1、2009-1 V四極桿質(zhì)譜原理和技術(shù)徐國賓 / 楊芃原 教授復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系BIntroduction to quadrupole MS theory & technology復(fù)旦大學(xué)研究生課程生物質(zhì)譜技術(shù)與方法2009-1 V四極桿質(zhì)譜的基本原理四極桿分析器的基本要素電場分析器直流電壓 U交流電壓 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)示意圖四極場的結(jié)構(gòu)四極場內(nèi)部的電勢瞬間時變四極桿分析器內(nèi)部的電勢呈馬鞍面2009-1 V四極場的性質(zhì)沿著 x 和 y 軸對稱等電勢面是一個馬鞍面（ 0 ， 0 ）點電勢為 0V ，

2、而且是等電勢馬鞍面的鞍點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桿分析器內(nèi)部的電勢呈馬鞍面2009-1 V2009-1 V離子在四極場中的運動離子在 x 方向感受到的電場可以表示為這樣離子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，2009-1 Va 對應(yīng)著直流的強度q 對應(yīng)著交流的強度描述離子運動的馬修方程馬修方程和離子的運動方程可以很好的對應(yīng)起來對應(yīng)離子運動特征參數(shù)mile Lonard Mathieu （ 1835 1890 ）法國數(shù)學(xué)家，研究了鼓的震動，給出了微分方程和解2009-1 V馬修方程的解和穩(wěn)定區(qū)

3、只有在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的運動形式在空間上才是有限的穩(wěn)定高于一切！馬修方程的穩(wěn)定區(qū)四極桿的穩(wěn)定區(qū)離子需要在 x 和 y 方向都穩(wěn)定才能通過四極桿穩(wěn)定區(qū)上下對稱特殊點：（ 0.908 ， 0 ）LMCO ，低質(zhì)量歧視（ 0 ， 0 ）Zero blast ，氫的不準確（ 0.706 ， 0.237 ）四極桿工作點四極桿的穩(wěn)定區(qū)示意圖2009-1 V利用穩(wěn)定區(qū)篩選離子目標：只讓單一的 m/z 離子通過四極桿原理： mass selective instability技術(shù)：（ 0.706 ， 0.237 ）通過 a ， q 計算 U ， V2009-1 V2009-1 V離子在四極桿中的穩(wěn)定性2009-1 V

4、四極桿工作曲線Agilent5975 GCMS 的工作曲線四極桿窗口寬度如果直流強度超過 16.8% ，那么直線的斜率會太大，不能通過穩(wěn)定區(qū)域，這時沒有離子能夠通過四極桿質(zhì)量分析器反之，離子選擇的純度會下降，頂點附近的其他 m/z 的離子也會通過四極桿，四極桿的分辨力會下降，但是總的信號強度會增加。實際上工作線并沒有通過穩(wěn)定區(qū)頂點2009-1 V四極桿的 TUNE 微調(diào)四極桿微調(diào)電路的一部分通過微調(diào) 2% 的 U 可以調(diào)整出 20u 、 5u 、1u 、單位分辨以及高分辨、無通過等多種峰寬信號強度2009-1 V1 分辨力四極桿的 AutoTune調(diào)整每個 m/z 對應(yīng)的tune 值，使四極桿

5、質(zhì)譜圖的峰形對稱、峰強達到標準、分辨力達到統(tǒng)一寬度2009-1 V2009-1 V四極桿質(zhì)譜技術(shù)2009-1 V四極桿分析器的電極外形雙曲線圓柱面圓柱四極桿與雙曲面四極桿的比較四極場 99% 的相同加工難度雙曲面 圓柱加工精度圓柱 雙曲面2009-1 V高階場對四極桿的影響圓柱型電極的影響多一個自由度 r/ro傳統(tǒng)采用 1.1487實際上可以在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)域分辨力提高靈敏度提高2009-1 V四極桿粗細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 r

6、o 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 有機分子分析10 1500u高分辨的較小有機分子分析1 50u超高分辨氣體分析四極桿長度的影響四極桿原理中認為四極桿是無限長的一般采用 r0 的 30 60 倍作為長度一般的 9mm 四極桿最短的有 127mm最長的有 240mm某些 16mm 四極桿會長達400mm四極桿越長加工越困難，但是離子震動的次數(shù)多，分辨力越好2009-1 V2009-1 V四極桿預(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)桿可以延長四極桿的“有

