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四极杆质谱仪

四极杆质量分析仪（英语：The quadrupole mass analyzer）最初由诺贝尔奖得奖者沃尔夫冈·保罗和他的学生赫尔穆特·斯坦威德尔（Helmut Steinwedel）构思[1] ，也称为透射四极杆质谱仪、四极杆质量过滤器或四极杆质谱仪，是一种质谱的类型。顾名思义，它由四个相互平行的圆柱杆组成。[2] 在四极杆质谱仪中，四极杆是质量分析器 —— 是一种仪器组件，负责根据质荷比( m/z )选择样品。基于离子在施加到棒上的振荡电场中的轨迹稳定性，离子在四极中被分离。[2]

四极杆元件

操作原理

 
图片来自美国专利“分离不同特定电荷的带电粒子的装置”[1]

四极杆由四个平行的金属棒组成。每个相对的杆对电连接在一起，并且在一对杆和另一对杆之间施加具有直流偏移电压的射频 (RF) 电压。离子沿着棒之间的四极杆向下移动。对于给定的电压比，只有具有特定质荷比的离子才能到达检测器：其他离子的轨迹不稳定，会与棒发生碰撞。这允许选择具有特定 m/z 的离子，或允许操作员通过连续改变施加的电压来扫描一系列 m/z 值。[2]在数学上，这可以在马丢函数的帮助下进行建模。 [3]

 
通过四极杆的离子路径

理想情况下，杆是双曲线的，但是具有特定杆直径与间距比率的圆柱形杆提供了更容易制造的足够近似双曲线。比率的微小变化对分离度和峰形有很大影响。不同的制造商会根据预期的应用要求选择略有不同的比率来微调操作特性。自 1980 年代以来，阿特拉斯工厂和随后的芬尼根仪器公司芬尼根仪器公司（英语：Robert E. Finnigan）使用机械公差为 0.001 毫米的双曲线棒，其实际的生产过程在公司内部一直是保密的。[4]

多重四极杆及其混合和变体

三个四极杆的线性系列称为三重四极杆质谱仪（英语：Triple quadrupole mass spectrometer）。 第一个 (Q1) 和第三个 (Q3) 四极杆用作质量过滤器，中间 (q2) 四极杆用作碰撞池。 该碰撞池是一个仅 RF 四极杆（非质量过滤），使用 Ar、He 或 N2 气体（~10−3 Torr, ~30 eV）用于碰撞诱导从 Q1 中分离选定的母离子。 随后的片段被传递到 Q3，在那里它们可以被过滤或完全扫描。

该过程允许研究可用于通过串联质谱（英语：Tandem mass spectrometry）进行结构阐明的片段。 例如，可以将 Q1 设置为“过滤”已知质量的药物离子，该药物离子在 q2 中被碎片化。 然后可以将第三个四极杆 (Q3) 设置为扫描整个 m/z 范围，提供有关碎片强度的信息。 因此，可以推断出原始离子的结构。

三个四极杆的排列最早是由乐卓博大学的 吉姆·莫里森（化学家）（英语：Jim Morrison (chemist)）开发的，他主要是研究气相离子的光分解作用。[5] 1970 年代后期，克里斯蒂·恩克（英语：Christie G. Enke）和研究生理查德·约斯特（英语：Richard Yost）在密歇根州立大学开发了第一台三重四极杆质谱仪。[6]

四极杆可用于混合质谱仪（英语：Hybrid mass spectrometer）。 例如，扇形质谱仪可以与碰撞四极杆和四极杆质量分析仪组合以形成混合仪器。[7]

四极杆飞行时间质谱仪（英语：Hybrid mass spectrometer） (QTOF MS)是具有飞行时间装置的碰撞四极杆和质量选择四极杆作为第二质量选择阶段的混合体。[8][9] 四极杆-四极杆-飞行时间 (QqTOF) 的组成配置也是可以的，尤其适用于肽和其他大型生物聚合物的质谱分析。[10][11]

von Zahn 发明了一种称为单极的四极质量分析仪的变体，它使用两个电极进行操作并产生四分之一的四极场。[12] 它有一个圆形电极和一个V形电极。 但是，其性能低于四极杆质量分析器。

 
混合四极杆飞行时间质谱仪

当向仪器施加磁场时，四极质量分析仪的性能会得到提高。 以不同方向施加到四极杆质量分析仪的磁场在分辨率和灵敏度方面的多方面改进已被报导。[13][14]

