离子阱类质谱仪的基本工作原理ppt课件.pptx

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1、离子阱类质谱仪的基本工作原理,齐孟文中国农业大学,离子阱类质谱是一类极其重要和应用广泛的质谱分析方法，是化学及生物学分析的基本工具，了解其工作的基本原理，对于深入了解阱类质谱的设计构造，性能指标，操作模式，参数优化和合理使用都是基本的和必须的，其基本原理主要涉及离子在四级场中对的运动规律的描述。,1.仪器类型 1.1三维离子阱 三维离子阱是较早出现的一种离子阱，由一对环形电极和两个呈双曲面形的端盖电极组成，两个端盖电极顶端开有小孔，作为离子出入的通道。一般在环形电极上施加射频交流电压或再加直流电压，以提供一个捕获离子的四级场，上下两个端盖电极一般接地。三维离子阱的主要缺陷是双曲面电极加工组装困

2、难，且离子捕获在阱中心的一个空间点上，捕获效率受到限制，另外存在着空间电荷效应，质谱的分辨率很难提高。,图1.3D离子阱的结构示意图,1.2线性离子阱 线性离子阱，是在四级杆质谱基础上发展起来的，由两组双曲线形级杆和两端的两极板组成，在其中一组级杆上开有窄缝。两组极杆上施以位相相反的射频电压，且开有狭缝的一组施加一激励交变电压，以驱动离子从窄缝中共振弹射检出。相对于三维离子阱，离子在线性阱中被囚禁在极杆轴向的线段内而不是聚集在一个点上，有效地避免了三维离子阱的固有缺陷，因此捕获效率得以提高，空间电荷效应减弱，质谱的特异性和灵敏性得到了极大提高，该类型的离子阱为目前离子阱的主流产品。,图.附图示

3、线性离子阱的结构,1.轨道离子阱 轨道离子阱的工作原理类似于电子围绕原子核旋转，具有一定初速度的离子，进入离子阱后受到来自中心纺锤形电极的吸引，会围绕中心电极做旋进运动，即：围绕中心电极（径向）和沿中心电极（轴向）的运动。因为离子质量不同，当达到谐振时，不同离子的轴向往复速度不同，通过离子阱中内置的检测器检，测定离子通过时产生的感应电流，可以得到多种离子的时序信号，然后通过傅立叶变换成为频谱，而共振频率直接与离子质量有关，由此可以得到质谱图。轨道离子阱质谱的分辨率极高，本身的体积很小，但对工作环境的要求极高，支持系统庞大，购置及维护费用高，使用受到一定限制。,图.示轨道离子阱结构,1.矩形离子

4、阱 矩形离子阱是通过对线性离子阱的简化而来的，关键是用平行板取代了曲面极杆，容易加工和组装，不过其离子活动的主要空间处的电场仍然可以近似为电四极场。一般在x,y 电极之间施加的射频电压，使x-y 平面内形成谐振场，而在z方向加一直流电压形成捕集势阱,限制并调节离子在z方向的运动。,图4.矩形离子阱结构示意图及外加电压,2.理论背景 2.1在捕获场的自由振荡 所有离子阱的工作机制具有共同的理论基础，即离子在电四极场中的运动规律，在单纯施加一个射频电压的情况下，其运动可以用马修齐次二阶微分方程描述，即（1）,其中，在柱坐标系中，u表示径向r(x，y)和轴向z坐标，这是简谐方程，各坐标可独立求解；是

5、一个无量纲参数，=t/2，是射频电压的角品率（rad/s）；au和 qu是一对有关马修方程解的约化参数，对理想的四极场，要求离子阱的电极结构满足 r0=2z0，r0和z0分别是环形电极和端盖电极顶点的到原点的距离，则有以下关系：,（2）其中，m是离子的质量，e是单位电荷，U 和 V是所施加的射频的直流电压及交流电压波幅。,图5.离子阱结构示意图,对离子运动的马修方程求解，可以得到离子在电四极场的本征振荡频率的频谱为：（3）其中，下角标u表示空间坐标，n是高阶振荡级次，n为零时为基频，此处（4）单位为rad/s。模拟研究表明，在基频时，离子在电四极场中的振荡轨迹为处于中心的李萨茹运动，对于一个给

