（生物医学工程专业论文）基于频率扫描的数字化四极杆滤质器的研究.pdf

a b s t r a c t i n t h i sc e n t r y , o w i n gt ot h ei n c r e a s i n gd e m a n da n dr a p i di m p r o v e m e n to ft h e a n a l y s i s o fb i o m o l e c u l a r i o n s ，t a n d e mm a s ss p e c t r o m e t r yh a se x p e r i e n c e da n u n i m a g e a b l eg r o w t h ，a n db e c o m e sp i v o t a lo n ei nm a s ss p e c t r o m e t r y ( m s ) u s e di nt h e a n a l y s i sa r e a h o w e v e r , t h er e s e a r c ho ft a n d e mm a s ss p e c t r o m e t r yi nc h i n ai s u n s a t i s f a c t o r y , a n da l lo ft a n d e mm a s ss p e c t r o m e t r yi n s t r u m e n t sa r ei m p o r t e df r o m f o r e i g nc o u n t r i e s ，l i k eu s a ，j a p a n ，a n dg e r m a n f o rt h i sr e a s o n ，i nc h i n a , i t so f s i g n i f i c a n c et od e v e l o pt h er e s e a r c ho ft a n d e mm a s ss p e c t r o m e t r yi n s t r u m e n t i nt h i s t h e s i ss o m er e s e a r c hw e r ed o n ea b o u tat y p eo ft a n d e mm a s ss p e c t r o m e t r yu s e di nt h e a n a l y s i so fi o n sw h o s em a s s e sa r eg r e a tl i k el a r g eb i o m o l e c u l a ri o n s i no r d e rt os o l v e t h ep r o b l e mw h i c hc o m ef r o mt h ee x t r a - h i 【曲v o l t a g eu s e dt of i l t e rl a r g ei o n s ，t h i s t h e s i sc h a n g et h es t y l eo fd r i v i n gv o l t a g ew h i c hi sn o tas i n u s o i d a lo rc o s i n o i d a lw a v e v o l t a g eb u tar e c t a n g u l a rw a v ev o l t a g e i nt h es a m et i m e ，m a s ss c a n sa r ea c h i e v e db y c h a n g i n gf r e q u e n c y , i n s t e a do fc h a n g i n gt h er fv o l t a g ea m p l i t u d e ，o rs o m e t i m e sw i t h ap r o p o r t i o n a ld ev o l t a g ec o m p o n e n t i nt h i st h e s i s a f t e rt h er e v i e wt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so ft r a d i t i o n a ls i n u s o i d a l o rc o s i n o i d a lw a v ed r i v i n gt h eq u a d r u p o l em a s sf i l t e r , t h ev a l i d i t yo f r e c t a n g u l a rw a v e a st h ed r i v i n gv o l t a g eo ft h eq u a d r u p o l em a s sf i l t e rw a se s t a b l i s h d e db yag r e a t n u m b e ro fe s s e n t i