安捷伦科技离子阱质谱

了解离子阱质谱仪

在这一部分，你将学习

• 离子阱是如何工作的 • 离子阱的基本操作 • 离子阱与与其它质谱分析器特点的比较

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离子阱的核心

环电极(ring electrode): 781 KHz 0-12,000 Vpp – 质谱分析用 端 帽（end caps): 0-781 KHz 0-20 V pp – 用来做质谱分离，CID，在质谱 分析中的非线形共振喷射 为了捕集、CID和提高质谱分辨率，阱里的氦气通过碰撞来减弱离子的运 动

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离子阱里离子的马修稳定图

经典方法 – 端帽没有电压， 波 动的rf 振幅

qz = 4zeV/mw2ro2 V = RF场的振幅 m = 质量 z = 电荷 w = rf 频率(781 KHz) r = 离子阱的半径 ( ~ 0.7 cm)

离子喷射点 qz ~ 0.91

M2 > M1

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非线形共振喷射的马修稳定图

离子喷射值qz更小

Agilent-Bruker的方法- rf 振幅是波动的，在端帽处 加了一个独立的低振幅的 rf信号，对喷射离子的频 率为共振频率的 1/3(也叫 轴调节)

M2 > M1

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为什么非线形共振? • 与共振喷射相比在质量分辨率相当的情况下扫 描速度更快。

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离子阱的分辨率、质量范围和扫描速度之间的关系 • 降低速度，环电极上的rf振幅会波动，由于降低 了离子的动态能量扩散，减小了离子信号的峰 宽度。

– 已报道在质量100处的分辨率大于 1,000,000 – 降低端帽的辅助调节频率 会减少喷射离子的qz (如 0.1 qz ),增加仪器的质量范围 – 已检测到大于 100,000 dalton 的单电荷离子

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非线性共振喷射的马修稳定图增加了质量范围

轴调节增加了质量范围， 离子喷射的qz 约为0.15

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Agilent Trap 的质量范围、质量分辨率和扫描速度

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在离子阱质谱仪上采集一张质谱谱图的基础 -时间事件 • 离子从API源在阱里积累 • 离子阱连续地以非线性共振喷射离子

API

狭缝 2

离子阱

检测器

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离子阱产生质谱图事件的时间序列

1. 排空离子阱

2. 累积时间 3. 扫描延迟

4.

质谱分析

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在阱里同时积累所有离子的优点 - 灵敏 更高的有效周期 (检测离子在整个周期中所占的百 分比) 增加了信噪比。

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为什么要控制离子累积过程 • API 产生了大量的带电离子到离子阱 • 由于离子数目的增加会产生场效应，因此在质 谱分析中离子阱里仅能容纳一定数目的离子。 • 超过这个离子数目（超过空间电荷上限）会降 低质谱的分辨率、质量精度和线性动态范围。

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范例：当离子阱中积累太多的离子将会发生什么

累积时间为 10 ms

累积时间为100 ms 超过了空间电荷上限

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减小空间电荷 • 空间电荷 –离子阱里有太多离子化种类会使电场 变形而不利于离子阱的工作 • 这些离子种类的大多数为基体或溶剂背景 • 降低空间电荷可以通过：

– 样品净化 – 色谱分离 – API-ion trap 仪器的应用

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减小或去除空间电荷效应的 API – Ion Trap方法

• 离子电荷控制 (ICC) : 通过控制累积时间来限制离子阱 里总电荷，使离子阱里的离子维持在一个恒定的水平 • 离子分离或选择离子储存 (SIS): 在累积后仅允许在阱里 储存一个质荷比的离子（或在累积时用SIS） • 垂直喷雾: 在电喷雾过程中减少样品或带电液滴

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ICC 去除空间充电效应 ICC 时间调节与TIC 呈反比例

Intens. x10 7

累积时间

50 ms

1.2

1.0

ICC 时间

0.8

TIC

0.6

0

2

Lsb00007.d: T IC, Al l ±

4

6

8

10

12

14

T i m e [m i n]

0 ms

Lsb00007.d: Vari abl e T race, Accum ul ati on T i m e (T rap)

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离子分离或 SIS使离子阱里 除了想要的离子外排除 其它所有的离子

• 离子分离发生在累积之后但在质谱分析之前 • SIS 发生在累积时

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垂直喷雾减少离子阱里样品的带电种类

5000 V N nebulization

2

Atmosphere

+ ++ + + + + + + + + -

+

++ + + ++ +

+ +

LC

+

++ +

Charged Residues

+

+

+

+

+ + + ++ + + +

+

+ + + ++ + + +

+ + + + + + +

Drying Gas N 300°C

2

Sampling Capillary

Ion Evaporation

Charged Residue Vacuum (noise)

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在离子阱做串联质谱

API

狭缝 2

离子阱

检测器

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离子阱产生MS/MS质谱图事件的时间序列

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

排空离子阱 累积时间 分离延迟 离子分离 碎裂延迟 CID 碎裂 扫描延迟 质谱分析

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离子阱中碰撞诱导分解 (CID) 的变量

• 碎裂电压:作用于帽端的电压 (通常 ~ 1 V) 增加离子的动 能，其频率为分离离子的共振频率 • 碎裂时间: 碎裂电压作用的时间 (通常 ~ 20ms) • 碰撞气: 氦气是碰撞气 • Cut-off 质量: 用来捕集离子的环电极上的rf 振幅 ( 通常 约为马修稳定图中离子喷射点的0.3)

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调节碎裂电压使CID最大

• 碎裂电压有一个电压范围(例如0.3 – 3 V)。 在此范围内波动， 确保所有的离子在碎裂时间内(例如 20 ms)都经过CID， (注意碎

裂较电压波动快，因此离子在碎裂之前不会被喷射出。)

电压太高-离子在CID之 前喷射出

相对强度

电压太低-没有足够的动 能使离子碎裂

碎裂电压

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为什么调节CID的Cutoff 质量?

• 增加 cutoff 质量增加了作用于离子上的捕集场，允许更高的碎裂电 压（更高的动能）作用在稳定的离子上使其碎裂。

快速 Cal 设置 (自动选择 qz )

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离子阱上MSn 能力 • 什么是 MSn ?

– 该方式是表明多级离子分离和碎裂步骤可产生离子质 谱图。 – n = 分离和碎裂步骤数目，最小是1（最后一步是全 扫描).

• e.g. MS3 意义

– 1) 一个母离子的分离和碎裂 – 2) 由前级碎裂得到的子离子的分离和碎裂 – 3) 全扫描质谱分析

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MS3的图解

累积

A+

第一级离子分 离 第一级离子碎 裂

A1+ A2+ A3+ A4+ A2+

MS1

第二级离子分 离 第二级离子碎 裂

MS2

A1

1+ A21+ A31+ A41+ A11+ A21+ A31+ A41+

第三级质谱分 析Mass

MS3

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MS5 范例

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何时用 MSn 及n值可做什么

• 在阱里低能量的CID经常会导致一个重排的子离子 (e.g.丢失 H2O), 因此,多一级的MS/MS会提供更多的结构信息和结构特征. • 在Agilent Trap 上n可为2-10 (离子阱的记录为 17 ). (在MS17 的子离 子的谱图会是怎样的?) • 如果每一级MS/MS后都会形成许多子离子，那么在n=4以后灵敏度 就会有很显著的下降.记住电荷不会超过最初母离子.有越多的子离 子形成,最初的电荷也越被分散.

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在高阶MSn 信号水平的损失

假设每一步碎裂产生3个强度相同的离子

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有关离子阱的其它文献

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