6、定的离子，若要其在运动轨道稳定，则必须在径向r和轴向z同时落在马修方程的解空间，一般应用选取第一稳定区域，以（r，z）等位线划分，结果见下图。,公式（2）是理想四极场情况下的结果，由于实际的双曲面电极只是一个截断，并且端盖电极开有小孔，致使有高阶场的成分存在，为了消除其影响，更好地逼近理想的四极场，商业仪器一般将端盖电极间距离拉长，z0增加10.6%，此时 r022z02，公式（2）需要用更一般的形式取代：（5）,图6.离子阱的马修方程解的稳定区,根据马修方程，a和q与离子的质荷比m/z、离子阱的结构参数（r0，z0），所加射频的频率、及其交流幅度V和直流成分U有关。商用仪器一般不加直流成分（

7、U=0），因此仪器工作在qz轴，又射频的频率一般是固定的，当进行离子捕获（离子化阶段）操作时，此时固定射频电压V，因qz 1/（m/e），则离子按照质荷比从大到小顺序而由左到右对应地分布在qz轴上。在进行质量不稳定性扫描时，因 qz V/（m/e），随着扫描电压的增大，相应质荷比离子的qz持续增大，当其到达稳定域的边界点qz=0.908 时，就会被顺序扫出而为外置的探测器所检测。,2.2辅助激励下的共振 若除了射频外，同时在端盖电极施加一个幅度较小的交流激励信号V，幅度一般为1 V，则离子做相应于经典力学的胁迫运动，此时马修方程可以修改如下，若激励施加在离子出射的z轴方向，则有（6）其中，,通

8、过对方程求解可知，在激励为偶极场时，共振发生在其频率w和离子的自由振荡频率 一致时，即（7）当激励为四极场时，频率满足一下条件时，离子做所谓的参数共振，要求（8）,在共振状态下，离子从激励场中吸收能量而被加速，若激励电压幅度足够大或作用时间足够长，离子可以克服离子阱的势阱束缚，而被弹射出离子阱，若激励电压幅度不是很大，通过离子与引入的冷却气体分子（如氩气或氮气）碰撞，最终动能会转化为内能沉积到离子，引起离子的解离，称为激发解离。共振激发被用于1）弹射不需要的离子；2）促进离子的热解反应；3）对离子进行选择性扫描检查。,图7.共振激发和弹射示意图,3.参数计算 对离子阱进行某种操作，首先需要对相

9、关参数进行计算和设置，为了便于理解，下面以示例进行说明。假设：离子为丁基苯（m/z=134），离子阱的结构r0=1.00cm,z0=0.783cm，射频 U=0，V=757V0-p，f=1.05MHz，换算有：,3.1 qz和最小截止质量 最小截止质量LMCO，为设定条件下，离子阱捕获离子质量的下限，对商业仪器而言，因为不加直流a=0，则离子阱仅工作在qz轴,而 qz 1/m，因此稳定的边界点qz=0.908对应于LMCO,由于在其他条件恒定时，qzm=常数，则 有 射频电压正比于离子的质量，即V m，由已知点的相关数据，可求得已知LMCO时应施加的射频电压，有 该公式在激发解离过程，可用于确

10、定为保留最小碎片离子应施加的电压。,3.2稳定参数z 当 az=0时,z qz/21/2=0.450/1.2142=0.318，利用近似公式计算的结果比实际值要大约5%。由相应计算，对于m=1340，有qz=0.0450，而z=0.0318。3.3本征频率 由公式（7），离子的轴向基频为 当，,则 转变成 因 即 w 1/m，离子质量越大，惯性越大，本征频率越低，因此对于质量为1340的离子，其本征频率为16.7 MHZ。,3.4质谱范围 质谱范围由关系式 mqz/V=常数确定，根据以上数据：m=134，qz=0.450，V=757V0-p，计算得常数=0.797。离子共振弹射质量扫描由小到大

11、，若工作点设定在qz=0.450处，射频扫描电压的最大幅值到达V=7340V0-p，则质量扫描检测上限为 若设定qz为0.0450，则质谱的扫描范围为（LMCO13000Da）。,3.5质谱的分辨率 质谱的分辨率定义为质量对质量峰的半宽度的比，即 R=m/m，因与具体的质量有关，更有实际意义的是峰的半宽度，其随质谱扫描速率减慢而减小，商业仪器对m=2000的离子，窄峰半宽度可达m=0.2Da，因此分辨率可达 R=2000/0.2=10000,3.6势阱的深度Dz 势阱的深度决定着离子被共振弹射所需要的最小动能，以及在激发解离过程，形成的碎片要被捕获所不能超过的最大动能。z方向上的势阱深度近似为