a lc a l c u l a t i o n s m o r e o v e r , t h es t a b i l i t yd i a g r a mf o rt h eq u a d r u p o l e m a s sf i l t e rd r i v e nb yr e c t a n g u l a rw a v ea n dt h ed i a g r a mo ff r e q u e n c ys c a np l o t t e di n t h et - d cs p a c eh a sb e e nc a l c u l a t e d ，a n dt h es c a nl i n ei sa l s od r a w ni nt h i st h e s i s t h i s i sf o l l o w e db yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ns t u d yo ft h ed i g i t a lq u a d r u p o l em a s sf i l t e rt o c o n f i r mt h ec o r r e c t i o no fc a l c u l a t i o n f i n a l l y , t h ee l e c t r i cc i r c u i ta n dm e c h a n i c a l d e s i g na r ep r e s e n t e d t h er e s e a r c ho fd i g i t a lq u a d r u p o l em a s sf i l t e rb a s e do nt h ef r e q u e n c ys c a ni nt h i s t h e s i sd e m o n s t r a t e da p p l i c a b i l i t yo fd i g i t a lq u a d r u p o l em a s sf i l t e rw h i c ha r eu s e dt o f i l t e rl a r g eb i o m o l e c u l a ri o n sf r o mb o t hc a l c u l a t i o na n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n i ti s s i g n i f i c a n tt of u r t h e rt h er e s e a r c ho fd i g i t a lq u a d r u p o l em a s sf i l t e ri n c l u d i n gt h e d e v e l o p m e n to f t h ed e v i c e k e yw o r d s ：m a s s s p e c t r o m e t r y , t a n d e mm a s ss p e c t r o m e t r y , q u a d r u p o l e m a s sf i l t e r , d i g i t a l ，r e c t a n g u l a rw a v e f o r m ，f r e q u e n c ys c a n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：名、起签字r 期：唧年弓月? 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：茗拉 导师躲仁 辩嗍：唧年多月1 日 蝌期： 1 声即年 月 1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景与意义 “工欲善其事、必先利其器 。先进的科学仪器设备既是技术创新和知识创 新的前提，也是创新研究的主体内容之一。质谱仪器作为科学仪器中最高端的仪 器之一，在生命科学、食品安全、大众健康、资源环境、新型材料、军事技术和 反恐等诸多热点领域中，具有越来越显著的作用，质谱技术和质谱仪器的发展水 平在一定程度上决定了相关学科的发展。 欧美日等国家政府把“发展一流的科学仪器设备支撑一流的科学工作作为 国家战略，一大批先进仪器设备成果不断涌现，为世界科技的发展做出了重要贡 献。据不完全统计，从诺贝尔奖设立到2 0 0 3 年的一个多世纪以来，有6 8 4 的 诺贝尔物理学奖项目、7 4 6 的化学奖项目和9 0 的生理或医学奖项目是借助各 种先进的仪器设备完成的；有五十多位科学家因为在分析仪器技术方面的直接成 果获得诺贝尔自然科学奖，比如：研制完成世界上第一台电子显微镜的鲁斯卡教 授荣获1 9 8 6 年诺贝尔物理学奖；发明了对生物大分子的质谱分析法和仪器的田 中耕一获得了2 0 0 2 年诺贝尔化学奖。 反观我国，科学研究，尤其是基础研究和前沿技术研究，所用核心仪器设备 基本都是从国外进口，科学研究“空心化现象十分严重。