主题：【原创】食品检测实验室液相色谱-质谱仪的选型

下面分别介绍一下不同类型MS组合的特性。各种类型MS的原理不做详细介绍，可参考一些文献和网上的文章。


三重四极质谱仪

　　LC-MS配置API后虽与早期仪器相比大大提高了S/N，但检测灵敏度也就与LC的紫外检测器(UV)相当。这个灵敏度用于食品中残留物检测显然还不太够。直到二十世纪九十年代末，液相色谱-三重四极质谱(QqQ)联用仪商品仪器逐渐成熟了，检测灵敏度不断提高，价格不断降低，开始为食品检测实验室越来越普遍的采用。QqQ MS的工作原理见图5。




图5 三重四极分析器工作原理

　　由图5可看到，QqQ MS的第一级(Q1)选择出要检测的目标化合物，滤去其它干扰物，所以，大大降低了本底噪音，提高了信/噪比。在第二级(q2)，碰撞气(通常是稳定性气体，如：氮气、氩气等)将目标物打碎，施加的碰撞气能量不同，碎裂产生的离子及离子丰度就不同。碎裂的离子在第三级(Q3)被依次排列，然后送至检测器检测得到二级质谱图——化合物的特征质谱图。

　　应用QqQ MS进行残留物分析时，主要采用多反应离子监测模式(MRM)，其原理见图6。




图6 MRM监测模式

　　如果在Q3仅选择2个离子(根据欧盟2002/657/EC指令，对残留兽药检测通常是选择1个母离子，2个子离子)有点像GC-MS的SIM方式，这就是QqQ质谱特有MRM方式，见图6。这种检测方式的检测灵敏度目前是所有类型质谱中最高的。因而食品实验室做残留检测最常用的是QqQ MRM，也建议购置第一套LC-MS-MS时选择QqQ MS。

　　现在国外主要生产QqQ MS公司有AB Sciex、Thermo-Fisher、Waters、Agilent、岛津等，目前国内实验室全部配置的是这几家公司的仪器。各仪器公司的仪器成系列(从低性能到高性能)，这几家公司的仪器性能有些差异，因而价格也有些差异，从不到200万人民币，高到400多万人民币。性能指标可参考分析测试百科网提供的数据（http://www.antpedia.com/pcenter/cat-139/）。

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离子阱质谱仪

　　IT-MS又分为三维离子阱质谱和线性离子阱质谱，见图7。IT-MS的最主要的特点是它可以做多级质谱(MSn)，公司称可做到10级（找到合适的化合物）。通常说QqQ MS是空间串联的，而IT-MS是时间串联。




图7 离子阱质谱仪的分析器，左图为3维离子阱分析器，右图为线性离子阱分析器

　　IT-MS虽然也能做MS-MS，甚至MSn，但其原理是将保留在阱内的被测物离子再进一步打碎，然后进行检测。因此，IT-MS不能像QqQ MS那样做MRM检测，检测灵敏度也就达不到MRM的量级；另外，IT-MS虽然可以做多级，但应用上，打碎的级数越多灵敏度也就越差，药物残留分析本来对灵敏度要求就高，多级后就更满足不了灵敏度要求（当然，对于做研发或主成份分析的部门多级是有用的）。所以，用IT-MS做禁用兽药的残留分析比较少。

　　线性IT-MS的灵敏度较传统IT-MS的灵敏度有较大的提高，这主要是线性IT-MS储存离子区域是一条线，而传统IT-MS储存离子区域则是一个点。现在Thermo-Fisher公司提供的技术指标，线性IT-MS为 250fg 利血平 S/N≥100，传统IT-MS为 2pg 利血平S/N≥25。且线性离子阱质谱较传统离子阱质谱而言改善了1/3效应问题。由于QqQ MS已成为残留分析的主流技术，所以即便是线性离子阱的检测灵敏度也能适应残留分析了，人们还没有过多地关注它。但是当实验室已有了QqQ MS，再准备购置第二套LC-MS时，还是可以考虑的。

　　三维离子阱质谱仪的价格相对较低，与QqQ MS的低端产品相当。线性离子阱的价格高些，与QqQ MS中高端产品相当。

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四极-线性离子阱质谱仪

　　四极-线性离子阱质谱仪(QTRAP)为AB Sciex的推出的一款组合质谱仪。该类型仪器的结构与传统的QqQ MS基本一样，见图8。




图8 四极杆-线性离子阱质谱仪结构图

　　QTRAP的特点是在Q3两端加上一组电场，使Q3具有线性离子阱质谱功能。所以，QTRAP它同时拥有串接质谱和离子阱质谱的功能，如图9所示。




图9 离子阱质谱、串联四极质谱及四极杆-线性离子阱质谱仪检测功能

　　QTRAP的独特功能是在TRAP做增强离子扫描(EPI)，利用这一模式可以得到高灵敏度的全扫描图，其灵敏度比普通QqQ的MRM方式得到的稍低，却可以得到被测物更详细的分子信息，基本避免假阳性。所以通常该仪器可以像QqQ MS一样做MRM检测，得到较高的灵敏度，而当对结构有疑问时可以再用EPI模式检测一下。另外还可以做MS3，对化合物的结构进行解析。这一型号质谱仪较同型号QqQ MS贵些(如API 4000QTRP比API 4000要贵)。所以，对于残留分析实验室如果经费允许也可以考虑该类型的仪器。这样多花一点钱，多买了两种功能，还是比较划算的。

