色谱质谱联用技术（一）

随着色谱质谱联用技术突飞猛进的发展，特别是串联质谱分析技术(tandem mass spec—trometry)的应用，为农药残留定性分析、多残留分析、农药在生态系统中的迁移、归宿和安全性评价研究提供了一个极好的测试平台。随着标准化进程的推进，色谱质谱联用技术已经成为农药残留分析的最佳手段之一，色谱质谱联用仪是现代农药残留分析实验室必备的仪器设备。正是色谱质谱联用技术的应用，满足了各国政府主管部门对农药残留物的筛查和确证提出的越来越高的要求。因此掌握色谱质谱联用技术在农药残留分析中十分重要。

一、质谱的基本知识

(一)质谱概述

质谱学源于1898年，德国物理学家威廉·维恩(W．Wien)发现了带正电荷的离子束在磁场中发生偏转的现象。1918年，登普斯特(A．J．Dempster)采用电子轰击(electronimpact，EI)技术使待测分子离子化。1919年，英国剑桥大学卡文迪许实验室(CavendishLaboratory)主任约瑟夫.汤姆逊(J．J．Thomson)的学生弗朗西斯·威廉·阿斯顿研制出了世界上第一台速度聚焦质谱仪，同时鉴别出了至少212种天然同位素。到了20世纪30年代，科学工作者已经用质谱法鉴定了大多数稳定的同位素，并精确地测定其质量。1934年，德国著名质谱学家马托赫(Josef Mattauch)等开发出了双聚焦质谱仪。1946年，威廉。斯蒂芬斯(W．Stephens)提出了飞行时间质谱仪(time of flight-mass spectroscope，TOF-MS)的设想。1965年，瑞典LKB公司推出了第一台商品化气相色谱质谱联用仪。1966年，F．H．Field和M．S．B．Munson开发出化学诱导电离样品的离子化方式(chemical ioniza—tion，CI)。1974年，Melvin B．Comisarow和Alan G．Marshall研制成功傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(Fourier transform ion cyclotron resonance—mass spectroscope，F j 10R—MS)。1999年，亚历山大.马卡洛夫(A．Makarov)领导的团队开发出了静电场轨道阱(orbi—trap)质谱仪，2005年又推出线性四极离子阱(1inear quadrupole ion trap)和静电场轨道离子阱的组合式质谱仪。2010年，AB SCIEX公司推出了Triple TOF 5600质谱系统，实现了高灵敏度、高分辨的质谱系统组合。

从20世纪60年代开始，质谱法已经普遍地应用到有机化学和生物化学领域，逐渐成为研究单位和大学配置的实验仪器设备。质谱作为鉴定有机物结构的主要方法之一，相比于紫外吸收光谱、红外吸收光谱、拉曼散射光谱、核磁共振波谱，具有两个最突出的优点：①灵敏度远远超过其他方法，样品的用量不断降低；②质谱是目前唯一可以确定分子式，给出其相对分子质量的方法，而分子式对推测结构至关重要。质谱法的不足是在进行复杂分子的结构分析时，对分子空间构型和各种结构单元的联结方式的准确区分与判断存在局限性。质谱方法大致可以分为同位素质谱分析、无机质谱分析和有机质谱分析，农药残留分析主要属于有机质谱分析范畴。

在色谱质谱联用的有机质谱仪中，质谱仪可分为单级质谱仪(含1个质量分析器，如四极杆滤质器；离子阱除外)和串联质谱仪(空间串联含2个同类型或不同类型的质量分析器，如三重四级杆等；时间串联为1个质量分析器，如离子阱等)。对于农药残留分析来讲，单级质谱灵敏度偏低(一般为mg／kg水平)，串联质谱则可以满足法规的要求(一般低于μg／虹水平)。串联质谱仪一般比单级质谱仪贵几倍。气相色谱质谱联用仪(GC-MS)有气相色谱四极质谱仪、气相色谱飞行时间质谱仪、气相色谱离子阱质谱仪等，以及各种组合的气相色谱串联质谱联用仪(GC-MS／MS)。液相色谱质谱联用仪(LC-MS)有液相色谱四极质谱仪、液相色谱离子阱质谱仪、液相色谱飞行时间质谱仪等，以及各种组合的液相色谱串联质谱联用仪(LDMS／MS)。其他有机质谱仪主要还有：适于蛋白质组学等分析研究的基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪(matrix assisted laser desorption ionization—time of flight—mass spectrometry，MALDI-TOF MS)、工作时需要液氮和液氦且造价昂贵的维护费用高的傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(Fourier transform ion cychotron resonance-mass spectrometry，FTICR-MS)。

质谱分析法是利用其独特的电离过程及分离方式来实现定性分析和定量分析的。它首先是将色谱分离的物质在离子源室离子化，电离后的离子按离子质荷比大小在质量分析器上获得分离，然后测量各种离子峰的强度而实现分离的一种方法。质量是物质固有特性之一，不同的物质有不同的质量谱，利用这一性质，可以定性分析；峰强度会与相应的化合物含量有关，利用这一特性，可进行定量分析。

农药的质谱分析不同于色谱的方法，其定性分析的依据不仅是总离子流图的保留值或相对保留值，更重要的是农药分子结构特征的离子碎片，这样就增加了定性分析的可靠性，避免由于复杂的样品基质带来的干扰，即保留时间相同且特征碎片离子(或全扫描质谱图)相同的农药才能做出定性和定量的判定，这样定量分析结果准确、可靠，从而也避免了假阳性。

(二)质谱分析的重要名词和术语

1、离子源：离子源(ion source)是质谱仪器中使样品电离生成离子的部件，如电子轰击离子源(EI)、电喷雾电离离子源(electrospray ionization，ESI)等。

2、质量分析器：质量分析器(mass analyzer)为质谱仪器中使离子按其质荷比大小进行分离的部件，如四极杆滤质器等。

3、离子检测器：离子检测器(ion detector)为质谱仪器中检测离子丰度的部件，如二次电子倍增器、微通道板离子计数器等。

4、质量歧视效应：质量歧视效应(mass discrimination effect)为质谱仪器中的一些部件(如离子检测器)对不同质量的离子产生不同响应的现象。

5、质量方程：质量方程(equation for nlass spectlrometer)为研究磁偏转质谱仪器推导出的反映离子运动状态的方程，其表达式为：

（5-34）

式中，m／z为离子质荷比，H为磁场强度，r为离子运动的曲率半径，V为加速电位。

此方程可描述质量分析器工作原理。

6、分辨率：分辨率(resolution，R)为在给定样品的条件下，仪器对相邻两个质谱峰的区分能力。相邻等高的两个峰，其峰谷不大于峰高的10％时，就定义为可以区分。分辨率(R)的表示法是峰谷为峰高的10％时，两峰质量的平均值与它们质量差的比值，即：

（5-35）

式中，m为两峰质量的平均值，△m为两峰质量差。分辨率一般500即可满足要求，仪器上一般用R=2m表示。现在高分辨率质谱仪可达几万到几十万。分辨率与灵敏度往往呈反比。

参考资料：农药残留分析