使用什么類型的儀器？
在質譜分析中，對實驗控制力是尤其重要的。一旦在周密的控制條件下得到離子，必須以適合的靈敏度將每個離子作為離散事件實施檢測。極少量的氣體載量使GC成為聯(lián)用技術早期理想的選擇，但僅僅適合20%的化合物分析。現(xiàn)今，我們在大多數(shù)情況下霧化LC洗脫液，將其作為質譜儀中導入被測物實施電離的方法，該技術要求確保真空環(huán)境。
任何質譜儀的一個重要設計元素是泵的容量。真空必須完全分布到儀器的所有稀薄大氣區(qū)域，并且泵容量必須充足，以滿足設計上的要求，比如離子入口的大小和需要去除蒸汽的量。
分析器：質譜儀的心臟
分析器是分離或區(qū)分導入離子的儀器。在離子源可以形成正負離子，以及不帶電的中性粒子。但是，在指定時刻僅能記錄一種極性。現(xiàn)代的質譜儀能夠在毫秒間轉換極性，得到高保真記錄，即使快速短暫事件，如典型的UPLC或GC分離中，峰僅僅大約1秒寬。
四極桿和扇形磁場
在1953年，西德物理科學家Wolfgang Paul和Helmut Steinwedel描述了四極桿質譜儀。在4根平行桿之間，疊加的射頻（RF）和恒定的直流（DC）電勢能夠作為質譜分離器，或過濾器，僅限于特點質量范圍的離子，以恒定振幅振蕩，能夠在分析器上收集。現(xiàn)代儀器制造商將四極桿瞄準到特定的應用中。單四極桿質譜儀要求基質干凈，以避免無用離子的干擾，表現(xiàn)出非常好的靈敏度。
三重四極桿，或串聯(lián)四極桿（參見四極桿），是將一個四極桿加到另一個附加的四極桿上，四級桿串聯(lián)后能以各種方式發(fā)揮作用。一種途徑是通過離子獨有的質荷比（m/z）分離并檢測復雜混合物中的目標離子。證實串聯(lián)四極桿有效的另一途徑是當與可控裂解分析聯(lián)用時。這些分析通常將目標離子與其它分子（典型的氣體，如氬）進行碰撞，母離子裂解成產物離子，MS/MS質譜儀通過其獨特組成部分鑒別目標化合物。
圖 6：當設置過濾某一特定離子，那么其它質量的離子則會以多種方式中丟失，比如撞擊到四極桿上，或直接偏離去檢測器的軌道。四級桿分析器由四根桿組成，通常平行排列，材質為金屬，比如鉬合金。已投入
了大量的技術和研究，設計開發(fā)四極桿。按照離子在DC和RF場中的運動，將質量分類。通過在軟件上改變參數(shù)，系統(tǒng)可改變場強，在任何指定時間內，某一m/z值的離子被過濾掉，或通過四級桿到達檢測器。相比于一些質譜儀的設計，比如飛行時間TOF質譜儀（Tof），四極桿分辨率較低。而四極桿相對簡單，容易使用，是具有較高實用性的質譜儀，能以相對低的成本提供各種接口。
在比較和說明MS的分析能力時，一些專業(yè)用語是必需的，在該入門指南的后續(xù)內容中將會給出完整的定義：
分辨力（通常縮寫為"res"-質譜儀分離兩種質量的能力）：
- 低分辨力=單位質量=1000
- 較高或中等分辨力=1000到10000
- 高分辨力=10000+
- 非常高的分辨力=高達3-5百萬Fragmentation
更詳細的分辨率檢查和我們怎樣測定分辨率將在"質譜準確性和分辨率"章節(jié)說明。"精確質量"（Exact Mass）是化合物質量的理論值，而準確質量（Accurate Mass）是化合物質量的測量值，有相關的誤差范圍，比如5ppm。準確質量也經常用于針對具體的技術，而不是測得的質量。MS/MS - 描述了監(jiān)測前體離子或碎片向產物離子轉變的多種實驗（多反應監(jiān)測[MRM]和單反應監(jiān)測[SRM]），總的趨勢是在一臺儀器上提高檢測的選擇性、專一性或靈敏度。即前后兩個質量分析器，兩極質譜分析在一臺質譜儀器中實現(xiàn)。在三重四級桿質譜儀中有3套四級桿過濾器，但是僅有第1和第3套四極桿用作質量分析器。近來的設計完全將中間設備區(qū)分開（取代早期設計的四極桿），增加了更多的功能，通常將其改稱為串聯(lián)四極桿。第一套四極桿（Q1），作為質量過濾器，傳輸并加速選定離子，將其送向Q2（被稱為碰撞室）。雖然在一些設計中，Q2類似于其它兩套四極桿，RF施加在桿上的作用僅是傳輸，而不是質量選擇。Q2中的壓力較高，離子在碰撞室內與中性氣體相碰撞。結果經CID發(fā)生裂解。碎片隨后加速進入Q3，另一個質量過濾器，離子被排列后，進入檢測器。
