液質聯用中的質譜——質量分析器（下）

　　質量分析器目前已知的有6種，2023年ASMS上賽默飛推出了一種新型的質量分析器，它類似于TOF的原理，但和傳統的TOF設計有較大差別，所以也可以稱為第7種質量分析器。這7種質量分析器分別為：扇形磁場、四極桿、離子阱、飛行時間、FTICR、Orbitrap、Astral。接下來介紹后面軌道阱Orbitrap和非對稱軌道無損質量檢測器（Asymmetric Ion Mirrors, Astral）。

　　軌道阱Orbitrap

　　軌道阱（Orbitrap）利用直流電場將離子局限于阱中，并運用傅里葉變換技術將時域信號轉換到頻域，再經換算得到離子的質荷比信號。離子被局限在固定的軌道內長時間高速周期運動，因此可獲得數十萬甚至上百萬的高分辨率。在獲得與FT-ICR近似分辨率性能的同時，Orbitrap不使用強磁場而使用直流電場，使用簡單、維護成本低，是近年來質譜領域的重大突破。

　　1923年，Kingdon發明一個稱為Kingdon trap的離子捕集裝置。該裝置不使用任何磁場或高頻電場，僅使用靜電場捕集離子。用于捕集離子的靜電場是由一個作為外電極的金屬圓筒和一條作為中心電極的細銅線構成。在兩個電極之間施以直流電壓，即可建立一個以中心電極為軸心的非線性對數電場。離子可沿軸線運動、可以穩定，不會撞壁，但卻無法沿軸向引出。

　　受到Kindon阱啟發，俄羅斯的Markarov發明了Orbitrap，1999年在ASMS首次發表時分辨率達15萬。Markarov后加入賽默飛公司，第一臺商品化的LTQ-Orbitrap串聯質譜儀于2005年推出。Orbitrap的勢能場包括四極勢能場和對數形的柱狀電容場，形成紡錘狀的中心電極，再搭配圍繞中心電極的左右兩個外圍電極。離子在 Orbitrap內飛行，受到中心靜電場的引力，圍繞中心紡錘形電極做圓周軌道運動，路徑好比纏繞在紡錘上的線。被捕集到的離子在紡錘形電場中的運動軌跡是一個復雜的螺旋形，有徑向、軸向和回旋三種運動，但只有軸向振蕩頻率ωz可用于質量分析，因為它完全獨立于離子的能量以及空間分布。由于離子于軌道內像行星（如地球）繞行恒星（如太陽）一樣進行簡諧振動，所以這種質量分析器定名為軌道阱（Orbitrap）。

Orbitrap軌道阱示意圖

　　離子在Orbitrap內的簡諧運動可由左右兩個外圍電極檢測，再將像電荷的時間信號進行傅里葉變換，得到高分辨率的質譜圖。ESI是連續流的，如何使離子從外部進入Orbitrap是一項關鍵的設計。C-Trap是Markarov加入賽默飛后設計的，它具有富集離子，有效聚焦，有效注入離子到軌道的作用。

LTQ-Orbitrap的設計示意圖

非對稱軌道無損質量檢測器（Asymmetric Ion Mirrors, Astral）

　　2023年，賽默飛推出Astral，目前它主要用于和Orbitrap配合使用，主要用于串聯MS/MS檢測。總體原理有點像多次往返的TOF，但離子的飛行軌道和傳統TOF非常不同。它的主要特點是：可以在高達200 Hz的速度下碎裂離子，同時分辨率達到8萬。

Astral質量分析器示意圖

　　離子首先從離子導向多極桿傳輸到離子處理器（Ion processor）中，該處理器以高達200 Hz的速度捕獲并碎裂離子。然后，所得離子通過一系列注入透鏡（injection optics）使其準確地對齊離子束并提高靈敏度。離子進入一個開放式的靜電阱，并通過無網格的非對稱離子鏡（ion mirrors）和離子箔（ion foil）的組合進行非對稱橫向振蕩，該離子鏡可產生27米的非對稱軌道，分辨率高達80,000（@ m/z 524），離子箔則能在三個維度上使離子束保持形態和聚焦，以提高分辨率和靈敏度。離子的檢測是由一個新型的高動態范圍檢測器進行檢測，該檢測器能夠實現超高靈敏度的單個離子檢測以及超過1000:1的高動態范圍檢測，并且低噪音和長壽命。Astral質量分析器的傳輸效率非常高，超過90%的離子進入質量分析器后到達檢測器，實現超高靈敏度的同時不損失掃描速度和高分辨率。

　　賽默飛的技術人員談到了幾個方面來說明Astral的獨特性。Astral不是TOF，而是結合了TOF、離子阱和Orbitrap技術的一種新型分析器。首先，TA借鑒了Orbitrap的特性。考慮Astral應該從離子處理器（Ion processor）開始，就像考慮Orbitrap也需考慮前端的C-Trap一樣，離子注入Astral時必須“發射”到某一個點上，才能繼續地運動，它也不是直線飛行，而是沿著曲線軌道路徑，從這點上來說，Astral借鑒了很多Orbitrap的設計。其次，離子處理器具有類離子阱的特性，因為它可以儲存和富集離子，但同時它也是一個碰撞池，由它產生MS/MS的子離子。第三，分辨率和離子沿軌道飛行的時間長短有關，而且在離子處理器中，離子進行了空間聚焦，有點類似TOF的延遲提取技術，從這些方面來說，它和TOF類似。

接下來請見下篇：液質聯用中的質譜：串聯質譜（上）

目錄：

前言：液質聯用（LC-MS）簡述

Chapter1、液質聯用中的液相色譜

Chapter2、液質聯用中的質譜

2.1離子源

2.2離子傳輸

2.3 質量分析器

2.4串聯質譜（Tandem Mass Spectrometry，MS/MS）

2.5 檢測器

2.6 真空系統

Chapter3、液質聯用中的數據采集和分析