须知一个仪器从实验 阶段做到成为商品，至少要3 5 年，而这期间大量有开拓性的工作都己发表，买 来的设备已是强弩之末，难已作出开创性的工作。改革开放2 0 多年来，我国引 进了大量技术和装备，对提高产业技术水平、促进经济发展起到了重要作用。但 是，必须清醒地看到，只引进而不注重技术的消化吸收和再创新，势必削弱自主 研究开发的能力，拉大与世界先进水平的差距。事实告诉我们，在关系国民经济 命脉和国家安全的关键领域，真正的核心技术是买不来的。 同时，在我国生物技术已经作为2 l 世纪的前沿技术得到了极其广泛的重视， 蛋白质研究也确定为重大科学研究计划而获得强有力的支持，进出口商品检验、 第一章绪论 食品安全检测越来越高的要求都使得串级质谱的需求十分旺盛，2 0 0 5 年其进口 额已经超过台式g c m s ，以国家质检总局为例，2 0 0 5 年进1 2 1 - - 级四极串级质谱 就达到1 3 台，约合4 0 0 万美元，而中国科学院的相关研究所更是从美国、英国 等国引进了多台最新型的大型串级质谱仪，其中以q t o f 、t o f t o f 、i t - t o f 为 主，主要用于蛋白质研究、代谢研究和药物研究。从现有市场份额和趋势来看， 我国未来的几年里，串级质谱将很快达到国际市场5 0 的平均水平。我国分析仪 器市场约占世界市场的约1 0 ，但质谱目前仅占世界市场的5 左右，按照目前 我国经济发展和科学技术发展的需求，这一比例正在快速提升并将迅速达到和超 过1 0 ，预计2 0 1 0 年前将达到6 亿美元的市场规模，其中串级质谱将达到3 5 亿美元。 由此看来，我国科学仪器技术的相对落后与生物技术对科学仪器提出了越来 越高的要求之间存在着尖锐的矛盾。正是在这样的大背景下本论文提出了自主研 制四极杆飞行时间串级质谱仪。 1 2 国际质谱技术的现状 随着科学技术发展的加快，分析仪器市场不断增加。从各类仪器年销售额及 增长幅度分析，位于前列的是：液相色谱( 包括离子色谱、毛细管电泳) 、气相色 谱、质谱、紫外及红外光谱、核磁、电镜、原子吸收及等离子发射光谱、电化学 等类仪器。预计这几类仪器仍将继续占有很大的市场。 同时，由于药物和生物领域的巨大需求与飞速进步，串极质谱、特别是液相 色谱一串极质谱联用仪获得了超乎想象的快速发展。在所有质谱中，串极质谱的 年增长率最高，达到了1 0 5 ，并且预计这一高增长率将至少持续到2 0 1 5 年， 由此可见，串极质谱将是未来市场最有活力、需求最大的质谱仪器。 以安捷伦、f i n n i g a n 、a b i 、m i c r o m a s s 等专业质谱技术公司为代表的国外质 谱技术的领导者，近年来一直将目光聚焦在串极质谱仪的技术创新上，m i c r o m a s s 的q - t o f 、a b i 的q - t r a p 、f i n n g a n 的l t q - o b e t r a p 和l t q f t m s 、b r u k e r 的 t o f t o f 等等，每一种新技术的推出，都带来了生命科学、特别是蛋白质组学 的飞跃，也成为这些公司利润的主要来源，以f i n n g a n 的l t q o b e t r a p 为例，2 0 0 5 年8 月正式推向市场，到目前全球已安装将近l o o 台( 每台售价达到6 0 万美元) ， 我国也已装引进3 台，有一台已开始运行1 。 第一章绪论 1 3 国内质谱仪的研究现状 我国在质谱研究领域与世界有相当大的差距。随着上个世纪八十年代中期以 来大量引进国外先进的g c - - m s ，极大的冲击了国内的分析仪器行业，在国外款 式众多、性能优越、操作简便、自动化程度高的分析仪器面前，几乎所有国内分 析仪器生产厂家放弃了继续开发生产国产分析仪器而转向从事国外分析仪器厂 商的国内代理，质谱仪器也不例外。每年国产质谱仪的销售数量还不到全国购买 总量的5 ，其余全部依靠进口。 但是，通过“十五 科技攻关、国家自然科学基金、科学仪器设备改造专项 等科技计划的支持，我国的质谱仪研究水平已经迈出了坚实一步。以复旦大学、 国家标准物质研究中心、中国科学院大连化学物理研究所、中国科学院广州地球 化学研究所、天津大学、上海精密科学仪器有限公司和北京东西分析仪器有限公 司等为代表的一批科研院所和企业，在国家的支持下，通过自主创新、国际合作、 人才引进和消化吸收已经取得了一些具有具有国际水平的自主知识产权的科研 成果。具有高素质、高技术的质谱科研人才队伍和较强综合研究能力的质谱研究 平台和基地正在逐步形成。在具体的技术方面，包括e s i 电离技术、飞行时间质 谱、四极杆和线性离子阱技术等先后在国内获得了一定程度的技术突破，在局部 领域形成了独特的技术产权，例如：国家标准物质研究中心的组合式多功能线性 离子阱离子反应器技术、复旦大学的非对称多级场高分辨四极杆技术、清华大学 的介质阻挡软电离技术等等都是原创性的技术创新，以获得国内外同行的广泛关 注。 