Chapter-5-QMS

第五章四极杆质谱仪二，四极杆质谱仪的特点与应用三，四极杆质谱仪的研究与开发二四极杆质谱仪的特点与应用1，四极杆质谱仪基本特点2，四极杆质谱的应用范围四极杆质量分析器的基本特征电极1).电极要求：•传统上，四极杆质量分析器要求可以产生近乎纯四极场的电场分布。机械加工精度和组装精度都要求很高。•以双曲面型，和圆柱型为主。•根据质量范围决定场半径，即电极尺寸。•对四极杆质量分析器，其长度无限制。2).工作环境：•真空度应维持在10-4托以上；•温度变化最好不太大，以免电极系统的热胀冷缩而导致电场分布的改变，进而影响质量分辨能力；•对样品种类无要求，抗腐蚀性较好；•如需清洗，应特别小心，以避免损伤四个电极的几何精度。3).优点：•结构简单，造价低；•重现性好；•较易和其它类型的质量分析器构成串级质谱系统。4).缺点：•质量范围有限；•质量分辨能力不高。用圆柱形电极取代双曲面形电极的最大优点在于：A，可简化四极质谱仪的生产工艺；B，可降低四极质谱的生产成本。四极电场的功能(1).可以在较高气体压力下聚焦和传输正、负离子，故常常被用作离子导引(IonGuide);(2).可以对离子进行选择,故常常被用作离子质量分析器(MassAnalyzer);(3).可以束缚正、负离子,故常常被用于制作线型离子阱(LinearIonTrap).第一稳定区图q0.0.2.4.6.8a0.00.05.10.15.20稳定区非稳定区非稳定区离子导引(1),作为离子导引时的质量范围估计当四极杆电极作为离子导引使用时，工作电源中可不含有直流成分，即同时，由于交流电压不为零，故可得：08202rmeUa2024rqVem•当四极杆电极作为离子导引使用时，交流工作电压中一般设为几百伏特即可。这里假定为500V；•同时，由于直流电压成分为零，则此时四极电场可传输的离子质荷比范围完全由交流电压值决定；•实验表明，当四极电场用作离子导引时，q值的有效范围为：0.006~0.908。因此，离子导引的动态范围约为（答案数据做了修改）最小质荷比(m/e):最大质荷比(m/e):215/10*234.2005.0*)10*14.3*2(*908.0500*446226202CkgrqVem32582/10*381.3005.0*)10*14.3*2(*006.0500*444226202CkgrqVem在实际应用中，一般用作离子导引的电极和用作质量分析器时，或线型离子阱的电极，其几何尺寸相同。作为离子导引时的基本要求：1).电极要求：•四个可以产生以四极场为主的电极。机械加工精度和组装精度都要求不高。•可以是双曲面型，圆柱型，方型等。•根据质量范围决定场半径。•长度无限制。2).工作环境：•真空度应维持在10-1至10-3托左右；离子导引区的气体压力应保持在使得离子的平均自由程远小于离子导引杆的长度。研究还表明，较高压力有利于较大质量数的离子通过。•温度无特殊要求；•对样品种类无要求，抗腐蚀性较好；•需及时清洗，避免表面电荷干扰。3).优点：•结构简单，•往往可以和后续的四极场产生装置共用一套电源。4).缺点：•在较高真空度下，其离子传输和聚焦效果不好。5).适用范围：•最常用于以电喷雾电离方法作为离子源的质谱仪；•可以和任何类型的离子质量分析器结合使用，如四极质量分析器、离子阱质量分析器、飞行时间质谱仪、付立叶变换磁回旋共振质谱仪等。质量分析器对于任何一个四极质量分析器，它有两个最重要的性能指标，即：•质量测量范围•质量分辨能力A.质量测量范围由：得到：2024rmeVq2024rqVem假定:r0=5mm=0.005m，(对四极杆质谱)f=1x106Hz(1MHz)Vmax=10000v因此：mmax=5535amuckgrqVem/10*746.5005.0*)10*14.3*2(*706.010000*445226202由于大多数蛋白质，DNA片断等生物大分子都可以同时携带多个电荷，故四极质谱仪实际可测量的分子量可达几万或几十万amu.B.质量分辨能力定义：m/Δm实际应用中，通过改变扫描线的斜率，即λ=a/q=2U/V来改变质谱仪的质量分辨能力。四极杆电极机械精度与质量分辨的关系由得到：和所以2024rmeVq2024rqeVm03024*2drrqeVdm002020302*2)]4/[()]4(*)2[(rdrrmeVdrrmeVmdm当r0=5mm时，若需要dm/m=1/2000,即要求四极质谱的质量分辨达到2000，则四极杆的机械精度必须达到：即mmmdrdrrdr25.110*25.15*2*22000130000基本要求：1).电极要求：•传统上，不论是四极杆质量分析器，还是四极离子阱质量分析器，都要求可以产生近乎纯四极场的电场分布。机械加工精度和组装精度都要求很高。•以双曲面型，和圆柱型为主。•根据质量范围决定场半径，即电极尺寸。•对四极杆质量分析器，其长度无限制。2).工作环境：•真空度应维持在10-4托以上;•温度变化最好不太大，以免电极系统的热胀冷缩而导致电场分布的改变，进而影响质量分辨能力。•对样品种类无要求，抗腐蚀性较好;•如需清洗，应特别小心，以避免损伤四个电极的几何精度。3).优点：•结构简单，造价低；•重现性好。•较易和其它类型的质量分析器构成串级质谱系统。4).缺点：•质量范围有限；•质量分辨能力不高。5).适用范围：•最常用于分析质荷比不太大的无机、有机和较小(分子量在104以内)的生物分子样品。•可以和任何类型的离子质量分析器结合使用，如四极质量分析器、离子阱质量分析器、飞行时间质谱仪、付立叶变换回旋共振质谱仪等。离子阱根据几何形状的不同，离子阱可分为：(1).线性离子阱(2).三维离子阱(1).线性离子阱：•和四极杆离子导引，和四极杆质量分析器一样，线性离子阱是由四个杆型电极所构成。