四極桿質(zhì)譜原理和技術(shù)x學(xué)習(xí)教案

1、四極桿質(zhì)譜原理四極桿質(zhì)譜原理(yunl)和技術(shù)和技術(shù)x第一頁，共44頁。2009-1 V四極(s j)桿質(zhì)譜的基本原理第1頁/共45頁第二頁，共44頁。四極(s j)桿分析器的基本要素電場(din chng)分析器直流電壓 U交流(jioli)電壓 V sin t電場結(jié)構(gòu)四極場 quadrupolar電極圓柱、雙曲線場半徑 r02009-1 V簡單的四極桿結(jié)構(gòu)示意圖第2頁/共45頁第三頁，共44頁。四極(s j)場的結(jié)構(gòu)四極場內(nèi)部(nib)的電勢瞬間(shn jin)時(shí)變四極桿分析器內(nèi)部的電勢呈馬鞍面2009-1 V第3頁/共45頁第四頁，共44頁。四極(s j)場的性質(zhì)沿著 x 和 y 軸對(duì)

2、稱等電勢(dinsh)面是一個(gè)馬鞍面（ 0 ， 0 ）點(diǎn)電勢(dinsh)為 0V ，而且是等電勢(dinsh)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 軸的距離成正比四極(s j)桿分析器內(nèi)部的電勢呈馬鞍面2009-1 V第4頁/共45頁第五頁，共44頁。2009-1 V離子在四極(s j)場中的運(yùn)動(dòng)離子(lz)在 x 方向感受到的電場可以表示為這樣離子(lz)受到的電場力可以表示為：結(jié)合牛頓第二定律，加入加速度的方程：將電場和加速度展開后，整理，可得，第5頁/共45頁第六頁，共44頁。2009-1 Va 對(duì)應(yīng)(duyng)著直流的強(qiáng)度q 對(duì)應(yīng)(duyng)著交流的強(qiáng)度

3、描述離子運(yùn)動(dòng)的馬修方程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)mile Lonard Mathieu （ 1835 1890 ）法國(f u)數(shù)學(xué)家，研究了鼓的震動(dòng)，給出了微分方程(wi fn fn chn)和解第6頁/共45頁第七頁，共44頁。2009-1 V馬修方程(fngchng)的解和穩(wěn)定區(qū)只有在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)(q ni)的運(yùn)動(dòng)形式在空間上才是有限的穩(wěn)定(wndng)高于一切！馬修方程的穩(wěn)定區(qū)第7頁/共45頁第八頁，共44頁。四極(s j)桿的穩(wěn)定區(qū)離子需要在 x 和 y 方向都穩(wěn)定(wndng)才能通過四極桿穩(wěn)定(wndng)區(qū)上下對(duì)稱特殊點(diǎn)：（ 0.908 ， 0

4、）LMCO ，低質(zhì)量歧視(qsh)（ 0 ， 0 ）Zero blast ，氫的不準(zhǔn)確（ 0.706 ， 0.237 ）四極桿工作點(diǎn)四極桿的穩(wěn)定區(qū)示意圖2009-1 V第8頁/共45頁第九頁，共44頁。利用穩(wěn)定區(qū)篩選(shixun)離子目標(biāo)：只讓單一的 m/z 離子通過四極(s j)桿原理： mass selective instability技術(shù)：（ 0.706 ， 0.237 ）通過(tnggu) a ， q 計(jì)算 U ， V2009-1 V第9頁/共45頁第十頁，共44頁。2009-1 V離子(lz)在四極桿中的穩(wěn)定性第10頁/共45頁第十一頁，共44頁。2009-1 V四極(s j)桿

5、工作曲線Agilent5975 GCMS 的工作(gngzu)曲線第11頁/共45頁第十二頁，共44頁。四極(s j)桿窗口寬度如果直流強(qiáng)度超過 16.8% ，那么直線的斜率會(huì)太大，不能通過(tnggu)穩(wěn)定區(qū)域，這時(shí)沒有離子能夠通過(tnggu)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(dnsh)總的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)增加。實(shí)際上工作線并沒有通過穩(wěn)定區(qū)頂點(diǎn)2009-1 V第12頁/共45頁第十三頁，共44頁。四極(s j)桿的 TUNE 微調(diào)四極(s j)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

