質量分析儀
1. 飛行時間品質分析儀
飛行時間（TOF） 分析儀的物理原理相對簡單。處於加速勢的離子達到相同的動能，但其速度取決於它們的質量。在這種情況下，質量分析歸結為確定離子在初始加速後在無場區域中移動的速度，這可以通過測量離子需要穿過固定距離的時間（即它們的飛行時間， time of flight）來完成。在儀器中，離子飛行時間非常短，基本上只有數十微秒，因此可以高速收集質譜。但離子的高速度對離子檢測系統的電子裝置提出了很高的要求，因為具有相似質量離子的到達時間沒有太大分別。
2. 離子迴旋共振 （ICR） 陷阱：傅立葉變換質譜
離子迴旋共振分析儀的物理原理也相當簡單。當離子穿過磁場時，它們的路徑會偏轉。這種偏轉可用於迫使離子進入磁場內穩定的循環軌跡，從而捕獲它們。路徑的半徑r透過方程式與離子的速度v相關。速度的增加直接導致軌跡半徑的增加。
ICR 光譜測定的一個獨特之處在於離子檢測是非破壞性的。所有現代 ICR 儀器都使用傅立葉變換（FT）方法來分析ICR 中捕獲離子的m/z 。這是該方法被稱為傅立葉變換質譜（FT‑MS）的原因。如果所有離子同時被激發而發生相干運動，其產生的鏡像電流是陷阱中離子的所有迴旋頻率的疊加。因此，鏡像電流中時域振盪的 FT 提供了頻率，從而提供了陷阱中所有離子的m/z值。從單一激發-檢測-FT 循環中，可以獲得完整的質譜。由於離子在此過程中沒有被破壞，因此可以重複該分析循環。如果要追蹤 ICR 陷阱中發生的反應進度，這種重複非常有用。
ICR 單元相當簡單，沿著一個軸有一對板，用於激發離子進行相干運動，另一對板用於偵測鏡像電流。最後，第三軸上的板用於提供捕獲電位；也就是說，它們防止離子沿著垂直於離子平面的軸漂移。
3. 四極桿離子阱質量分析儀
四極離子阱（QIT） 和 ICR 陷阱有許多共同點，雖然物理原理不同。兩者都是離子停留時間很長的捕獲分析儀，都通過應用射頻脈衝排除不需要的離子，並且都使用射頻脈衝引起捕獲離子的碎片。然而，QIT 使用交變電場而不是磁場。與離子捕獲的物理原理相當簡單的ICR 不同，離子捕獲中離子與四極場的相互作用導致了離子路徑的混亂和數學計算困難。在適當的條件下，離子在離子阱內以穩定的軌跡行進，並且可以保持較長時間。四極離子阱的同一場可以捕獲正離子和負離子。
QIT 與幾乎所有其他常見分析儀之間的另一個關鍵區別是，不追求高真空，而是有意引入少量惰性氣體（通常是氦氣， 10‑3 托）的背景壓力。與其他儀器相比，背景氣壓的存在提高了 QIT 的分辨率。氣體會抑制離子響應四極場的運動，並傾向於使離子雲保持朝向裝置的中心。小離子雲會導致窄峰寬，因為當所有離子從分析儀中噴射並檢測時，它們與偵測器的距離大致相同。
傳統上，QIT 採用圍繞環形電極和一對端蓋電極所建構的三維設計。端蓋電極具有雙曲線形狀，並且將交變電場施加到環形電極和端蓋電極。裝置很小，環的半徑約為0.7公分。或者，四極場可以在二維上應用，離子被捕獲在一組四個桿之間，相鄰桿上具有交替電位。該裝置被稱為線性離子阱，類似於四極離子過濾器，不同之處在於離子被一組偏移電位沿著桿的軸捕獲。設計的一個關鍵差異在於，離子沿著線性離子阱的軸傳播，而不是集中在三維離子阱的中心。優點是可以捕獲更多離子，而不會因離子-離子相互作用（稱為空間-電荷效應）而導致四極場顯著退化。
由於離子-離子相互作用在真空中發生在相對較長的範圍內，因此必須限制離子密度，以最小化離子/離子相互作用對給定離子所經歷的淨場的貢獻。如果不是，四極場會因空間/電荷效應而改變，最終結果是峰展寬和表觀質量轉移。捕獲更多離子的能力使線性離子陷阱在靈敏度方面比傳統的三維離子陷阱具有顯著優勢。在這兩種類型的儀器中，都必須仔細控制離子阱中的離子數量。自動增益控制系統已被開發用於在離子阱中產生最佳離子密度。一旦離子被捕獲在這些設備中，就可以透過將離子沿著場軸之一通過端蓋電極上的孔（或線性四極桿中的槽）噴射來檢測。噴射的離子通常用電子倍增器系統檢測。由於離子阱在相當高的壓力下運作（對於質譜儀），因此它們很容易與各種離子源連接，並且不需要大量的泵送能力，即使是大氣壓力離子源也是如此。
