食品检测实验室液相色谱-质谱仪的选型

前年根据目前食品实验室分析工作的需求和网友的建议，写了一篇博客“食品检测实验室气相色谱-质谱仪的选型”。本文将根据笔者这些年来使用液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）经验和文献、用户、公司等介绍，对不同液相色谱-串联质谱仪设备的特性与配置再做一些介绍。

　　食品检测实验室主要检测任务是对有害残留物进行分析，所以，对仪器首先要求有较高的灵敏度，以满足法律法规*。液相色谱-四极质谱（单四极）检测灵敏度基本满足不了残留兽药的*。当然，对于一些*值较高的项目还是能用的。因此，本文不对单四极质谱仪做描述，主要介绍串接质谱仪。与LC联用的主要MS类型有：四极质谱（Q-MS）、离子阱质谱（IT-MS）、飞行时间质谱（TOF-MS）、傅立叶变换质谱（FT-MS）。不同类型的MS串接起来，组合成多种丰富的形式，适用于各种不同目的的分析。

简 介

　　近年来随着各个领域对LC-MS技术的需求，特别是生物技术（蛋白质分析）、制药技术（药物代谢分析）等，促进了LC-MS技术有了突飞猛进的发展，LC与各种类型质谱（包括多种类型的组合质谱）的联用，使LC-MS的联用形式较之气相色谱-质谱（GC-MS）的更丰富，应用的领域也更广泛。图1是现在讲到LC-MS常常要提到的，它说明大气压电离源，即：电喷雾电离源（ESI）+大气压化学电离源（APCI）的应用覆盖了绝大部分有机物分析领域。

图1 不同离子化方式应用于有机化合物分析的范围，从非极性到极性，从小分子到大分子

　　与GC-MS相比，LC-MS商品化及大规模普及使用要晚近10年。这是由于LC-MS的接口比GC-MS要复杂的多。现将不同仪器的工作状态列于表1中。

表1 不同仪器的工作状态

　　由表1可以看出，GC和LC都是在正压状态下工作，而MS则是在真空状态下工作，为了完成二者的联用，必须将正压降为负压。因而需要一个装置进行过渡，这个装置通常称为接口。从表1中还看到，GC和MS分析物的状态均为气体，二者的相连显然更容易些，而且GC-MS的流动相是氦气，分子量小（m/z 4），惰性气体稳定性好，现在GC通常采用0.25mm内径的毛细管柱，流量一般为1mL/min，现代质谱用的分子涡轮泵（特别是双分子涡轮泵配置）抽这点气不成问题，能够很好的保持MS的真空度，不会对离子化和检测产生影响。LC的液体状态流动相与分析气体状态化合物的MS联用，难度要大的多。将液体汽化，其汽化后的体积约为原体积的500倍，排除如此大量的物质不仅要求真空泵的抽率足够大（这点还比较容易做到），而且在尽可能排除流动相物质时，还要尽可能减少被测物的丢失。所以，对接口的要求就非常高。在几十年的研制过程中，推出了多种形式的接口，但检测灵敏度均不太理想。经过几代质谱人努力，推出了常压电离源接口（API），比较好的解决了流动相与被测物的分离，大大提高了离子化效率，提高了信/噪比（S/N）。从而加速了LC-MS商品化的进程。仪器性能的不断提高满足了食品中残留兽药分析的需要，使之成为食品检测实验室*的检测仪器。现在的商品化仪器基本都是配置API电离源，包括电喷雾电离源（ESI）和大气压化学电离源（APCI）。图2是ESI电离的原理图，图3是APCI电离的原理图。详细的原理解释可参考相关文章。

图2 ESI工作原理，①液滴带电—②溶剂蒸发液滴表面电荷密度增加—③离子溅射成为带电离子进入MS分析器

图3 APCI工作原理，①溶剂通过加热区蒸发成为液滴—②液滴通过放电针使离子带电—③带电离子进入MS分析器

　 现在仪器设计的ESI和APCI更换略有不同，但都非常方便。如AB SCIEX公司的ESI与APCI只是更换一下喷针即可，见图4。

图4 AB Sciex公司设计的离子源的ESI和APCI喷针，上方较长的为ESI喷针，下方较短的为APCI喷针

　　从图1可以看到，ESI主要用于极性、大分子有机物分析。蛋白质分析用纳升电喷雾电离源（N- ESI）。APCI主要用于弱极性有机化合物的分析。此外，还有光电离源（APPI），主要用于非极性有机化合物的分析，如多环芳烃等。

购买仪器前应考虑的几个因素

　　前面已经提到，由于LC-MS的MS部分为二级MS，不同类型MS的组合组成了多种类型MS，各种类型的MS有其各自特点，各厂家的仪器也都各有特点，购买前一定要明确任务，做好调研工作，当然还要考虑经费情况。残留分析实验室应综合考虑仪器的性能以及仪器公司的：

