四极杆质谱原理和技术

2009-1V1biomass.fudan.edu.cn四极杆质谱原理和技术徐国宾/杨芃原教授[e-mail]复旦大学化学系Biomass.fudan.edu.cnIntroductiontoquadrupoleMStheory&technology复旦大学研究生课程《生物质谱技术与方法》2009-1V1biomass.fudan.edu.cn四极杆质谱的基本原理2009-1V1biomass.fudan.edu.cn四极杆分析器的基本要素●分析器电场●直流电压U●交流电压Vsinωt●构电场结●四极场quadrupolar●极电●柱、双曲圆线●半径场r0简单的四极杆结构示意图2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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，2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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a对应着直流的强度q对应着交流的强度ÉmileLéonardMathieu（1835～1890）法国数学家，研究了鼓的震动，给出了微分方程和解2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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）Zeroblast，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2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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：massselectiveinstability●技术：（0.706，0.237）●通过a，q计算U，V●●●●2009-1V1biomass.fudan.edu.cn离子在四极杆中的稳定性2009-1V1biomass.fudan.edu.cn四极杆工作曲线Agilent5975GCMS的工作曲线2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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2009-1V1biomass.fudan.edu.cn四极杆的TUNE微调●通过微调2%的U可以调整出20u、5u、1u、单位分辨以及高分辨、无通过等多种峰宽四极杆微调电路的一部分分辨力信号强度2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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2009-1V1biomass.fudan.edu.cn四极杆质谱技术2009-1V1biomass.fudan.edu.cn四极杆分析器的电极●外形●双曲线●圆柱面2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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果有效区域四极场作用区域高阶场作用区域2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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2xro直径用途6mm9000u科研450u以下高灵敏度小分子分析8～9mm常见的30～3000u有机分子分析12mm10～1500u高分辨的较小有机分子分析16～20mm1～50u超高分辨气体分析2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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-quad2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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1～52009-1V1biomass.fudan.edu.cn四极杆的射频电源技术●Agilent安捷伦GCMS2009-1V1biomass.fudan.edu.cn四极杆的射频电源技术SciexAPI40002009-1V1biomass.fudan.edu.cn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2009-1V1biomass.fudan.edu.cnRF-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LMCO2009-1V1biomass.fudan.edu.cnRF-only四极杆Q00Q0Q2SciexAPI5500三重四极杆LCMSMS2009-1V1biomass.fudan.edu.cn低质量歧视●LMCO–Lowermasscutoff–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2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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）2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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）打拿极四极杆狭缝电子倍增器eion2009-1V1biomass.fudan.edu.cn四极杆串联质谱技术2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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TSQQuantum三重四极杆2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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mz22009-1V1biomass.fudan.edu.cn三重四极杆工作模式模式Q1Q2Q3用途和特点Q1扫描扫描离子不打碎，传输无分辨，传输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）的分子中性丢失扫描母离子打碎离子扫描子离子，与母离子有特征差异筛选具有特征结构的分子，此结构不易形成子离子单离子监视SIM按表过滤离子不打碎，传输无分辨，传输定量多反应检测MRM按表过滤母离子打碎母离子按表过滤子离子定量，假阳性低2009-1V1biomass.fudan.edu.cnMRM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697EI2455422009-1V1biomass.fudan.edu.cn四极杆飞行时间串联质谱●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–TOF高分辨定性10000以上分辨力Qstar四极杆飞行时间质谱2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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2009-1V1biomass.fudan.edu.cnSciexQTrap激发电极2009-1V1biomass.fudan.edu.cn中国四极杆技术的发展2009-1V1biomass.fudan.edu.cn早期科学院的产品●ZQ402四极杆质谱计●用于国防等气体检测KYKY的石英双曲面镀钼技术2009-1V1biomass.fudan.edu.cn2007年北京东西电子的产品●GCMS3100、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2009-1V1biomass.fudan.edu.cn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、QTOF3种专用质谱仪的需求。●专用化、低价位，走差异化的发展路线2009-1V1biomass.fudan.edu.cnTheEndContact:[e-mail]