多级质谱包括通常所说的二级质谱和离子阱技术的所谓n级质谱。多级质谱的排列可以是空间上的（如三级四极杆），也可以是时间上的（如离子阱）。

多级质谱的碰撞区中一般要导入惰性气体（He或Ar)，碰撞发生在惰性气体原子（分子）和母体离子之间。碰撞过程中部分母体离子的能量转化为内能，单一或多次碰撞产生了不稳定的激发态离子。不稳定的激发态离子分解成为一定数量的产物离子，即碰撞诱导离解（collision-induced dissociation, CID)。此过程中发生的其他离解方式可能还会有母体离子的表面诱导离解（surface-induced dissoci-ation,SID)、黑体红外辐射离解（black-body infrared radiative dissociation,BIRD)以及电子捕获诱导离解（electron-capture-induced dissociation, ECD)。

串级质谱用于分子结构测定工作最初是由Beynon及其同事开始的。早期的仪器配置方式包括多个扇形磁场及其他的混合配置，如扇形磁场和四极杆的配置。

但这些配置方法在技术上较复杂且费用高。20世纪70年代，Yostand Enke完成第一个三级四极杆的配置，90年代第三种配置—四极杆-离子阱配置出现。这些配置比扇形磁场仪器便宜，很快被商品化并引入市场。

傅里叶转换离子回旋共振（Fourier-transform ion cyclotron resonance, FTICR）也可以认为是一种捕捉（trapping）形成的质谱方法，这样的仪器可以在粒子被捕捉的情况下进行离子质量分析。FTTCR表现出很好的离子共振特性和质量精度，同时也附带了氢共振（HR)作用。

ECD,BIRD以及稳定去共振辐射（sustained off-resonance irradiation, SORT)技术在质谱仪器技术中的引进，会进一步发展这些仪器技术的MS-MS功能，在不久的将来可能成为生物化学实验室的主流技术。但价格仍然是该技术发展的一个限制因素。

为了扬长避短，多级质谱还发展出了不同类型质量分析器的混合配置方法，可以统称为杂化（hybrid）质谱，如磁质谱飞行时间质谱EBE-TOF,它使用了双聚焦磁质谱为一级质谱，正交放置的TOF为二级质谱。其后又出现了四极杆和飞行时间质谱的混合配置，即Q-TOF。Q-TOF的配置由于价格可以接受和技术日臻成熟，其销量增长得较快。

单级四极杆液质联机出现之后，其他使用EST和APCI为接口的仪器配置技术也纷纷出现，并在世界各主要仪器生产厂家的努力下推出了多种商品仪器。

目前行销于分析仪器市场的各种较成熟配置的仪器主要有：①三级四极杆液相色谱-质谱-质谱（LC-MS-MS)；②液相色谱-离子阱质谱（LC-Trap)；③液相色谱-飞行时间质谱（LC-TOF)；④液相色谱四极杆飞行时间质谱联用仪（LC-Q-TOF)。

这些仪器技术的出现是在现有仪器技术的基础上对液质联用技术的进一步发展和完善，也是生产和科研的切实需要。其中三级四极杆和离子阱类仪器在科研和关乎人类生活、身体健康的领域如化学物质残留检测中起到了重要的、广泛的作用。

串级质谱早已用于气相色谱-质谱-质谱技术中，曾经在分子结构的测定和其他相关工作中发挥了重要的作用。液相色谱-质谱-质谱技术则是近年出现的，其发展为液质技术的特定优势及广泛的分析对象所推动。

液质技术中大量的流动相及其中难以避免的各类杂质／基质进入接口，一经离子化，势必进入质量分析器并造成大量的化学噪声。目前所面临的化学残留物的检测经常是在l0^-6～10^-9 mg/kg级的水平上进行，光谱纯度级别的溶剂、试剂都无法保证噪声水平低到可以接受的程度；同时许多研究工作和检测工作往往是在复杂的生物学基质（如血液、尿液、动物可食用组织、含复杂植物成分的中成药及保健食品等）中进行，如果以化学和物理方法将样品纯化到完全满意的程度，要花费大量的人力和物力，因此对样品前处理要求较低的质谱-质谱技术就显得十分实用。

目前得到广泛应用的液相色谱-质谱-质谱技术主要为三级四极杆质谱和离子阱技术。下面主要介绍三极四极杆质谱技术。

(1)三级四极杆质谱-质谱基本结构

质谱-质谱的设计思想是在线(on-line)得到使用者感兴趣的某一前体离子(precursor ion)的再次碎裂图谱（二级质谱），从而由它的特征图谱（特征开裂方式）得到比一级质谱（分子离子峰+碎片峰）更为详尽的结构信息。同时二级质谱的获得可以锁定于感兴趣的目标离子，从而排除不希望存在的杂质离子，大大降低化学噪声和生物学基质的干扰，后者的实用性更为显著。