QIT 在品質解析度和品質精度方面無法與 TOF 或 ICR 儀器相提並論。典型的 QIT 儀器可提供質量解的功率，精度約 100 ppm。這些對於大多數應用來說都是有用的範圍，但排除了高解析度光譜。除了同時捕獲低和高m/z離子的問題之外，它們的質量範圍通常存在約 2,000 至 4,000 的上限，儘管特殊的操作模式可以顯著擴展此限制。 QIT 的優點在於其多功能性、低成本和穩健性。
4. 四極桿質量過濾器
這些儀器採用與線性 QIT 相同的通用電場類型，但以束流模式運行，特定m/z範圍的離子以穩定的軌跡穿過設備，而其他離子則撞擊桿。從某種意義上說，離子被困在二維中，但在三維中具有顯著的速度。這些設備可以簡單地用作離子導向器，將所有離子從儀器的一個區域轉移到另一個區域，或以質量選擇模式使用，其中只有窄m/z窗口的離子可以通過。後者操作模式將設備轉變為質譜儀，因為人們可以使四極場的電壓斜坡上升，並通過順序允許m/z增加（或減少）的離子通過過濾器並撞擊質譜來產生質譜。器。這些設備最適合連續離子源，因為必須使用新的離子包來分析每個質量 ‑在檢測特定m/z的離子期間，除感興趣的m/z之外的所有離子都會被犧牲價值。
四極桿質量過濾器可以承受相對較高的氣壓，但使用緩衝氣體進一步增加壓力在分辨率或性能方面沒有優勢。可以將多個四極桿質量過濾器連接在一起以設計更強大的質譜儀。一種非常常見的儀器是三重四極桿。第一個四極桿用作質量選擇裝置，僅允許特定m/z的離子通過到第二個四極桿。在大多數應用中，第二個四極桿用作碰撞池，離子被加速進入該區域。它被設定為充當離子導向器，允許所有離子（母離子和碎片）穿過第三個四極桿。最後一個四極桿用作質量分析器，並進行掃描以產生在第二個四極桿中創建的混合物的質譜。三重四極桿是有用的儀器，因為它們允許在非常寬的碰撞能量範圍內進行質量選擇性破碎。
在性能方面，四極桿質量過濾器和 QIT有很多共同點。它們提供適度的質量分辨能力和質量精度 （100 ppm）。與離子阱不同，它們沒有與捕獲大範圍m/z相關的限制，並且可以直接掃描整個質量範圍。然而，該範圍的上限通常限制在 2,000 Dalton 左右。
5. 扇形品質分析儀
多年來，扇形質譜儀一直是高性能質譜分析的標配。儘管這些儀器仍然廣泛使用，但它們正在被 TOF、FT‑ICR 和 Orbitrap儀器所取代，這些儀器具有一些相同的性能特徵，但更通用且不那麼笨重。通常，這些儀器由兩個部分組成：根據動量分離離子的磁性部分和根據動能分離離子的靜電部分。質量分析器只需要磁扇區，但透過包含靜電扇區可以獲得更高的解析度。磁區的基本物理原理與 ICR 類似。垂直於離子軌跡的磁場作用使它們的路徑彎曲。在 ICR 中，這種效應用於建立穩定的環形路徑。在扇形磁場中，當離子通過扇形磁場時，離子具有不同的弧線，這取決於它們的m/z 。最終結果是根據離子的m/z 進行空間分離。這個過程類似光穿過棱鏡，導致光波長的空間分離。
就扇區的幾何形狀以及磁扇區和靜電扇區的順序（即光束首先遇到哪個扇區）而言，扇區儀器設計有多種實現方式。所有扇區儀器的一個共同特徵是需要高真空，因為質量分析取決於穿過儀器的離子的軌跡，不受與背景氣體碰撞的影響。就目前的目的而言，沒有必要對部門工具的各種操作方式進行詳盡的討論。
扇形儀器在質量精度 （1–5 ppm） 方面具有高性能。它們還具有良好的品質分辨率和卓越的動態範圍。它們的質量範圍不像 TOF 和 ICR 那麼大，通常限制在m/z約 10,000 Dalton。其效率不高，因為在掃描過程中，僅檢測到穿過狹縫的離子，而所有其他質量的離子都被丟棄。這個問題對於限制液相層析/質譜 （LC/MS） 或氣相層析/質譜 （GC/MS） 分析領域儀器的適用性尤其重要，因為這些分析需要高效、快速的光譜分析。與更現代的品質分析儀相比，對高真空的需求、較高的初始成本以及扇形儀器的龐大尺寸也使得它們缺乏吸引力。
6. Orbitrap （軌道阱） 分析儀
軌道阱是一種相對新型的質量分析器。與 QIT 一樣，它依靠電場來捕獲離子，而不是 ICR 中使用的磁場。然而，與 ICR 一樣，它使用鏡像電流來檢測設備中的離子振盪頻率。這種組合非常有吸引力，因為它消除了維持高磁場的複雜性，但提供了離子頻率 FT 分析的靈敏度和準確性。操作原理很簡單，但實際實現卻很困難。該裝置由一個主軸電極組成，周圍環繞著一個大致圓柱形的電極。設定電位，使離子被吸引到主軸電極。為了獲得穩定的軌跡，對主軸電極的吸引力必須透過繞主軸軌道運行的離子的離心力來平衡。這種排列方式就是該設備名稱的由來。
