（生物医学工程专业论文）质谱仪小型化技术研究.pdf

a b s t r a c t t h em i n i a t u r i z a t i o ni so n eo f i m p o r t a n td e v e l o p i n g d i r e c t i o n so fm a s s s p e c t r o m e t e r ( m s ) i nr e c e n ty e a r s ，m sm i n i a t u r i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l y s t u d i e db o t ha th o m ea n da b r o a d c o n s i d e r a b l ep r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nv a r i o u s a s p e c t s a tp r e s e n t ，m i n i a t u r em sh a sp l a y e das i g n i f i c a n tr o l ei nl o t so f s p e c i a l p u r p o s ea n a l y t i c a ld o m a i n s ，a n dh a sr a p i d l ye x p a n d e di t sm a r k e t b u tf o rt h e l a c ko fh o m e m a d em i n i t y p em s ，t h o s ew h on e e di th a v et oe q u i pt h e m s e l v e sw i t h i m p o r ti n s t r u m e n t s n o w a d a y s ，t h ec e n t e r - e n da n dl o w e n dm a s sa n a l y z e rm a r k e t f a c e sat r a n s i t i o np e r i o dc h a n g i n gt h el a r g e s c a l em a s sa n a l y z e rt ot h em i n i a t u r em a s s a n a l y z e r s ot h er e s e a r c ho nm i n i a t u r i z a t i o no fm a s ss p e c t r o m e t e rh a sag r e a t s i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to fm a s ss p e c t r o m e t e ri n d u s t r yi no u rc o u n t r y o nt h ef o u n d a t i o no fp r e v i o u ss t u d i e s ，t h i st h e s i sp r o p o s e st w om e t h o d so f m i n i a t u r i z a t i o nm a s sa n a l y z e r s ，a n dd i s c u s s e st h e i r f e a s i b i l i t i e sa n dt e c h n i c a lr o u t e s o n ei st ou s ef r e q u e n c ys c a n n i n gm o d e d i g i t a lr e c t a n g u l a rw a v ea st h ed r i v i n gv o l t a g e o ft h eq u a d r u p o l em a s sa n a l y z e rt or e a l i z ei t sm i n i a t u r i z a t i o n t h i sw a yd o e sn o tn e e d h i g h v o l t a g e ，a n db r i n g sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c ti n f i e l da n dr e a l t i m ed e t e c t i o n w h i l ec o u p l i n gw i t hg a sc h r o m a t o g r a p h y a n o t h e rm e t h o di st om i n i a t u r i z et h en o v e l e l e c t r o s t a t i cf i e l df o u r i e rt r a n s f o r mo r b i t a lt r a p o r b i t r a p i th a sb e e nc o n f i r m e dt h a t m i n if t m sm a i n t a i n sh i g hr e s o l u t i o na n da c c u r a t eq u a l i t a t i v ea b i l i t yb ya n a l y z i n gt h e p r i n c i p l eo fo r b i t r a pa n ds i m u l a t i n gt h em i n i s i z e do r b i t r a pe l e c t r i cf i e l d i na d d i t i o n ， n o n e v a p o r a b l eg e t t e r ( n e g ) v a c u u mp u m ph a sa l s ob e e ns t u d i e d t h i st y p eo fp u m p h a sm a n ya d v a n t a g e s ：n om o v a b l ep a r t s ，r e n e w a b l e ，f r e ef r o mp o l l u t i o n ，s t r o n g a b s o r p t i o no fg a s ，d u r a t i v er e a d yc o n d i t i o na n ds oo n ，w h i c hm a k e si tab e s tc h o i c e f o