食品檢測實驗室液相色譜-質譜儀的選型（下）
上一篇 / 下一篇 2011-04-11 16:36:03/ 個人分類：我的經驗
下面分別介紹一下不同類型MS組合的特性。各種類型MS的原理不做詳細介紹，可參考一些文獻和網上的文章。
三重四極質譜儀
LC-MS配置API后雖與早期儀器相比大大提高了S/N，但檢測靈敏度也就與LC的紫外檢測器(UV)相當。這個靈敏度用于食品中殘留物檢測顯然還不太夠。直到二十世紀九十年代末，液相色譜-三重四極質譜(QqQ)聯用儀商品儀器逐漸成熟了，檢測靈敏度不斷提高，價格不斷降低，開始為食品檢測實驗室越來越普遍的采用。QqQ MS的工作原理見圖5。
圖5 三重四極分析器工作原理
由圖5可看到，QqQ MS的第一級(Q1)選擇出要檢測的目標化合物，濾去其它干擾物，所以，大大降低了本底噪音，提高了信/噪比。在第二級(q2)，碰撞氣(通常是穩定性氣體，如：氮氣、氬氣等)將目標物打碎，施加的碰撞氣能量不同，碎裂產生的離子及離子豐度就不同。碎裂的離子在第三級(Q3)被依次排列，然后送至檢測器檢測得到二級質譜圖——化合物的特征質譜圖。
應用QqQ MS進行殘留物分析時，主要采用多反應離子監測模式(MRM)，其原理見圖6。
圖6 MRM監測模式
如果在Q3僅選擇2個離子(根據歐盟2002/657/EC指令，對殘留獸藥檢測通常是選擇1個母離子，2個子離子)有點像GC-MS的SIM方式，這就是QqQ質譜特有MRM方式，見圖6。這種檢測方式的檢測靈敏度目前是所有類型質譜中最高的。因而食品實驗室做殘留檢測最常用的是QqQ MRM，也建議購置第一套LC-MS-MS時選擇QqQ MS。
現在國外主要生產QqQ MS公司有AB Sciex、Thermo-Fisher、Waters、Agilent、島津等，目前國內實驗室全部配置的是這幾家公司的儀器。各儀器公司的儀器成系列(從低性能到高性能)，這幾家公司的儀器性能有些差異，因而價格也有些差異，從不到200萬人民幣，高到400多萬人民幣。性能指標可參考分析測試百科網提供的數據（http://www.bjwxdh.net/pcenter/cat-139/）。
離子阱質譜儀
IT-MS又分為三維離子阱質譜和線性離子阱質譜，見圖7。IT-MS的最主要的特點是它可以做多級質譜(MSn)，公司稱可做到10級（找到合適的化合物）。通常說QqQ MS是空間串聯的，而IT-MS是時間串聯。
圖7 離子阱質譜儀的分析器，左圖為3維離子阱分析器，右圖為線性離子阱分析器
IT-MS雖然也能做MS-MS，甚至MSn，但其原理是將保留在阱內的被測物離子再進一步打碎，然后進行檢測。因此，IT-MS不能像QqQ MS那樣做MRM檢測，檢測靈敏度也就達不到MRM的量級；另外，IT-MS雖然可以做多級，但應用上，打碎的級數越多靈敏度也就越差，藥物殘留分析本來對靈敏度要求就高，多級后就更滿足不了靈敏度要求（當然，對于做研發或主成份分析的部門多級是有用的）。所以，用IT-MS做禁用獸藥的殘留分析比較少。
線性IT-MS的靈敏度較傳統IT-MS的靈敏度有較大的提高，這主要是線性IT-MS儲存離子區域是一條線，而傳統IT-MS儲存離子區域則是一個點。現在Thermo-Fisher公司提供的技術指標，線性IT-MS為 250fg 利血平 S/N≥100，傳統IT-MS為 2pg 利血平S/N≥25。且線性離子阱質譜較傳統離子阱質譜而言改善了1/3效應問題。由于QqQ MS已成為殘留分析的主流技術，所以即便是線性離子阱的檢測靈敏度也能適應殘留分析了，人們還沒有過多地關注它。但是當實驗室已有了QqQ MS，再準備購置第二套LC-MS時，還是可以考慮的。
三維離子阱質譜儀的價格相對較低，與QqQ MS的低端產品相當。線性離子阱的價格高些，與QqQ MS中高端產品相當。
四極-線性離子阱質譜儀
四極-線性離子阱質譜儀(QTRAP)為AB Sciex的推出的一款組合質譜儀。該類型儀器的結構與傳統的QqQ MS基本一樣，見圖8。
圖8 四極桿-線性離子阱質譜儀結構圖
QTRAP的特點是在Q3兩端加上一組電場，使Q3具有線性離子阱質譜功能。所以，QTRAP它同時擁有串接質譜和離子阱質譜的功能，如圖9所示。
圖9 離子阱質譜、串聯四極質譜及四極桿-線性離子阱質譜儀檢測功能
