四极杆质谱原理

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)

作为分析仪器中比较“热”的质谱，随着该技术的发展和应用的逐渐成熟，近些年全球范围内质谱仪器销售增速迅猛，进入快速发展期。回顾2022年，疫情常态化背景下，质谱仪常规应用包括的高端科研、生物制药、农业食品、环境等领域的需求回升 疫情涉及的临床诊断、药物开发、病毒病理研究等领域的需求量激增，质谱行业交出了不错的答卷。　　据统计，我国质谱仪市场规模将近140亿元，复合增长率超过17%。作为质谱需求增长最大的市场，中国市场的质谱新品发布也迎来活跃一年，不仅低、中、高端产品基本覆盖，大部分主流品牌皆有输出，国产方面也多点开花。　　值此岁末年初之际，仪器信息网特别盘点了2022年中国质谱市场发布的重量级新产品新技术，以飨读者。　　(以下新产品的盘点,仅限于申报2022年度“科学仪器优秀新品评选”，以及发布在仪器信息网资讯栏目的部分产品，鉴于篇幅的原因不能面面俱到，如有遗漏，欢迎大家留言补充。联系邮箱:wanxin@instrument.com.cn)　2022年中国市场质谱新品速览（各产品名称可点击详细了解）类型品牌产品名称型号发布时间三重四极杆（TQ）赛默飞色谱与质谱TSQ 9610 三重四极杆 GC-MS/MSTSQ 96102022年3月华谱科仪（北京）科技有限公司三重四极杆质谱仪HPMS-TQHPMS-TQ2022年4月沃特世科技（上海）有限公司(Waters)沃特世Xevo TQ Absolute串联四极杆质谱仪Xevo TQ Absolute2022年4月安捷伦科技(中国)有限公司Agilent 7010C 三重四极杆气质联用系统7010C GC/MS2022年6月安捷伦科技(中国)有限公司Agilent 7000E 三重四极杆气质联用系统7000E GC/MS2022年6月杭州谱育科技发展有限公司 谱育科技 SUPEC 5240系列 现场在线LC-MS/MS监测系统LC-MS/MS2022年9月苏州安益谱精密仪器有限公司安益谱（Anyeep）气相色谱-串联四极杆质谱仪Anyeep TQ19782022年10月广州禾信仪器股份有限公司三重四极杆液质联用仪LC-TQ 5200LC-TQ 52002022年12月岛津企业管理（中国）有限公司离子色谱-质谱联用仪IC-MS2022年12月单四极杆（Q）北京吉天仪器有限公司气相色谱质谱联用仪GC-MS 87002022年1月天美仪拓实验室设备（上海）有限公司天美公司SCION 8700-SQ GC-MS单四极杆气质联用仪8700-SQ2022年2月赛默飞色谱与质谱ISQ 7610单四极杆 GC-MSISQ 76102022年3月岛津企业管理（中国）有限公司高效液相色谱质谱联用仪LCMS-20502022年6月苏州安益谱精密仪器有限公司安益谱7800气质联用仪Anyeep 78002022年7月广州禾信仪器股份有限公司气相色谱质谱联用仪 GCMS 1200GCMS 12002022年12月珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司气相色谱质谱平台GCMS2400GCMS 24002022年11月Q-tims-TOF布鲁克道尔顿(Bruker Daltonics)布鲁克 timsTOF MALDI PharmaPulsetimsTOF MALDI PharmaPulse2022年2月布鲁克道尔顿(Bruker Daltonics)布鲁克 timsTOF HTtimsTOF HT2022年6月TOF金铠仪器（大连）股份有限公司金铠仪器 高灵敏光电离/质子转移反应飞行时间质谱仪 