1、離子陷阱類質(zhì)譜儀的基本工作原理、齊孟文中國農(nóng)業(yè)高等院校、離子陷阱類質(zhì)譜儀是應(yīng)用極為重要和廣泛的質(zhì)譜分析方法，是化學和生物科學分析的基本工具，了解了該工作原理，托說唱樂類質(zhì)譜儀的設(shè)計結(jié)構(gòu)、性能指標、操作模式、殘奧表的優(yōu)化和合理使用是基本、必需的，其基本原理是主1、儀器類型1.1三次元離子陷阱三次元離子陷阱是一種古老出現(xiàn)的離子陷阱，由一對環(huán)電極和雙重曲面狀的端帽電極組成，在兩個端帽電極的前端開有小孔，絡(luò)離子為出出進進通路。 一般向環(huán)電極施加射頻波交流電壓或直流電壓，提供捕獲絡(luò)離子的四級場，上下兩個端帽電極一般接地。 三次元離子陷阱的主要缺陷是雙曲面電極加工裝配困難，絡(luò)離子說唱樂在托說唱樂中心的空間

2、點，托說唱樂效率受限，且存在空間電荷效應(yīng)，質(zhì)量分析的極限分辨率難以提高。 圖1. 3D離子陷阱的結(jié)構(gòu)示意圖，1.2線性離子陷阱的線性離子陷阱是在四級桿質(zhì)量分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由雙曲形的兩組桿和兩端的兩極板組成，其中一組桿開有狹縫。 向兩組電極施加逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象相的射頻波電壓，向打開狹縫的組施加激勵交變電壓，來驅(qū)動絡(luò)離子從狹縫諧振發(fā)射。 對三次元離子陷阱，絡(luò)離子線性說唱樂并非集中在桿軸軸向線段上，而是有效避免了三次元離子陷阱的固有缺陷，提高了捕獲效率，空間電荷效應(yīng)減少，大大提高了質(zhì)譜分析的專一性和靈敏度。 這種類型的離子陷阱是現(xiàn)在離子陷阱的主流產(chǎn)品。 圖示了線狀離子陷阱的構(gòu)造，1 .軌道離子陷阱的

3、軌道離子陷阱的動作原理是電子繞原子核旋轉(zhuǎn)，具有一定的初速絡(luò)離子，在進入離子陷阱后從中心紡錘狀電極吸引，進行繞中心電極的旋轉(zhuǎn)運動，即繞中心電極(徑向)和繞中心電極(軸向)的運動。 由于絡(luò)離子質(zhì)量不同，當達到共振時，不同絡(luò)離子的軸向往復(fù)速度不同，通過測定由內(nèi)置于離子陷阱的檢測器在絡(luò)離子通過時產(chǎn)生的感應(yīng)電流，能夠得到多種絡(luò)離子的時間序列信號，通過傅里葉變換形成光譜，通過共振頻率與絡(luò)離子質(zhì)量直接相關(guān)，得到質(zhì)量光譜軌道離子陷阱質(zhì)譜分析的極限分辨率極高，其自身體積雖小，但對工作環(huán)境要求極高，支撐系統(tǒng)龐大，采購和維護費用高，使用受到一定限制。 圖.顯示了軌道絡(luò)離子供水井結(jié)構(gòu)，1 .矩形絡(luò)離子供水井矩形絡(luò)離子

4、供水井是通過簡化線性絡(luò)離子供水井制成的，主要用平行板代替曲面極棒，加工和組裝容易，但其離子活動的主要空間電場仍近似于電四極場。 通常，施加在x、y電極間的射頻波電壓在x-y平面內(nèi)形成諧振場，在z方向上施加直流電壓形成說唱樂供水井，通過限制絡(luò)離子在z方向上的運動來進行調(diào)節(jié)。 理論背景2.1捕獲場中自由振蕩的離子陷阱結(jié)構(gòu)具有共同的理論基礎(chǔ)，是電四極場中絡(luò)離子的運動規(guī)律，單純施加射頻波電壓時，其運動可以用馬修整二次差分方程進行描述，即(1)。 其中u表示半徑r(x )，且在柱坐標系中u表示整數(shù)倍半徑。 y )和軸方向z坐標，這是簡單的調(diào)和方程，各坐標是可以獨立解的是無量綱殘奧計，=t/2，作為射頻電