应用

这些质谱仪在研究特定离子的应用中表现出色，因为它们可以长时间保持在单个离子上的调谐。 这是有用的一个地方是在液相层析质谱法或气相层析质谱法中，它们用作特别高的特异性检测器。 四极杆仪器通常价格合理，是很好的多用途仪器。 带有电子碰撞离子发生器的单四极质谱仪用作独立分析仪在残余气体分析仪（英语：Residual gas analyzer）、实时气体分析仪、等离子诊断（英语：Plasma diagnostics）等离子诊断和二次离子质谱中。

更多资讯

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 US 2939952,Paul, Wolfgang & Helmut Steinwedel,“Apparatus for separating charged particles of different specific charges”,发表于1960-06-07,指定于Wolfgang Paul 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 de Hoffmann, Edmond; Vincent Stroobant. Mass Spectrometry: Principles and Applications Second. Toronto: John Wiley & Sons, Ltd. 2003: 65. ISBN 978-0-471-48566-7. 
  3. ^ de Hoffmann, Edmond; Vincent Stroobant. Mass Spectrometry: Principles and Applications Second. Toronto: John Wiley & Sons, Ltd. 2003: 65. ISBN 978-0-471-48566-7. 
  4. ^ Brunnée, Curt. 50 Years of MAT in Bremen. Rapid Communications in Mass Spectrometry. May 27, 1997, 11 (6): 694–707 [2022-06-05]. doi:10.1002/(SICI)1097-0231(199704)11:63.0.CO;2-K. （原始内容存档于2022-06-09） –通过Wiley Online Library. 
  5. ^ Morrison, J. D. Personal reminiscences of forty years of mass spectrometry in Australia. Organic Mass Spectrometry. 1991, 26 (4): 183–194. doi:10.1002/oms.1210260404. 
  6. ^ Yost, R. A.; Enke, C. G. Selected ion fragmentation with a tandem quadrupole mass spectrometer (PDF). Journal of the American Chemical Society. 1978, 100 (7): 2274 [2008-12-06]. doi:10.1021/ja00475a072. （原始内容 (PDF)存档于2012-02-19）. 
  7. ^ Glish, G.; Scott A. McLuckey; Ridley, T; Cooks, R. A new "hybrid" sector/quadrupole mass spectrometer for mass spectrometry/mass spectrometry. International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics. 1982, 41 (3): 157. Bibcode:1982IJMSI..41..157G. doi:10.1016/0020-7381(82)85032-8. 
  8. ^ Shevchenko A; Loboda A; Shevchenko A; Ens W; Standing KG. MALDI quadrupole time-of-flight mass spectrometry: a powerful tool for proteomic research. Anal. Chem. May 2000, 72 (9): 2132–41. PMID 10815976. doi:10.1021/ac9913659. 
  9. ^ Steen H; Küster B; Mann M. Quadrupole time-of-flight versus triple-quadrupole mass spectrometry for the determination of phosphopeptides by precursor ion scanning. J Mass Spectrom. July 2001, 36 (7): 782–90. Bibcode:2001JMSp...36..782S. PMID 11473401. doi:10.1002/jms.174. 
  10. ^ Chernushevich, Igor V. An introduction to quadrupole–time-of-flight mass spectrometry. Journal of Mass Spectrometry. 2001, 36 (8): 849–865. Bibcode:2001JMSp...36..849C. PMID 11523084. doi:10.1002/jms.207. 
  11. ^ Oberacher, Herbert; Pitterl, Florian. Fabris, Dan , 编. On the use of ESI-QqTOF-MS/MS for the comparative sequencing of nucleic acids. Biopolymers. June 2009, 91 (6): 401–409. doi:10.1002/bip.21156 （英语）. 
  12. ^ U. von Zahn. Monopole Spectrometer, a New Electric Field Mass Spectrometer. Rev. Sci. Instrum. 1963, 34 (1): 1–4. Bibcode:1963RScI...34....1V. doi:10.1063/1.1718110. 
  13. ^ Syed S.; Maher S.; Taylor S. Quadrupole mass filter operation under the influence of magnetic field. Journal of Mass Spectrometry. 2013, 48 (12): 1325–1339. Bibcode:2013JMSp...48.1325S. PMID 24338888. doi:10.1002/jms.3293. 
  14. ^ Maher S; Syed S; Hughes D; Gibson J; Taylor S. Mapping the stability diagram of a quadrupole mass spectrometer with a static transverse magnetic field applied. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2013, 24 (8): 1307–1314. Bibcode:2013JASMS..24.1307M. PMID 23720050. doi:10.1007/s13361-013-0654-5. 
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