三重四极杆质谱仪的原理详解

2025年02月11日 14:19 来源：科晓（北京）科技有限公司

三重四极杆质谱仪是一种非常常见的质谱仪器，广泛应用于化学分析、环境监测、食品安全、药物分析等领域。其工作原理是基于质谱分析技术，结合了多个四极杆的串联和碰撞诱导解离（CID）等技术，能够对复杂样品进行高灵敏度、高选择性的定性与定量分析。下面我们详细解析其工作原理。

一、基本组成

三重四极杆质谱仪由三个四极杆组成，每个四极杆都是一个由四根金属杆组成的电场元件，分别标记为Q1、Q2和Q3。每个四极杆具有特定的功能和作用：

Q1（第一四极杆，选择性过滤）：用来选择特定的母离子（前体离子），也就是我们需要分析的目标离子。

Q2（第二四极杆，碰撞池）：用于将选中的母离子与气体分子发生碰撞，发生碰撞诱导解离（CID）产生碎片离子（子离子）。

Q3（第三四极杆，选择性过滤）：用于选择和检测从Q2中生成的碎片离子，也即子离子。

二、工作原理

1.离子源（IonSource）

首先，样品需要通过离子源（如电子轰击源、化学电离源等）转化为带电离子。通常情况下，样品在离子源中通过与电子或化学试剂的相互作用产生带正电或负电的离子。

2.Q1：选择母离子（PrecursorIonSelection）

进入第一个四极杆（Q1）之前，离子被加速到特定的速度，Q1负责选择其中的一部分母离子。Q1通过调节其电场，使得只有质量/电荷比（m/z）为目标离子的离子能够通过其电场，其它不需要的离子被排除。

例如：如果目标离子的质荷比（m/z）为300，那么Q1就会调节电场，使得只有m/z为300的离子能够通过，其它质荷比的离子则会被过滤掉。

3.Q2：碰撞池和碎片化（Collision-InducedDissociation,CID）

选择通过Q1的母离子将进入第二个四极杆（Q2）。Q2是一个碰撞池，里面充满了气体（通常是氩气）。在Q2中，母离子会与碰撞气体发生碰撞，导致其解离成多个碎片离子。这种过程被称为碰撞诱导解离（CID）。

例如，如果母离子是m/z300，经过Q2的碰撞池后，它可能解离成多个碎片离子，像是m/z100、150、200等等，这些就是所谓的子离子。

4.Q3：选择碎片离子（ProductIonSelection）

最后，进入第三个四极杆（Q3）。Q3的作用是选择特定的子离子进行检测。与Q1类似，Q3会通过电场调节，只允许目标碎片离子通过。通过这一过程，质谱仪能够准确地识别特定的碎片离子，并且由此反推出原始母离子的结构和成分。

例如：如果我们希望检测m/z150的子离子，Q3将仅允许m/z150的离子通过并进入质谱检测器进行检测。

5.质谱检测器（Detector）

最终，选择的离子会到达质谱仪的检测器（例如，电子倍增管），在这里它们会被检测和记录。通过对母离子及其碎片离子的分析，可以获得目标分子的结构信息，并进行定性和定量分析。

三、三重四极杆质谱仪的优点

高灵敏度：通过三重四极杆串联过滤，能够对目标分子进行高效的选择性分析，从而提高检测的灵敏度和特异性。

高选择性：由于采用了母离子与子离子的选择，能够有效地剔除干扰信号，增加目标物质的选择性检测能力。

定量能力强：可以通过目标离子（母离子）和碎片离子（子离子）的响应强度比值进行高精度的定量分析。

适用于复杂样品：对于复杂的样品（如环境样品、食品、药物等），三重四极杆质谱仪能够有效地进行多组分同时分析。

四、应用领域

环境监测：可用于检测空气、水体、土壤中的有害物质，如农药等。

食品安全：通过分析食品中的农药残留、添加剂等，确保食品安全。

临床药物检测：用于药物的血液浓度检测、代谢物分析、药物的定量分析等。

药物研发：在药物研发过程中，三重四极杆质谱仪广泛用于药物的定量分析、药物代谢和药效研究。

五、总结

三重四极杆质谱仪通过三个四极杆的串联配置，能够高效地进行离子的选择、碎片化、过滤和检测，具有很高的灵敏度和选择性。其定量和定性分析能力使其在环境分析、食品安全、药物分析等多个领域得到了广泛应用。

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