　　1. 灵敏度高   特别要注意在检测实际样品时有较高的灵敏度，不要一味地追求指标灵敏度，LC-MS的基质效应影响较GC-MS的大，所以仅用标准品还不能真正的衡量出一台仪器的性能，有时标准品的与实际样品的灵敏度能差两个数量级。有条件可以用1、2个实际样品到不同公司的仪器实测一下，这样对比得到的结果更能说明仪器真实灵敏度。

　　2. 质量稳定性好   通常我们是利用质谱检测目标化合物的特征离子，因此，这些被检测的特征离子各个参数（如：取簇电压、碰撞能量、雾化气流量、离子源温度等）经优化将其输入分析方法中，若仪器的质量稳定性不好，按照已确定的参数可能无法达到*的检测值，甚至找不到目标离子，这将出现假阴性，这样的结果会出大问题的。对于低分辨质谱仪，好的1个季度，甚至半年校正一下质量轴即可，而差的每周都需要校正。

　　3. 离子化稳定性好 影响LC-MS离子化的因素较多，所以MS的定量重现性不及紫外检测器（UV）。因此，在实际分析时，较好的稳定性有助于定量的重现性好，且线性的相关性好。

　　4. 抗   由于食品（特别是动物源食品）基质相当复杂，分析过程中不可避免会污染仪器。因此，一方面仪器设计本身应具有良好的抗污染性，另一方面仪器易污染部分便于拆洗，如：锥孔挡板、离子传输毛细管等。这样的仪器操作和维护都比较简单。

　　5. 分辨率，质量精度   对于低分辨MS，如：Q-MS和IT-MS，分辨率、质量精度不是重要指标。但对于高分辨MS，如：FT-MS和TOF-MS这是非常重要的指标。对于高分辨MS，质量稳定性比低分辨质谱更重要，因为测量的质量精度是ppm级的。通常FT-MS一周较正一次，而TOF-MS基本每天都要校正。

　　6. 操作方便   包括仪器操作和软件操作两方面。MS的优化参数较色谱要多，通过优化才能得到理想的灵敏度和分辨率。有的公司仪器MS的优化是自动调谐，优化后可达*值的90-95%，提高了效率，对于新手也非常方便，并能尽快掌握、应用好仪器。

　　7. 质量范围  残留实验室主要的分析对象是兽药、农药、添加剂、化学有害物等，多为m/z小于500的小分子，仅有少量的聚醚类兽药和生物毒素m/z 1000左右。LC-MS的质量范围上限zui小的也有m/z 1500，均能满足残留分析的要求。质量数再高，对残留分析没有太多用途。但是，若做蛋白质分析质量数高还是有用的。

　　8. 分析速度快   现在这些仪器公司都可以选配超（也有称作超高压、超快速等）LC，提高分析速度3-5倍。若实验室仪器不多时，这种配置还是很不错的，分析效率高，而对整套仪器而言增加的费用并不多。

　　9. 良好的售后服务   现在的售后服务包括两方面，一是传统意义上的仪器维修，二是近年来比较注重的应用支持。进入21世纪，LC-MS-MS刚开始在国内推广，AB Sciex公司zui先推出应用工程师到现场做，即：安装工程师安装完仪器后，应用工程师到现场，一方面做操作软件的培训，另一方面根据用户的需求，与用户一起建立1、2个检测方法，通过建立方法，了解仪器性能，熟悉仪器操作步骤，掌握定性、定量方法。这使得用户可以很快掌握并应用好这套仪器。相比过去传统的将用户集中到公司进行培训更具针对性。现在各公司也多采用这种培训方法了。

　　以上列举了主要考虑的因素，而具体到各自实验室可能考虑的重点会有所不同。特别是当已经有了一套LC-MS-MS准备购置第二套仪器时，还应该考虑到实验室仪器的互补性，这样才能解决更多遇到的分析问题。

下面分别介绍一下不同类型MS组合的特性。各种类型MS的原理不做详细介绍，可参考一些文献和网上的文章。

三重四极质谱仪

　　LC-MS配置API后虽与早期仪器相比大大提高了S/N，但检测灵敏度也就与LC的紫外检测器（UV）相当。这个灵敏度用于食品中残留物检测显然还不太够。直到二十世纪九十年代末，液相色谱-三重四极质谱（Q）联用仪商品仪器逐渐成熟了，检测灵敏度不断提高，价格不断降低，开始为食品检测实验室越来越普遍的采用。Q MS的工作原理见图5。

