离子阱质谱原理

p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " strong 仪器信息网讯 /strong & nbsp 2019年11月14日，为共同探讨质谱离子化技术的原理、应用以及未来的发展方向，探索促进我国质谱技术发展新思路。“质谱离子化技术”圆桌论坛在江西省南昌市东华理工大学（广兰校区）召开。论坛邀请了多位质谱技术专家与会，近50位专家学者、师生代表出席了本次活动，仪器信息网作为特邀媒体进行了报道。 /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/532706ad-de91-4006-baaa-8b4a18a5a500.jpg" title=" IMG_3993.JPG" alt=" IMG_3993.JPG" / /strong /p p style=" line-height: 1.5em text-align: center " strong 会议现场 /strong /p p style=" text-align:center" strong img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/70955211-6675-45d9-a6b1-166f800301bf.jpg" title=" IMG_3990.JPG" alt=" IMG_3990.JPG" / /strong /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 浙江好创生物技术有限公董事长司朱一心主持开幕式 /strong /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/d3f866e3-f593-4faa-b314-611050ed4565.jpg" title=" IMG_3997.JPG" alt=" IMG_3997.JPG" / /strong /p p style=" line-height: 1.5em text-align: center " strong 北京蛋白质组研究中心秦均致辞 /strong /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 在专家报告环节，来自浙江好创生物技术有限公司朱一心、北京蛋白质组研究中心秦均、深圳华大基因有限公司王融、西湖大学冯杉、暨南大学李雪、暨南大学胡斌、东华理工大学徐加泉等7位质谱技术及应用专家分享了精彩的报告。报告内容上既涉及了质谱离子化技术的原理及研发应用的讨论，也包含利用质谱技术进行蛋白质组学及临床分析的探讨，以及直接质谱技术的研发及相关应用等内容。 /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/e16e16e0-d16b-4090-9a49-ed2b95d04c7e.jpg" title=" IMG_4005.JPG" alt=" IMG_4005.JPG" / /strong /p p style=" line-height: 1.5em text-align: center " strong 报告人：浙江好创生物技术有限公司 朱一心 /strong /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告题目《电喷雾离子源机理的修正及应用》 /strong /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " ESI离子源是目前在质谱领域应用范围最广泛的离子源之一。报告针对ESI离子源机理存在的一些疑问，提出质子氢的来源、为什么只有电喷雾离子化才可产生多电荷分子离以及为何会产生离子抑制现象等三个问题。并介绍了多年来的对此的相干研究和思考，提出了“异裂氢离子静电结合极化液滴”的电喷雾电离创新理论，并在报告中展示了其关于理论的相关验证。同时，在报告中，也展示了基于其创新的机理研究，浙江好创研制出的CEESI离子源技术。 /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/a016cfdf-0caa-4de7-be40-a1f14cd7be77.jpg" title=" IMG_4014.JPG" alt=" IMG_4014.JPG" / /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告人：北京蛋白质组研究中心 秦均 /strong br/ /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告题目《临床蛋白组学对质谱分析的新挑战》 /strong /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 在报告中，秦均首先介绍了过去十数年间，国家蛋白质科学设施-凤凰中心近年来在蛋白质组方面所做的工作，并主要介绍了团队基于蛋白质组研究，所进行的胃癌精准医疗体系相关工作。利用蛋白质组，对胃癌分型为7个亚型，并对不同亚型对化疗的敏感度以及不同化疗药物的效果等进行了分析研究。在报告的最后，他也对未来用于精准医疗的蛋白质检测IVD提出了相关的趋势见解。 /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/5edd86ed-4e07-4063-a8dd-05e6969477a7.jpg" title=" IMG_4026.JPG" alt=" IMG_4026.JPG" / /strong /p p style=" line-height: 1.5em text-align: center " strong 报告人：深圳华大基因有限公司 王融 /strong /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告题目《朱氏离子源揭示电喷雾分子的质子化》 /strong /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 质谱技术发展至今，已经被广泛应用在多个领域。然而目前绝大部分质谱的电离效率仍然不足10%，如何进一步提高电离效率是质谱技术发展面临的重要问题。报告主要介绍了利用改进型的CEESI离子源，通过改变ESI腔室条件，对多肽、咖啡因等物质进行分析，根据质子化的结果，提出气相中的质子对于ESI分子的质子化至关重要。 /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/edecd6e1-2fd6-4967-ba1c-b48ad548b394.jpg" title=" IMG_4065.JPG" alt=" IMG_4065.JPG" / /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告人：西湖大学 冯杉 /strong br/ /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告题目《发展谷胱甘肽化及蛋白质硝基化的富集鉴定方法》 /strong /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 报告介绍了冯杉近年来在利用质谱技术在谷胱甘肽化及蛋白质硝基化的富集鉴定方法相关的研究工作。同时也分享了利用CEESI离子源在分析修饰蛋白质组样品时的一些优劣。 /p p br/ /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/1219292c-05b1-4aa8-9955-0c5be29db836.jpg" title=" IMG_4070.JPG" alt=" IMG_4070.JPG" / /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告人：暨南大学 李雪 /strong br/ /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告题目《呼气直接质谱分析方法研究》 /strong /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 呼气质谱分析对于疾病诊断、环境暴露监测等领域都有着良好的应用前景。报告介绍了团队近年来在呼气质谱方法相关的研究工作。包括对仪器装置的相关改进以及利用数据分析对呼气质谱信息来源解析等相关研究工作。 /p p br/ /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/2847085a-ec0d-48ef-847d-391b00e2387d.jpg" title=" IMG_4075.JPG" alt=" IMG_4075.JPG" / /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告人：暨南大学 胡斌 /strong br/ /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告题目《直接质谱分析技术的发展与应用》 /strong /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 报告主要介绍了团队近期在直接质谱分析技术方面的研究工作。包括研究的一系列直接电离质谱技术及具有分离功能和富集功能的电喷雾电离技术，并利用直接质谱技术在农业食品安全、药品质量控制、毒品检测、临床分析、蛋白质分析以及人体健康等领域的相关的应用研究。 /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/41c0adb7-00bb-4ee5-8f00-04d4bebb8b91.jpg" title=" IMG_4077.JPG" alt=" IMG_4077.JPG" / /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告人：东华理工大学 徐加泉 /strong br/ /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " strong 报告题目《混杂样品直接质谱分析》 /strong /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 混杂样品由多种理化性质各异、含量丰度不等、赋存状态不同组分叠积构成。面对混杂样品时，如何顺次获取获取样品各组分的多维信息是目前的分析难点，目前，常见的方法一般采取对样品进行预处理并采取多方法多仪器联用进行分析，不仅费事费力，还会造成成分、含量、分布等信息失联的问题。报告介绍了团队对混杂样品直接质谱分析的相关研究工作，以及利用该技术对混杂样品，包括金属材料及细胞、稀土等分析应用的研究。 /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em text-indent: 2em " strong style=" text-align: center " /strong /p p style=" text-align: center" img style=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/2cd79daa-0482-4573-b38f-3d30d42cf599.jpg" title=" IMG_4033.JPG" / /p p style=" text-align: center" img style=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/b9c60fa4-22fd-4b18-8e8d-3d0a7f65861d.jpg" title=" IMG_4030.JPG" / /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em text-indent: 2em " strong style=" text-align: center " 讨论现场 /strong br/ /p p style=" text-align: justify line-height: 1.5em text-indent: 2em " 在自由讨论环节，在场质谱相关专家就质谱离子化技术的原理展开了热烈讨论，并参观了江西省质谱科学与仪器重点实验室质谱科学与仪器国际联合研究中心的实验室。 /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em text-indent: 2em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/9627f83a-83d6-442f-8c42-bbd0904ac348.jpg" title=" IMG_4043.JPG" / /p p style=" text-align: center" img style=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/60ee754e-20fc-489f-8f35-112b6caeb4d3.jpg" title=" IMG_4040.JPG" / /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em text-indent: 2em " strong 参观实验室 /strong br/ /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em text-align: center " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/32a757e4-275a-4452-9a79-67d609aee97a.jpg" title=" IMG_4051.JPG" alt=" IMG_4051.JPG" / /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em text-align: center " strong 合影 /strong br/ /p

十年一届的“全国生态环境监测专业技术人员大比武”正在如火如荼的进行，其现场操作部分中，各家的便携式气相色谱-质谱联用仪各显神通，帮助环境监测者检测空气中的挥发性有机物。目前市场中的便携式气质联用仪五花八门，原理也不尽相同。本文将对质谱进行简单介绍，并对不同家便携式气质联用仪在原理、和使用上的区别简要分析。 一、质谱的简介与分类质谱，是根据质量的差异对物质进行分析的设备。其具体的分析过程包括1分子的离子化、2离子质量分析、3离子检测三个过程。据此，质谱的分类也就可以根据不同的“离子化的方法”和“离子质量分析方式”两种思路来分类。 目前市售的便携气质均采用相同的离子化方式。按照质量分析器的不同可以分为以下两大类：四极杆质谱、离子阱质谱，如图1。对于不同种类的质谱，我们一般通过对比1质量范围、2检出限、3分辨率、4扫描速度、5最大工作真空度五个维度[1]对其进行评价。 图1 市场中主流便携式气相色谱-质谱联用仪 二、不同类型质谱的原理 不论是四极杆质谱，还是离子阱质谱，其分析原理是相似的，其差别在于具体的分离过程。在离子化的过程中，待测的物质被一定能量的电子束撞击，解离成离子，并碎裂成一系列能反映其物质性质信息的碎片离子。接下来，这些碎片离子被离子阱或四极杆分离并检测，按照质荷比m/z的大小绘制成一张可以体现物质定性信息的质谱图，如图2。图2 有机氯农药DDT的质谱图 四极杆分析不同离子的过程类似于原始的筛选稻谷的过程，如图3。不符合条件的稻谷（如空壳稻谷）会在筛选的过程中被风吹走，所以不会落入最终收集优质稻谷的篮子里。同理，在四极杆质谱仪中，离子化后的离子沿图3中z轴通过四极杆，在离子的飞行过程中，我们通过射频电压RF和直流电压DC产生的四极电场对离子进行操控，使得只有符合一定质荷比条件（如m/z=a）的离子才能到达四极杆另一端的检测器，给出在该质荷比下离子的数量的检测结果。此时如果我们按一定规则持续改变该筛选离子的条件，使得符合其他的质荷比（如m/z=b、m/z = c… … ）的离子可以通过，那么我们就就可以根据每一个质荷比离子数量的多少，绘制出该待测物质的特征质谱图。 图3 四极杆的结构和其分离的过程 离子阱质谱分离的过程类似于喝鸡尾酒的过程，如图4。喝鸡尾酒时，如果我们正常的将鸡尾酒从酒杯中倒出，则不同颜色的酒会依次的流出。与此类似，在离子阱质谱的分析过程中，先操控离子阱的电极电压，将离子储存在离子阱中心的区域中，之后改变该四极场，使离子按照一定的顺序依次从离子阱中弹出。弹出的离子依次到达检测器后被检测器记录，根据不同时刻不同离子弹出数量的多少，我们也就可以绘制一张代表物质定性信息的质谱图。 图4 离子阱的结构和分离过程 以上两种不同的原理，使得两种质谱各自有其各自的特点和适用的领域，如表1。虽然以上的方式筛选离子制作质谱图的原理不同，但是同种物在这两种质谱中离子化后所产生的碎片是相同的，故其质谱图也是相似的。在得到质谱图后，电脑会自动将得到的质谱图与电脑中存储的标准质谱图谱库进行比对，给出物质的定性信息。以上两种质谱均配备了NIST库(美国国家标准与技术研究院National Institute of Standards and Technology) 、NIOSH库（美国国家职业安全卫生研究所National Institute for Occupational Safety and Health）并配备AMDIS解卷积软件（Automated Mass Spectral Deconvolution and Identification System)，均可以可靠的给出物质鉴定的结果。表1 台式四极杆质谱与台式离子阱质谱各自的优势 三、两种质谱小型化后的区别 使用不同的技术路线，两种质谱在使用过程中的多个方面有所不同。 除了上文提到过的5个质谱核心参数的差异之外（见表2），不同的便携式质谱在使用过程中还有一些其他的区别。表2 两种便携式质谱仪在核心参数上的对比 两种质谱对真空的不同需求，会带来使用成本的差异。不同类型的质谱有其不同的适宜工作的真空度，使得使用成本上有近百倍的区别。一般而言，四极杆质谱一般需要10^(-6)的高真空，若真空度没有达到该值，会使得设备无法做到单位质量分辨。而离子阱质谱仅需要10^(-3)的真空[2]，在该条件下其分辨率就可以超过单位质量分辨的需求。由于对真空度需求存在巨大的差异，不同质谱采用了不同的真空泵系统。目前四极杆质谱采用非蒸发吸气剂泵（NEG）和小型溅射离子泵，分别对设备内的活性气体、和非活性气体进行吸附。由于吸附存在饱和，故吸附泵寿命远低于机械泵：NEG泵仅有150小时的使用寿命，到达150小时使用时间后需更换，更换成本接近10万元。与此同时，目前市售的离子阱质谱一般采用涡轮分子泵、隔膜泵的组合。得益于技术的进步，以上两种真空泵不但使用寿命是NEG泵的100倍以上，也不会因现场的震动、跌落而损坏。如果将更换真空泵的成本均摊至每次检测中，便携四极杆质谱的样品检测成本，仅在更换新泵方面就需要200元/每个样品。 离子阱强大的定性能力，在现场分析中仍待进一步挖掘。由于离子阱质谱具备储存离子的能力，故其可以将目标离子存储，碰撞，并再次检测，这就使得了单一的离子阱具有等同于三重四级杆的定性能力。由于目前还没有便携式的三重四级杆气质联用仪，故离子阱在定性方面的优势可谓是一枝独秀。如果能将离子阱质谱的这一优势充分利用，可以帮助应急监测工作者在现场处理更为复杂、棘手的检测难题。 