12、 D=qzV/8，对该例子的情况，m=134，qz=0.450和V=757V0-p，则,4.基本操作 基本操作主要包括离子选择隔离，激发裂解和质谱扫描，各个操作可以分别或连续组合进行。1）选择隔离 目的是把其它离子弹出离子阱，仅保留母离子进一步碎裂而进行MS/MS分析，或用于质量反应监测扫描；2）共振激发 主要用于进行激发弹射和激发解离，激发弹射时选用较大激励电压，使离子获得足够的动能被弹射出势阱，而在激发解离时要选择适度较小的激励电压，使得能够驱动离子碎裂但所获的动能不足以使离子被弹射；3）质谱扫描 为离子阱质谱的基本操作，目的使离子按照质荷比顺序先后扫出离子阱，并被外置的检测器所检测。,4

13、.1选择隔离 1）带通扫描隔离 图8.在（a,q）空间通过改变扫描线的斜率，质量过滤的窗口随之改变，位于稳定区窗口内的离子被保留，其它的因为不稳定被逐出离子阱，该方法可选出单位离子。,2）共振弹射隔离 该方法是通过共振将不需要的离子弹出离子阱，而仅保留下来预先选定的离子。其操作方法是，在与射频电极正交的另一电极，以偶极或四极场的方式，施加一称为Swift波的辅助交流信号，Swift波由波形发生器通过正弦波叠加而成，包含有除要隔离离子外所有离子的频率，而隔离离子的频率缺失，其对应于Swift波的凹槽，这样当施加上Swift时，其他离子就会在相应的协调频率处发生共振，从辅助交流信号吸收能量，最终克

14、服势阱的约束被弹出离子阱，而要隔离的离子未发生共振弹射因而被保留。,图9.swift信号（a）频域波形；（b）时域 波形,4.2激发裂解 该操作是对隔离出来的离子，通过共振激发进行裂解，以产生碎片离子用于进行母离子的结构分析MS/MS。操作过程是，加一可以是任意频率的辅助交流信号，当频率确定后，工作位点便（qz=221/2wz/）随之确定，此时用射频进行电压扫描，母离子的本征振荡频率持续变化，当与辅助交流信号的频率一致时便发生共振激发，在驰像过程激发能转变为内能使其解离，当然若已知母离子的振荡频率时，也可直接施加相同频率的辅助交流信号进行激发解离。,4.3 质谱扫描 1）质量不稳扫描 通过射频

15、电压扫描，使捕获离子对应的qz均连续增加，顺序达到qz=0.908的稳定区域的边界点后，扫出离子阱而被检查，进行质量校正后形成对时间的质谱图。2）共振激发扫描 在此操作模式下，施加一正交的辅助交流信号，信号幅值应足以使离子发生共振弹射，但频率是单一固定的，选定特定的工作位点qz，这时对射频进行电压扫描，在扫描过程中捕获离子的频率顺序变化，当与辅助交流信号频率一致时，就被激发弹出电极的出射孔，而被顺序检测。,4.4.工作时序 仪器工作完全是由一列时序信号驱动和控制的，对于质谱过程整个时序信号如下图所示。图10.整个质谱过程的扫描时序图,首先,加一电压恒定的射频,则不同的离子对应的 值就确定了。这

16、时给电子门透镜上施加一个离子导入电压，持续时间约几百，将离子引入离子阱，当达到一定离子浓度后关闭透镜，使引入的离子囚禁在离子阱，这时缓冲（通常）气体氦气进行冷却，使其动能被碰撞释放而离子趋于稳定的自由振荡，其后加一swift信号，波形上的凹槽即欲选择母离子的振荡频率，进行共振激发隔离操作把母离子选摘保留下来，并在随后对其冷却一段时间，加一特定的已知频率（等于母离子的特征频率），通过共振激发将母离子打碎，最后对碎片离子进行射频电压扫描，碎片离子就从大到小顺次被扫描和检测出来。,参考文献1.Raymond E.March.An Introduction to Quadrupole Ion Trap

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