5、壓的角速度(rad/s )的au和qu是關(guān)于馬修方程解的近似殘奧計，對于理想的四極場，離子陷阱的電極結(jié)構(gòu)為r0=2z0 如果要求r0和z0分別是環(huán)電極和端帽電極頂點到原點的距離，則有以下關(guān)系： (2)其中，m是絡(luò)離子的質(zhì)量，e是單位電荷，u和v是所施加的無線射頻的直流電壓和交流電壓振幅。(3)其中，下角的標記u表示空間坐標，n為高次振動次數(shù)，n為0時為基頻，其中(4)單位為rad/s。 仿真研究表明，在基頻下，絡(luò)離子在電四極場中的振動軌跡是位于中心的李薩如運動，為了使某絡(luò)離子在運動軌跡上穩(wěn)定，必須在徑向r和軸向z落入馬修方程的解空間，在一般應(yīng)用中選擇第一穩(wěn)定區(qū)域，用(r，z )等二進制位線劃分

6、的結(jié)果如下圖所示式(2)是理想四極場的結(jié)果，由于實際的雙曲面電極是一個切割，而且端帽電極上開了一個小孔，存在高次場的成分，為了消除其影響，更接近理想的四極場，商業(yè)機器一般延長端帽電極間距離，使z0 此時，r022z02、式(2)需要以更一般的形式進行置換： (5)圖6 .關(guān)于離子陷阱的馬修方程式解的穩(wěn)定區(qū)域，根據(jù)馬修方程式，a和q是絡(luò)離子的質(zhì)量負荷比m/z，施加到離子陷阱的結(jié)構(gòu)殘奧計(r0，z0 )的無線電波的頻率及其交流寬度v和直流成分u 因為商用設(shè)備一般不施加直流成分(U=0)，所以設(shè)備在qz軸工作，射頻波的頻率一般固定，但如果進行絡(luò)離子捕獲(絡(luò)離子化階段)操作，則射頻波電壓v固定，因為q

7、z 1/(m/e )，所以絡(luò)離子按照質(zhì)量負荷比從大到小的順序從左對應(yīng)于右分布在qz軸。 在進行質(zhì)量不穩(wěn)定掃描時，因為qz V/(m/e )，所以隨著掃描電壓變大，質(zhì)荷比絡(luò)離子的qz繼續(xù)變大，在到達穩(wěn)定區(qū)域的邊界點qz=0.908時，依次掃描并檢測為外部探針。 2.2輔助激勵下的諧振除了射頻以外，如果對端帽電極施加寬度小的交流激勵信號v，則寬度一般為1 V，絡(luò)離子進行與經(jīng)典力學對應(yīng)的應(yīng)力運動，但此時馬修方程式能夠如下修正，如果在絡(luò)離子出射的z軸方向上激勵施加，則在(6)中，求解方程式當雙極場激發(fā)時，諧振在其頻率w與絡(luò)離子的自由振蕩頻率一致時，即(7)被四極場激發(fā)時，頻率滿足條件時，絡(luò)離子成為所謂

8、的殘奧圈套諧振，(8)在諧振狀態(tài)下，絡(luò)離子從激發(fā)場吸收能量被加速，激勵電壓寬度較大或一盞茶， 作用時間長時，絡(luò)離子受離子陷阱的供水井限制，可以從離子陷阱飛出，激勵電壓寬度不太大時通過與導入絡(luò)離子的蒸發(fā)制冷氣體分子(例如氬氣和氮氣)碰撞，最終動能堆積在離子上，引起離子解離，稱作激發(fā)釋放。 共振激發(fā)1 )用于發(fā)射不需要的絡(luò)離子2 )促進絡(luò)離子的熱分解反應(yīng)3 )選擇性掃描檢查絡(luò)離子。 圖7 .諧振激發(fā)和發(fā)射的示意圖，3 .殘奧儀表計算要對離子陷阱進行某些操作，首先需要計算和設(shè)置相關(guān)的殘奧儀表，為了便于理解，下面舉例說明。 假設(shè)：絡(luò)離子為正丁基苯(m/z=134 )，離子陷阱的結(jié)構(gòu)為r0=1.00cm