裂解CID也稱為碰撞激活解離（CAD），為一種裂解機制，通過該機制在氣相中，分子離子裂解，通常在真空區(qū)域經電勢加速到高動能，接著與中性氣體分子碰撞，比如氦、氮或氬。部分動能通過碰撞而轉化（或內化），這引起化學鍵的斷裂，分子離子減小形成較小的碎片。一些類似的‘特別目的'的裂解方法，包括電子轉移解離（ETD）和電子捕獲解離（ECD）。
圖 7：硫丹-β產物離子質譜圖。237Da的前體離子從左邊進入，在MS/MS碰撞室內裂解。關于MS譜的全掃描，數(shù)據(jù)系統(tǒng)僅能夠顯示目標碎片（不是得到的所有碎片），得到相對簡單的圖譜。您能控制破碎的限度，因此您能選擇前體離子。
圖 8：MRM響應（左）和SIR響應（右）的比較圖表明，由于基質的化學背景，被測物即使在溶液中，也不能由SIR數(shù)據(jù)確定被測物峰。使用相同的GC/MS/MS質譜儀，選擇m/z=146的丁基化離子作為前體離子，裂解該離子，得到產物離子（顯示為57m/z），定量鑒別它的存在。在一些控制工業(yè)中，為了滿足陽性化合物的鑒別要求，每個MRM計為1.5"鑒別點"，而每個SIR計為1.0。因此，為滿足選擇性要求，得到3"IPS"，每個化合物您需要2個MRM轉換，或3個SIR。扇形磁場，或扇形磁場質量分析器，是早期儀器，一直用到現(xiàn)今，盡管用的較少（已被現(xiàn)代的能以ESI電離模式工作的質譜儀取代，）。例如，Waters AutoSpecTM，廣泛用于極端高靈敏度的二英分析。
扇形磁場彎曲成弧形離子軌道。離子的"動能與電荷"比率決定了軌道的半徑，可通過電或磁場測定。較大m/z的離子比較小m/z通過的軌道路徑長。通過改變磁場強度，可控制軌道路徑。雙聚焦質譜儀可按各種組合方式，將磁場和電場結合起來，但扇形電場后接磁場更常見。兩種場最初聯(lián)用時，按照離子流出離子源的動能采用扇形電場聚焦離子。角度聚焦之前的能量聚焦，使相同質量，但分子式不同的離子實現(xiàn)分離。離子阱和其它非掃描質譜儀離子阱質譜儀的原理類似于四極桿質譜儀。不同于過濾式的四極桿質譜儀，離子阱和功能更強的離子回旋(ICR)質譜儀一樣，將離子存儲在三維空間中。在飽和之前，離子阱或回旋加速器將選定離子射出以進行檢測。在離子阱范圍內，可實現(xiàn)一系列實驗分析，裂解目標離子，通過形成的碎片，以準確的確定前體離子。RF電壓產生的電場作用于排列成"三明治"幾何構形（端蓋相對的端蓋電極）離子阱的兩電極之間的空間。掃描RF電壓，改變某離子的固有頻率使其逸出。有時動態(tài)范圍不寬。離子阱對捕獲存儲離子的有限體積和容量，限制了該種質譜的使用范圍，尤其對于復雜基質中的樣品。離子阱質譜儀于1980年推出，但是早期這類質譜儀采用內部電離，具有一定的局限性，限制了其在很多領域的應用。僅當出現(xiàn)外部電離技術后，這類質譜儀才得到了越來越廣泛的使用。多級碎裂的能力，從一個被測物中可衍生出更多結構信息（即，碎裂-碎片離子-選擇-特定片段-碎裂，并重復這一過程）被稱為MSn。GC色譜峰不夠寬，不允超過一個碎裂過程的進行（MS/MS或MS2）。離子阱質譜儀的MS/MS分析或裂解是根據(jù)時間，而不是空間，與四極桿和扇形磁場相同。因此，離子阱不能用于某些MS/MS分析，比如中性丟失和前體離子的比較。而且，在離子阱質譜儀的MS/MS圖譜中，低質量端約1/3母離子m/z的碎片離子丟失，這是離子阱設計本身造成的結果。為了抵消這一損失，一些制造商通過軟件加寬掃描要求彌補了這一損失。加寬掃描要求在數(shù)據(jù)采集時轉換工作參數(shù)。
