四極桿質(zhì)譜原理和技術(shù)
復(fù)旦大學(xué)研究生課程《生物質(zhì)譜技術(shù)與方法》
四極桿質(zhì)譜原理和技術(shù)
Introduction to quadrupole MS theory & technology
徐國賓 / 楊芃原 教授hoggyxu@gmail.com復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系
Biomass.fudan.edu.cn
四極桿質(zhì)譜的基本原理
四極桿分析器的基本要素
簡單的四極桿結(jié)構(gòu)示意圖
●
電場(chǎng)分析器
●直流電壓U●
交流電壓V sin ωt●
電場(chǎng)結(jié)構(gòu)
●
四極場(chǎng)quadrupolar●
電極
●圓柱、雙曲線●
場(chǎng)半徑r
四極桿分析器內(nèi)部的電勢(shì)呈馬鞍面
●
四極場(chǎng)內(nèi)部的電勢(shì)
●瞬間●
時(shí)變
四極桿分析器內(nèi)部的電勢(shì)呈馬鞍面
●
沿著x和y軸對(duì)稱●
等電勢(shì)面是一個(gè)馬鞍面●
（0，0）點(diǎn)電勢(shì)為0V，而且是等電勢(shì)馬鞍面的鞍點(diǎn)●
帶電粒子在其中受到的x方向的作用力與粒子和x軸的距離
成正比
離子在四極場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
離子在x方向感受到的電場(chǎng)可以表示為
這樣離子受到的電場(chǎng)力可以表示為：
結(jié)合牛頓第二定律，加入加速度的方程：
將電場(chǎng)和加速度展開后，整理，可得，
描述離子運(yùn)動(dòng)的馬修方程
?mile Léonard Mathieu （1835～1890）法國數(shù)學(xué)家，研究了鼓的震動(dòng)，給出了
微分方程和解
馬修方程和離子的運(yùn)動(dòng)方程可以很好的對(duì)應(yīng)起來
對(duì)應(yīng)離子運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)
a對(duì)應(yīng)著直流的強(qiáng)度q
對(duì)應(yīng)著交流的強(qiáng)度
馬修方程的解和穩(wěn)定區(qū)
馬修方程的穩(wěn)定區(qū)
只有在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形式在空間上才是有限的——
穩(wěn)定高于一切！
四極桿的穩(wěn)定區(qū)
四極桿的穩(wěn)定區(qū)示意圖
●
離子需要在x和y方向都穩(wěn)定才能通過四極桿●
穩(wěn)定區(qū)上下對(duì)稱●
特殊點(diǎn)：
●
（0.908，0）
LMCO，低質(zhì)量歧視●
（0，0）
Zero blast，氫的不準(zhǔn)確●
（0.706，0.237）
四極桿工作點(diǎn)
利用穩(wěn)定區(qū)篩選離子
●
目標(biāo)：只讓單一的m/z離子通過
四極桿
技術(shù)：（0.706，0.237）
●●●●●
●
●
，q計(jì)算U，V
離子在四極桿中的穩(wěn)定性
四極桿工作曲線
四極桿窗口寬度
實(shí)際上工作線并沒有通過穩(wěn)定區(qū)頂點(diǎn)
●
如果直流強(qiáng)度超過16.8%，那么直線的斜率會(huì)太大，不能通過穩(wěn)定區(qū)域，這時(shí)沒有離子能夠通過四極桿質(zhì)量分析器
●
反之，離子選擇的純度會(huì)下降，頂點(diǎn)附近的其他m/z的離子也會(huì)通過四極桿，四極桿的分辨力會(huì)下降，但是總的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)增
加。
四極桿的TUNE微調(diào)
四極桿微調(diào)電路的一部分
●
通過微調(diào)2%的`U可以調(diào)整出20u、5u、1u、單位分辨以及高分辨、無通過等多種
峰寬
信號(hào)強(qiáng)
度
四極桿的AutoTune
●
調(diào)整每個(gè)m/z對(duì)應(yīng)的tune值，使四極桿質(zhì)譜圖的峰形對(duì)稱、峰強(qiáng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)、分辨力
達(dá)到統(tǒng)一寬度
四極桿質(zhì)譜技術(shù)
四極桿分析器的電極
●
外形
●
雙曲線
●
圓柱面
圓柱四極桿與雙曲面四極桿的比較
●四極場(chǎng)99%的相同●
加工難度
●
雙曲面>圓柱●
加工精度
●
圓柱>雙曲面
高階場(chǎng)對(duì)四極桿的影響
高階場(chǎng)有效區(qū)域
作用區(qū)域
四極場(chǎng)作用區(qū)域
●
圓柱型電極的影響
–多一個(gè)自由度r/ro–傳統(tǒng)采用1.1487–
實(shí)際上可以在1.12~1.16之間–四極場(chǎng)不純
–
特殊的位置可以起到增強(qiáng)靈敏度或分辨力的效果
四極桿粗細(xì)的影響
●
增大四極桿直徑有利于
●
分辨力提高●
靈敏度提高●
增大四極桿不利于
●
大質(zhì)量范圍的使用●
高壓射頻的制作
四極桿長度的影響
●
四極桿原理中認(rèn)為四極桿是無限長的
●
一般采用r0的30～60倍作為長度
