質譜是一種測量離子質荷比（m/z）的分析儀器，質譜儀器一般由樣品導入系統、離子源、離子傳輸組件、質量分析器、檢測器、數據處理系統等部分組成，如圖1 所示。

 

離子源是使待測物質轉化為帶電離子的部件，根據離子化原理不同，分為大氣壓電離電噴霧離子源（ESI）、大氣壓電離化學電離離子源（APCI）等等。

 

質量分析器是質譜的核心部件，可以產生不同形狀的電場，利用這些不同形狀的電場將離子源中生成的樣品離子按m/z 的大小分開。質量分析器分為常規分辨率的質量分析器和高分辨率的質量分析器。常規分辨率的質量分析器包括四極桿、離子阱。

 

圖1 質譜示意圖

 

1950 年代，德國物理學家Wolfgang Paul 申請的專利944,900 (1956) 指出四個共軛雙曲面圍成的電場可以篩選離子。四極桿質量分析器分為圓柱形四極桿、共軛雙曲面四極桿，如圖 2 所示。共軛雙曲面的四極桿，對于精密鑄造工藝要求非常高，需要使用精密的三坐標磨床，對于鑄造四極桿的合金材料也有很高的要求，所以，材料和加工成本比圓柱形四極桿要高很多。但是，只有共軛雙曲面的四極桿才能產生教科書般的完美理論電場，而圓柱形的四極桿產生電場與理論電場存在1-2% 偏差。共軛雙曲面四極桿是可變分辨率的四極桿質量分析器，但圓柱形四極桿分辨率不可變。

 

 

圖 2 共軛雙曲面四極桿(Hyperquand) 與常規圓柱形四極桿 ( Round rods )

 

 

三重四極桿質譜常被形象的簡寫為QqQ，如圖 3 所示，第一重Q1 和第三重Q3 是質量分析器，第二重90 度彎曲的四極桿是Q2碰撞池，90 度的彎曲碰撞池是一個降低中性噪音的設計，目前市場上高端三重四極桿質譜的碰撞池都采取彎曲的結構。三重四極桿質譜是一組經典的用于定量的串聯質譜組合，最常用于定量的檢測模式就是SRM 檢測模式（選擇反應檢測掃描模式），原理就是Q1 選擇特定母離子，送入Q2 碰撞池碎裂，Q3 選擇母離子特定的碎片子離子進入檢測器。SRM 是一種提高選擇性、提高檢測信噪比（S/N）、提高靈敏度的檢測模式。

 

 

圖 3 TSQ 系列三重四極桿質譜儀結構示意圖

 

共軛雙曲面四極桿是可變分辨率的四極桿，除了傳統SRM 檢測模式（0.7 FWMH）還擁有高分辨率的H-SRM 檢測模式（0.2FWMH），如圖 4 所示。在檢測奶粉中雙氰胺殘留時，基質里存在干擾物（m/z 為85.7），與雙氰胺（m/z 為85.3）質荷比非常接近，如果采用傳統SRM 檢測模式，Q1 分辨率為0.7，Q1 無法區分m/z 為85.3 和85.7，即無法區分干擾物和雙氰胺，得到一張基質干擾嚴重的色譜圖，無法用于定量定性檢測；采用H-SRM 檢測模式時，提高Q1 分辨率至0.2，Q1 可以輕松區分m/z 為85.3 和85.7，即可以區分干擾物和雙氰胺，可以得到一張合格的用于定量定性檢測色譜圖。采用相同的前處理方法的樣品，僅靠提高儀器方法的分辨率，采用H-SRM 檢測模式，通過提高選擇性，顯著降低噪音，提高信噪比，來提高檢測的靈敏度。如圖 5 所示，采用相同的前處理方法檢測復雜基質樣本中農藥殘留，使用H-SRM 模式檢測時，擁有獨特的優勢。

 

 

圖 4 共軛雙曲面四極桿擁有傳統SRM 檢測模式和提高分辨率的H-SRM 檢測模式

 

圖 5 檢測復雜基質樣品H-SRM 檢測模式獨特優勢

 

Orbitrap（靜電場軌道阱）是一種擁有超高分辨率的質量分析器，是賽默飛專利獨有的高分辨質譜技術，如圖 6 所示。Orbitrap是繼磁質譜質量分析器、飛行時間質量分析器（ToF）、傅立葉變換離子回旋共振質量分析器（FT-ICR）這些高分辨質譜技術之后，發明原理完全創新的高分辨質譜技術，克服了既往高分辨質譜技術的諸多不足。Orbitrap 是具有劃時代意義的高分辨質譜技術！

 

1998 年，Makarov 發明了原理完全創新的高分辨質譜Orbitrap，2005 年Orbitrap 被世界首次商品化。2011 年，Thermofisher Scientific 發布了世界第一臺四極桿- 靜電場軌道阱雜交質譜Q Exactive 。Q Exactive 是基于Orbitrap 技術的液質聯用質譜儀，擁有超高分辨率、超高質量精度、超高靈敏度，以及媲美高端三重四極桿的定量能力。

 

 

圖 6 高分辨質譜Orbitrap（靜電場軌道阱）結構示意圖

 

Q Exactive 作為高分辨質譜儀，廣泛應用于食品農產品中未知物、危險物的篩查，比如農藥殘留、獸藥殘留、生物毒素殘留等多種有機污染物的定性篩查，保證食品農產品的安全。此外，Q Exactive 還擁有媲美高端三重四極桿的定量能力，對于復雜基質樣品中目標分析物進行高分辨定量，更是高分辨質譜技術在食品農產品檢測的新趨勢。