四极杆质谱仪,四极杆质谱仪原理,介绍,使用说明,特点,技术指标等 - 仪器百科

0简介

四级杆质谱仪(Quadrupole Mass Spectrometer)的名字来源于其四级杆质量选择器(Quadrupole Mass Analyzer, QMA)。在四级杆中，四根电极杆分为两两一组，分别在其上施加射频(Radio Frequency, RF)反相交变电压。位于此电势场中的离子，被选择的部分稳定后可到达检测器(Detector)，或者进入之后的空间进行后续分析。四级杆质谱仪的结构和电路都相对其他质谱仪要简单。成本也相对低廉。四级杆质谱仪被广泛的应用于色谱-质谱(Chromatography-Mass Sepctrometry)联用中。通过多个四级杆的串联使用，可以实现多重质谱分析(Tendem Mass Spectrometry, Tendem MS)，从而获得待测物的结构信息。四级杆质谱仪每次只允许单一荷质比的离子通过，在扫描较大质量区间时，四级杆质谱仪所需的时间要远远大于飞行时间质谱(Time of Flight Mass Spectrometry, ToF-MS)，轨道离子阱质谱(Orbitrap MS)，线性离子阱(Linear Ion Trap)等使用脉冲采样方式的质谱仪。

中文名: 四级杆质谱仪
外文名: Quadrupole Mass Spectrometer
定义: 以四级杆质量选择器为主要设备

发明人: 沃尔夫冈保罗教授
作用方式: 基于离子的荷质比使离子轨道稳定
提出时间: 1950年

1定义

以四级杆质量选择器为主要质量分析设备的质谱仪被称为四级杆质谱仪或四级杆质谱计。

四级杆质量选择器(Quadrupole Mass Analyzer)

四级杆质量选择器是一种基于离子的荷质比(Mass to Charge Ratio)使离子轨道(Ion Trajectory)在震荡电场(Oscillating Electronic Field)中趋于稳定(Stabilization)的设备。

2历史

关于四级杆质谱仪的最早文献时间为1950年中期。发明人沃尔夫冈保罗教授(Professor Wolfgang Paul)在1989年获得诺贝尔物理学奖。

3质量选择器及其原理

实际的四级杆质量选择器

虽然现实中使用的四级杆质量选择器大多使用圆柱形，然而理想的质量选择器外形为双曲线形。质量选择器的大小通常在几厘米到几十厘米之间。

理想的四级杆

四级杆质量选择器的四根极杆被对应的分为两组，分别施加反相射频高压。其中两组电压的表达式分别为：

两组电压只有符号相反。其中U为直流(DC)分量，V为射频(达到发射频率的交流电，RF)分量的振幅(在此处用到的是V_rms而不是Vp-p)。

在通常情况下，U的值为500-2000 V，V为0-3000 V 。^[1]

在这样的电场环境下，离子会根据电场进行震荡。然而，只有特定荷质比的离子可以稳定的通过电场。当极杆上的电压被指定时，质量过小的离子会受到很大的电压影响，从而进行非常激烈的震荡，导致碰触极杆失去电荷而被真空系统抽走；质量过大的离子因为不能受到足够的电场牵引，最终导致碰触极杆或者飞出电场而无法通过质量选择器。

质量稳定区间函数

在四级杆质量选择器的硬件中，通常的做法是调整射频工作频率w来选择离子的质量，调整U与V的比值来调整离子的通过率。本节对应的图片可见，三角形区域为该质量的离子稳定的区域。U与V的比值在此体现为斜率。可见，U/V越大，离子的选择精度越高，仪器的解析能力越强，但是能稳定通过的离子数量减小；而U/V比值越小，离子通过的数量多，但是解析度下降。经过权衡之后，大多数四级杆质谱仪的解析能力大约都是1Th，体现在质谱图上就是半峰宽度大约为1Th或者1Da。^[3]

值得指出的是，当U值为零，即四级杆上仅施加射频电压时，所有离子均可通过。这样操作的意义是，可以使离子束更加聚拢。通常当作离子镜(Ion Lens)使用。最典型的扩展就是八极杆和六极杆的出现，实际是源自四级杆的基本工作特性。

4真空系统

质谱仪的真空系统通常分为两级。

初级真空系统为二级真空系统提供基本真空支持。二级真空系统通常直接与质谱仪腔体相连，使质谱仪达到真空状态。值得注意的是，四级杆质谱仪的真空并非高真空(0.001 Pa) 。离子在极杆中运动，大量的能量由电场中获得。为形成稳定的离子云，四级杆质谱中需要存在极为微量的气体用来吸收过量的动能。四级杆质谱仪的真空通常为飞行时间质谱(1e-5 Pa) 的百分之一，为轨道离子阱质谱(1e-14 Pa) 的百亿分之一。

5电源系统

四级杆空气芯变压器

因为四级杆系统对于高频电压的需求，在四级杆质谱的核心供电系统中通常不使用磁芯，而使用空气芯变压器以便保证电路对于高频射频的响应。^[6] 早期的起震元器件采用电容-电感-三极管的自激振荡方式(美国乔治亚州的THS公司生产的质谱依然采用此系统)，随电子技术的发展，震荡源多采用电压控制振荡器(Voltaged Controlled Oscillator, VCO)或采用直接数字合成(Direct Digital Synthesis, DDS)方式。

6扩展应用

7参考资料

1.  Edmond de Hoffmann, Vicent Stroobant．Mass Spectrometry: Principles and Applications, 3rd Edition．United States of America：Wiley，2007：p.p.88
2.  A Brief History of Mass Spectrometry ．Scripps Center for Metabolomics[引用日期2015-08-26]
3.  Yi You, J V. P. Kanawade, et al.．Atmospheric amines and ammonia measured with a Chemical Ionization Mass Spectrometer (CIMS)．United States of America：Atmospheric Chemistry and Physics，2014：14, pp. 12181-12194
4.  Tofwerk GmbH．AMS Hardware User Manual：Tofwerk，2015
5.  Thermo Scientific．Orbitrap Exactive Plus Hardware User Manual：Thermo Scientific，2014
6.  John B. Hagen．Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications 2nd Edition：Cambridge University Press; 2 edition，2009
7.  Roger Schneiter, et al.．Electrospray Ionization Tandem Mass Spectrometry (Esi-Ms/Ms) Analysis of the Lipid Molecular Species Composition of Yeast Subcellular Membranes Reveals Acyl Chain-Based Sorting/Remodeling of Distinct Molecular Species En Route to the Plasma Membrane：Journal of Cell Biology，1999：146, no. 4, pp.741-754

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