串联质谱

土豆

串联质谱是指将两个或更多的质量分析器按照顺序连接起来的技术，其核心思想是，在第一个质量分析器中选择特定的离子作为“母离子”，让该离子发生裂解，然后再由后续的质量分析器对产生的“子离子”进行分析。根据分析器在空间上的排列方式，可以将其主要分为三类。空间串联是最直观的一种类型，例如最有代表性的三重四极杆质谱仪。它的结构是第一和第三个四极杆作为质量分析器，中间的第二个四极杆则专门作为一个碰撞室。其工作流程是，第一个四极杆从离子源产生的所有离子中，筛选出我们感兴趣的特定质荷比的母离子。该母离子被导入碰撞室，与惰性气体分子发生碰撞，通过碰撞诱导解离获得能量并碎裂成各种子离子。最后，这些子离子被送入第三个四极杆进行质量扫描，得到一张只包含这些子离子的质谱图，这张图被称为二级质谱图或MS2谱图，它清晰地展示了母离子的裂解产物。这种类型的串联质谱因其扫描模式灵活、非常适合定量分析而备受青睐。例如，在食品中农药残留的精准定量检测中，分析人员会让第一级四极杆筛选出农药的特征母离子，在碰撞室将其打碎，再让第三级四极杆筛选出该农药最稳定、最特征的一个子离子进行检测，这种模式极大地排除了基质干扰，定量结果非常可靠。

除了这种“物理上”分开的空间串联，还有一种“时间上”串联的类型，其代表就是离子阱质谱。在离子阱中，串联分析不是通过多个物理分离的分析器来完成，而是在同一个陷阱内，分阶段进行离子操作。首先，离子阱会捕获来自离子源的所有离子。然后，通过施加特定的射频电压，将除了目标母离子以外的所有其他离子都排出去。接着，在阱内引入氦气作为碰撞气体，并对保留的母离子施加一个附加的激发电压，使其与气体碰撞并碎裂。最后，再扫描射频电压，将碰撞产生的所有子离子依次弹出并进行检测。这种“选择-激发-分析”的过程完全在同一个阱内按时间顺序完成，因此被称为“时间串联质谱”。这种方式的优点是结构紧凑，并且可以非常容易地进行多级串联，即对子离子再进行选择、碎裂、分析，得到MS3甚至更高的MSn谱图。这在解析复杂天然产物的结构或研究多肽的序列时非常有用，因为我们可以对一个离子“刨根问底”，追溯其裂解的完整谱系。
此外，还有一类将不同类型的质量分析器组合起来的混合型串联质谱，它们结合了不同分析器的优点。例如，四极杆与飞行时间串联，即Q-TOF。在这样的系统中，第一个四极杆负责筛选母离子，碰撞室进行裂解，而作为第二级分析器的飞行时间质谱仪则用来分析所有子离子。Q-TOF的优势在于，飞行时间分析器具有极高的分辨率和质量精度，能够精确测定子离子的质量，从而可以推导出其可能的元素组成。这对于鉴定未知新化合物或对复杂代谢产物进行结构阐释具有无可估量的价值。在实际的生物标志物发现研究中，研究人员可以从复杂的生物体液中筛选出差异离子，通过Q-TOF获得其高分辨的MS2谱图，通过精确质量数匹配与数据库比对，就有可能确定其具体结构，这是发现新药物靶点或疾病诊断标志物的关键一步。