9、，z0=0.783cm，無線射頻U=0，V=757V0-p，f=1.05MHz，換算為：3.1 qz，最小截止質(zhì)量為LMCO，在設(shè)定條件下離子陷阱捕獲絡(luò)離子質(zhì)量的下限是對于商業(yè)設(shè)備來說，因為不施加直流a=0，所以離子陷阱僅在qz軸上動作，但因為qz 1/m，所以穩(wěn)定的邊界點qz=0.908對應(yīng)LMCO，在其它條件一定的情況下，因為qzm=常數(shù)，所以射頻波電壓存在與絡(luò)離子的質(zhì)量成比例的V m， 根據(jù)與已知點有關(guān)的數(shù)據(jù)可確定在獲知LMCO時要施加的射頻波電壓，所述公式可用于激發(fā)分解過程并確定要施加的電壓以保留最小東鱗西爪絡(luò)離子。另外，當az=0時，在3.2穩(wěn)定殘奧儀表z中，z qz/21/2=0.

10、450/1.2142=0.318，使用近似式計算的結(jié)果比實際值大約大5%。 根據(jù)相應(yīng)的計算，在m=1340的情況下，qz=0.0450，z=0.0318。 3.3固有頻率由式(7)表示，絡(luò)離子的軸方向基頻是理所當然的，為w 1/m，絡(luò)離子質(zhì)量越大慣性越大，固有頻率低，因此在質(zhì)量1340的絡(luò)離子下，固有頻率是16.7 MHZ。 3.4質(zhì)譜范圍質(zhì)譜范圍由關(guān)系式mqz/V=常數(shù)決定，根據(jù)以上的數(shù)據(jù)： m=134、qz=0.450、V=757V0-p計算常數(shù)=0.797。 由于絡(luò)離子諧振發(fā)射質(zhì)量掃描小，因此如果工作點設(shè)置為qz=0.450，并且無線射頻掃描電壓的最大值達到V=7340V0-p，那么當質(zhì)

11、量掃描的檢測上限設(shè)置為qz=0.450時，質(zhì)量掃描的掃描范圍變?yōu)?LMCO13000Da )。 3.5質(zhì)量光譜的極限分辨率質(zhì)量光譜的極限分辨率被定義為R=m/m，其中質(zhì)量峰與質(zhì)量峰的半峰寬的比，并由于與具體質(zhì)量相關(guān)，更現(xiàn)實地是峰的半峰寬，隨著質(zhì)量光譜的掃描速度減慢而減少，商業(yè)設(shè)備對于m=2000的絡(luò)離子， 由于窄峰值半峰寬可達到m=0.2Da，因此極限分辨率決定r=2000/0.2=10000，3.6供水井深度Dz供水井的深度捕獲絡(luò)離子共振發(fā)射所需的最小動能以及在激發(fā)釋放過程中形成的東鱗西爪。 z方向上的供水井深度接近D=qzV/8，但是在本示例中，如果m=134，qz=0.450和V=757

12、V0-p，則4 .基本操作的基本操作主要有絡(luò)離子選擇分離、激發(fā)分解和質(zhì)量分析，并且可以單獨或連續(xù)地組合它們的操作。 1 )選擇隔離的目的是將其他絡(luò)離子從離子陷阱中排出，僅將母絡(luò)離子進一步破碎進行MS/MS分析，或用于質(zhì)量反應(yīng)的監(jiān)測掃描；2 )共振激發(fā)主要用于激發(fā)發(fā)射和激發(fā)釋放，激發(fā)發(fā)射時選擇較大的激勵電壓， 絡(luò)離子從供水井釋放一盞茶的動能，在激發(fā)釋放時選擇適當?shù)男〖铍妷海m然絡(luò)離子崩潰了，但能驅(qū)動絡(luò)離子發(fā)射的動能不足3 )質(zhì)譜掃描是離子陷阱質(zhì)譜的基本操作，離子按質(zhì)量負荷比依次掃描離子阱，進行外置檢測在(a，q )空間中，掃描線的斜率的改變改變了質(zhì)量濾波器的窗，保持穩(wěn)定區(qū)域的窗中的絡(luò)離子，由于