PI/PTR-TOF MSPI/PTR-TOF MS2022年1月磁质谱天美仪拓实验室设备（上海）有限公司SIRIX 高分辨稳定同位素比质谱仪SIRIX2022年1月QTOF沃特世科技（上海）有限公司(Waters)沃特世Xevo G3 QTof四极杆飞行时间质谱Xevo G3 QTof2022年6月Q-Orbitrap-IT赛默飞色谱与质谱赛默飞三合一高分辨质谱Orbitrap AscendThermo Scientific™ Orbitrap Ascend Tribrid 质谱仪2022年9月制表：仪器信息网据仪器信息网统计，2022年中国市场共有22款质谱仪器新产品推出，主要集中在气相色谱质谱联用仪(GC-MS)、液相色谱质谱联用仪(LC-MS)、磁质谱以及在线/过程质谱等品类。涉及的进口厂商有赛默飞、岛津、安捷伦、沃特世、珀金埃尔默、布鲁克，而国产厂商今年表现活跃，推出新品的厂商有安益谱、禾信仪器、谱育科技、华谱科仪、吉天仪器、天美仪拓、金铠仪器等。　　国产TQMS多点开花 直面性能、应用等挑战　　从质量分析器方面来看，三重四极杆(TQ)串联质谱新品的占比超过43%，成为2022年度质谱新品的主力军。更加值得一提的是，发布TQ质谱新品的厂商中，50%是国产厂商，包括禾信仪器的LC-TQ 5200、谱育科技SUPEC 5240系列现场在线监测系统、安益谱 TQ1978气相色谱-三重四极杆串联质谱等。　　安益谱 TQ1978气相色谱-串联质谱系统采用两个双曲面四极杆作为Q1和Q3。相比于单四极杆质谱，三重四极杆质谱仪具有更高的灵敏度、更好的选择性 对于复杂基质更能发挥其性能优势，简化净化步骤，排除基体干扰，快速准确地进行检测分析。　　禾信仪器LC-TQ 5200完成了高效离子化器、三重四极杆、高压射频电源等关键核心部件的国产化，该设备具备高效分离、灵敏度高，分析速度快，未知物质分析能力强、通用性高的特点，主要用于复杂基质低浓度甚至痕量有机化合物的分析。　　谱育科技SUPEC 5240系列现场在线监测系统，基于性能出色的三重四极杆质谱技术，集成自动采水、样品过滤、前处理、分析检测、数据传输等模块，实现一键式操作，解决传统检测模式步骤繁琐、时效性差的痛点。通过发挥其兼准确性及便捷性优势，实现水质中有毒物质及其代谢物、环境污染物等物质的在线监测、实时预警，满足多项相关标准检测要求。　　质谱仪器市场一直以来竞争激烈，很多品类长期以来被国外品牌垄断，尤其是以串联质谱仪等为代表的品类，其市场一直被进口厂商占据，这既是差距，也是巨大的发展潜力。近年来，科技部和基金委等相关部门持续加大科学仪器研发支持力度，其中，针对高分辨和串联质谱等国产空白领域，更是不断加大投资，推动国产质谱向高端化发展。在此背景下，2022年我们看到中国市场终于涌现出了一批三重四极杆串联质谱的国产厂商，这是一个令中国质谱人振奋的消息，但也由于常年被进口垄断，新产品的推出只是所有国产质谱企业迈向高端质谱领域的第一步，接下来如何夯实仪器稳定性、耐用性以及应用能力才是最关键的。　　进口布局GC-MS/MS 看好TQ全面上涨趋势　　本年度主流进口企业也推出了多款TQ质谱，且多为GC-MS/MS，该品类的新品数量更是远超往年。据本网观察，2022年环境监测、质检以及高校科研等单位对GC-MS/MS的采购需求呈现增长的趋势。可以认为，随着应用领域对分析技术的要求不断提高，对于串联质谱技术的需求也将随之迎来增长。此外，岛津与沃特世分别推出了LC-MS/MS新品，并在性能及应用方面则各有侧重。　　安捷伦推出2款GC-MS/MS气相色谱-三重四极杆串联质谱7010C和7000E，新款GC-MS/MS内置智能功能，能够简化实验室操作，并采用 Hydro 惰性离子源(HydroInert source)，可以帮助客户克服氢气载气的关键性能挑战。　　