的，所以排气尤其重要。

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