●
一般的9mm四極桿
●
最短的有127mm●
最長的有240mm
●
某些16mm四極桿會(huì)長達(dá)400mm
●
四極桿越長加工越困難，但是離
子震動(dòng)的次數(shù)多，分辨力越好
四極桿預(yù)桿的作用
●
較長的四極桿難以加工
●
四極桿的兩頭由于存在透鏡的干擾，電場(chǎng)并不符合四極場(chǎng)，分辨力較低
●
預(yù)桿可以延長四極桿的“有效長度”降低邊沿場(chǎng)的干擾●
有前預(yù)桿、后預(yù)桿
●Pre-quad●
post-quad
四極桿的預(yù)桿
預(yù)桿是現(xiàn)代LCMS中必備的部第一文庫網(wǎng)件，而且預(yù)桿多數(shù)采用了電源隔離技術(shù)
●
頻率～1MHz
●
500kHz～10MHz
●
雙次級(jí)線圈分別供給x、y方向的兩對(duì)桿子●相位相差180度●電壓0～10000Vpp●
穩(wěn)定度萬分之1～
5
●
Agilent 安捷倫
GCMS
Sciex API 4000
提高射頻電源頻率：
–分辨力高、靈敏度高（震動(dòng)次數(shù)多）–
功耗大，制作困難
提高射頻電源電壓強(qiáng)度：
–質(zhì)量范圍寬（大質(zhì)量離子震動(dòng)慢）–功耗大、制作困難–
調(diào)諧和耐壓問題
●
●
RF-only 四極桿
●只有射頻V沒有直流U用于傳輸和冷卻離子可以做的很長——1m存在
LMCO
●●●
RF-only四極桿
Q2
Q0
Q00
Sciex API 5500 三重四極桿LCMSMS
低質(zhì)量歧視
●
LMCO
–Lower mass cut off–q=0.908時(shí)的m–
如果離子在極桿中的q超過RF-only0.908四時(shí)，將不能通過
–
小質(zhì)量范圍的離子不能傳輸，消失了
●
采用6
極桿或更高的
四極桿離子源
●
現(xiàn)有離子源：
–––
ESI電噴霧EI（外）CI（外）
離子成束
能量較低3～20eV（能量高分辨力差）
●
要點(diǎn)
––
四極桿質(zhì)譜檢測(cè)器
打拿極
電子倍增器
●
通常使用打拿極和電子倍增器+模擬型號(hào)記錄儀
–高能打拿極將離子轉(zhuǎn)換為二次電子10kV
–
電子倍增器電子放大–
16bit（動(dòng)態(tài)范圍好）采集卡●
也可以采用電子倍增器+計(jì)數(shù)器
–倍增器工作在飽和模式–
計(jì)數(shù)器記錄離子個(gè)數(shù)
（靈敏度高）
四極桿串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)
三重四極桿技術(shù)
TSQ Quantum 三重四極桿
●
四極桿串聯(lián)技術(shù)
●
兩把高分辨四極桿
Q1、Q3（篩選離子）●
一把傳輸四極桿Q2（打碎離子）
●
結(jié)合四極桿的優(yōu)秀定量能力和串級(jí)質(zhì)譜的定性能力
●精確的定量能力●更低的假陽性率●
定性能力
三重四極桿基本功能
●
Q1可以篩選母離子mz1
Q2通過碰撞碎裂打碎離子，形成碎片離子峰Q3篩選子離子，定量子離子碎片強(qiáng)度mz2
●
●
三重四極桿工作模式
MRM假陽性率較低的原因
●
利用母離子和子離子的共同特征，定量選擇性提高例如：
–––
●
如果樣品A母離子697和樣品B542在打碎后都具有子離子245
如果直接以特征離子245定量A697，那么樣品B就會(huì)對(duì)樣品A的定量造成干擾而利用離子對(duì)697-245定量，B542在A697通過Q1時(shí)無法通過Q1，這樣就排除了B542
的干擾
四極桿飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜
Qstar 四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜
●
四極桿-TOF串聯(lián)
–Q1選擇母離子–Q2打碎母離子–
TOF高精度測(cè)量●
定性能力非常好
–Q1、Q2了解結(jié)構(gòu)–
TOF10000
高分辨定性以上分辨力
基于四極桿的線型離子阱技術(shù)
●
利用四極桿的RF-only模式囚禁離子●
利用四極桿后端的狹縫，選擇性激發(fā)離子●
具有MSn串級(jí)功能和四極桿優(yōu)秀的定量能
力
Sciex QTrap
激發(fā)電極
中國四極桿技術(shù)的發(fā)展
早期科學(xué)院的產(chǎn)品
KYKY的石英雙曲面鍍鉬技術(shù)
●ZQ402四極桿質(zhì)譜計(jì)●
用于國防等氣體檢測(cè)
2007年北京東西電子的產(chǎn)品●GCMS 3100、3110兩款GCMS
基于安捷倫5972～5973的技術(shù)，檢測(cè)器類似于菲尼根DSQ目前我國最接近于國際同類產(chǎn)品的產(chǎn)品●●
我們的四極桿技術(shù)
●主要借鑒產(chǎn)品包括5975、API4000和普發(fā)QMA410
2007年起發(fā)展了3代3種技術(shù)的產(chǎn)品，分別滿足工業(yè)在線、GCMS、QTOF 3種專用質(zhì)譜儀的需求。
專用化、低價(jià)位，走差異化的發(fā)展路線●●
The EndContact: hoggyxu@gmail.com
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