離子阱的設計設置了前體質荷比（m/z）和最低俘獲碎片離子之間的比率上限，通常稱為"三分之一規(guī)則"。例如，一個m/z1500的母離子，其m/z500以下的碎片離子檢測不到，這大大限制了多肽的人工測序分析。當太多離子進入離子阱的空間，由于空間電荷效應，動態(tài)范圍受到限制。制造商已經開發(fā)了自動掃描技術，在離子進入離子阱之前，能夠對離子進行計數(shù)，或門控制允許離子進入的數(shù)量。在大量背景離子共存目標離子很少時，仍然會遇到困難。因為功能設計類似，雜交型串聯(lián)質譜儀吸收了四極桿和離子阱兩方面的長處，提高了靈敏度，并可以進行快速實驗分析，實現(xiàn)兩種質譜儀單獨使用不能實現(xiàn)的功能。這種質譜儀有時稱為線性離子肼（或Q-TRAPs）。線性離子阱質譜儀離子阱體積的增加（與三維離子阱相比），提高了動態(tài)的范圍。離子阱質譜儀不能像四極桿質譜儀那樣掃描，因此使用單離子監(jiān)測（SIM）或單離子記錄（SIR）技術不能像四極桿和扇形質譜儀那樣提高離子阱的靈敏度。快速傅里葉變換離子回旋加速器（FTICR）具有極高的質量測量能力，能夠分辨緊密靠近的質量。雖然對大多數(shù)應用還不可行，但是14.5特斯拉的磁場能夠取得超過350萬的分辨率，因此能夠區(qū)分質量相差小于單個電子質量的化合物。回旋加速器采用恒定磁場，通過靜電平衡作用捕獲離子。RF電壓脈沖引起軌道離子運動，然后，在軌道上運動的離子在捕獲單元的檢測板上產生一微弱信號（離子軌道頻率）。該頻率與離子的m/z成反比，信號強度與單元中該m/z離子的數(shù)量成比例。在非常低的氣壓下，回旋加速器能夠保持恒定的離子軌道，這樣在長時間里，都能夠進行超高分辨率的測量。持續(xù)非共振，輻射（SORI）是在傅立葉變換離子回旋共振質譜技術中使用的CID技術。在回旋加速運動中壓力增加，離子被加速，引起碰撞，得到離子碎片。離子裂解后，壓力減小，恢復高真空，以分析碎片離子。
TOF質譜儀已開發(fā)多年，因其快速、準確的電子組件和現(xiàn)代的電離技術（如ESI），已成為很多現(xiàn)代研究工作的基礎。TOF質譜儀能提供準確的質量測量，誤差范圍是分子真實質量的幾個ppm。TOF質譜儀為時間分散質量分析儀，使用時以線性方式，或需靜電網(wǎng)格和透鏡（作為反射板）的輔助。當以反射式操作時，分辨率增加，且無靈敏度的顯著損失，或不需要增加飛行管（或漂移管）的大小。
TOF分析通過脈沖加速一組離子到達檢測器。離開離子源后，每個離子從"推進"電得到一個相同的電荷或電勢，離子被加速射進超低壓管。因為所有帶類似電荷的離子具有相同的動能（動能=mv2，m為離子質量，v是速度），在撞擊到檢測器前，較低質量的離子具有較高的速度和更小的間隔。因為質量、電荷和動能決定了離子到達檢測器的時間，離子的速度可表示為v=d/t=（2KE/m）1/2。離子通過指定的距離（d）的時間（t）取決于質荷比（m/z）。因為每次 "電壓推動"后，TOF測量的是所有質量數(shù)，所有相對于掃描型質譜儀，TOF質譜儀可得到非常高的靈敏度。如今，四極桿MS系統(tǒng)常規(guī)掃描速度為每秒10000Da（或原子質量單位）。因此一次全掃描，即使持續(xù)時間短的一次掃描（例如，1秒鐘的LC或GC峰），在每秒內捕獲每個離子的次數(shù)達不到10次或更多。TOF質譜儀檢測器記錄離子轟擊檢測板的數(shù)目，轟擊彼此間隔時間為納秒級。當直接與掃描質譜儀（比如四極桿）相比較，TOF的分辨率擴寬了動態(tài)范圍，提供更高的分辨率。總的來說，當檢測復雜混合物中的目標被測物時，四極桿類的儀器更靈敏感，通常是更好的定量工具。一些儀器，像離子阱，具有組合功能，但直到雜交型質譜儀出現(xiàn)前，沒有單個質譜儀表現(xiàn)出全方位的高效性能。早期的MALDI-TOF的設計加快了離子離開離子源。該技術分辨率相對低，準確性有限。延遲提取技術（DE）是為MALDI-TOF質譜儀開發(fā)的一項技術，在離子形成后，加速離子在進入飛行管之前冷卻"并聚焦離子大約150納秒。與未冷卻的離子相比，冷卻的離子具有較低的動能分布，當冷卻離子進入TOF分析器時，降低離子時間展寬，結果增加了分辨率和準確度。DE對大分子成效不顯著（例如，蛋白質>30000Da）。