QTRAP的獨特功能是在TRAP做增強離子掃描(EPI)，利用這一模式可以得到高靈敏度的全掃描圖，其靈敏度比普通QqQ的MRM方式得到的稍低，卻可以得到被測物更詳細的分子信息，基本避免假陽性。所以通常該儀器可以像QqQ MS一樣做MRM檢測，得到較高的靈敏度，而當對結構有疑問時可以再用EPI模式檢測一下。另外還可以做MS3，對化合物的結構進行解析。這一型號質譜儀較同型號QqQ MS貴些(如API 4000QTRP比API 4000要貴)。所以，對于殘留分析實驗室如果經費允許也可以考慮該類型的儀器。這樣多花一點錢，多買了兩種功能，還是比較劃算的。
線性離子阱-靜電場軌道阱質譜儀
線性離子阱-靜電場軌道阱質譜儀(LTQ Orbitrap)為Thermo-Fisher公司推出的一款組合質譜儀。從名稱就可以看出該儀器是由線性離子阱質譜與靜電場軌道阱質譜儀組合而成。其結構如圖10。
圖10 線性離子阱-靜電場軌道阱質譜儀結構圖
線性離子阱質譜的功能特點前面已經介紹過了。這里主要介紹一下Orbitrap。Orbitrap的核心部件見圖11，原理圖見圖12。
圖11 Orbitrap分析器核心部件
圖12 檢測工作原理及傅立葉變換計算公式
由于Orbitrap也是利用傅立葉變換技術將離子的振幅轉換成m/z，因此，現在也將該儀器劃在傅立葉質譜儀類。Orbitrap的特點是具有高分辨和精確質量數功能。公司標稱分辨率達100,000，外標法質量精度小于3ppm。
公司提供的Orbitrap儀器驗收靈敏度是：當注射泵以5μL/min速度為注射儀器測試液時，咖啡因(含量為20μg/mL) m/z 195.0876 S/N > 40。這個指標不夠直觀。我們嘗試用殘留分析者更習慣的做法，用絕對檢出量考核了一下儀器整機的靈敏度，其結果為2pg的磺胺間二甲氧嘧啶，提取m/z 279.0904質量色譜圖后得到 S/N = 42(RMS)。詳細的測試方法請見我的上一篇博文《LC-LTQ Orbitrap XL整機靈敏度的測試》。但當采用精確質量離子提取時，由于高選擇性較好的濾去了基質干擾，所以可以采用加大取樣量方法來提高方法的檢測靈敏度。實驗證明，加大取樣量5-10倍，用精確質量數提取離子后本底依然很干凈，且定量重現性也比較好。儀器的一些特性及測試請見我已發表博文《LTQ Orbitrap XL購置與驗收點滴》（上半部分 下半部分） 。因此，最終的檢測靈敏度與QqQ比相差應該在一個數量級以內，1ppb以上檢測限的項目肯定可以滿足。前兩月我們試著檢測了動物源食品中殘留的氯霉素，做到了0.1 μg/kg。待將方法進一步完善后放到網上與大家交流。
目前LTQ Orbitrap XL價格還是比較高的，大約為2臺QqQ的價格。現在Orbitrap也推出了一款低檔機型，據說只是分辨率降到了60,000，其它指標都一樣，價格能降下來不少，但價格依然比Q TOF高。所以，一般的實驗室還暫時不能配置。若實驗室已購置了QqQ，且已基本上能滿足日常檢測的需求，當經費允許的情況下還是可以考慮。儀器具有的高分辨和精確質量數功能可以對QqQ的陽性結果做進一步確證，使出具的結果更可靠。
四極桿-飛行時間質譜儀
四極桿-飛行時間質譜(Q TOF MS)組合質譜結構見圖13。圖中所示MS1為四極桿質譜，MS2為飛行時間質譜。TOF常見漂移管有兩種，圖13上圖為V型，圖13下圖為W型。W型與V型相比離子飛行的路程長，因而分辨率高些，而靈敏度差些。
圖13 四極桿-飛行時間質譜儀結構圖
上圖為V型漂移管，下圖為W型漂移管
Q TOF商品化已有約20年了，經過不斷的改進性能也在不斷提高。根據TOF的分析原理，通常分子量越大分辨率越高，因此，TOF更適合分析蛋白等大分子化合物。但是，TOF是一款具有高分辨，且相對價格較低的MS，各公司為了滿足小分子分析的需要對儀器也進行了不斷改進、完善。傳統Q TOF的檢測靈敏度適應不了殘留獸藥的檢測，因而過去一直沒能進入殘留實驗室。現在有公司最新推出的Q TOF標稱檢出限1pg利血平能到100:1。實際應用于農藥殘留檢測的文獻有一些，但用于獸藥殘留檢測的還很少。
現在國外主要生產Q TOF MS公司有AB Sciex、Waters、Agilent等，國內實驗室配置的也全部是這幾家公司的儀器。各儀器公司的儀器成系列，這幾家公司的儀器性能有些差異，因而價格也有些差異，從不到200萬人民幣，高到近500萬人民幣。性能指標可參考分析測試百科網提供的數據(http://www.bjwxdh.net/instrument/cat-139/)。