串联质谱仪基本构造

串联质谱仪的核心组成：深入解析关键部件与工作原理

串联质谱仪（Tandem Mass Spectrometry, MS/MS）作为现代分析化学领域中的“瑞士军刀”，其强大的结构解析能力和痕量物质检测能力，在药物研发、蛋白质组学、食品安全、环境监测等众多领域扮演着不可或缺的角色。要深刻理解其工作机制，必须对其基本构造进行一次细致的剖析。

串联质谱仪的总体构造概览

一台典型的串联质谱仪，可以将其核心功能区域划分为三个主要部分：离子源（Ion Source）、质量分析器（Mass Analyzer）以及离子探测器（Ion Detector）。串联质谱的独特之处在于，它引入了一个或多个额外的质量分析器，用于对特定质量的离子进行进一步的碎裂和分析。

离子源：分子“电离”的奇妙旅程

离子源的职责是将宏观的样品物质转化为微观的带电离子。根据待测样品的状态（气相、液相、固相）以及性质，可以选择不同的离子化技术。

• 电喷雾离子化（ESI, Electrospray Ionization）：液相样品通过高压电场喷射成细小的液滴，溶剂蒸发后形成带电离子。常用于生物大分子，如蛋白质、多肽。单次电荷的形成概率会随溶剂性质和流速而异，一般而言，极性溶剂比例越高，有利于形成带电液滴。
• 基质辅助激光解吸/电离（MALDI, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization）：样品与基质混合后，用激光照射，基质吸收能量后将样品分子“炸”出并电离。常用于高分子量样品，如聚合物、蛋白质。通常使用的激光波长在337 nm (N2激光) 或 355 nm (Nd:YAG激光)。

质量分析器：质荷比分离的精密之舞

质量分析器是质谱仪的核心，其作用是将不同质荷比（m/z）的离子进行有效分离。串联质谱通常采用串联的质量分析器来实现。

• 四极杆（Quadrupole）：通过施加直流和射频电压，可以使特定m/z范围内的离子在电场中稳定通过，而其他离子则会不稳定并被排除。在串联质谱中，常用串联四极杆（Triple Quadrupole, TQ）。第一个四极杆（Q1）用于选择母离子，第二个四极杆（通常作为碰撞室）允许所有离子通过，第三个四极杆（Q3）则扫描分析子离子的m/z。Q1的选择窗口宽度（RF/DC ratio）对母离子的分离效率有显著影响。
• 飞行时间（TOF, Time-of-Flight）：所有离子以相同的初始动能注入电场，但由于质量不同，其飞行速度不同，因此到达探测器的时间也不同。质荷比越小的离子，速度越快，飞行时间越短。高分辨率TOF分析器能够区分接近的m/z值，分辨率可达10,000以上。
• 离子阱（Ion Trap）：通过电场和磁场（或射频场）将离子限制在一个有限的区域内，并根据m/z进行分离。现代离子阱质谱仪能够实现多级串联质谱（MSn），为结构解析提供更多信息。

碰撞室：激发离子的“内在”变化

在串联质谱中，碰撞室是实现MS/MS功能的核心。被Q1选定的母离子进入碰撞室后，会与惰性气体（如氦气、氩气）发生碰撞，吸收能量，导致分子键断裂，产生一系列质荷比更低的子离子。

• 碰撞诱导解离（CID, Collision-Induced Dissociation）：是最常见的碎裂方式。碰撞能量的设置至关重要，过低则碎裂不充分，过高则可能导致过度碎裂，丢失重要的结构信息。典型的碰撞能量设置在10-50 eV。
• 电子转移解离（ETD, Electron Transfer Dissociation）：是一种“冷”碎裂技术，能够更好地保留氨基酸侧链的修饰信息，特别适用于磷酸化、糖基化等。

离子探测器：量化离子的“一道防线”

探测器负责捕捉并量化到达的离子信号，并将其转化为可读的电信号。

• 电子倍增器（Electron Multiplier, EM）：当离子撞击探测器表面时，会激发出二次电子，这些电子在电场作用下进一步碰撞，产生指数级增长的电子流，从而实现信号的放大。其探测效率通常在90%以上。
• 法拉第杯（Faraday Cup）：通过收集离子产生的电流直接测量信号，适用于高强度信号检测。

通过对这几个核心部件的深入理解，我们便能更好地掌握串联质谱仪的工作原理，并在实际应用中充分发挥其强大的分析能力。