更加值得关注的是2 0 0 6 年9 月2 8 日，由上海精密科学仪器有限公司和复旦 大学共同研制开发的中国首台国产l c t o f m s 在上海通过验收；2 0 0 7 年1 月l8 日北京东西分析仪器有限公司召开了g c m s 3 1 0 0 气相色谱一质谱联用仪的新产 品发布会。 与此同时，复旦大学和天津大学也在关于四极杆飞行时间串级质谱仪的研究 中展开了积极的合作。这项科研项目的是在充分利用飞行时间质谱诸多特点的基 础上，提高传统四极杆滤质器的各项指标，特别是对于超大分子量样品的分析能 力，使得四极杆飞行时间串级质谱仪能够成为生物分析领域的利刃。 以上这些所取得的成绩和正在进行中的关于质谱仪器的研究拉开了我国的 质谱仪器事业蓬勃发展的序幕。 第一章绪论 1 4 本论文的主要研究内容 本论文在分析传统的正弦或余弦波电压做为四极杆滤质器驱动电压的基础 上提出了利用矩形波做为四极杆滤质器的驱动电压，以实现超大质量数的过滤。 主要的研究内容如下： l 、 分析和总结了正弦或余弦波做为四极杆滤质器驱动电压时的离子运 动方程、稳定图以及扫描图的计算方法瞄。； 2 、 利用矩阵法对矩形波驱动的四极杆滤质器进行了理论计算，包括离 子运动学模型、离子运动方程、稳定图以及扫描图等，从理论计算 上证明了矩形波做为四极杆滤质器驱动电压的可行性以及频率扫描 方式用于超大质量数的优点； 3 、 在理论计算的基础上进行了计算机模拟以及仿真实验。本论文采用 了离子光学软件s i m i o n3 d7 0 和科学计算软件m a t l a b 对矩形 波驱动的四极杆滤质器内四极场以及离子运动轨迹等进行了模拟， 并将模拟结果与理论计算结果做对比，证实了理论计算的正确性。 同时将两中软件的模拟结果进行了对比，得到相互吻合的结果，进 一步证实了理论计算的正确性； 4 、 完成了数字化四极杆滤质器的驱动电源设计以及电极极杆的机械设 计。 第二章串级飞行时间质谱仪( t o f m s m s ) 原理 第二章串级飞行时间质谱仪( t o f 船m s ) 原理 本章首先介绍质谱仪的基本原理，随后分别介绍各种常用质谱仪的基本原 理，最后介绍串级飞行时间质谱仪的基本原理。 2 1 质谱仪原理 2 1 1 质谱仪的基本原理 质谱仪是将样品分子转换成离子，并按离子的质量，电荷比( m z ) 分离离子 并进行定性定量分析的一种仪器。其过程可以用图2 - i 简单描述。 嘲萝_ 图2 - 1 质谱仪工作流程图 质谱仪一般由进样系统、离子源、分析器、检测器组成。还包括真空系统、 电气系统和数据处理系统等辅助设备”。 ( 1 ) 进样系统；分储罐进样、探头进样、色谱进样。质谱的样品一般 要汽化，再离子化。固体和沸点较高的液体样品( 纯品) 可用直 接进样杆把样品送入离子源中。低沸点样品( 纯品) 可以通过贮 罐系统导入。不纯的样品要用色谱和质谱联用仪，是通过色谱进 第二章串级飞行时间质谱仪( t o fm s m s ) 原理 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 样； 离子源：使样品产生离子的装置叫离子源； 质量分析器：由它将离子源产生的离子按m z 分开。质量分析器 有：磁场和电场、四极杆、离子阱、飞行时间质谱、傅立叶变换 离子回旋共振等； 检测器：离子检测器由收集器和放大器组成。打在收集器上的正 离子流产生与离子流丰度成正比的信号； 计算机：计算机的作用有两方面。一是用于仪器的控制，二是作 为数据的接收、存储和处理。计算机内还可以存有标准图谱，用 于样品数据作自动检索，并给出合适的结构式。 2 1 2 质谱仪的性能指标 质谱仪的主要性能指标有口1 ： ( 1 ) 质量范围：即仪器测量质量数的范围。例如，质量范围为1 - 8 0 0 ，即 该质谱仪能测定的质量数为1 - 8 0 0 间的离子； ( 2 ) 分辨率：即表示仪器分开两个相邻质量离子的能力，通常用r 表示。 分辨率是这样规定的，如果仪器能刚刚分开质量为m 和m 十m 的 两个质谱峰，则仪器的分辨率为：r = m m ； ( 3 ) 质量测量精度：离子质量测定的精度。 2 1 3 质谱仪的分类 质谱仪指得是能根据原子、离子以及分子的质量将其分开的任何仪器。 根据工作原理分类，质谱仪种类只要有磁偏转式质谱、四极杆式质谱 ( q m s ) 、离子阱质谱( i t - m s ) 、飞行时间质谱( t o f m s ) 和傅立叶变换离子 回旋共振质谱( f t i c r m s ) 五种”。 早在二十世纪初期，这些质谱仪几乎都是静态的，是利用磁场使离子轨迹偏 转实现不同质荷比的离子分离。到了二十世纪五十年代，更大的注意力放在了一 种新的仪器上，即动态仪器。这种动态仪器利用随时间变化的电场来分离离子。 因此，按照这种方式可以将质谱分成两大类，动态仪器和静态仪器。 在静态仪器中用稳定的电磁场，按空间位置将m z 不同的离子分开，如单聚 焦和双聚焦质谱仪。 在动态仪器中采用随时间变化的电磁场，按时间不同来区分m z 不同的离 第二章串缎飞行时问质谱仪( t o f m s m s ) 原理 子，如飞行时间质谱仪、四极滤质器式质谱仪和离子阱质谱仪。 