质谱是一种测量离子质荷比（m/z）的分析仪器，质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、离子传输组件、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成，如图1 所示。

 

离子源是使待测物质转化为带电离子的部件，根据离子化原理不同，分为大气压电离电喷雾离子源（ESI）、大气压电离化学电离离子源（APCI）等等。

 

质量分析器是质谱的核心部件，可以产生不同形状的电场，利用这些不同形状的电场将离子源中生成的样品离子按m/z 的大小分开。质量分析器分为常规分辨率的质量分析器和高分辨率的质量分析器。常规分辨率的质量分析器包括四极杆、离子阱。

 

图1 质谱示意图

 

1950 年代，德国物理学家Wolfgang Paul 申请的专利944,900 (1956) 指出四个共轭双曲面围成的电场可以筛选离子。四极杆质量分析器分为圆柱形四极杆、共轭双曲面四极杆，如图 2 所示。共轭双曲面的四极杆，对于精密铸造工艺要求非常高，需要使用精密的三坐标磨床，对于铸造四极杆的合金材料也有很高的要求，所以，材料和加工成本比圆柱形四极杆要高很多。但是，只有共轭双曲面的四极杆才能产生教科书般的完美理论电场，而圆柱形的四极杆产生电场与理论电场存在1-2% 偏差。共轭双曲面四极杆是可变分辨率的四极杆质量分析器，但圆柱形四极杆分辨率不可变。

 

 

图 2 共轭双曲面四极杆(Hyperquand) 与常规圆柱形四极杆 ( Round rods )

 

 

三重四极杆质谱常被形象的简写为QqQ，如图 3 所示，第一重Q1 和第三重Q3 是质量分析器，第二重90 度弯曲的四极杆是Q2碰撞池，90 度的弯曲碰撞池是一个降低中性噪音的设计，目前市场上高端三重四极杆质谱的碰撞池都采取弯曲的结构。三重四极杆质谱是一组经典的用于定量的串联质谱组合，最常用于定量的检测模式就是SRM 检测模式（选择反应检测扫描模式），原理就是Q1 选择特定母离子，送入Q2 碰撞池碎裂，Q3 选择母离子特定的碎片子离子进入检测器。SRM 是一种提高选择性、提高检测信噪比（S/N）、提高灵敏度的检测模式。

 

 

图 3 TSQ 系列三重四极杆质谱仪结构示意图

 

共轭双曲面四极杆是可变分辨率的四极杆，除了传统SRM 检测模式（0.7 FWMH）还拥有高分辨率的H-SRM 检测模式（0.2FWMH），如图 4 所示。在检测奶粉中双氰胺残留时，基质里存在干扰物（m/z 为85.7），与双氰胺（m/z 为85.3）质荷比非常接近，如果采用传统SRM 检测模式，Q1 分辨率为0.7，Q1 无法区分m/z 为85.3 和85.7，即无法区分干扰物和双氰胺，得到一张基质干扰严重的色谱图，无法用于定量定性检测；采用H-SRM 检测模式时，提高Q1 分辨率至0.2，Q1 可以轻松区分m/z 为85.3 和85.7，即可以区分干扰物和双氰胺，可以得到一张合格的用于定量定性检测色谱图。采用相同的前处理方法的样品，仅靠提高仪器方法的分辨率，采用H-SRM 检测模式，通过提高选择性，显著降低噪音，提高信噪比，来提高检测的灵敏度。如图 5 所示，采用相同的前处理方法检测复杂基质样本中农药残留，使用H-SRM 模式检测时，拥有独特的优势。

 

 

图 4 共轭双曲面四极杆拥有传统SRM 检测模式和提高分辨率的H-SRM 检测模式

 

图 5 检测复杂基质样品H-SRM 检测模式独特优势

 

Orbitrap（静电场轨道阱）是一种拥有超高分辨率的质量分析器，是赛默飞专利独有的高分辨质谱技术，如图 6 所示。Orbitrap是继磁质谱质量分析器、飞行时间质量分析器（ToF）、傅立叶变换离子回旋共振质量分析器（FT-ICR）这些高分辨质谱技术之后，发明原理完全创新的高分辨质谱技术，克服了既往高分辨质谱技术的诸多不足。Orbitrap 是具有划时代意义的高分辨质谱技术！

 

1998 年，Makarov 发明了原理完全创新的高分辨质谱Orbitrap，2005 年Orbitrap 被世界首次商品化。2011 年，Thermofisher Scientific 发布了世界第一台四极杆- 静电场轨道阱杂交质谱Q Exactive 。Q Exactive 是基于Orbitrap 技术的液质联用质谱仪，拥有超高分辨率、超高质量精度、超高灵敏度，以及媲美高端三重四极杆的定量能力。

 

 

图 6 高分辨质谱Orbitrap（静电场轨道阱）结构示意图

 

Q Exactive 作为高分辨质谱仪，广泛应用于食品农产品中未知物、危险物的筛查，比如农药残留、兽药残留、生物毒素残留等多种有机污染物的定性筛查，保证食品农产品的安全。此外，Q Exactive 还拥有媲美高端三重四极杆的定量能力，对于复杂基质样品中目标分析物进行高分辨定量，更是高分辨质谱技术在食品农产品检测的新趋势。