赛默飞推出1款GC-MS ISQ 7610，1款GC-MS/MS TSQ 9610。TSQ 9610采用以用户为中心的 Thermo Scientific NeverVent 技术，配置寿命更长的检测器和智能软件工具，消除了不必要停机时间，大幅提高了样品通量和投资回报率。　　岛津推出Essentia IC16-8050离子色谱-质谱联用仪，结合离子色谱出色的性能与稳定性，联用8050三重四极杆质谱，有效增强离子分析性能，凸显质谱高灵敏度检测能力，轻松获得纳克级水平，同时提升了分析速度。　　沃特世推出Xevo TQ Absolute LC-MS/MS，该质谱仪是沃特世公司目前体积最小、灵敏度最高的串联四极杆质谱仪，这款仪器的电力和气体消耗量减少高达50%，热排量亦降低了50%，不仅能改善环境可持续性，还可降低实验室运营成本。　　高分辨质谱持续创新 离子淌度质谱带来新维度和新深度　　从质谱技术的发展趋势来看，目前质谱领域中傅里叶变换离子回旋共振质谱(FTICR-MS)依然具有最高的质量分辨率，飞行时间质谱(TOF-MS)依然具有最快的扫描速度等。而质谱领域的革命性工作在于提高分析的精度、维度、广度和通量。近几十年来，离子淌度技术(ion mobility spectrometry，也称“离子迁移谱”)快速发展，离子淌度质谱的联用技术也得到了广泛应用，这使得质谱分析能力从相对简单的质荷比拓展到复杂的三维结构，从简单的异构体区分发展到复杂的构象解析。离子淌度质谱是离子迁移谱与质谱的联用，与单独使用质谱相比，通常安装于质谱仪内部并置于质量分析器前端，可根据所搭配的质谱仪条件而设计。当前离子淌度质谱商业化产品的提供商均是进口企业，包括安捷伦(DTIMS)、赛默飞(FAIMS)、沃特世(TWIMS)、SCIEX(FAIMS)与布鲁克(TIMS)，5家的技术原理各有千秋，并在蛋白质组学、代谢组学、脂质组学、生物大分子结构分析等应用领域各有所长。　　2022年布鲁克推出新的 timsTOF HT(High Throughput) 系统，直面蛋白成像的难题与挑战，该系统搭载了第四代的TIMS技术，可实现更高灵敏度的分析、更快的扫描速度以及蛋白定性和定量的深度分析，该产品也进一步拓展了革命性的 4D-多组学 timsTOF 平台。该系统在 4D 血浆、组织蛋白质组和表观蛋白质组学中表现出色。　　除此之外，在高分辨质谱方面，沃特世推出了Xevo G3 QTof四极杆飞行时间质谱，赛默飞则推出了三合一高分辨质谱Orbitrap Ascend Tribrid系统。　　2014年沃特世推出高性能台式四极杆-飞行时间质谱仪Xevo G2-XS，时隔8年的技术创新和迭代，新一代四极杆飞行时间质谱Xevo G3 QTof终于面世。Xevo G3 QTof系统改进了低质量端、不稳定物质的离子传输，确保覆盖尽可能多的分析物，与此同时在传统生物制药工作流程中表现出众，能够充分满足表征新型药物的各种新兴需求。　　赛默飞三合一高分辨质谱Orbitrap Ascend Tribrid系统将创新硬件与两个多极离子通道配合使用，可在更低浓度下定量更多样品，同时实现更大的覆盖率。也可对较大的生物制药产品进行表征，可选质量范围高达 m/z 16000。