b l a u t h 等又将动态仪器分成了三类，能量平衡质谱( e n e r g y b a a n c e s p e c t t o r n e t c r ) 、飞行时间质谱( f i m e - o f - f l i g h t ( t o f ) s p e c t r o m e t e r ) 以及轨迹稳定质 谱( p a t h s t a b i l i t ys p e c t r o m e t e r ) 。1 。在动态仪器的三种分类中四极滤质器式质 谱仪和离子阱质谱仪属于第三类，即轨迹稳定质谱( p a t h - s t a b i l i t ys p e c t r o m e t e r ) 。 时间飞行质谱( t i m e - o f - f l i g h t o o f ) s p e c t r o m e t e r ) 、四极滤质器式质谱仪和离子阱 质谱仪将在后面详细谈论其工作原理。 2 2 四极式质谱仪的原理 2 2 1 四极杆滤质器原理 顾名思义，四极扦滤质器是由四个极或杆组成。如图2 - 2 所示，从四极杆的 截面上看，四个杆分别位于正方形的四个角。在操作过程中，对角的两根杆串联 成一组。一组加正直流电压( 正极杆) ；另一组加直流负电压( 负极杆) 。两组电 压值相等，极性相反。另外所有四极杆上都同时加r f 电压。 图2 - 2 四极杆滤质器原理图 一个离子在进入四极杆后，由于受到r f 电场和直流d c 的作用会开始复 杂的振荡运动。假设某一时刻，d c 和r f 保持恒定，如果离子的质量太低，这 个离子被推离轴向，到达正极杆，而不会到达四极杆的出口。如果离子质量太高， 趋于负极杆的振荡增加，直到离子撞击到负极杆或从四极杆的边缘被弹出去。只 有特定质量的离子在四极杆内的振荡才会稳定，并且只有这样的离子才能从四极 杆的末端出去被电子倍增器检测m ， 第二章串级飞行时间质谱仪( t o fm s ，m s ) 原理 早期的四极杆滤质器多采用双曲面杆，而不是圆柱杆。理论上，双曲面形成 的四极场比圆柱杆形成的四极场要精确，但其较之圆杆加工非常困难。因此，若 能用圆杆代替双曲面杆，则使加工变得非常简单。于是，m a r c h ，r e 等人提出如 果圆杆半径，与杆间场的半径满足公式( 2 - - 1 ) ，则圆杆间形成的电场能够很 好近似理想双曲面形成的四极场口3 。 2 2 2 离子阱原理 ，= 1 1 4 8 r o 公式( 2 1 ) 图2 3 给出了离子阱的结构图和示意图。离子阱有一对上下的端电极和一环 电极组成，上下端电极面为双曲面的旋转对称面，环形电极内表面也为双曲线的 旋转对称面。离子阱中心至上、下端电极距离为气，至环电极内侧为，环电极 和上下端电极之间加有r f 电场和直流d c 。离子进入阱后的运动类似于其在四 极杆中的运动。在四极杆滤质器中，由于不存在轴向的束缚，离子不能被储存在 滤质器中。而在离子阱中，由于同时存在着径向和轴向的束缚，因此稳定后的离 子能被长时间的扑获在阱中，理想情况离子在阱中不会丢失哺1 。 2 3 飞行时间质谱原理 图2 - 3 离子阱示意图 飞行时间质谱仪的工作原理是：如图2 - 4 所示，一组( 质荷比) 不同的离子 先进入由推斥板( r e p e l l e r ) 和g l 的无场区，如果这时候如果在推斥板上加正脉 冲电压( 对正离子而言) ，离子朝x 方向运动，进入g l 后再被g 1 和g 2 组成的 静电加速场加速到一定动能k ，然后凭惯性再进入一段长l 的无场区自由飞行。 由式公式( 2 2 ) 可以得出，离子的飞行速度与其m q ( 质荷比) 的平方根成反 喜_ 一 = ， 一一 一 一 j ， 一 一 3、么 第二章串级飞行时间质谱仪( t o fm s m s ) 原理 比。所以离子经过无场漂移区后，由于m q 大的离子飞行速度比m q 小的离子慢， 因此飞到终点检测器( d e t e c t o r ) 时间就出现先后之分，而最终得到的是离子飞 行时间( t i m eo ff l i g h t ) 与其质荷比( m q ) 之间的二维谱图。这就是飞行时间 质谱仪的基本工作原型9 1 。 k = 扣训jv = 厩 弓= 告= 去。厮 匿l lj 图2 4 飞行时间质谱仪原理图 公式( 2 2 ) 目前飞行时间质谱仪( t o f m s ) 按离子的飞行轨迹分，主要有直线式和反 射式两种 2 4 四极杆飞行时间串级质谱仪( q - t o fm s m s ) 原理 2 4 3 串级质谱原理 串级质谱法是7 0 年代后期迅猛发展起来的。这种方法是指用质谱仪器作质 量分离的质谱技术。它可以研究母离子和子离子的关系，让大的离子进一步裂解， 获得裂解过程及离子组成的信息。这种方法成为获取生物大分子结构信息的主要 手段之一。 串级质谱法的本质就是将不同类型相同类型的质谱仪串级起来组成一个复 杂的系统，用于得到生物大分子的结构和序列信息。其工作原理可用图2 - 5 简单 示意1 们。 其主要工作在三个阶段：( 1 ) 质量过滤；( 2 ) 经质量过滤后的离子进行碰撞 诱导解离( c o l l i s i o n a li n d u c e dd i s s o c i a t i o n ) ；( 3 ) 解离产生的碎片进行质量分析。 