QMS 四极杆质谱仪
QMS 四极杆质谱仪
影响质量分辨能力的几个因素：
A。工作参数：
四极质谱工作电源的输出直/交流电压 比，即扫描线的斜率。 （U/V） 所以，在实验过程中，需仔细调节扫 描电压的比值，以实现较高质量分辨的质 谱测量结果。
又，质量分辨越高，则离子透过率 越低。
B。仪器参数： 1). 传统理论认为，四极质谱仪的四个 电极所产生的电场应尽可能接近纯的 四极场。
400 L/sec
2. 四极质谱原理
(1). 四极场的产生与功能 (2). 四极场的应用 (3). 影响四极质谱性能的因素
四极场的产生与功能
1. 产生四极场的条件 (1). 电极要求
· 四根电极，按一定方式固定在一起。
· 四根双曲面电极可以产生完美四极电场，
即四极电场含量=100%
四根双曲面电极结构示意图
一种简单的四极杆质谱仪
一种复杂的四极质谱系统
Square Quadrupole
Ion Transfer
Tube Ion Transfer Tube Skimmer
Inter-multipole Lens 1Biblioteka Split Gate Lens
Detector
3x10-3
Electrospray Source
q
四极杆质谱仪的性能估计
对于任何一个四极质量分析器，它有 两个最重要的性能指标，即：
• 质量测量范围 • 质量分辨能力 其它诸如灵敏度，稳定性，质量精 度等。
A. 质量测量范围 由： 4eV q 2 2 m r0 得到：
m 4V 2 2 e q r0
假定: 谱)
r0=5mm=0.005m，(对四极杆质 f=1x106 Hz (1MHz) Vmax=10000 伏特
四极杆质谱原理
四极杆质谱原理
四极杆质谱仪是一种常见的质谱仪，它的原理基于离子在电场和磁场中的运动。
以下是四极杆质谱仪的基本原理：
1. 离子产生：首先，将待分析的样品送入离子源，在离子源中样品被离子化，产生带正电荷或负电荷的离子。
2. 离子聚焦：产生的离子通过离子导入系统进入四极杆质量分析器。
四极杆由四根平行的金属杆组成，它们之间施加有射频电压和直流电压。
射频电压产生的电场使离子在四极杆中振动。
3. 质量分离：在四极杆中，离子的运动受到电场的影响，只有特定质量的离子能够通过四极杆的稳定区域，并到达检测器。
不同质量的离子具有不同的振动频率，因此可以通过调节射频电压的频率来选择特定质量的离子通过四极杆。
4. 离子检测：通过四极杆的离子最终到达检测器，检测器将离子转化为电信号，并将其放大和记录下来。
5. 数据分析：获得的离子信号经过计算机处理和分析，可以得到样品中各种离子的质量、丰度和相对比例等信息，从而实现对样品的定性和定量分析。
四极杆质谱仪具有高灵敏度、高分辨率、快速分析等优点，广泛应用于化学、生物、环境、材料等领域的分析和研究。
ICP-MS介绍
离子聚焦系统
ICP-MS的离子聚焦系统与原子发射或吸收光谱中的 光学透镜一样起聚焦作用，但聚焦的是离子，而 不是光子，透镜材料及聚焦原理基于静电透镜， 整个离子聚集系统由一组静电控制的金属片或金 属筒或金属环组成，其上施加一定值电压。其原 理是利用离子的带电性质，用电场聚集或偏转牵 引离子，将离子限制在通向质量分析器的路径上， 也就是将来自截取锥的离子聚焦到质量过滤器， 拒绝中性原子并消除来自ICP的光子通过。
接口
接口是整个ICP-MS系统最关键的部分。
接口的功能：将等离子体中的离子有效传输到质谱。
在质谱和等离子体之间存在温度、压力和浓度的巨大 差异，前者要求在高真空和常温条件下工作（质谱技术要 求离子在运动中不产生碰撞），而后者则是在常压下工作。 如何将高温、常压下的等离子体中的离子有效地传输到高 真空、常温下的质谱仪，这是接口技术所要解决的难题。 必须使足够多的等离子体在这两个压力差别非常大的区域 之间有效传输，而且在离子传输的全过程中，不应该产生 任何影响最终分析结果可靠性的反应，即样品离子在性质 和相对比例上不应有变化。