13、其他不穩(wěn)定而將該窗從離子陷阱中排除，該方法可以選擇單位絡(luò)離子。 2 )共鳴發(fā)射隔離此方法，通過共鳴，將不需要的絡(luò)離子從離子陷阱中飛出，只剩下預(yù)先選定的絡(luò)離子。 其操作方法為，對與射頻波電極正交的另一電極如偶極或四極場那樣施加被稱為Swift波的輔助交流信號，Swift波由波形發(fā)生器以正弦波重日式榻榻米，包含隔離絡(luò)離子以外的所有絡(luò)離子的頻率，而隔離絡(luò)離子的頻率缺失， 由于與Swift波的槽相對應(yīng)，一旦施加Swift，其他絡(luò)離子就以對應(yīng)的協(xié)調(diào)頻率諧振，從輔助交流信號中吸收能量，最終克服供水井的制約跳出絡(luò)離子供水井，要隔離的絡(luò)離子沒有諧振而保留下來。 圖9.swift信號(a )的頻率域波形(b )

14、時域波形，4.2激勵開裂該操作，是通過共振開裂而使隔離的絡(luò)離子開裂，生成東鱗西爪絡(luò)離子，用于母絡(luò)離子的結(jié)構(gòu)性分析MS/MS。 在操作過程中，加入可以是任意頻率的輔助交流信號，頻率確定后，工作部位確定，此時以射頻波數(shù)進行電壓掃描，母絡(luò)離子的固有振動頻率持續(xù)變化，與輔助交流信號的頻率一致時產(chǎn)生共振激勵，在馳豫過程中激勵能量能夠解離，當然母絡(luò)離子的振動頻率4.3質(zhì)量分析掃描1 )質(zhì)量不穩(wěn)定掃描通過射頻電壓掃描，使與捕獲絡(luò)離子對應(yīng)的qz連續(xù)增加，在到達qz=0.908的穩(wěn)定區(qū)域的邊界點后，掃描檢查離子陷阱，進行質(zhì)量校正后，形成對時間的質(zhì)量分析統(tǒng)計圖表。 2 )共振激勵掃描在該運作模式中，施加正交的輔助

15、交流信號，信號振幅是用于共振發(fā)射絡(luò)離子的一盞茶，但頻率單一且一定，選擇特定的動作部位qz，此時，對射頻波數(shù)進行電壓掃描，在掃描中捕獲絡(luò)離子的頻率依次變化，若與輔助交流信號頻率一致，則電極的輸出4.4 .工作時序機器的工作完全由一系列時序信號驅(qū)動和控制。 質(zhì)譜分析過程的全時序列信號如下圖所示。 圖10 .關(guān)于整個質(zhì)量分析過程的掃描時間統(tǒng)計圖表，首先，當施加恒定電壓的無線電波時，確定與不同絡(luò)離子對應(yīng)的值。 此時，對電子男同性戀透鏡施加絡(luò)離子導入電壓，將絡(luò)離子導入離子陷阱約數(shù)百小時，達到一定的絡(luò)離子濃度后關(guān)閉透鏡，導入的絡(luò)離子關(guān)入離子陷阱后，緩沖(通常)瓦斯氣體氦氣并冷卻， 使其動能被碰撞釋放而使絡(luò)

16、離子達到穩(wěn)定的自由振蕩，然后施加swift信號時，波形上的溝進行希望選擇母絡(luò)離子振動頻率的共振激勵隔離操作，選擇母絡(luò)離子，然后進行有會兒，加上特定的已知頻率(等于母離子的特征頻率)， 通過共振激勵分割母絡(luò)離子，最后用射頻波電壓掃描東鱗西爪絡(luò)離子，東鱗西爪絡(luò)離子從大到小依次掃描檢測。 參考文獻1.raymonde.March.anintroductiontoquadruperontrapmasspectretry.jourralofmasspectrometry.1997，32 351-3692.dalton t.s r.Graham cooks.resonancemethodsinquadruperionchs.chemicalphysicsletters.2017， 668 6993.douglase.goringeretal.theoryofhigh-resolutionmasspectretryachievedviaresonanceejectioninthequadrupoleiontrap.ana 1434-14394. Alexander a.makar ov.resonanceejectionfromthepaultrap : atheoreticatreatmentincorporatinga