为什么飞行时间质谱（tofms）是相对于四级杆质谱（qms）更理想的检测器？您是否想了解飞行时间质谱仪（tofms）和四极杆质谱仪（qms）的区别，比较两者的性能以及了解这些参数对您的应用案例可能产生的具体影响？总体而言，飞行时间质谱比四极杆质谱仪具有先天的性能优势。tofms采集瞬时全谱信息，大幅提升了仪器的分析速度和灵敏度，确保任何重要信息不会丢失并允许回溯分析，更容易鉴别未知分析物和解析测量结果。更重要的是，tofms具备的超高质量分辨率和高精确质量更利于复杂基体中未知物种的准确鉴别，详见后文。参数对比飞行时间质谱tofms级杆质谱qms mass analyzer数据采集同时记录所有离子（全谱）离子筛：同一时段只能记录一种离子采集速度1000hz全谱1000hz单个离子质量分辨率r = m/rm10’000可分辨同量异位素峰可精确推导化学式单质量数分辨率不可分辨同量异位素峰相对精确质量rm/m1000质量数时，4 ppm = 4 mth/th精确质量rm0.001 th at 300 th0.5 th质量范围1 th 到 10000 th通常为10 th 到 500 th四极杆和tof质量分析仪的工作原理？四极杆和飞行时间(tof)质量分析仪实现对不同质荷比(m/q)的离子分离的原理截然不同，这从根本上导致了两者检测能力的巨大差异。四级杆质量分析仪四极杆质量分析仪简单来说是一个‘离子筛’：在同一时刻，有且仅有特定m/q值的离子才能通过四极杆被后端检测器检测到。 第二步，通过挑选或者逐个扫描测量质荷比来获得部分或者完整谱图。图1是一个简单的四级杆原理动图：射频rf电场将离子聚焦在四级杆的轴心；叠加的直流dc电场用于破坏离子飞行轨迹的稳定性，并随后将它们从四极杆中弹出。通过调节这两个电场的强度，可使得只有一个较小m/q范围的离子保持稳定的飞行轨迹从而顺利通过四级杆。该质荷比范围外的其他离子将因不稳定而损失掉（被过滤掉）。然后，在整个m/q质荷比范围内扫描特定或者每个离子的质荷比，就可以记录部分或者完整质量谱图。产生射频rf场的电子器件的电压输出是有物理上限的，也就相应限定了四级杆所能测量的质荷比的上限范围。 图1. 四级杆原理动画图。同一时间，只有特定m/q值的离子才能通过；其他离子都会被‘丢’掉。这里的动图中，选择性离子检测（sim）用来测量了三个较小质荷比的离子（蓝色、黄色和灰色），而质荷比最大的离子（红色）则一直不在筛选范围之内，可理解为没有被检测到。飞行时间质量分析器tof分析仪则是根据离子通过特定区域（通常称为飞行管）时不同的飞行速度来达到离子分离的效果。整个过程有点类似于一场跑步比赛：一组离子在起点被加速（比赛开始），然后以匀速通过无场飞行管（赛跑过程）漂移到检测器（终点线）。从飞行管起点到与检测器‘撞线’之间的时间，也就是离子的飞行时间，被高速检测器记录下来。直观的说，重的分子应该比轻的分子‘飞’得慢，也就意味着到达检测器的时间也越长。所以，在离子带电荷数都相等的前提下，通过离子飞行时间可以反推出其质荷比。这里我们有一个更详细的解释和推导。在tof飞行管的起始加速区，所有离子都会同时受到一个脉冲强电场，即不同质荷比的离子都得到同样的起始动能e。更准确来说，离子获得的动能与其带电荷量q成正比。电荷量相同的离子，e/q近似完全一致。动能e跟质量和速度的方程式：e = ½ mv2这也就意味着：e/q = ½ m/q v2 约等于恒定。因此，质荷比m/q较小的离子会以更快的速度地通过tof区域，更快到达检测器。仪器会高速测量每个离子从起始加速区到检测器的飞行时间，然后将其转换为质谱图：质荷比和信号强度。图2. 飞行时间质谱原理动画图。 每种离子都从脉冲电场中获得了相同的动能，以恒定速度通过无场漂移区（飞行管）。静电场反射镜（reflectron）大幅改善了因离子初始动能差异而导致的分辨率损失。检测器则高频率的记录不同时间点检测到的离子数。所有的离子‘飞行行程’都在微秒级别，也就意味上万趟‘飞行行程’累加在一起，最后形成了一秒的全谱图。上图中的动画持续了几秒钟。在仪器中，实际的离子飞行速度要快得多：每秒数万次飞行，每次飞行时间10到100微秒不等。