科普│串联质谱分析仪（ESI离子源）之离子阱质谱仪

在蛋白质组学分析中，与ESI离子源配对的常用串联质谱仪有三种，三重四极杆（通常称为“三重四极”）、离子阱和四极飞行时间（Q-TOF）。小编这里给大家介绍一下其中的一种——离子阱质谱仪。

离子阱质谱仪的设计和操作与三重四极杆质谱仪有很大的不同。离子阱收集和储存离子，然后对其进行质谱分析，而三重四分杆是在肽离子通过分析仪时对其进行质谱分析。该分析仪的设计非常简单。来自离子源的离子被引导到离子阱中，离子阱由顶部和底部电极和中间的环形电极组成（如图1A）。这个陷阱本身只有葡萄柚那么大。陷阱中收集的离子通过直流和射频电压的组合保持在陷阱内的轨道上。以少量氦作为“冷却气体”，以帮助控制离子的能量分布。在全扫描模式下，对电极上的射频电压进行分级或扫描，根据其m/z值顺序喷射离子（如图1B）。由此可产生一个光谱图，表示在任一给定时间陷阱中的所有肽离子。为了监测来自离子源的离子，陷阱持续重复这一周期：（1）用离子填充陷阱，（2）根据m/z值扫描离子。因此，与三重四极杆不同的是，离子阱产生一系列密集而不连续的分析。与三重四极杆一样，离子阱可探测由ESI形成的多电荷肽离子，只要这些离子的m/z值在分析仪的质量范围内。

图1. 离子阱质谱仪示意图。（A）离子在分析器中的捕获；（B）不同m/z离子的“扫描输出”；（C）选定离子的碰撞诱导离解（碎片化）；（D）描述了从（C）中前体离子碎片化得到的产物离子的“扫描输出”。

为了进行串联质谱（MS-MS）分析，离子阱中需填满来自离子源的离子。然后选择目标特定离子，并调整离子阱电压以弹出所有其它m/z值的离子（如图1B）。接着，离子阱上的电压迅速增加，以增加剩余离子的能量，从而使肽离子与离子阱中的氦气原子发生能量碰撞，并促成离子碎片化（如图1C）。随后碎片被捕获到离子阱中，根据其m/z值进行扫描（如图1D）。

离子阱的一个特点是，MS-MS实验中的碎片离子本身可以保留在离子阱中，并经受另一轮的碎片化。这种二次质谱分析的片段同样可以保留并进一步碎片化。我们将这种类型的分析称为MSn，其在某些情况下可以产生非常详细的碎片信息。然而，MSn分析很少用于蛋白质组学，有两个原因。首先，目前还没有办法预测在进行分析时需要做什么MS-MS实验。我们无法知道在肽离子的MS-MS分析中会形成什么离子，因此不能轻易地选择片段进行进一步的裂解。其次，离子总数随MS循环次数的增加而减少。在MS-MS分析之后，离子阱中通常没有足够的离子来进行有用的分析。

在串联质谱分析中，离子阱和三重四极杆还有一些其他区别。第一个是离子阱中肽离子的质谱裂解模式与三重四极杆的不同。在最常用的操作条件下，离子阱比三重四极杆更容易导致前驱离子的完全碎片化。这意味着有更多的前体离子在离子阱中有效地转化为离子产物（从而转化为序列信息）。事实上，在离子阱质谱中通常看不到前体离子信号，而在三重四级杆中，前体离子信号往往是一个非常突出的特征。在质谱中，三重四极杆可以诱导出比离子阱更广范围的碎片化。离子阱产出的大部分碎片是那些能最直接用于推断序列的碎片，而三重四极杆串联质谱图可产出额外的特征，可以解决歧义并提供额外的细节。离子阱和三重四极杆的另外一个区别是，在离子阱中MS-MS的所谓“低m/z值截点”。由于离子阱对MS-MS的作用方式，无法记录m/z值低于MS-MS前体离子m/z值25%左右的产物离子的质量，因此m/z 250的离子是在MS-MS分析中m/z 1000的前体离子可检测到的最低数量级碎片离子。这对肽质谱分析来说不是什么大问题，因为低质量肽片段通常可以从相应较大片段的m/z值推断出来。

离子阱还有一个有趣的特征：它们具有很高的质量分辨率。然而，离子阱的分辨率随着扫描速度的增加而降低。在常用于肽离子阱的全扫描和MS-MS分析的扫描速率下，能够充分分辨m/z值相差至少1amu的不同离子。如果扫描速度变慢，离子阱可以分辨m/z值相差低至0.05个单位的离子。在自动化操作中，在MS-MS分析之前，可以使用在有限质量范围内的慢速全扫描组合来准确地确定离子的电荷状态。关于前体离子电荷状态的信息有助于我们从MS-MS数据中确定肽序列。

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