图5 三重四极器工作原理

　　由图5可看到，Q MS的*极（Q1）选择出要检测的目标化合物，滤去其它干扰物，所以，大大降低了本底噪音，提高了信/噪比。在第二极（q2），碰撞气（通常是稳定性气体，如：氮气、氩气等）将目标物打碎，施加的碰撞气能量不同，碎裂产生的离子及离子丰度就不同。碎裂的离子在第三极（Q3）被依次排列，然后送至检测器检测得到二级质谱图——化合物的特征质谱图。

　　应用Q MS进行残留物分析时，主要采用多反应离子监测模式（MRM），其原理见图6。

图6 MRM监测模式

　　如果在Q3仅选择2个离子（根据欧盟2002/657/EC指令，对残留兽药检测通常是选择1个母离子，2个子离子）有点像GC-MS的SIM方式，这就是Q质谱*MRM方式，见图6。这种检测方式的检测灵敏度目前是所有类型质谱中zui高的。因而食品实验室做残留检测zui常用的是Q MRM，也建议购置*套LC-MS-MS时选择Q MS。

　　现在国外主要生产Q MS公司有AB Sciex、Thermo-Fisher、Waters、Agilent、岛津等，目前国内实验室全部配置的是这几家公司的仪器。各仪器公司的仪器成系列（从低性能到高性能），这几家公司的仪器性能有些差异，因而价格也有些差异，从不到200万人民币，高到400多万人民币。性能指标可参考分析测试百科网提供的数据（）。

离子阱质谱仪

　　IT-MS又分为三维离子阱质谱和线性离子阱质谱，见图7。IT-MS的zui主要的特点是它可以做多级质谱（），理论上可以做到10级。通常说Q MS是空间串联的，而IT-MS是时间串联。

图7 离子阱质谱仪的分析器，左图为3维离子阱分析器，右图为线性离子阱分析器

　　IT-MS虽然也能做MS-MS，甚至，但其原理是将保留在阱内的被测物离子再进一步打碎，然后进行检测。因此，IT-MS不能像Q MS那样做MRM检测，检测灵敏度也就达不到MRM的量级，打碎的级数越多灵敏度也就越差。所以，用IT-MS做禁用兽药的残留分析比较少。

　　线性IT-MS的灵敏度较传统IT-MS的灵敏度有较大的提高，这主要是线性IT-MS储存离子区域是一条线，而传统IT-MS储存离子区域则是一个点。现在Thermo-Fisher公司提供的技术指标，线性IT-MS为250fg *S/N≥100，传统IT-MS为2pg *S/N≥25。且线性离子阱质谱较传统离子阱质谱而言改善了1/3效应问题。由于Q MS已成为残留分析的主流技术，所以即便是线性离子阱的检测灵敏度也能适应残留分析了，人们也没有过多的关注它。但是当实验室已有了Q MS，再准备购置第二套LC-MS时，还是可以考虑的。

　　三维离子阱质谱仪的价格相对较低，与Q MS的低端产品相当。线性离子阱的价格高些，与Q MS中产品相当。

四极-线性离子阱质谱仪

　　四极-线性离子阱质谱仪（QTRAP）为AB Sciex的推出的一款组合质谱仪。该类型仪器的结构与传统的Q MS基本一样，见图8。

图8 四极杆-线性离子阱质谱仪结构图

　　QTRAP的特点是在Q3两端加上一组电场，使Q3具有线性离子阱质谱功能。所以，QTRAP它同时拥有串接质谱和离子阱质谱的功能，如图9所示。

图9 离子阱质谱、串联四极质谱及四极杆-线性离子阱质谱仪检测功能

　　QTRAP的*功能是在TRAP做增强离子扫描（EPI），利用这一模式可以得到高灵敏度的全扫描图，其灵敏度比普通Q的MRM方式得到的稍低，却可以得到被测物更详细的分子信息，基本避免假阳性。所以通常该仪器可以像Q MS一样做MRM检测，得到较高的灵敏度，而当对结构有疑问时可以再用EPI模式检测一下。另外还可以做MS3，对化合物的结构进行解析。这一型号质谱仪较同型号Q MS贵些（如API 4000QTRP比API 4000要贵）。所以，对于残留分析实验室如果经费允许也可以考虑该类型的仪器。这样多花一点钱，多买了两种功能，还是比较划算的。

线性离子阱-静电场轨道阱质谱仪

　　线性离子阱-静电场轨道阱质谱仪（LTQ Orbitrap）为Thermo-Fisher公司推出的一款组合质谱仪。从名称就可以看出该仪器是由线性离子阱质谱与静电场轨道阱质谱仪组合而成。其结构如图10。