目前绝大多数的商用串级质谱仪都是采用类似的流程。实现质谱串级有两种种方 盼 x 一 伸 一呻l 第二章串级飞行时间质谱仪( t o fm s m s ) 原理 法：空间串级式和时间串级式。 墨二。 _ - - - d ：o 卜d _ _ _ - _ - _ _ - - _ _ _ _ _ 图2 5 串级质谱法示意图 2 4 4 四极杆飞行时间串级质谱仪( q t o fm s m s ) 原理 飞行时间质谱仪( t o f m s ) 以其微秒级快速检测速度、高离子传输率、高 灵敏度和精度，以及理论上无质量检测上限等优点成为众多类型质谱仪中的佼佼 者。但是由于本身的特点，使得它只能脉冲式离子源联用，例如基体辅助激光解 吸离子源( m a l d i ) ，而不能将连续式离子源例如电喷雾离子源( e s i ) 和大气压 化学电离源( a p c i ) 做为它的离子源。图示2 - 6 示意了从基体辅助激光解吸离子 源( m a l d i ) 和电喷雾离子源( e s i ) 获得的离子流形式。 离子流方向 离子流方向 图2 - 6 离子流形式：上图为离散式离子流，下图为连续式离子流 由于电喷雾离子源( e s i ) 和大气压化学电离源( a p c i ) 相对于基体辅助激 光解吸离子源( m a l d i ) 来说，它们的特点使得若将电喷雾离子源( e s i ) 和大气 压化学电离源( a p c i ) 做为飞行时间质谱仪( t o f m s ) 的离子源，那么飞行时 间质谱仪( t o f m s ) 将能够分析纳喷雾离子化的生物样品，同时也使飞行时间 质谱仪( t o f m s ) 能够与液相色谱仪连接。因此，如能将电喷雾离子源( e s i ) 第二章串级飞行时间质谱仪( t o f m s m s ) 砸理 或大气压化学电离源( a p c i ) 做为飞行时间质谱仪( t o f m s ) 的离子源那么 飞行时间质谱仪( t o f m s ) 的适用性将变得广泛，能在更多的分析场合使用它 做为质量检测器，充分发挥其突出的检涮优势。 图2 ，7 则示意了电喷雾离子源( e s i ) 作为飞行时问质谱仪( t o f m s ) 离子 源的弊端“。 推斥脉冲 肌 被推斥到飞行管内的离子 2 - - - - - - - - - 西圈 离子流垂直于飞行时间质谱仪( t o f m s ) 飞行腔进入飞行时间质谱仪 ( t o f m s ) 的离子提取器，飞行时间质谱仪( t o f m s ) 利用推斥脉冲信号将离 于推斥进入飞行腔在没有推斥脉冲作用的时间内，没有离子进入飞行腔，而离 子源出来的离子流是连续性的，即便是没有推斥脉冲时，太量从电喷雾离子源 ( e s i ) 产生离子仍然以垂直于飞行时间质谱仪( t o f m s ) 飞行腔的运动穿过离 子提取器而没有被推斥进a 飞行时间质谱仪( t o f m s ) 飞行腔，因此使得样品 离子利用率过低。如图2 - 1 0 所示，只有“2 ”部分离子能够被飞行时间质谱仪 ( t o f m s ) 分析，而“l ”部分和“3 ”部分离子都被浪费了。 那么如何解决这一难题昵? 串级质谱的出现给出了答案。它实现了飞行时间 质谱仪( t o f m s ) 高性能与电喷雾离子源( e s l ) 和大气压化学电离源( a p c i ) 强适用性的完美结合。 下面简要的介绍四极杆与飞行时间质谱串级联用的串级质谱( q t o f m s m s ) 工作原理以及为什么四极杆飞行时间串级质谱能够实现连续性离子源 ( 电喷雾离子源( e s i ) 或大气压化学电离源( a p c i ) ) 与飞行时间质谱仪( t o f m s ) 的联用雌” 也 一 伊忆附 第二章串级飞行时间质谱仪( t o fm s m s ) 原理 图2 - 8 示意q t o fm s m s 的结构。 图2 - 8q t o fm s m s 结构示意图 典型的q t o f 串级质谱仪主要结构包括： ( 1 ) 离子传输杆( i o ng u i d e ) ：从离子源出来的离子在离子传输杆内 得到会聚，使得离子尽量靠近系统的主轴传输； ( 2 ) 四极杆( q 1 ) ：有两种工作模式：第一种是扫描模式，离子在q 1 内得到选择，使得只有某一加z 的离子能够通过，此时q 1 的角 色就是四极杆质量滤质器；第二种是离子传输( i o ng u i d e ) 模式， 在此模式下所有离子都能通过，q 1 不起过滤作用只是冷却会聚 离子； ( 3 ) 碰撞室( c o l l i s i o nc e l l ，q 2 ) ：离子在此与背景气发生碰撞，产生 碎片离子； ( 4 ) 飞行时间质谱( t o f m s ) ：串级质谱仪的质量检测器。若q l 工 作在扫描模式模式，则整个系统就是工作在串级模式( m s m s ) ， 即q 1 充当四极杆质量滤质器，而第二个质谱仪是飞行时间质谱 ( t o f m s ) 。这种串级是“空间串级”式。 q t o f 串级质谱仪的主要工作模式有两种：单级工作模式和串级工作模式。 