三重四级杆质谱仪原理详解

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。
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
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
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
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/z 367）中 碎片m/z 97得到选择性监测，具有极高的灵敏度和精 确的定量分析。
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
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。
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

结构阐述
用主要的分裂机理方式解释CID谱图。
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
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。
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。
么
• 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
有说服力（定性）
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3000 m/z。
多级质量Βιβλιοθήκη Baidu析
质谱/质谱方式的介绍
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
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。
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
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。
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：
么
• 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
有说服力（定性）
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3000 m/z。
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。
准确率（PPM级误差的例子）
一个质量为1000 道尔顿的化合物
1000 ± 2.0 Da (or ± 2000 ppm) 1000 ± 0.5 Da (or ± 500 ppm) 1000 ± 0.1 Da (or ± 100 ppm) 1000 ± 0.01 Da (or ± 10 ppm) 1000 ± 0.002 Da (or ± 2 ppm)
•
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。
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。
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。
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
三重四级杆质谱仪原理
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 • MRM • QQQ的优点（选择性、灵敏度和速度
一个单四极杆质谱仪
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。
四极杆质量过滤器如何工作的？
四极杆质量过滤器稳定性图表
马修稳定图
选择性离子监测与全扫描对比
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：
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。
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。
多级质量分析——质谱/质谱方式的介绍
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。
一个单四极杆质谱仪
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。
四极杆质量过滤器如何工作的？
四极杆质量过滤器稳定性图表
马修稳定图
选择性离子监测与全扫描对比
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。
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
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。
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。
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）。
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。
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(aka MSn)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。
时间串联的多级质谱：优点
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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。
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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(aka MSn)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。
空间串联多级质谱：QQQ
三重四级杆质谱仪原理
内容
质量分析
多级质量分析
– – – –
– 基础知识 – 质量分析器的性能特点 • 分辨率 • 准确率 • 质量范围 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 • MRM
QQQ的优点（选择性、灵敏度和速度）
质量分析: 基本基础知识
采集类型：QQQ质谱仪
三重四极杆: SRM 或MRM
多反应监测（MRM）
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
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：
子。
– 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
•
– 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。
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
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。
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。
准确率（PPM级误差的例子）
一个质量为1000 道尔顿的化合物
1000 ± 2.0 Da (or ± 2000 ppm) 1000 ± 0.5 Da (or ± 500 ppm) 1000 ± 0.1 Da (or ± 100 ppm) 1000 ± 0.01 Da (or ± 10 ppm) 1000 ± 0.002 Da (or ± 2 ppm)