图10 线性离子阱-静电场轨道阱质谱仪结构图

　　线性离子阱质谱的功能特点前面已经介绍过了。这里主要介绍一下Orbitrap。Orbitrap的核心部件见图11，原理图见图12。

图11 Orbitrap分析器核心部件

图12 检测工作原理及傅立叶变换计算公式

　　由于Orbitrap也是利用傅立叶变换技术将离子的振幅转换成m/z，因此，现在也将该仪器划在傅立叶质谱仪类。Orbitrap的特点是具有高分辨和质量数功能。公司标称分辨率达100000，外标法质量精度小于3ppm。

　　公司提供的Orbitrap仪器验收灵敏度是：当*以5µL/min速度为注射仪器测试液时，*（含量为20µg/mL） m/z 195.0876 S/N > 40。这个指标不够直观。我们尝试用残留分析者更习惯的做法，用检出量考核了一下仪器整机的灵敏度，其结果为2pg的*，提取m/z 279.0904质量色谱图后得到S/N = 42（RMS）。详细的测试方法请见我的上一篇博文《LC-LTQ Orbitrap XL整机灵敏度的测试》。但当采用质量离子提取时，由于高选择性较好的滤去了基质干扰，所以可以采用加大取样量方法来提高方法的检测灵敏度。实验证明，加大取样量5-10倍，用质量数提取离子后本底依然很干净，且定量重现性也比较好。仪器的一些特性及测试请见我已发表博文《LTQ Orbitrap XL购置与验收点滴》。因此，zui终的检测灵敏度与Q比相差应该在一个数量级以内，1ppb以上检测限的项目肯定可以满足。前两月我们试着检测了动物源食品中残留的*，做到了0.1　µg/kg。待将方法进一步完善后放到网上与大家交流。

　　目前LTQ Orbitrap XL价格还是比较高的，大约为2台Q的价格。现在Orbitrap也推出了一款低档机型，据说只是分辨率降到了60000，其它指标都一样，价格能降下来不少，但价格依然比Q TOF高。所以，一般的实验室还暂时不能配置。若实验室已购置了Q，且已基本上能满足日常检测的需求，当经费允许的情况下还是可以考虑。仪器具有的高分辨和质量数功能可以对Q的阳性结果做进一步确证，使出具的结果更可靠。

四极杆-飞行时间质谱仪

　　四极杆-飞行时间质谱（Q TOF MS）组合质谱结构见图13。图中所示MS1为四极杆质谱，MS2为飞行时间质谱。TOF常见漂移管有两种，图13上图为V型，图13下图为W型。W型与V型相比离子飞行的路程长，因而分辨率高些，而灵敏度差些。

图13 四极杆-飞行时间质谱仪结构图

上图为V型漂移管，下图为W型漂移管

　　Q TOF商品化已有约20年了，经过不断的改进性能也在不断提高。根据TOF的分析原理，通常分子量越大分辨率越高，因此，TOF更适合分析蛋白等大分子化合物。但是，TOF是一款具有高分辨，且相对价格较低的MS，各公司为了满足小分子分析的需要对仪器也进行了不断改进、完善。传统Q TOF的检测灵敏度适应不了残留兽药的检测，因而过去一直没能进入残留实验室。现在有公司推出的Q TOF标称检出限1pg*能到100:1。实际应用于农药残留检测的文献有一些，但用于兽药残留检测的还很少。

　　现在国外主要生产Q TOF MS公司有AB Sciex、Waters、Agilent等，国内实验室配置的也全部是这几家公司的仪器。各仪器公司的仪器成系列，这几家公司的仪器性能有些差异，因而价格也有些差异，从不到200万人民币，高到近500万人民币。性能指标可参考分析测试百科网提供的数据（www. Antpedia/分析仪器/液相色谱质谱仪）。

离子阱-飞行时间质谱仪

　　离子阱-飞行时间质谱联用仪（IT-TOF）为岛津公司推出的一款组合质谱仪，其结构见图14。

图14 离子阱-飞行时间质谱联用仪结构图

　　该仪器前端为ITMS，因此具有ITMS的功能和性能——、较高的全扫描灵敏度，后部为TOFMS，因此具有TOFMS的性能——高分辨、质量数。公司介绍IT-TOFMS利用ITMS的离子富集功能，使其仪器具有较高的灵敏度，检出限可达10pg/mL。这个检出限基本上可以满足农药残留检测。此外，据使用过该仪器的老师介绍，该仪器的正负电极切换速度目前是zui快的，因而可用于多种农残的筛查。但对残留兽药的检测目前报导较少。

　　以上是一些粗浅的认识，仅供参考。

　　总之，近年随着我国国力的增强和质谱仪生产厂家之间竞争的加剧使LC-MS的价格不断降低，配置LC-MS的实验室越来越多，一个实验室配置多台、多类型也不足为奇。因此，现在选型调研比以前容易的多了。只要认真做好前期工作，一定可以选择款自己实验室的仪器。