图2 - 9 示意串级质谱仪是怎样解决飞行时间质谱( t o f m s ) 与连续性离子 源联用问题的。 第二章串级飞行时间质谱仪( t o fm s m s ) 原理 图2 - 9 离子流进入t o f m s 的时序控制 上图中，i q l 和i q 2 是两个端电极，用于实现在碰撞室q 2 内离子的轴向束 缚。这一点对于解决飞行时间质谱( t o f m s ) 与连续性离子源联用是至关重要 的。 离子从离子源出来以后经过离子传输杆( i o ng u i d e ) 中冷却聚焦，被四极杆 ( 0 1 ) 过滤或者再次聚焦，然后进入碰撞室( c o l l i s i o nc e l l ，q 2 ) 。串级质谱仪在 碰撞室( c o l l i s i o nc e l l ，q 2 ) 中对离子的处理方式将是解决问题的关键所在。当 碰撞室( c o l l i s i o nc e l l ，q 2 ) 工作在存储模式时，由上图可以看到，由于存在i q l 和i q 2 是两个端电极，且两个端电极的电压较之碰撞室( c o l l i s i o nc e l l ，q 2 ) 电 压要高，因此这种模式就形成了一种轴向的电势阱，离子进入碰撞室( c o l l i s i o n c e l l ，q 2 ) 后其轴向运动将被这一电势阱所束缚，且由于离子存在轴向动能，所 以不用担心由于i q l 的较高电势而使得离子无法克服该电势进入碰撞室 ( c o l l i s i o nc e l l ，q 2 ) 。而离子在碰撞室( c o l l i s i o nc e l l ，q 2 ) 的径向运动束缚是由 加在碰撞室的杆上随时间变化的电场提供。这样以来离子的轴向和径向运动都被 束缚住，因此形成了一种“离子阱”，将离子束缚在碰撞室( c o l l i s i o nc e l l ，q 2 ) 中。于是在飞行时间质谱( t o f m s ) 开始每一次的检测循环后，将从离子源出 来的离子储存在碰撞室( c o l l i s i o nc e l l ，q 2 ) 中，这样以来离子不会损失，大大 的提高了样品离子的利用率。 当碰撞室( c o l l i s i o nc e l l ，q 2 ) 工作在释放模式时，由上图可知，端电极i q 2 的电势将减小以便将离子轴向引出，使之进入飞行时间质谱( t o f m s ) 的推斥 室。 还有其他的串级质谱形式，例如将离子阱( i t ) 与飞行时间质谱( t o f m s ) 串级形成离子阱一飞行时间串级质谱仪n 5 1 7 1 。还有一种串级方式就是线型离子 阱( l i t ) 与飞行时间质谱( t o f m s ) 串级形成的线形离子阱一飞行时间串级质 谱仪1 蛐】。 第三章数字化四极杆滤质器的理论计算 第三章数字化四极杆滤质器的理论计算 由第二章可知，在四极杆工作时在其电极上施加射频电压和直流电压以形成 随时间变化的四极场。离子在该电场中的运动轨迹稳定性会因质量数的不同而不 同，因此可根据轨迹稳定性的不同分离离子。 然而迄今为止，质谱仪的电源驱动信号都是正弦或余弦波周期信号。这就使 得通常各种四极质谱仪中都有一个高频振荡器，用于产生高频电压，这样振荡频 率受谐振网络限制，一般只能固定或只有少数几个选择。由于电压幅值正比于被 分析离子的质量数，因此在分析大质量数的离子时，常需要提供几千甚至上万伏 的高频高压。这不仅增加了电路的复杂性( 例如大电压下谐振点飘移问题) ，也 可能导致器件内的放电问题，这样就对真空度提出了更高的要求以避免产生放电 现象。 分析四极场的特征可知利用电势变化频率实现质量分析可以降低高频电压 的要求。然而正如前面所提，传统四极质谱仪上的高频高压是通过谐振网络得到 的，因此很难实现利用频率变化进行质量分析。 其实，驱动四极质谱仪工作并不一定是正弦或余弦波周期。e s h e r e t o v 很早 就提出脉冲射频电压驱动双曲场质谱仪的理论。现今数字技术的发展推动了分析 仪器的数字化。数字化电压简单地说即为矩形波电压来驱动四极杆滤质器。这样 以来，在软件的控制下，频率和波形可独立调节，使得实现频率扫描，避免了电 压过高带来的种种弊端。而且它能够允许波形延时或暂停，可灵活地对离子进行 控制( 如引入、引出离子) ，所以数字化四极杆滤质器具有传统正弦波驱动时无 法实现地优越性。 本章将首先介绍能将带电粒子束缚在有限空间内的四极场。在此基础上介绍 正弦或余弦波驱动四极杆滤质器的理论计算，包括离子运动轨迹、稳定曲线和稳 定图以及质量扫描图。最后是本章将着重阐述矩形波驱动四极杆滤质器的理论计 算，以证明矩形波不仅能够完全代替正弦或余弦波驱动四极杆实现滤质功能，而 且还能够实现正弦或余弦波所不能实现的频率扫描。 第三章数字化四极杆滤质器的理论计算 3 1 四极场理论 3 1 1 离子的空间束缚场 首先考虑怎样才能将一个带电离子动态束缚在一个有限的空间内。一个类似 的物理原型给出了提示。这个物理原型就是简谐振动，最为简单的就是弹簧振子。 小球所受到的回复力使得它在一维空间上的一段有限距离内往复做周期振动。