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线性离子阱-静电场轨道阱质谱仪

　　线性离子阱-静电场轨道阱质谱仪(LTQ Orbitrap)为Thermo-Fisher公司推出的一款组合质谱仪。从名称就可以看出该仪器是由线性离子阱质谱与静电场轨道阱质谱仪组合而成。其结构如图10。



图10 线性离子阱-静电场轨道阱质谱仪结构图

　　线性离子阱质谱的功能特点前面已经介绍过了。这里主要介绍一下Orbitrap。Orbitrap的核心部件见图11，原理图见图12。



图11 Orbitrap分析器核心部件



图12 检测工作原理及傅立叶变换计算公式

　　由于Orbitrap也是利用傅立叶变换技术将离子的振幅转换成m/z，因此，现在也将该仪器划在傅立叶质谱仪类。Orbitrap的特点是具有高分辨和精确质量数功能。公司标称分辨率达100,000，外标法质量精度小于3ppm。

　　公司提供的Orbitrap仪器验收灵敏度是：当注射泵以5µL/min速度为注射仪器测试液时，咖啡因(含量为20µg/mL) m/z 195.0876 S/N > 40。这个指标不够直观。我们尝试用残留分析者更习惯的做法，用绝对检出量考核了一下仪器整机的灵敏度，其结果为2pg的磺胺间二甲氧嘧啶，提取m/z 279.0904质量色谱图后得到 S/N = 42(RMS)。详细的测试方法请见我的上一篇博文《LC-LTQ Orbitrap XL整机灵敏度的测试》。但当采用精确质量离子提取时，由于高选择性较好的滤去了基质干扰，所以可以采用加大取样量方法来提高方法的检测灵敏度。实验证明，加大取样量5-10倍，用精确质量数提取离子后本底依然很干净，且定量重现性也比较好。仪器的一些特性及测试请见我已发表博文《LTQ Orbitrap XL购置与验收点滴》（上半部分 下半部分） 。因此，最终的检测灵敏度与QqQ比相差应该在一个数量级以内，1ppb以上检测限的项目肯定可以满足。前两月我们试着检测了动物源食品中残留的氯霉素，做到了0.1 µg/kg。待将方法进一步完善后放到网上与大家交流。

　　目前LTQ Orbitrap XL价格还是比较高的，大约为2台QqQ的价格。现在Orbitrap也推出了一款低档机型，据说只是分辨率降到了60,000，其它指标都一样，价格能降下来不少，但价格依然比Q TOF高。所以，一般的实验室还暂时不能配置。若实验室已购置了QqQ，且已基本上能满足日常检测的需求，当经费允许的情况下还是可以考虑。仪器具有的高分辨和精确质量数功能可以对QqQ的阳性结果做进一步确证，使出具的结果更可靠。


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四极杆-飞行时间质谱仪

　　四极杆-飞行时间质谱(Q TOF MS)组合质谱结构见图13。图中所示MS1为四极杆质谱，MS2为飞行时间质谱。TOF常见漂移管有两种，图13上图为V型，图13下图为W型。W型与V型相比离子飞行的路程长，因而分辨率高些，而灵敏度差些。





图13 四极杆-飞行时间质谱仪结构图

上图为V型漂移管，下图为W型漂移管

　　Q TOF商品化已有约20年了，经过不断的改进性能也在不断提高。根据TOF的分析原理，通常分子量越大分辨率越高，因此，TOF更适合分析蛋白等大分子化合物。但是，TOF是一款具有高分辨，且相对价格较低的MS，各公司为了满足小分子分析的需要对仪器也进行了不断改进、完善。传统Q TOF的检测灵敏度适应不了残留兽药的检测，因而过去一直没能进入残留实验室。现在有公司最新推出的Q TOF标称检出限1pg利血平能到100:1。实际应用于农药残留检测的文献有一些，但用于兽药残留检测的还很少。

　　现在国外主要生产Q TOF MS公司有AB Sciex、Waters、Agilent等，国内实验室配置的也全部是这几家公司的仪器。各仪器公司的仪器成系列，这几家公司的仪器性能有些差异，因而价格也有些差异，从不到200万人民币，高到近500万人民币。性能指标可参考分析测试百科网提供的数据(http://www.antpedia.com/instrument/cat-139/)。

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离子阱-飞行时间质谱仪

　　离子阱-飞行时间质谱联用仪(IT-TOF)为岛津公司推出的一款组合质谱仪，其结构见图14。



图14 离子阱-飞行时间质谱联用仪结构图

　　该仪器前端为ITMS，因此具有ITMS的功能和性能——MSn、较高的全扫描灵敏度，后部为TOFMS，因此具有TOFMS的性能——高分辨、精确质量数。公司介绍IT-TOFMS利用ITMS的离子富集功能，使其仪器具有较高的灵敏度，检出限可达10pg/mL。这个检出限基本上可以满足农药残留检测。此外，据使用过该仪器的老师介绍，该仪器的正负电极切换速度目前是最快的，因而可用于多种农残的筛查。但对残留兽药的检测目前报导较少。

　　以上是一些粗浅的认识，仅供参考。

　　总之，近年随着我国国力的增强和质谱仪生产厂家之间竞争的加剧使LC-MS的价格不断降低，配置LC-MS的实验室越来越多，一个实验室配置多台、多类型也不足为奇。因此，现在选型调研比以前容易的多了。只要认真做好前期工作，一定可以选择款最适合自己实验室的仪器。

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