三级四极杆质谱-质谱为三级四极杆式构造（图12-13)，其中一个四极杆的作用是根据质荷比的不同进行分离，另一个四极杆的作用是进行质谱检测。在两个四极杆之间设有碰撞室，因此该装置称为三级四极杆质谱。

图12-13三级四极杆质谱过程示意图

(2)三级四极杆质谱-质谱的特点

与单级四极杆质谱比较，串级四极杆的优势在于操作模式的灵活性和良好的信噪比。一般三级四极杆仪器都具备若干操作模式，如选定若干离子的采集模式(SIR)、对多个前体离子中的若干子离子进行二级质谱分析过程的多重反应控制(MRM)、寻找一个特定碎片离子的母离子的模式、寻找某一个特定（母）离子的子离子模式。这些功能都是通过两个四极杆扫描切换和参数的改变来实现的，在应用中可以根据不同的需要加以变化。其中SIR对于复杂生物学基质下的目标残留物的检测可以有效地使用；它类似于气相色谱-质谱联用仪中的SIM，由于将扫描时间集中地使用在几个或几十个离子的扫描上而不是分散于一定的质量范围内，所以可以获得比后者更高的灵敏度。寻找某一个特定的母离子的子离子模式是二级质谱最为常用的功能，可用于确认化合物的归属及结构研究。其他模式如离子的中性丢失的研究也可以在这类仪器上实现。这些功能在分析化学面临大量复杂样品基质的今天，就更加突显了它的作用。与单级四极杆相比，三级四极杆仪器对样品的纯化要求比较低，可以适当地简化前处理步骤，缩短分析时间。

与离子阱相比，串级四极杆的另一个优点是它的扫描速度快。三级四极杆既可以用作串级质谱也可以用作单级四极质谱，功能模式可以快速切换，获得的灵敏度较高，其信号强度的重现性优于离子阱质谱。

(3)三级四极杆仪器的几种工作模式

1)子离子质谱模式

子离子质谱（daughter ion spectrum）模式是质谱-质谱测定最为常见的扫描模式，在此模式操作中，MSl（第一级四极杆）为静态（static)，即仅允许母离子通过；碰撞池对母离子进行碰撞并且允许由此产生的所有离子通过，MS2在规定的质量范围内进行质量扫描，所得结果即为一个典型的二级质谱图。这种模式可以用于结构的推导（elucidation)。例如，肽类化合物的系列测定，也用于为其他的测定模式建立方法，即首先在子离子的质谱扫描中获得稳定的某个特定子离子产生的条件，并以此条件用于后续的测定中（如多重反应控制、MRM)。这步工作在保证复杂生物学基质中的精密定量测定时尤为重要。除此之外对某些化合物，一个合适的定量测定所用离子的选择往往要经过许多参数的优化，如干燥气体的温度、聚焦部件施加的电压乃至采集模式等。

2)母离子质谱模式

母离子质谱（parent ion spectrum）模式用于寻找一个特定碎片离子的母离子（或分子离子），运行此模式时MS2设定于某一个碎片离子质量，如利血平的碎片m/z 195,MSl则在一个预期的质量范围内进行扫描，如该化合物确实为血利平，则此时MS2中会有碎片离子m/z 195通过，MS1中扫描到m/z609(M+1）即可被判定为m/z 195的母离子。碎片离子为使用者感兴趣的离子，以其质量数作为仪器设定。MSl的扫描质量范围，根据有关信息测定，未知范围的情况下采用宽范围设定，已知大概范围的情况下尽量采用窄范围设定，以提高测定的信噪比。

3)多反应控制模式

多反应控制（multiple reaction monitoring,MRM）模式多用于“脏”样品，可实施对某个或某几个（10个为一般商品仪器的设置）母离子到子离子的控制。它可以对一个样品中的若干化合物进行筛选分析，也可以进行多个组分的同时定量分析。操作此模式时，两个四极杆均固定于一个特定的质量数，如进行利血平的筛选分析，MS1设置为m/z 609(M+1),MS2为m/z195。MRM模式不会产生一张质谱，而仅能产生一个单离子质谱图。由于提高了目标离子的驻留时间(dwelltime)，它可以获得高得多的灵敏度（×100)，如单级四极杆仪器中的SIM(selectedion mode）模式。

4)垣定中性丢失质谱模式

恒定中性丢失质谱（ constant neutral loss spectrum）模式用于对分子中的一个中性基团或碎片的丢失的考察。操作此模式时，MS1和MS2均被扫描，当MS1传输一个特定的母离子时，MS2用于考察该母离子是否丢失了特定质量的碎片。此种模式对于享有共同开裂方式的一类化合物（如糖皮质激素）的分析有一定的便利。