其 回复力的数学表达式如公式( 3 1 ) 所示： 毛= 一缸 公式( 3 1 ) 从公式( 3 1 ) 能定性的看出，小球所受到的回复力总是和它的位移方向相 反。因此小球的运动始终被回复力提供的力场束缚在一个有限距离的空间内。这 也就给出了一个方向寻找将电离子束缚在有限空间内的场。 随时间变化的四极场实现了这一功能。理想的随时间变化的四极场能将带电 离子束缚在一个有限的空间内嘲。 3 1 2 四极场的数学形式 四极场可以表示成它在笛卡尔坐标系中位置的线性组合形式乜。矧。具体的 数学表达式如公式( 3 2 ) 所示： e = e o ( , 乏x + c r y + y z ) 公式( 3 2 ) 这里旯、仃和y 是加权系数。邑与位置无关，可以是时间的函数。值得注意 的是，该场在x ，少和z 三个方向上不相关。这使得离子运动分析变得简单，因此 四极场还可以用公式( 3 3 ) 表示： 公式( 3 3 ) 根据巨：一娑、e ，：一掣和丘：一娑，将公式( 3 3 ) 写成电势形式，得 出 o y 位 到公式( 3 4 ) ： x y z 名矿yr 昂岛 = = = 巨g e ，-ctl 第三章数字化四极杆滤质器的理论计算 矿= 一三e o , t x 2 + 。y 2 + 弘2 ) 即可以写成公式( 3 5 ) ： 以_ 2 1 e 。 办= 一j 1 毛 唬= 一互1 e 。 a 仃 y x 2 y 2 z 2 公式( 3 4 ) 公式( 3 5 ) 假设四极场中无空间电荷存在，则该电场满足拉普拉斯方程，如公式( 3 - 6 ) 所示： 即有： v e = 0 莎= 0 将公式( 3 - 4 ) 代入上式中，可得： 五+ 盯+ 7 = 0 公式( 3 6 ) 公式( 3 7 ) 公式( 3 8 ) 很显然，有两种最简单的方式简化公式( 3 4 ) ： ( 1 ) 力= 仃= 1 ，y = 0 ；将其代入公式( 3 - 4 ) 中得公式( 3 9 ) ，即为四极杆 式质谱仪内的四极场： 也即为： = 一互1 昂( x 2 一y 2 ) 公式( 3 9 ) 公式( 3 1 0 ) 擎一 九一 第三章数字化四极杆滤质器的理论计算 ( 2 ) 2 = 仃= 1 ；y = _ 2 矿= _ 2 ；将其代入公式( 3 - 4 ) 中得公式( 3 1 1 ) ，即为 离子阱内的四极场： 妒= 一虿1 毛( x 2 + y 2 2 2 2 ) 公式( 3 1 1 ) 由于本论文所研究的是四极杆式质谱仪，因此本论文的以下着重讨论有关四 极杆的内容。 3 1 3 四极场内离子的运动方程 3 1 3 1 四极场内离子的动力学模型眦1 离子在四极场中所受的力由公式( 3 1 2 ) 给出： 公式( 3 1 2 ) 由公式( 3 1 2 ) 和巨：一罢、e ，：一挈、丘：一娑得到四极杆滤质器中离 斑 。 o r 龙 子的运动方程为； 舅+ 6 ) 唬x = 0 聊瞄 夕一6 ) 萌o y = o 朋瞄 ，讫= 0 公式( 3 1 3 ) 当离子以一定的速度沿z 方向进入四极杆滤质器时，公式( 3 1 3 ) 决定了离 子在愆平面和弦平面内的运动形式。 3 1 3 2 四极杆滤质器的驱动电势形式对离子运动轨迹的影响 根据公式( 3 - 1 3 ) ，若吮仅是一个常数，在彪平面内任何离子的运动形式都 是简谐振动，并且它们的离子轨迹都稳定，也即振幅有限。在弦平面内，离子 的运动相对于z 轴发散，最后这些离子都会丢失。 啦哆 = = 耐缈 ，、l 第三章数字化四极杆滤质器的理论计算 若死是关于时间的周期函数，那么两个平面内的轨迹将会交替出现相对于z 轴会聚和发散。可以想象，倘若电势唬的周期足够小且离子质量足够大，以至于 当晚处于使离子相对于z 轴发散阶段时，离子不能有效的响应九所施加的“发散 力”而撞上或“逃逸出四极杆 需要特别指出的是，理论上只要唬是周期性的，那么任何形式的虎都能够 实现束缚离子运动的目的。因此，矩形波也就能够作为四极杆滤质器的驱动电压， 这就为本论文的创新提供了理论基础，本章的最后将着重讨论关于矩形波驱动电 压的一系列理论计算。 3 2 正弦或余弦驱动四极杆滤质器的理论计算 本节将介绍正弦或余弦所驱动的四极杆滤质器的运动方程、稳定图以及质量 扫描图的计算。 3 2 1 离子的运动方程 3 2 1 3 离子的受力分析1 设相邻极杆间电势差为2 丸，其中吮= u - v c o s ，四极杆滤质器中离子的 运动方程为： 王+ ( 三；) ( u 一矿c o s o j t ) x ：0 m r o j ；一( - 兰；) ( u y c o s c o t ) y ：0 m r o ，砭= 0 公式( 3 1 4 ) 令孝= 詈 则有孑d 2 x = 孚虿d 2 x 制孑d 2 y = 等窘，于是有公式( 3 - 1 5 ) ： 历q ：一8 f e 了( 【，一矿c o s 2 考：) x 历q 一砑p 忉q = 缈8 ：e 君( u - v c o s c o s 2 孝) y m a z = 0 公式( 3 1 5 ) 第三章数字化四极杆滤质器的理论计算 令| j ；j 篓( 汐一y c o s