•传统上，建造线性离子阱的四个杆型电极应可以产生近乎纯四极场的电场分布。机械加工精度和组装精度都要求很高。•以双曲面型，和圆柱型为主。•根据质量范围决定场半径，即电极尺寸。•长度无限制。线性离子阱的作用：•可作为简单的离子阱使用，用于存储离子。它可以和各种质量分析器结合起来组成较为复杂的质谱仪器。•也可以作为离子阱质量分析器。一种线性离子阱质量分析器的示意图12mm三，四极质谱仪的研究与开发1，四极杆质谱仪的研究现状2，四极杆质谱研究中存在的问题研究现状：1).传统理论认为，四极质谱仪的四个电极所产生的电场应尽可能接近纯的四极场。2).其它外加“杂散电场”对四极场区的干扰应尽可能小。根据条件1),•组成四极质谱的四个电极，其形状必须尽可能接近为理想的双曲面。•此四个电极的组装精度必须足够高。根据条件2),•组成四极质谱的四个电极必须屏蔽良好，以减少外电场的干扰。•此四个电极表面必须足够干净，以避免表面污染物积累电荷而产生“杂散电场”干扰。四极质谱的研究工作举例1.研究目的2.四极杆质谱的研究1.研究目的•丰富质谱学理论知识•提高质谱仪器的性能•降低成本2.四极杆质谱研究(1).八极场对四极质谱性能的影响1).八极场的产生2).八极场对第一稳定区图的影响3).试验结果参考文献:D.Douglasetal1,Ionexcitationinalinearquadrupoleiontrapwithanaddedoctopolefield.J.Am.Soc.MassSpectrom.16,835-849(2005)2,Quadrupolemassfilterswithaddedoctopolefields.RapidCommu.MassSpectrom.17,2494(2003)1).八极场的产生根据产生电场分布的需要精确计算四极杆系统的几何形状;当需要建造可产生四极场：A2，和八极场：A4，成分的电场分布时，四极杆系统的几何形状应满足以下方程：;A2(x2-y2)+A4(x4-6x2y2+y4)=±1由：A2(x2-y2)+A4(x4-6x2y2+y4)=±1得：A4x4+(A2-6A4y2)x2+(A4y4-A2y2±1)=0az2+bz+c=0和：z=x2a=A4b=A2-6A4y2c=A4y4-A2y2±1当，A2=98%=0.98，A4=2%=0.02有：z=x2a=0.02b=0.98-0.12y2c=0.02y4-0.98y2±1当A2=98%=0.98，A4=2%=0.02时的四极杆形状A2=0.98,A4=0.02也可以使用四根直径不等的圆柱型电极构筑四极杆系统;RyRx2rx2ryPhoto1.Roddimensionsforaddingoctopolestoquadrupolefields(rx=ry=Rx)Photo2.Roddimensionsforaddingoctopolestoquadrupolefields(rx=ry=Rx)八极场含量与两组电极杆尺寸的关系八极场含量对第一稳定区图的影响Diagramofthefirststabilityregionof:(1),perfectquadrupolefield;(2),quadrupolefieldwith+2.00%octopolecomponent,and(3),quadrupolefieldwith-2.00%octopolecomponent.q.68.70.72.74a.220.225.230.235.240.245.250(1)(2)(3)T=1%T=1%T=5%正八极场对质谱峰的影响MassspectroscopyofReserpinesingly-chargedions(R+H)+usingalinearquadrupolemassfilterwithadded+2.6%octopoles.m/z608.5609.0609.5610.0610.5IonIntensity0.02.0e+54.0e+56.0e+58.0e+51.0e+61.2e+6FWHM=M/负八极场对质谱峰的影响MassspectroscopyofReserpinesingly-chargedions(R+H)+usingalinearquadrupolemassfilterwithadded-2.6%octopoles.m/z600602604606608610612614IonIntensity01000020000300004000050000FWHM=609/4.7=130八极场对离子通过率的影响Resolution100020003000400050006000IonCounts0.02.0e+74.0e+76.0e+78.0e+71.0e+81.2e+81.4e+8八极场对四极性能的影响•可以获得高达5800的质量分辨；•可以提高离子通过率，故可以提高仪器灵敏度；•可以提高蛋白质离子的CID效率，有可能提高蛋白质组学的研究效率；•可以提高离子阱中离子的偶极共振逐出效率和质量分辨能力，提高线性离子阱的性能。(2).六极场对四极质谱性能的影响1).六极场的产生2).六极场对第一稳定区图的影响参考文献:D.Douglasetal1,LinearquadrupoleswithaddedHexapolefields.J.Am.Soc.MassSpectrom.17,1063-1073(2006)2,Methodandapparatusforprovidingtwo-dimensionalsubstantiallyquadrupolefieldshavingselectedhexapolecomponents.UnitedStatesPatent,Fileddate:Sept25,20031).六极场的产生根据产生电场分布的需要精确计算四极杆系统的几何形状;当需要建造可产生