ICP-MS对离子采集接口的要求：
1、最大限度的让所生成的离子通过； 2、保持样品离子的完整性； 3、氧化物和二次离子产率尽可能低 （如：测Fe时Ar0仅可能少；测As 时，ArCl仅可能少）； 4、等离子体的二次放电尽可能小 （通过特殊技术彻底消除）； 5、不易堵塞； 6、产生热量尽可能少； 7、采样锥在等离子体内，通过软件操作，自动确定最佳位置（X、Y、Z方 向）。 8、易于拆卸和维护（锥口拆冼过程中，不影响真空系统，无需卸真空）。
接口
采样锥 (~1.1mm 内 径) 截取锥 (~0.5mm 内 径) 两孔相距6-7mm， 有Ni和Pt两种材质 材 质。
常见质谱裂解方式
常见质谱裂解方式
EI是一种常见的质谱裂解方式，它使用高能电子轰击样品分子，将其离子化。
这种方式适用于分析挥发性有机化合物和低分子量化合物。
CI是一种化学离子化反应，它使用反应气体将分子离子化。
CI 适用于分析非挥发性化合物和高分子量化合物。
ESI是一种离子化质谱技术，它将液相或气相样品离子化，并将其注入质谱仪中。
ESI适用于分析生物大分子、蛋白质和核酸等化合物。
TOF是一种质谱仪，它使用离子飞行时间来测量质谱分子的质量，是一种高精度的质谱仪。
QMS是一种四极杆质谱仪，它使用四个杆子将离子分离，并通过调整电场来选择所需的离子。
QMS适用于分析低浓度分析物和复杂混合物。
总之，选择合适的质谱裂解方式对于分析样品非常重要。
根据样品的性质和需要分析的化合物类型选择适当的质谱技术和参数，可以提高分析的准确性和灵敏度。
- 1 -。
四级杆质谱仪的原理
四级杆质谱仪的原理
四级杆质谱仪是一种常见的质谱分析仪器，主要用于分离和检测样品中的离子。
它主要由四根带有直流电压（DC）和叠加的射频电压（RF）的准确平行金属或陶瓷镀金园柱杆构成。
相对的一对电极是等电位的，相邻两对电极之间电位相反。
四级杆质谱仪的工作原理如下：
1.离子生成：样品进入质谱仪后，首先经过气化室气化，然后进入离子源。
在离子源中，样品分子受到电子轰击，失去电子成为带正电荷的离子。
2.离子加速和分离：带电离子进入四级杆质谱仪，四级杆中的电场会对离子产生加速和偏转作用。
由于不同离子的质量和电荷不同，它们在电场中的运动轨迹也不同。
在四级杆中，离子会根据质荷比（m/z）进行分离。
3.离子检测：经过四级杆分离后的离子，根据其质荷比的不同，会在接收器中形成不同的信号。
质荷比越小的离子，到达接收器的时间越早，信号强度越高。
质荷比越大的离子，到达接收器的时间越晚，信号强度越低。
这样，四级杆质谱仪就可以根据离子信号的强度和到达时间，对样品中的不同成分进行定性和定量分析。
四级杆质谱仪在分析过程中，可以通过调整射频电压和直流电压的参数，实现对不同质量离子的高效分离。
此外，四级杆质谱仪具有高灵敏度、高分辨率、宽动态范围等优点，广泛应用于化学、生物、环境等领域的研究和分析。
四极杆质谱仪
四极杆质谱仪：介绍、原理及优劣势一、引言质谱仪是一种用于分析物质原子或分子组成的仪器，通过测量这些原子或分子的质量-电荷比，可以获得有关物质的信息。
四极杆质谱仪是质谱仪的一种，因其具有较高的灵敏度和分辨率，被广泛应用于各种科学研究和工业应用中，如化学分析、环境监测、生命科学等。
本文将详细介绍四极杆质谱仪的工作原理、优势以及局限性。
二、四极杆质谱仪介绍四极杆质谱仪主要由离子源、四极杆质量过滤器和检测器组成。
离子源用于产生离子，四极杆质量过滤器用于分离不同质量的离子，检测器用于检测和记录离子。