台式四极杆较宽的动态范围，在便携四极杆质谱上并未实现。对便携式气质联用仪而言，线性范围的大小主要依赖于检测方法的多样性。受制于色谱柱容量、真空泵抽速等多个条件制约，目前便携式四极杆质谱、以及离子阱质谱的检测的线性范围都在三个数量级左右，故谁的进样方式更丰富，谁就能能将检测浓度范围进一步扩大。得益于丰富的进样方式（直接进样/定量环进样、吸附-热脱附进样），Mars-400系列的便携式气质联用仪可以在不更换仪器组件的情况下于0.1-1000mL的数量级范围内调整进样量，使得仪器动态范围达到7个数量级。想要达到类似的动态范围，四极杆质谱需手动更换吸附管或定量环。综合使用不同的进样方式后，两种便携式质谱在动态范围上并没有显著差异。图5 Mars-400 Plus线性范围可达7个数量级 参考文献[1] Fitzgerald, Robert L., et al. "Comparison of an ion-trap and a quadrupole mass spectrometer using diazepam as a model compound." Journal of analytical toxicology 21.6 (1997): 445-450.[2] Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry (Third Edition)

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 近日，《质谱学报》出版了由复旦大学杨芃原教授组织，全国多家质谱研制相关课题组参与撰写的“质谱仪器研制专辑”，专辑主要包含四极杆的离子光学和串联振荡技术 四极杆的导向装置、四极杆质量分辨自动调节技术、三重四极杆仪器开发平台以及三重四极杆质谱分析软件等硬软件技术 双线形离子阱间离子传输技术和静电轨道离子阱离子切向引入技术 小型飞行时间质谱和离子束诊断飞行时间质谱 复合离子源技术和激光后电离技术 以及集成了质谱技术的超宽波段光解离光谱系统和调控纳微尺度分子组装装置的研制等内容。 /p p style=" text-align: justify " 　　仪器信息网授权对本专辑内容进行转载，以下为系列分享第六期，题为“小型质谱双线形离子阱间离子传输”的文章，作者王南，通讯作者为清华大学欧阳证教授。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 370px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/8dee5e9e-0284-44b1-8e37-cdc649799d77.jpg" title=" 欧阳.PNG" alt=" 欧阳.PNG" width=" 500" height=" 370" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify " 　　欧阳证教授，博士生导师，在清华大学获得工学学士及硕士，普渡大学获得分析化学博士，曾任普渡大学生物工程系教授，现为清华大学精密仪器系教授及系主任，美国医学与生物工程学院(American Institute for Medical and Biological Engineering，AIMBE)会士，中国计量测试学会副理事长，International Journal of Mass Spectrometry主编，Encyclopedia of Analytical Chemistry副主编，Journal of The American Society for Mass Spectrometry编委。 /p p style=" text-align: justify " 　　主要研究质谱仪分析器基本原理，采样离子化方法，数据分析 研制气态离子化学科学研究仪器，离子阱质谱仪小型化，发展生物医学分析方法。 /p p style=" text-align: justify " 　　多级质谱串联在各个领域都有广泛应用。双线形离子阱的小型质谱可以实现类似传统三重四极杆质谱仪的串联质谱分析功能，而在此过程中，双阱间的离子传输为重要的仪器功能。在已发表的双线形离子阱工作中，对阱间离子传输，尤其是质量选择性传输鲜有系统的研究。本工作研究了离子阱q值、阱内气压、辅助性交流电(AC)的强度、辅助性AC的作用时长等因素对传输的目标离子强度的影响，优化了离子传输条件，如q1=q2=0.3.阱内气压为0.37Pa， AC强度为350mV，离子传输时长大于10ms等。该结果对小型质谱双线形离子阱的自主研发和提升阱间离子传输效率具有指导作用。 /p p 　　以下为全文： /p p style=" text-align: center " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/b8464511-b357-4fa6-b9fa-3a6c367b85ff.jpg" title=" 3-1.png" alt=" 3-1.png" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/79e7e5ae-22b4-4810-b70a-1cf23035c419.jpg" title=" 3-2.jpg" alt=" 3-2.jpg" / /p p style=" text-align: center " img style=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/d3a7010a-927f-453f-b79a-d1382c72a33b.jpg" title=" 3-3-.jpg" / br/ /p p style=" text-align: center " img style=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/92996959-86c2-4f1c-9951-776392e8f967.jpg" title=" 3-4.PNG" / img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/20bbd34b-78cb-45da-bb70-470ad182856b.jpg" title=" 3-5.PNG" / /p p style=" text-align: right " span style=" font-size: 18px " strong 来源：《质谱学报》 /strong /span /p