【色质谱实验室：陈银娟博士撰文】

【仪器设备：液相色谱，单四极杆液质等相关仪器】

【地点：4号楼219室色质谱实验室】

液相色谱仪（Liquid Chromatography, LC）是一种常见的化学分析设备，狭义上的液相色谱指其后接光谱检测器，比如常见的光电二极管紫外阵列检测器（Photo-Diode Array, PDA）；而广义上的液相色谱仪则包含液相色谱-质谱联用仪（Liquid Chromatography-Mass Spectrometry, LC-MS），即用质谱作为液相色谱的检测器，比如单四极杆液质联用仪（Liquid Chromatography-Quadrupole Mass Spectrometry），三重四极杆液质联用仪(Liquid Chromatography-Triple Quadrupole Mass Spectrometry, LC-QQQ)，高分辨飞行时间液质联用仪(Liquid Chromatography- Time-of-Flight Mass Spectrometry, LC-TOF)等。分子平台色质谱实验室配备的单四极杆液质联用仪，除四极杆质谱检测器（以下简写QMS）外，还配备了PDA检测器，实际使用中，很多同学对于这两种检测器的差异性尤其是液质方法设置上有很多疑问，甚至有同学纠结仪器需要检测器的原因。为了增强大家对液相色谱的理解，本文将对PDA和QMS进行类比介绍。

1.检测器存在的意义

在对PDA和QMS进行对照说明之前，首先有必要解释下液相色谱需要检测器的原因。绝大部分测试设备均可以划分为三个部分：样品系统---分析系统---检测系统，其中检测系统的核心作用是为了给分析系统提供以图谱或数字输出的结果（至于数字信号-模拟信号转化，不进行讨论），可以说即便分析系统再完美，若没有检测系统，就没有结果输出，也就无法判断分析的好坏。我们用液相色谱作为例子：众所周知，液相色谱起源于俄国植物学Tswett的叶绿素提取实验：通过石油醚载带植物提取液，得到不同颜色的色带（图1），Tswett最终发现了叶绿素a,叶绿素b，胡萝卜素等。Tswett之所以能发现各种色素，最关键的当然是利用了色谱分离，这也是现代液相色谱的基础，但是如果他当时没有看到这些色带，也就没有这么伟大的发现。毫无问题，在Tswett的经典实验中，眼睛就是最早液相色谱的检测器。推及到现在，很多学化学的同学，在实验室对样品过完柱子之后进行点板加紫外灯照射等，就是方便眼睛能看到分离的效果。

图1经典的叶绿素提取实验

再举一个更容易理解的例子：图2中，a（玻璃管）和b（金属管）两个套管里有不同颜色的小球向右移动，请指出红色小球当前的位置。显然，由于a管颜色透明，我们通过肉眼能很快找到红色小球；而b金属管不透明，我们已不能指认球的位置，也就不能知道分析结果。通过Twestt实验和图2小球的比方，相信大家能理解液相色谱需要检测器的原因以及检测器的重要性了。

图2眼睛对小球的响应

眼睛是液相色谱最原始的检测器。眼睛对颜色有响应，其前提条件是能看见且能区分。但是肉眼不可能对所有样品都有响应，现代商业仪器更需要高灵敏度的在线检测器。在日常的液相色谱分析中，我们之所以能看到组分出峰，这是检测器对分离组分有响应的一种表现形式，没有检测器，就没有色谱图；而检测器若对某一组分无响应，那么该组分则不会出峰。

PDA和MS是两种最常见、应用最广的液相色谱检测器，由于MS有多种类型，为了简单说明，接下来我们以PDA和QMS为例进行对照说明。

2.光电二极管紫外阵列检测器（PDA）

PDA检测器是液相色谱最常用的光学检测器，色质谱实验室液相色谱仪配备的PDA检测，波长（wavelength, λ）范围为190-800 nm，包含了紫外和可见区域。PDA对液相色谱分离的组分有响应的前提是：

（1）样品在波段范围内有吸收由于常见溶剂的吸收峰都在200 nm以内，所以分析样品的吸收波段在200 nm以上为宜。含有共轭双键、苯环、羧基、羟基等结构的化合物一般具有紫外吸收。如化合物无紫外吸收，PDA则对其无响应，与图2b中肉眼无法观测红色小球类似。