在四极杆质谱仪中，四极杆质量过滤器是最核心的部件，其由四根平行且对称的金属杆组成，这些金属杆通过交变电场进行驱动。
当离子通过四极杆质量过滤器时，只有满足特定质量-电荷比的离子才能通过，其余的离子则被排斥。
三、四极杆质谱仪工作原理1.离子源：离子源的主要作用是产生离子。
根据不同的应用场景，可以选择不同的离子源，如电子轰击源、化学电离源、场电离源等。
这些离子源可以将样品电离，生成带有特定电荷的离子。
2.四极杆质量过滤器：四极杆质量过滤器是四极杆质谱仪的核心部分。
当离子通过四极杆质量过滤器时，会受到交变电场的作用。
只有满足特定质量-电荷比的离子才能通过四极杆质量过滤器，其余的离子则被排斥。
四极杆质量过滤器可以通过调节电场强度来控制通过的离子质量范围。
3.检测器：检测器的作用是检测通过四极杆质量过滤器的离子。
常用的检测器有电子倍增管、通道电子倍增管等。
当离子打到检测器上时，会产生一个电信号，这个电信号经过放大和数字化处理后，可以输出到计算机或其它记录设备上。
四、四极杆质谱仪的优势1.高灵敏度：四极杆质谱仪的灵敏度较高，可以检测到低浓度的样品。
这使得它在环境监测、药物分析等领域具有广泛的应用。
2.高分辨率：四极杆质谱仪可以对不同质量的离子进行分离，具有较高的分辨率。
这使得它能够区分不同质量的离子，对于复杂样品的成分分析非常有利。
四极质谱仪的工作原理
四极质谱仪的工作原理
四极质谱仪的工作原理是通过离子源将物体原子电离成离子，然后通过离子光学系统将离子束聚焦到真空系统中的一个小点。
接下来，通过保持离子在电场和磁场的稳定位置，将不同质量的离子分离，并依次进入真空系统中的检测器。
具体来说，四极质谱仪主要包括以下几个部分：
离子源：离子源是四极质谱仪的核心部分，它通过电离物体原子产生离子。
常用的离子源有电子倍增器、电子捕获检测器等。
离子光学系统：离子光学系统包括真空系统、离子光学透镜、偏转板等部件，其主要作用是将离子束聚焦到一个小点，并将其传输到下一个系统中。
质量分析器：质量分析器是四极质谱仪的关键部分，它通过保持离子在电场和磁场的稳定位置，将不同质量的离子分离。
常用的质量分析器有四极滤质器、飞行时间质谱仪等。
检测器：检测器是四极质谱仪的输出部分，它将分离后的离子转化为电信号，并进行记录和分析。
常用的检测器有电子倍增器、微通道板等。
通过以上几个部分的协同工作，四极质谱仪可以实现对不同质量的离子进行高灵敏度、高分辨率的分析，从而应用于化学分析、环境监测、生物医学等领域。
四级杆轨道阱质谱(Q-Orbitrap MS)
四级杆轨道阱质谱（Q-Orbitrap MS）
四极杆轨道阱质谱（Q-Orbitrap MS）是基于傅立叶变换的混合仪器之一，其中第一台质量分析仪是四极杆，第二台是高分辨率轨道阱。
与混合线性离子阱轨道阱组合式质谱（LTQ-Orbitrap MS）不同，Q-Orbitrap MS可以将高性能的四极前驱物选择与高分辨率、精确质量（HR / AM）Orbitrap检测结合起来，前体离子可以通过引入高能碰撞解离（HCD）而离解。
四级杆轨道阱质谱。
该组合质谱仪设计用于具有高可信度非靶向或靶向筛选，能够以更高的可信度对化合物进行鉴定和定量，从而产生了一系列广泛的定性和定量应：
1. 新药研发中的代谢分析：高通量DMPK研究，代谢产物结构鉴定，快速反应代谢产物筛选和高可信度的药物杂质分析；
2. 大规模代谢组学分析：所有类别的代谢产物蛋白质组学分析；
3. 环境样本和食品样本分析；
4. 临床研究与法医毒理学。
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理论和实验结果都证明：当 r/r0 的值选择合适时，用四个圆柱形电极 组成的四极质谱仪仍可以获得理想的 研究结果。
