2009-1 V1,,四极杆质谱原理和技术,徐国宾 / 杨芃原 教授 hoggyxu@,复旦大学化学系,B,Introduction to quadrupole MS theory & technology,复旦大学研究生课程《生物质谱技术与方法》,2009-1 V1,,四极杆质谱的基本原理,四极杆分析器的基本要素,●,电场分析器,●●,直流电压 U交流电压 V sin ωt,●,电场结构,●,四极场 quadrupolar,●,电极,●●,圆柱、双曲线场半径 r02009-1 V,简单的四极杆结构示意图,四极场的结构,●,四极场内部的电势,●●,瞬间时变,四极杆分析器内部的电势呈马鞍面2009-1 V,四极场的性质,●●●●,沿着 x 和 y 轴对称等电势面是一个马鞍面（ 0 ， 0 ）点电势为 0V ，而 且是等电势马鞍面的鞍点带电粒子在其中受到的 x 方向,的作用力与粒子和 x 轴的距离成正比四极杆分析器内部的电势呈马鞍面2009-1 V,2009-1 V1,,离子在四极场中的运动,离子在 x 方向感受到的电场可以表示为,这样离子受到的电场力可以表示为：,结合牛顿第二定律，加入加速度的方程：,将电场和加速度展开后，整理，可得，,2009-1 V1 ,a 对应着直流的强度q 对应着交流的强度,描述离子运动的马修方程马修方程和离子的运动方程可以很好的对应起来对应离子运动特征参数Émile Léonard Mathieu （ 1835 ～ 1890 ） 法国数学家，研究了鼓的震动，给出了,微分方程和解,2009-1 V1,,马修方程的解和稳定区,只有在稳定区内的运动形式在 空间上才是有限的——,稳定高于一切！,马修方程的稳定区,四极杆的稳定区,●●●,离子需要在 x 和 y 方向都稳定才 能通过四极杆稳定区上下对称特殊点：,●●●,（ 0.908 ， 0 ） LMCO ，低质量歧视（ 0 ， 0 ） Zero blast ，氢的不准确（ 0.706 ， 0.237 ）,四极杆工作点四极杆的稳定区示意图2009-1 V,利用稳定区筛选离子,●●●,目标：只让单一的 m/z 离子通过 四极杆原理： mass selective instability技术：（ 0.706 ， 0.237 ）,●,通过 a ， q 计算 U ， V,●●●●2009-1 V,2009-1 V1,,离子在四极杆中的稳定性,2009-1 V1 ,四极杆工作曲线,Agilent5975 GCMS 的工作曲线,四极杆窗口宽度,●●,如果直流强度超过 16.8% ，那么 直线的斜率会太大，不能通过稳 定区域，这时没有离子能够通过 四极杆质量分析器反之，离子选择的纯度会下降，,顶点附近的其他 m/z 的离子也会通过四极杆，四极杆的分辨力会下降，但是总的信号强度会增加。
实际上工作线并没有通过稳定区顶点2009-1 V,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,四极杆的 TUNE 微调,●,四极杆微调电路的一部分,通过微调 2% 的 U 可 以调整出 20u 、 5u 、 1u 、单位分辨以及高 分辨、无通过等多种 峰宽信号强度2009-1 V1 分辨力,四极杆的 AutoTune,●,调整每个 m/z 对应的 tune 值，使四极杆质 谱图的峰形对称、峰 强达到标准、分辨力 达到统一宽度2009-1 V,2009-1 V1,,四极杆质谱技术,2009-1 V1 ,四极杆分析器的电极,●,外形,●●,双曲线圆柱面,圆柱四极杆与双曲面四极杆的比较,●●,四极场 99% 的相同加工难度,●,双曲面 > 圆柱,●,加工精度,●,圆柱 > 双曲面2009-1 V,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,高阶场对四极杆的影响,●,圆柱型电极的影响,––,多一个自由度 r/ro 传统采用 1.1487,–,实际上可以在 1.12~1.16 之间,––,四极场不纯特殊的位置可以起到增 强灵敏度或分辨力的效,有效区域,果四极场作用区域2009-1 V,高 阶,场 作 用 区 域,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,分辨力提高,灵敏度提高,2009-1 V1 ,四极杆粗细的影响,●●,增大四极杆直径有利于●●增大四极杆不利于大质量范围的使用●,●,高压射频的制作,2 x ro 直径6mm,用途9000u 科研 450u 以下高灵敏度小分子分 析,8 ～ 9mm12mm16 ～ 20mm,常见的 30 ～ 3000u 有机分 子分析10 ～ 1500u 高分辨的较小有机分子分析1 ～ 50u 超高分辨气体分析,四极杆长度的影响,●●●,四极杆原理中认为四极杆是无限 长的一般采用 r0 的 30 ～ 60 倍作为 长度一般的 9mm 四极杆,●●,最短的有 127mm最长的有 240mm,●●,某些 16mm 四极杆会长达 400mm四极杆越长加工越困难，但是离 子震动的次数多，分辨力越好2009-1 V,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2009-1 V1 ,四极杆预杆的作用,●●●●,较长的四极杆难以加工四极杆的两头由于存在透镜的干 扰，电场并不符合四极场，分辨 力较低预杆可以延长四极杆的“有效长 度”降低边沿场的干扰有前预杆、后预杆,●●,Pre-quadpost-quad,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2009-1 V1,,四极杆的预杆,预杆是现代 LCMS 中必备的部件，而且预杆多数采用了电源隔离技术,四极杆的射频电源技术,●,频率～ 1MHz,●,500kHz ～ 10MHz,●●●●,双次级线圈分别供给 x 、 y 方向的两对杆子相位相差 180 度电压 0 ～ 10000Vpp稳定度万分之 1 ～ 52009-1 V,四极杆的射频电源技术,●,Agilent 安捷伦 GCMS2009-1 V,2009-1 V1,,四极杆的射频电源技术,Sciex API 4000,2009-1 V1 ,四极杆的射频电源技术,●,提高射频电源频率：,––,分辨力高、灵敏度高（震动次数多）功耗大，制作困难,●,提高射频电源电压强度：,–––,质量范围宽（大质量离子震动慢）功耗大、制作困难调谐和耐压问题,,,,,,,,,,,,,,,,,2009-1 V1 ,RF-only 四极杆,●●●●,只有射频 V 没有直流 U用于传输和冷却离子可以做的很长—— 1m存在 LMCO,Q00,RF-only 四极杆Q2Q0,Sciex API 5500 三重四极杆 LCMSMS2009-1 V,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,低质量歧视,●,LMCO,––––,Lower mass cut off q=0.908 时的 m 如果离子在 RF-only 四 极杆中的 q 超过 0.908 时，将不能通过小质量范围的离子不能 传输，消失了,●,采用 6 极杆或更高的2009-1 V,四极杆离子源,●,现有离子源：,–––,ESI 电喷雾 EI （外） CI （外）,●,要点,––,离子成束能量较低 3 ～ 20eV （能量高分辨力差）2009-1 V,四极杆质谱检测器,●,通常使用打拿极和电子倍增器,+ 模拟型号记录仪– 高能打拿极 10kV将离子转换为二次电子,–,电子倍增器 电子放大,–,16bit 采集卡 （动态范围好）,●,也可以采用电子倍增器 + 计数器– 倍增器工作在饱和模式– 计数器记录离子个数,（灵敏度高）2009-1 V,打拿极,四极杆,狭缝,电 子 倍 增 器,e,ion,2009-1 V1,,四极杆串联质谱技术,三重四极杆技术,●,四极杆串联技术,●●,两把高分辨四极杆 Q1 、 Q3 （筛选离子） 一把传输四极杆 Q2 （打碎离子）,●,结合四极杆的优秀定量 能力和串级质谱的定性 能力,●,精确的定量能力,●●,更低的假阳性率 定性能力2009-1 V,TSQ Quantum 三重四极杆,2009-1 V1 ,三重四极杆基本功能,●●●,Q1 可以筛选母离子 mz1Q2 通过碰撞碎裂打碎离子，形成碎片离子峰Q3 筛选子离子，定量子离子碎片强度 mz2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2009-1 V1 ,三重四极杆工作模式,模式Q1 扫描,Q1扫描离子,Q2不打碎，传输,Q3无分辨，传输,用途和特点了解样品基本,信息,子离子扫描,固定过滤母离子,打碎母离子,扫描子离子,研究母离子的结 构特征,母离子扫描,扫描母离子,打碎母离子,固定过滤子离子,筛选具有特征子,离子（结构）的,分子,中性丢失单离子监视 SIM多反应检测 MRM,扫描母离子按表过滤离子按表过滤母离子,打碎离子不打碎，传输打碎母离子,扫描子离子，与 母离子有特征差 异无分辨，传输按表过滤子离子,筛选具有特征结 构的分子，此结 构不易形成子离 子定量定量，假阳性低,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,。