圖 10：適合的指定條件下（比如，無基質干擾)，當選擇掃描模式工作時，TOF比串聯(lián)四極桿的靈敏度高很多倍，因為TOF不用‘掃描'，不會犧牲"占空比"。
雜交
"雜交"適用于各種質譜儀設計，雜交技術是現(xiàn)存技術的集成，比如雙聚焦、扇形磁場和近來的"前端"回旋加速的離子阱。十分值得注意的一種雜交方式是四極桿飛行時間（QTOF）質譜儀，將TOF質譜儀和四極桿質譜儀組合在一起。這種是幾種性能特征的理想組合：準確的質量檢測、裂解分析的功能以及高質量的定量分析。
圖 11：具有TriWave的SYNAPT 高性能質譜儀。
串聯(lián)質譜技術的進一步發(fā)展，產生了離子遷移率測量和分離相結合的串聯(lián)質譜技術技術。離子遷移率質譜法（或IMMS法，通常縮寫為‘IMS'）是基于多種因素的組合來區(qū)分離子的技術，這些因素包括：離子大小、形狀、電荷和質量。IMMS通常在機場和手持領域的元件中使用，可對遷移率已知的小分子實現(xiàn)快速（20毫秒）檢測：例如某些毒品和炸藥的檢測。當采用更高位的質譜儀，IMMS提供正交分離（對LC和MS），以及一些獨特功能，包括：
- 分離異構體、同重化合物和構象異構體（從蛋白質到小分子），測定其平均轉動碰撞橫截面。
- 增強復雜化合物的分離（通過MS或LC/MS），引起峰容量增加和樣品清潔度的增加（離子的物理分離，尤其是化學噪音和干擾目標分析物的離子）。
- 在結構分析研究中，通過CID/IMMS、IMMS/CID或CID/IMMS/CID等性能獲得更多有用信息。
在所有的3個分析方案中，高效離子遷移率和串聯(lián)質譜法的組合有助于克服分析中存在的問題，其它分析方法，包括傳統(tǒng)的質譜分析法或液相色譜測試設備，可能也無法解決這些現(xiàn)存的問題。
在本章結尾引用了H.H.Hill Jr.等人的評論文章，比較了各種類型的離子遷移率（到文章2007年出版時，可用到的質譜儀），并描述了對各種被測物應用離子遷移率的益處。目前在質譜分析中，應用的4種離子遷移率分離方法：
- 漂移時間離子遷移率質譜法（DTIMS）
- 吸入離子遷移率質譜法（AIMS）
- 差異遷移率質譜法（DMS），也稱為不對稱場波形離子遷移率質譜（FAIMS）
- 行波離子遷移率質譜（TWIMS）
按照作者的觀點，"DTIMS能提供更高的IMS分辨力，它是僅有的（IMMS）能夠直接測量截面碰撞的方法。AIMS是低分辨的遷移率分離方法，但是它只能連續(xù)監(jiān)測離子。DMS和FAIMS具有連續(xù)的離子監(jiān)測能力，以及正交離子遷移率分離的功能，能夠實現(xiàn)高分離選擇性。TWIMS是一種新（IMMS）方法，其分辨能力相對低，但具有較好的靈敏度，能很好地與商品化的質譜儀工作結合。"
圖 12：用彩球表示的，不同遷移率的無差異離子被俘獲、累積，然后釋放到T-波離子遷移率分離（IMS)裝置中。
圖 13：一旦釋放進入T-波區(qū)域，行波波形驅動離子通過中性緩沖氣（通常是0.5毫巴的氮氣），按照離子遷移率分離離子。
離子遷移與MS聯(lián)用，也應用在生物分子氣相結構的研究。Pringle等（在此引用）應用雜交型四極桿-行波離子遷移分離器-正交加速TOF質譜儀，考察了一些肽和蛋白離子的遷移率分離。將從行波（TWIMS）分離設備上獲取的離子遷移率數(shù)據(jù)與使用其它類型遷移率分離器獲取的數(shù)據(jù)比較表明："當遷移率特點類似時，新的雜交技術的質譜儀提供的遷移率分離不影響質譜儀的基本靈敏度。該功能在顯著分析水平上有利于樣品遷移率的研究。"