用圆柱形电极取代双曲面形电极 的最大优点在于： A。 可简化四极质谱仪的生产工艺， B。 可降低四极质谱的生产成本。
(2). 电源要求
· 射频电源
Φa=+(U-Vcosωt) Φb= -(U-Vcosωt)
.10
4eV q m 2 r02
.05
0.00 0.0 .2 .4 .6 .8
q
* 最重要的是，对于只含有纯四极场的第一稳定区图， 其顶端部分近似为一个锐角。
纯四极场第一稳定区图顶端部分
.236 .234 .232 .230
a
.228 .226 .224 .222 .220 .68 .69 .70 .71 .72
上式中，Ｕ为直流电压值，Ｖ为交流电压值， ω＝2πf, 为交流电压角频率, f 为交流电压频率。
2. 离子在四极电场中的运动 和稳定区图
（详见：Quadrupole Mass Spectrometry and its Application, Editor Peter H Dawson, AIP Press 1995)
第五章 四极杆质谱仪
一。四极杆质谱仪简介与工作原理 二。四极杆质谱仪的特点与应用 三。四极杆质谱仪的研究与开发
一。四极杆质谱仪简介与工作原理
1，四极杆质量分析器简介
四极杆质谱仪的质量分析器是由 四根杆状电极组成，两对电极中间施 加交变射频场. 在一定频率的射频电 压与直流电压作用下，只允许一定质 荷比的离子通过四极分析器而到达接 收器。 这种分析器又称四极杆滤质器。
mx (2e / r02 )(U V cost ) x 0
my (2e / r02 )(U V cost ) y 0
运动方程的转换：
Mathieu方程一般形式：
d 2u ( a u 2q u cos 2 )u 0 2 d
令
t
2
，
a
8eU m 2 r02
q
第一稳定区图
.20
非稳定区
非稳定区
.15
a
稳定区
.10
.05
0.00 0.0 .2 .4 .6 .8
q
第一稳定区的几个重要参数：
稳定区范围： a=0~0.237 q=0~0.908 顶点坐标： a=0.237 q=0.706
8eU a m 2 r02
.20
非稳定区
非稳定区
.15
a
稳定区
，
q
4eV 则此运动方程转化成 m 2 r02
Mathieu 方程：
d 2x (a 2q cos 2 ) x 0 d 2
d2y (a 2q cos 2 ) y 0 2 d
数学上可以求出此方程的解。
稳定区全图
15
10
5
III I
II
0
a
-5
-10
-15 0 5 10 15 20 25 30 35
q
质量分辨
m 0.706 m q 2 q1
即，质量分辨能力取决于扫描线与稳定图的 交点位置。扫描线由工作电压决定。
扫描线1
m1 q 0.706 m1 q 2 q1 q 2 q1
扫描线2
m2 q 0.706 m2 q 4 q3 q 4 q3
因为：(q2-q1)>(q4-q3) 所以: (m1/Δm1) < (m2/Δm2)
当 r0=5mm 时，若需要 dm/m=1/2000, 即要求 四极质谱的质量分辨达到 2000 ，则四极杆的机 械精度必须达到：
dr0 dr0 1 2* 2* 2000 r0 5
即
dr0 1.25 *10 3 mm 1.25 m
四极电场的功能
(1). 可以在较高气体压力下聚焦和传输正，负离 子，故常常被用作离子导引(Ion Guide); (2). 可以对离子进行选择,故常常被用作离子质量 分析器(Mass Analyzer); (3). 可以束缚正，负离子,故常常被用作离子阱 (Ion Trap).