6、 、1u 、單位分辨(fnbin)以及高分辨(fnbin)、無通過等多種峰寬信號(hào)強(qiáng)度2009-1 V1 分辨(fnbin)力第13頁/共45頁第十四頁，共44頁。四極(s j)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(duchn)、峰強(qiáng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)、分辨力達(dá)到統(tǒng)一寬度2009-1 V第14頁/共45頁第十五頁，共44頁。2009-1 V四極(s j)桿質(zhì)譜技術(shù)第15頁/共45頁第十六頁，共44頁。2009-1 V四極(s j)桿分析器的電極外形(wi xn)雙曲線圓柱面第16頁/共45頁第十七頁，共44頁。圓柱四極(s j)桿與雙曲面四極(s j)桿的比

7、較四極(s j)場 99% 的相同加工難度雙曲面 圓柱(yunzh)加工精度圓柱 雙曲面2009-1 V第17頁/共45頁第十八頁，共44頁。高階場對(duì)四極(s j)桿的影響圓柱型電極(dinj)的影響多一個(gè)自由度 r/ro傳統(tǒng)(chuntng)采用 1.1487實(shí)際上可以在1.121.16 之間四極場不純特殊的位置可以起到增強(qiáng)靈敏度或分辨力的效有效區(qū)域果四極場作用區(qū)域2009-1 V高階場作用區(qū)域第18頁/共45頁第十九頁，共44頁。分辨力提高(t go)靈敏度提高(t go)2009-1 V四極桿粗細(xì)(cx)的影響增大四極桿直徑有利于增大四極桿不利于大質(zhì)量范圍的使用高壓射頻的制作2 x ro

8、 直徑6mm用途9000u 科研450u 以下高靈敏度小分子分析8 9mm12mm16 20mm常見的 30 3000u 有機(jī)分子分析10 1500u高分辨的較小有機(jī)分子分析1 50u超高分辨氣體分析第19頁/共45頁第二十頁，共44頁。四極(s j)桿長度的影響四極(s j)桿原理中認(rèn)為四極(s j)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(s j)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(yu chn)加工越困難，但是離子震動(dòng)的次數(shù)多，分辨力越好2009-1 V第20頁/共45頁第二十一頁，共44頁。200

9、9-1 V四極(s j)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，電場并不符合四極場，分辨力較低預(yù)桿可以延長(ynchng)四極桿的“有效長度”降低邊沿場的干擾有前預(yù)桿、后預(yù)桿Pre-quadpost-quad第21頁/共45頁第二十二頁，共44頁。2009-1 V四極(s j)桿的預(yù)桿預(yù)桿是現(xiàn)代 LCMS 中必備的部件，而且(r qi)預(yù)桿多數(shù)采用了電源隔離技術(shù)第22頁/共45頁第二十三頁，共44頁。四極桿的射頻電源(dinyun)技術(shù)頻率(pnl) 1MHz500kHz 10MHz雙次級(jí)線圈分別供給x 、 y 方向的兩對(duì)桿子相位(xingwi)相差 180 度電壓 0

10、 10000Vpp穩(wěn)定度萬分之 1 52009-1 V第23頁/共45頁第二十四頁，共44頁。四極(s j)桿的射頻電源技術(shù)Agilent 安捷倫 GCMS2009-1 V第24頁/共45頁第二十五頁，共44頁。2009-1 V四極(s j)桿的射頻電源技術(shù)Sciex API 4000第25頁/共45頁第二十六頁，共44頁。2009-1 V四極桿的射頻(sh pn)電源技術(shù)提高射頻電源(dinyun)頻率：分辨力高、靈敏度高（震動(dòng)次數(shù)(csh)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)諧和耐壓問題第26頁/共45頁第二十七頁，共44頁。2009-

11、1 VRF-only 四極(s j)桿只有射頻 V 沒有直流 U用于傳輸和冷卻離子(lz)可以做的很長 1m存在 LMCO第27頁/共45頁第二十八頁，共44頁。Q00RF-only 四極(s j)桿Q2Q0Sciex API 5500 三重(sn zhn)四極桿 LCMSMS2009-1 V第28頁/共45頁第二十九頁，共44頁。低質(zhì)量歧視(qsh)LMCOLower mass cut offq=0.908 時(shí)的 m如果離子在 RF-only 四極桿中的 q 超過(chogu) 0.908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(ciyng) 6 極桿或更高的2009-1 V第29