一般情况下，我们无需每秒几万次的超高数据采集频率，因此通常会将数据累加成每0.1（10 hz）秒或者更长时间段的谱图。举例来说：当tof以两万次/秒的采集速率运行时，每2000次提取的数据可以积累到一张谱图当中，也就是10张谱图/秒的仪器响应。现代tof仪器采用了各种精妙的电子和机械设计来提高质量分辨率，包括静电场反射镜等部件。同时，从离子‘撞线’检测器到仪器屏幕上显示质谱之间的很多步骤也需系统设计和考虑。tofms快速‘全景’测量与每次测量中只记录单一质荷比离子的四级杆不同，飞行时间质谱每时每刻都在记录所有质荷比的离子的信号强度。tof同时检测所有离子的特质，相比于qms离子监测（sim）和全谱扫描都具有先天性的优越性。四极杆在扫描每个离子都需要一定的驻留时间（一般为0.1秒以上），这也意味着可能需要较长时间才能完成全谱扫描，继而导致较慢的测量速度，并损失大量有效信息。例如图3(左图)展示了用vocus 2r ptr-tof在4hz采集率下对志愿者单次呼气的测量结果。在这个简单的实验中，一共有241种不同的vocs化合物被定性定量。如果用四极杆质量分析仪来测量同样数量的离子，并假设使用0.25秒的单离子驻留时间，则需要至少一分钟的时间来完成测量。这也意味着，当志愿者的呼气动作完成时，四极杆全谱扫描还在进行中（图3(右图)。图3. 约1.5秒开始的单次呼气中的各物种时间序列。左图：用tofms实测得到的呼气结果。右图：同样的呼气试验，用四级杆质谱的模拟结果。图中标志点代表了每组数据对应的时间点。四级杆扫描的离子数目越多，对仪器灵敏度的影响越大在四级杆质谱的单个离子对应的停留时间中，所有其他离子都被丢弃。这会直接影响仪器整体的灵敏度。想象一下，对一个校准气瓶进行十秒钟的测量，一个四极杆和一个tofms质谱分别测量十个质荷比的离子。四极杆对每个质荷比的信号累积时间不超过1秒，而tofms对每个m/q的信号累积时间则为10秒。很明显，tofms将为每个离子累积更多的信号，因此在10秒的时间内具有相对于四级杆更高的灵敏度。 tof瞬时全谱确保不错过有效信息为了改善测量速率，四级杆可以只测量少量的特定离子(也称为选择离子监测模式sim)。值得注意的是，未被列入特定离子清单的离子可能包含重要信息。例如，图4展示了用tofwerk ei-tof以5谱每秒的采集频率测量的gc逸出物的质谱。为了完整的体现单个色谱峰，四极杆操作者一般选择不超过三个离子进行sim。另一方面，图中最大的色谱峰中包含的ei谱图含有200多个离子。相对于四级杆提供的少数几个离子，使用包含200多个离子的全谱图数据，与nist库的标准谱图匹配来进行峰识别的准确性要高的多。此外，使用sim的操作者必须非常确定他们对除样品目标物外的其他任何vocs不感兴趣。这一点对于非目标分析尤其重要，也是极难做到的，因为在非目标分析中，样品的确切成分是未知的。通过每时每刻测量所有离子，保存全谱数据，测量变得 “面向未来”：如果研究或新的应用表明一个新的分子是值得注意的，分析人员可以重新审视以前收集的tof数据，针对这些‘新’物种进行回溯分析。图4. ei-tof测得的gc气相色谱逸出物和相应的色谱峰。至少有六个色谱峰可以被清楚的识别出来，每个峰的宽度都小于三秒。图中蓝色、红色和黑色的数据点提出了模拟的四级杆在sim模式的测量效果。插图展示了强度最高的色谱峰所对应的包含200多种离子信息的nist ei谱图。不间断连续测量能更好的揭示样品中各离子的对应关系四极杆分析仪的结果是不连续的：这是因为每次只能扫描一个离子，而不是同时扫描所有离子。这种效应被简称为 “质谱偏斜”。如果样品的voc成分变化很快，就无法准确定量vocs之间的相对比例。