因此：V m 4 4 *10000 2 2 e q r0 0.706 * (2 * 3.14 *10 6 ) 2 * 0.005 2
5.746 *10 5
mmax=5535 amu
提高质量测量范围的几 个方法：
--使用较高电压的射频电源 （增大V） --使用较低频率的射频电源 （ 减小f ） --使用较小直径的四极杆电极 （减小r0）
四根双曲面电极结构示意图（A2=100%）
r0 r0
Va
Vb X -Y =r0
2 2 2
四根圆柱形电极组成的四极质谱仪示意图
圆柱形电极组成四极质谱时的电场分析
假定 r 为电极杆半径，r0 为场半径。 当 r = 1.145 r0 时： A2 =1.00 A6 =7.09x10-6 A10= -2.45x10-3 A14= -2.83x10-4 A18= -2.20x10-5
400 L/sec
2. 四极质谱原理
(1). 四极场的产生与功能 (2). 四极场的应用 (3). 影响四极质谱性能的因素
四极场的产生与功能
1. 产生四极场的条件 (1). 电极要求
· 四根电极，按一定方式固定在一起。
· 四根双曲面电极可以产生完美四极电场，
即四极电场含量=100%
四根双曲面电极结构示意图
一种简单的四极杆质谱仪
一种复杂的四极质谱系统
Square Quadrupole
Ion Transfer
Tube Ion Transfer Tube Skimmer
Inter-multipole Lens 1
Split Gate Lens
Detector
3x10-3
Electrospray Source
m 4V 2 2 e q r0
B. 质量分辨能力 定义：m/Δm 实际应用中，通过改变扫描线的斜率，即 λ=a/q=2U/V 来调节质谱仪的质量分辨能力。
扫描线与质量分辨
.25
q3
q4
.20
扫描 线 1
q2
.15
扫描 线 2
q1
a
.10 .05 0.00 0.0 .2 .4 .6 .8 1.0
离子运动方程：
在四个电极杆的x和y方向分别施加U+Vcosωt和-(U+Vcosωt)的高频电压，四 个电极之间任意位置上的电势可以写作：
x2 y 2 A(t ) Re( x yi ) 2 (U V cos t ) r02
当质量为m，电荷为e的离子从z方向进入四极滤质器，运动方程为：
影响质量分辨能力的几个因素：
A。工作参数：
四极质谱工作电源的输出直/交流电压 比，即扫描线的斜率。 （U/V） 所以，在实验过程中，需仔细调节扫 描电压的比值，以实现较高质量分辨的质 谱测量结果。
又，质量分辨越高，则离子透过率 越低。
B。仪器参数： 1). 传统理论认为，四极质谱仪的四个 电极所产生的电场应尽可能接近纯的 四极场。
1
Torr He
Center Section Tube Lens Tube Lens Square Quadrupole Octopole Front Lens
Detector
2
Back Lens Back Section
Front Section
8.3 L/sec 25 L/sec
300 L/sec
q
四极杆质谱仪的性能估计
对于任何一个四极质量分析器，它有 两个最重要的性能指标，即：
• 质量测量范围 • 质量分辨能力 其它诸如灵敏度，稳定性，质量精 度等。
A. 质量测量范围 由： 4eV q 2 2 m r0 得到：
m 4V 2 2 e q r0
假定: 谱)
r0=5mm=0.005m，(对四极杆质 f=1x106 Hz (1MHz) Vmax=10000 伏特
一般四极杆电极都安置在一金属屏蔽罩中
四极杆电极机械精度与质量分辨的关系
由
4eV q m 2 r02
得到：Leabharlann 4eV m q 2 r02
和 所以
4eV dm 2 * dr0 2 3 q r0
dr0 dm 4eV 4eV [( 2) * ( dr0 )] /[( )] 2 * 2 3 2 2 m m r0 m r0 r0
2). 其它外加“杂散电场”对四极场区 的干扰应尽可能小。
根据条件 1),
• 组成四极质谱的四个电极，其形状必须尽 可能接近为理想的双曲面。 • 此四个电极的组装精度必须足够高。
根据条件 2),
• 组成四极质谱的四个电极必须屏蔽良好， 以减少外电场的干扰。 • 此四个电极表面必须足够干净，以避免表 面污染物积累电荷而产生“杂散电场”干 扰。