四极杆质谱原理和技术
复旦大学研究生课程《生物质谱技术与方法》
四极杆质谱原理和技术
Introduction to quadrupole MS theory & technology
徐国宾 / 杨芃原 教授[email protected]复旦大学化学系
Biomass.fudan.edu.cn
四极杆质谱的基本原理
四极杆分析器的基本要素
简单的四极杆结构示意图
●
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r
四极杆分析器内部的电势呈马鞍面
●
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
●
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
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，
描述离子运动的马修方程
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
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
a对应着直流的强度q
对应着交流的强度
马修方程的解和稳定区
马修方程的稳定区
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！
四极杆的稳定区
四极杆的稳定区示意图
●
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
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
技术：（0.706，0.237）
●●●●●
●
●
，q计算U，V
离子在四极杆中的稳定性
四极杆工作曲线
四极杆窗口宽度
实际上工作线并没有通过稳定区顶点
●
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。
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
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
四极杆质谱技术
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
高阶场对四极杆的影响
高阶场有效区域
作用区域
四极场作用区域
●
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果
四极杆粗细的影响
●
增大四极杆直径有利于
●
分辨力提高●
灵敏度提高●
增大四极杆不利于
●
大质量范围的使用●
高压射频的制作
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
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-quad●
post-quad
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
●
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～
5
●
Agilent 安捷伦
GCMS
Sciex API 4000
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
●
●
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
●●●
RF-only四极杆
Q2
Q0
Q00
Sciex API 5500 三重四极杆LCMSMS
低质量歧视
●
LMCO
–Lower mass cut off–q=0.908时的m–
如果离子在极杆中的q超过RF-only0.908四时，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
四极杆离子源
●
现有离子源：
–––
ESI电喷雾EI（外）CI（外）
离子成束
能量较低3～20eV（能量高分辨力差）
●
要点
––
四极杆质谱检测器
打拿极
电子倍增器
●
通常使用打拿极和电子倍增器+模拟型号记录仪
–高能打拿极将离子转换为二次电子10kV
–
电子倍增器电子放大–
16bit（动态范围好）采集卡●
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）
四极杆串联质谱技术
三重四极杆技术
TSQ Quantum 三重四极杆
●
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
三重四极杆基本功能
●
Q1可以筛选母离子mz1
Q2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
●
●
三重四极杆工作模式
MRM假阳性率较低的原因
●
利用母离子和子离子的共同特征，定量选择性提高例如：
–––
●
如果样品A母离子697和样品B542在打碎后都具有子离子245
如果直接以特征离子245定量A697，那么样品B就会对样品A的定量造成干扰而利用离子对697-245定量，B542在A697通过Q1时无法通过Q1，这样就排除了B542
的干扰
四极杆飞行时间串联质谱
Qstar 四极杆飞行时间质谱
●
四极杆-TOF串联
–Q1选择母离子–Q2打碎母离子–
TOF高精度测量●
定性能力非常好
–Q1、Q2了解结构–
TOF10000
高分辨定性以上分辨力
基于四极杆的线型离子阱技术
●
利用四极杆的RF-only模式囚禁离子●
利用四极杆后端的狭缝，选择性激发离子●
具有MSn串级功能和四极杆优秀的定量能
力
Sciex QTrap
激发电极
中国四极杆技术的发展
早期科学院的产品
KYKY的石英双曲面镀钼技术
●ZQ402四极杆质谱计●
用于国防等气体检测
2007年北京东西电子的产品●GCMS 3100、3110两款GCMS
基于安捷伦5972～5973的技术，检测器类似于菲尼根DSQ目前我国最接近于国际同类产品的产品●●
我们的四极杆技术
●主要借鉴产品包括5975、API4000和普发QMA410
2007年起发展了3代3种技术的产品，分别满足工业在线、GCMS、QTOF 3种专用质谱仪的需求。
专用化、低价位，走差异化的发展路线●●
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