7、效長度”降低邊沿場的干擾有前預(yù)桿、后預(yù)桿Pre-quadpost-quad2009-1 V四極桿的預(yù)桿預(yù)桿是現(xiàn)代 LCMS 中必備的部件，而且預(yù)桿多數(shù)采用了電源隔離技術(shù)四極桿的射頻電源技術(shù)頻率 1MHz500kHz 10MHz雙次級線圈分別供給x 、 y 方向的兩對桿子相位相差 180 度電壓 0 10000Vpp穩(wěn)定度萬分之 1 52009-1 V四極桿的射頻電源技術(shù)Agilent 安捷倫 GCMS2009-1 V2009-1 V四極桿的射頻電源技術(shù)Sciex API 40002009-1 V四極桿的射頻電源技術(shù)提高射頻電源頻率：分辨力高、靈敏度高（震動次數(shù)多）功耗大，制作困難提高射頻電源電

8、壓強度：質(zhì)量范圍寬（大質(zhì)量離子震動慢）功耗大、制作困難調(diào)諧和耐壓問題2009-1 VRF-only 四極桿只有射頻 V 沒有直流 U用于傳輸和冷卻離子可以做的很長 1m存在 LMCOQ00RF-only 四極桿Q2Q0Sciex API 5500 三重四極桿 LCMSMS2009-1 V低質(zhì)量歧視LMCOLower mass cut offq=0.908 時的 m如果離子在 RF-only 四極桿中的 q 超過 0.908時，將不能通過小質(zhì)量范圍的離子不能傳輸，消失了采用 6 極桿或更高的2009-1 V四極桿離子源現(xiàn)有離子源：ESI 電噴霧EI （外）CI （外）要點離子成束能量較低 3 2

9、0eV（能量高分辨力差）2009-1 V四極桿質(zhì)譜檢測器通常使用打拿極和電子倍增器+ 模擬型號記錄儀 高能打拿極 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（動態(tài)范圍好）也可以采用電子倍增器 + 計數(shù)器 倍增器工作在飽和模式 計數(shù)器記錄離子個數(shù)（靈敏度高）2009-1 V打拿極四極桿狹縫電子倍增器eion2009-1 V四極桿串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)三重四極桿技術(shù)四極桿串聯(lián)技術(shù)兩把高分辨四極桿Q1 、 Q3 （篩選離子）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20

10、09-1 V三重四極桿基本功能Q1 可以篩選母離子 mz1Q2 通過碰撞碎裂打碎離子，形成碎片離子峰Q3 篩選子離子，定量子離子碎片強度 mz22009-1 V三重四極桿工作模式模式Q1 掃描Q1掃描離子Q2不打碎，傳輸Q3無分辨，傳輸用途和特點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

11、形成子離子定量定量，假陽性低MRM 假陽性率較低的原因利用母離子和子離子的共同特征，定量選擇性提高例如：如果樣品 A 母離子 697 和樣品 B542 在打碎后都具有子離子 245如果直接以特征離子 245 定量 A697 ，那么樣品 B 就會對樣品 A 的定量造成干擾而利用離子對 697-245 定量， B542 在 A697 通過 Q1 時無法通過 Q1 ，這樣就排除了B542 的干擾2009-1 V697EI245542四極桿飛行時間串聯(lián)質(zhì)譜四極桿 -TOF 串聯(lián)Q1 選擇母離子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 四極桿飛行時間質(zhì)譜2009-1 V基于四極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 MSn 串級功能和四極桿優(yōu)秀的定量能力2009-1 V2009-1 VSciex QTrap激發(fā)電極2009-1 V中國四極桿技術(shù)的發(fā)展早期科學(xué)院的產(chǎn)品ZQ402 四極桿質(zhì)譜計用于國防等氣體檢測KYKY 的石英雙曲面鍍鉬技術(shù)2009-1 V2007 年北京東西電子的產(chǎn)品GCMS 3100 、 3110 兩款 GCMS基于安捷倫 5972 5973 的技