12、頁/共45頁第三十頁，共44頁。四極(s j)桿離子源現(xiàn)有(xin yu)離子源：ESI 電噴霧EI （外）CI （外）要點(diǎn)(yodin)離子成束能量較低 3 20eV（能量高分辨力差）2009-1 V第30頁/共45頁第三十一頁，共44頁。四極(s j)桿質(zhì)譜檢測器通常使用(shyng)打拿極和電子倍增器+ 模擬型號(hào)記錄儀 高能(gonng)打拿極 10kV將離子轉(zhuǎn)換為二次電子電子倍增器電子放大16bit 采集卡（動(dòng)態(tài)范圍好）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）2009-1 V打拿極四極桿狹縫電子倍增器eion第31頁/共45頁第三十二頁，共

13、44頁。2009-1 V四極(s j)桿串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)第32頁/共45頁第三十三頁，共44頁。三重四極(s j)桿技術(shù)四極桿串聯(lián)(chunlin)技術(shù)兩把高分辨四極桿Q1 、 Q3 （篩選(shixun)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2009-1 VTSQ Quantum 三重四極桿第33頁/共45頁第三十四頁，共44頁。2009-1 V三重(sn zhn)四極桿基本功能Q1 可以篩選母離子 mz1Q2 通過碰撞碎裂打碎離子，形成碎片(su pin)離子峰Q3 篩選子離子，定量子離子碎片(su pin)強(qiáng)度

14、mz2第34頁/共45頁第三十五頁，共44頁。2009-1 V三重四極桿工作(gngzu)模式模式(msh)Q1 掃描Q1掃描(somio)離子Q2不打碎，傳輸Q3無分辨，傳輸用途和特點(diǎn)了解樣品基本信息子離子掃描固定過濾母離子打碎母離子掃描子離子研究母離子的結(jié)構(gòu)特征母離子掃描掃描母離子打碎母離子固定過濾子離子篩選具有特征子離子（結(jié)構(gòu)）的分子中性丟失單離子監(jiān)視 SIM多反應(yīng)檢測MRM掃描母離子按表過濾離子按表過濾母離子打碎離子不打碎，傳輸打碎母離子掃描子離子，與母離子有特征差異無分辨，傳輸按表過濾子離子篩選具有特征結(jié)構(gòu)的分子，此結(jié)構(gòu)不易形成子離子定量定量，假陽性低第35頁/共45頁第三十六頁，共

15、44頁。MRM 假陽性率較低的原因(yunyn)利用母離子和子離子的共同特征，定量(dngling)選擇性提高例如：如果樣品 A 母離子(lz) 697 和樣品 B542 在打碎后都具有子離子(lz) 245如果直接以特征離子(lz) 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(lz)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2009-1 V697EI245542第36頁/共45頁第三十七頁，共44頁。四極桿飛行(fixng)時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜四極(s j)桿 -TOF 串聯(lián)Q1 選擇(xun

16、z)母離子Q2 打碎母離子TOF 高精度測量定性能力非常好Q1 、 Q2 了解結(jié)構(gòu)TOF 高分辨定性10000 以上分辨力Qstar 四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜2009-1 V第37頁/共45頁第三十八頁，共44頁?；谒臉O(s j)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(jyu) MSn 串級(jí)功能和四極桿優(yōu)秀的定量能力2009-1 V第38頁/共45頁第三十九頁，共44頁。2009-1 VSciex QTrap激發(fā)(jf)電極第39頁/共45頁第四十頁，共44頁。2009-1 V中國四極(s j)桿技術(shù)的發(fā)展第40頁/共45頁第四十一頁，共44頁。早期(zoq)科學(xué)院的產(chǎn)品ZQ402 四極桿質(zhì)譜計(jì)用于國防(gufng)等氣體檢測KYKY 的石英(shyng)雙曲面鍍鉬技術(shù)2009-1 V第41頁/共45頁第四十二頁，共44頁。2007 年北京(bi jn)東西電子的產(chǎn)品GCMS 3100 、