这对于化学计量‘指纹’分析或大气污染物的溯源分析等应用都非常重要。举个例子，图5显示了一段vocus elf小精灵ptr-tof对环境空气中芳香烃的测量结果。该测量来自欧洲某城市的车载实验，被测空气的成分随时间和空间位置的变化而极快的变化。图5. 车载移动检测中芳香烃物质浓度秒级的变化曲线。右图中模拟的四级杆分析结果给污染物溯源和源谱图数据库建立都增加了很大的不确定性。苯、甲苯、二甲苯和更大的芳烃的相对比例一般可以用来表征污染物来源：在本案例中，汽油车尾气。如果使用相应的只有三个离子的四极杆测量结果，就无法准确确定不同芳烃的相对比例，后续的来源识别就变得更加困难。另一个飞行时间质谱检测器的好搭档是适用于元素及其同位素分析的电感耦合等离子体质谱仪（icp-ms）。在非连续进样时，icp-ms需要在较短时间内测量多种元素和它们对应的各同位素峰，这也是传统的四级杆检测器所不能实现的。上述应用场景包括有单颗粒分析或者快速（高达几百hz）激光剥蚀成像等。图6展示了一组在钢材质纳米颗粒中分析铬，铁，镍和钼等元素信息。单颗颗粒物所产生的信号时长不超过0.5毫秒。tofwerk的icptof （icp-ms搭配飞行时间检测器）能够可靠地表征这些纳米颗粒物的完整谱图信息，而四级杆检测器则受限于其同一时刻只能测量一种元素的劣势，会丢失很大一部分信息，同时对各元素之间的浓度相对比值也不能准确测量。图6. 用icptof r检测到的单个钢材质纳米颗粒中铬，铁，镍和钼随时间变化信号图。上半部分：每90微秒记录的单个钢纳米颗粒物的高时间分辨率信号。下半部分：模拟四级杆检测器记录的上述单颗粒物分析的实验结果。该套模拟结果是在假设四级杆单离子停留时间为90微秒的情形下。因为四级杆是依次扫描这四种元素信息，他们的灵敏度响应的减少了33倍。更重要的是，四级杆数据推导出的元素的相对浓度比值跟真实数字会有76%-270%的偏差！高质量分辨率是准确识别未知离子的必要条件之一四极杆质量分析仪的分辨力受限于四极杆的加工精度和电子器件的性能。四极杆分析仪通常是以单位质量分辨率来操作的。即使是目前市场上非常高端的四极杆，其分辨力也只有r=m/dm（fwhm）=3000-4000th/th，这还是在大幅降低仪器灵敏度的情况下。图7将单位质量分辨率的ptr四极杆谱图与分辨力为r=5000 th/th的vocus s ptr-tof谱图进行了详细对比。在单位质量分辨率下，无法区分同量异位化合物。同量异位化合物具有相同的标称质量，但元素组成不同。同量异位化合物在样品中会有不同的随时间变化曲线，能够对它们分别测量并定量对分析结果的精确性非常重要（图8）。图8. 具有5000分辨率的vocus s ptr-tof的测量数据。在69质荷比的三个同量异位离子信号对应的完全不同的时间序列。底图展示了特定时间点上的节选谱图：高质量分辨率将这三种离子清楚的解析开来。高质量分辨率提供的精确质量信息更重要是用来确定离子峰的元素组成。这对化合物的鉴定至关重要，而这也是单位质量分辨率无法做到的。在图9中，高质量分辨率（5000 th/th）和高相对质量精度（5ppm以内）可以帮助我们把97.045 th处检测到的离子鉴别为氟苯而不是3-糠醛(97.028 th)或2-乙基呋喃(97.065 th)。图9. 高质量分辨率和高质量精度保证了离子定性定量的高准确性。结论综上所述，飞行时间质谱仪相对于四级杆分析仪的优势是显而易见的。单个样品的测量速度更快，而且不会有”质谱偏斜”效应。对于同一个质量范围，tof分析仪相对于四级杆有更好的灵敏度。因为每时每刻都在记录‘全景’谱图，不会错过或者丢失任何可能的重要信息。最后，tof的高质量分辨率可以鉴别同量异位化合物并精确推导出元素组分。 来源：tofwerk