（2）组分浓度可被检测这是检测限或者灵敏度的要求。图2c管道中的红色小球，颜色逐渐减弱，那么肉眼对颜色的识别会到达一定极限，超过这个极限，即便事实上仍是红色小球，眼睛也不再能识别。PDA的检测灵敏度为ug/ml（ppm），因此，如果分离出的某一组分有紫外吸收，但是含量低于PDA检测灵敏度，则该组分在PDA通道上也不会出峰。在实际分析中，由于样品本身吸收峰的强弱差异性，PDA响应强度也会有变化。

（3）样品能被洗脱出来只有样品被洗脱出来，到达检测器，才有可能被检测。

3.单四极杆质谱检测器（QMS）

质谱检测的是离子的质荷比（m/z）,实验室配备的单四极液质联用仪，质荷比（m/z）范围为30-3000 Da。QMS对液相色谱分离组分有响应的前提是：

（1）样品能电离，且质荷比符合仪器检测范围质谱检测的是离子的m/z，检测对象是离子，不是中性分子，所以液相分离的组分进入QMS分析前需要进行离子化。单四极杆液质联用仪配备的是常见的电喷雾离子源（Electro-Spray Ionization, ESI）（https://iscms.westlake.edu.cn/info/1051/1445.htm）。组分能够被ESI电离成离子，且m/z在仪器的扫描范围内才可能被检测。

（2）组分浓度可被检测同PDA第2点类似。通常QMS的检测灵敏度为ng/ml（ppb），如果某一组分能被ESI电离，且质荷比在仪器检测范围内，但是含量低于QMS检测灵敏度，则该组分在质谱通道上也不会出峰。在实际分析中，由于化合物离子化的差异性，质谱响应也会有变化。

（3）样品能被洗脱出来同PDA第3点，不再赘述。

4. PDA和QMS方法设置对照

（1）PDA设置：

3D通道：PDA的General栏（图3），显示Enable 3D Data,要输入λ范围,比如210-400 nm。三维指的是保留时间，强度和λ，3D谱参见图4。

图3 PDA检测器3D方法设置

图4 PDA检测器3D谱图

2D通道：PDA的2D Channels栏（图5），需要勾选Channel通道，并设置某一固定波长，比如254 nm。二维指的是某一特定波长下的色谱图，保留时间和强度是变化的。2D谱可参见图6，就是我们所熟悉的色谱图。

图5 PDA检测器2D方法设置

图6 PDA检测器2D谱图

（2）QMS设置：

MS Scan通道：QMS Functions栏（图7）,包含两种函数MS Scan和SIR，其中MS Scan可以类比PDA 3D通道，需设置m/z扫描范围；三维指的是保留时间，强度和m/z，3D谱参见图8。

图7QMS检测器MS Scan方法设置

图8QMS检测器3D谱图

SIR通道：QMS Functions栏SIR函数（图9）,需设置某一固定的m/z值，可类比PDA 2D通道，二维指的是某一特定质荷比下的色谱图，保留时间和强度是变化的,相关谱图参见图10。

图9 QMS检测器SIR方法设置

图10 QMS检测器2D谱图

（3）PDA和QMS类比（重点）

表1 PDA和QMS对照表

5. PDA和QMS均不是通用型检测器

由于样品体系的差异性，液相色谱有多种检测器，究其原因在于目前没有理想的通用型检测器。理想的通用型检测器，至少要有满足两个重要标准，一是对所有样品均有响应，二是高灵敏度。示差检测器（Refraction Index, RI）是一款通用型检测器，理论上对所有组分均有响应，但是灵敏度差，另外常见的反相液相色谱采用梯度洗脱，不适合用RI进行检测。

PDA和MS是液相色谱的常见检测器，源于他们对多数组分有响应，且灵敏度好，但二者都不是通用型检测器。另需要说明的是，PDA和MS的总和不等于100%，换言之，就液相色谱分析（反相）而言，仍存在PDA和MS均无响应的组分；再者PDA和MS也不能完全等同，抛开浓度和其他洗脱因素，单从样品性质来说，有紫外吸收的样品未必能电离。因此，PDA和MS检测的样品既有重合性，也有各自的特色，而实验室仪器配置双检测器，是为了多提供一个维度的分析结果，但并非所有的液相仪器都可以适合配置PDA和MS,比如高分辨质谱，三重四极杆质谱，由于此类质谱检测器具有超高的灵敏度，不适合与PDA同时配置。

*欢迎同行批评指正。