儘管該場的性質與重力場有很大不同，但可以將其與行星運動進行類比。主軸電極的吸引力以二維方式捕獲離子，而端蓋電極處的排斥電位沿著主軸軸線（z軸）捕獲離子。在這種佈置中，離子經歷三種類型的運動：（1）圍繞主軸電極循環，（2）較小和較大軌道之間的徑向振盪，以及（3）沿著主軸的軸線振盪。只有最後一個與離子捕獲的初始條件無關，因此是離子檢測的首選運動。沿主軸軸線的振盪頻率提供了離子m/z的測量，並且 FT 方法可用於離子的收集。
與大多數其他分析儀相比，軌道阱分析儀的捕獲能力與設備的物理屬性更密切相關，而不是與所施加的磁場或射頻場相關。因此，設備的加工對其性能至關重要。此外，將離子引入軌道陷阱具有挑戰性，因為只有使用相當窄的起始離子軌跡集才能實現陷阱中的穩定軌跡。
軌道阱的開發是為了在功能上與 FT‑ICR 儀器競爭。 Orbitraps的m/z 限制在50,000 Dalton。在這些方面，軌道陷阱可以與 FT‑ICR 競爭。然而，軌道阱在操縱離子方面的通用性較差，並且對於進行反應或誘導碎片沒有用處。如上所述，在商業系統中，透過將軌道阱連接到能夠處理這些任務的其他品質分析器來解決這個缺點。因此，軌道阱本質上是混合儀器，並依靠技術組合來生產多功能質譜儀。由於軌道阱不使用強磁場，因此維護成本不高，但需要將它們與其他品質分析儀連接以及精密加工，這使得它們成為相對昂貴的商用儀器。
7. 混合分析儀
近年來，流行趨勢是透過合併兩種類型的品質分析設備來擴展質譜儀的功能。我們的目標是將兩種設備的品質結合起來，創造出具有卓越功能的儀器。一種常見的方法是將 QIT 與另一台品質分析儀連接，特別是具有高品質解析度的品質分析儀。離子阱用於累積離子，並可能以碰撞方式活化離子以產生碎片離子（MS/MS 掃描）。可以透過將離子從離子阱轉移到FT‑ICR、軌道阱或其他高分辨率質譜儀來修正，並使用該設備產生最終的質譜。
另一種非常流行的組合是將四極桿離子過濾器和 TOF 分析儀結合在一起。在這裡，四極桿離子過濾器用於質量選擇離子並在碰撞池中將它們破碎（很像三重四極桿）。然後光束被引導至TOF 分析儀並沿著飛行管正交加速。與大多數混合儀器一樣，特殊的離子光學元件用於操縱從四極桿到 TOF 分析儀的過渡中的離子，並糾正與離子束初始速度相相關的問題。混合分析儀的開發是現代儀器儀表中常見的策略，預計未來會看到更多的混合分析儀。
色質聯用
1. 氣相色譜/質譜儀聯用
對於揮發性樣品，氣相色譜（GC） 是先於 MS 的最有效的分離方法。 GC 很容易與 EI 或 CI 源連接，因為來自毛細管柱的氣流可以直接進入 EI 源的入口。透過這種方式，化合物在色譜分離時會被順序電離。洗脫時會產生相對較高的底物壓力，GC/MS 分析的敏感度相當高。由於 EI 是一種通用電離方法，因此如果底物具有足夠的揮發性以通過 GC，則在分析前通常不需要對其進行修飾。對於波動性相對較低的樣本，衍生化是常見的策略。衍生化方案涉及將一種官能基整體轉化為具有更大波動性的官能基。一個常見的方法是將醇轉化為甲矽烷基醚。 ROH與(CH3)3SiCl等試劑的反應快速且定量，產生ROSi(CH3)3產物，該產物極性較小，缺乏氫鍵供體，因此更容易揮發。例如，預計葡萄糖等糖的三甲基矽烷化會使其蒸氣壓增加幾個數量級。這種方法可以大大擴展 GC/MS 分析的化合物範圍。對於分析小分子、中等複雜的有機化合物，在具有 EI 或 CI 來源的儀器上進行GC/MS 是首選方法。
2. 液質聯用
對於低揮發性樣品，LC 是實驗分離階段的好選擇。在這種情況下，分析物是來自 LC 的液體洗脫液的一部分，通常使用大氣壓力電離源。如果分析物自然帶電，則使用 ESI，如果不帶電，則可以使用 APCI。這些源需要非常低的洗脫液流量m1 min‑1介面通常採用分流系統，以減少進入源的洗脫液量。
題圖：一种肽的质谱，显示其同位素分布。横轴是m/z，纵轴是相对离子强度。。（來源：wikicommons，公共領域）
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