干货丨离子阱质谱和四极杆质谱的简单区别

磐合科仪

2020.11.05

作者磐合科仪

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离子阱和四极杆质谱虽然都是台式质谱的质量分析器，原理类似，但是结构却大不同。

离子阱结构

顾名思义，离子阱是个“陷阱”，四极杆是四根杆。离子阱像一只煮饭用的锅，上下两个端盖电极可以想象成锅盖和锅底，中心各开了一个孔，离子从上面进来下面出去，周围的环状电极（一圈）就是锅壁，离子就被限制在这个锅里运动，不同质荷比m/z的离子在阱里有不同的运动轨道，进来的离子就在特定的轨道上旋转，改变射频电压，可以让特定质荷比的离子从下面出来，进入检测器，而其他的离子继续被关在阱里旋转运动。

四极杆结构

四极杆是离子从左边入口进去，飞过四根杆中间的区域，右边出口出来，到达检测器。

正因为结构不同，离子阱和四极杆在实际运用中区别很大：

离子阱中的离子数目必须要控制，因为离子之间互相有库仑力，会发生相互碰撞，离子越多，碰撞概率越高，这叫做空间电荷效应。

离子阱的定性问题：空间电荷效应是离子阱一切问题的根源。不管什么样的离子阱，不管怎么去控制阱里面的离子数量，这个效应一直存在。离子互相碰撞会产生离子反应，离子反应的结果导致：

（1）创造出样品中不存在的离子，给定性带来极大的困扰，专业术语叫“鬼峰（ghost peak）”。

（2）谱库检索匹配度低，质谱的定性依赖于谱库检索，所谓匹配度低，是指离子阱的谱图和标准谱库中的谱图相似性低，比较难确定被测物到底是不是谱库中那个东西。举个例子，现在人脸识别的准确度很高，但是如果拍出来的照片是糊的或者五官变形的，当然就识别不出来或者会张冠李戴。谱库检索匹配度低的原因：存在鬼峰、碎片离子强度比例畸变等。

（3）定性结果不稳定，据用户反映，离子阱气质联用如果进样量不同，或者样品的前处理方法不同（如用不同的溶剂萃取），出来的碎片谱图可能会不一样。

离子阱的定量问题：由于阱内离子数量要控制，所以如果样品中杂质很多，那么被测物的离子数量就会减少，导致灵敏度降低，空间电荷效应增强，所以离子阱不适合做很脏的样品，如果是一次又要做上百种VOC，离子的种类和数量非常多，空间电荷效应大大增强，定性定量结果都会混乱。定量的重复性（RSD）也会差很多，一般RSD比四极杆要高几倍。

四极杆的空间电荷效应很低，所以在定性定量上没有离子阱的问题，谱库匹配度很高，从而成为小型质谱的主流。

离子阱的优点

1、结构简单，体积小，容易抽真空，所以便携式质谱会采用离子阱。

2、由于离子阱可以将某个离子限制在阱里面做轨道运动，所以可以对这个离子做二次碎裂（一般做法是加入氦气，让氦气分子和离子进行碰撞碎裂），对二次碎裂后产生的碎片离子再进行碎裂，产生三级碎片，这个叫做多级质谱。离子阱比较容易实现多级质谱，所以对某个特点物质的定性，多级质谱是个很有用的工具。当然多级质谱也有很多局限，很多化合物在阱里面不一定能被二次碎裂，即打不碎，而且离子阱碎片有三分之一效应，即质荷比是母离子1/3以下的碎片都观察不到，对定性结论造成不确定性，所以多级质谱存在打不碎或者看不到的问题。多级质谱适合对某一个或者几个化合物的分子进行定性研究，要对上百种VOC化合物进行多级质谱显然很不现实。

离子阱的发明人获得过诺贝尔奖，离子阱商品化的仪器已经接近40年，但产品销售量很少，一直没有成为主流的检测仪器，为什么？所谓主流的检测仪器就是在检测部门使用的，要求定性定量的结果准确可靠，而离子阱达不到检测部门的要求，所以目前仅仅局限在科研市场有一定应用。

离子阱质谱的商品化首先是赛默飞世尔推广出来的，但10年前赛默飞世尔取消了离子阱气质的生产，因为离子阱气质每年销量实在差强人意。另外一个离子阱气质的主要制造商是瓦里安，但是自10年前安捷伦收购瓦里安以后，很快将气质离子阱产品线停掉。所以目前进口的几大质谱厂商，已经没有人做离子阱气质联用了。

结论

离子阱技术是多级质谱的科研手段，根本无法做同时进样117种VOCs。另外高浓度样品污染后系统很难维护，定性定量结果会与实际样品有巨大偏差，这个技术不适合在线MS在环境场景复杂应用。