rp o r t a b l em a s ss p e c t r o m e t e r b a s e do nt h ew o r ka b o v e ，t h em e c h a n i s md e s i g n so ft h et w ok i n d so fm i n i a t u r e m a s sa n a l y z e r sa n dn e gv a c u u mp u m ph a v eb e e nm a d e a n da l s ot h es c a n n i n g f r e q u e n c ym o d es q u a r e w a v ep o w e rs o u r c eo fq u a d r u p o l em a s sa n a l y z e rh a sb e e n i n v e s t i g a t e d ，s i m u l a t e da n dt e s t e d a l lt h o s eh a v ep r o v i d e dt e c h n i c a ls u p p o r t sf o rt h e d e v e l o p m e n to fm i n i a t u r em a s ss p e c t r o m e t e r k e yw o r d s ：m a s s s p e c t r o m e t e r , m i n i a t u r i z a t i o n ，q u a d r u p o l e ，o r b i t r a p ，n e g 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鲎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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：韩泛岛 签字日期： 爻卯7 年6 月j 牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫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：韩又岛 签字日期：爻叼年6 月j 学同 导师签名 签字同期 叫 ：f年月 同 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 质谱仪( m a s ss p e c t r o m e t e r ，m s ) 是一类将物质粒子电离成离子，按质荷比 ( m z ) 进行分离并检测其强度来作定性定量分析的仪器。自问世以来，因其能 够灵敏地提供被分析样品的大量组成信息和结构信息而得到了广泛应用。现在国 际公认的许多质量分析标准都必须要有质谱测量数据，质谱仪己成为许多行业的 必备仪器，在生命科学、环境资源、新型材料、质量监测、食品安全、公共安全 以及航天和军事技术等诸多热点领域，发挥着越来越重要的作用。质谱技术主要 有两个发展方向：1 高通量、高灵敏度和精确化，面向实验室精密检测；2 j 、型 化和自动化，针对通用实时分析。面对各种复杂的分析环境，特别是要求现场快 速检测的情况下，对小型便携式质谱仪的需求也越来越迫切。相对已经较为成熟 的大型质谱仪而言，小型质谱仪的发展要晚得多。尽管几乎各种类型质谱的微型 仪器在实验室里都能见到，但在开发能与传统质谱竞争的微型、价廉、功能齐全 的小型质谱方面还需要大量的工作【l 】。 1 1 小型质谱仪的研究现状 传统大型质谱仪在追求高性能的同时也严重限制了其使用。体积较大，对工 作环境要求比较苛刻，使得质谱分析工作大都需在实验室里进行而无法做到现场 分析；要由专业人员操作，对样品的处理、分析程序较复杂，所需的时间一般也 比较长，不能够实时检测；且价格相当昂贵，每台需要几十万甚至上百万美元， 不适宜普及。而小型质谱仪虽然质量范围和分辨率等性能方面不如大型质谱仪， 但其定性定量能力已经能够满足很多检测所需。目前小型质谱仪的使用方向有： 1 、不明危险物快速定性：恐惧只来自于未知。当面对环境安全或公共安全 的突发事件时，需要对危险物质现场进行定性，并提供决策意见，便携质谱是一 种十分有效的分析工具。目前我国已在特警、消防和疾病控制系统中采用了以 h a p s l t e 为代表的一系列便携式g c m s ，以应对公共场所不明气体、恐怖主义 分子施放的炸药和毒气、化工产品的泄漏爆炸、水体的不明污染等威胁。 2 、野外实时分析：由于具有可在户外连续工作的优势，在大气和水源污染 环境监测、海关上船检测以及战场上生物武器和化学武器的监测与防护方面，便 携质谱也扮演着极其重要的角色。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 3 、密闭环境监测：在航空、航天和车船系统中，体积小、重量轻、具有高 抗震性能的便携质谱仪毫无疑问将会一显身手，如监测舱内制冷剂的泄漏、燃料 的污染以及汽车装潢污染问题等。 4 、工业多点轮测：在工业过程控制中，可用一台便携质谱对不同生产线上 产品质量进行实时评估，对不同生产区域的工作环境加以轮流监测，以最低成本 实现过程分析的日的。 5 、其他：若与小型色谱联用，便携质谱在食品安全检测、药物检测和疾病 诊治、毒品易制剂和毒品的检测( 特别是现场快速检测) 、消防和刑侦事发现场 取证以及体育竞赛中的兴奋剂检测等等诸多领域中都将发挥不可估量的作用。 国际上已经出现了很多车载式移动小型质谱仪或气质联用仪产品。如b r u k e r 公司的c b m s 离子阱( i o nt r a p ，1 t ) 质谱仪和m m 2 四极杆( q u a d r a p o l e ) 质谱 仪、k o r e 公司的m s 一2 0 0 飞行时间( t i m eo ff l i g h t ，t o f ) 质谱仪、c o n s t e l l a t i o n t e c h n o l o g y 公司的c t - 1 1 2 8 四极杆气质联用仪、s i e m e n s 公司的q u a n t r a 移动式 傅立叶变换离子回旋共振( f o u r i e rt r a n s f o r m i o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e 。f t - i c r ) 质谱仪等，还有部分产品可脱离车载服务舱一段时问，成为单兵便携式仪器装备， 如i n f i c o n 公司的h a p s i t e 气质联用仪、e u r o p e a ns p e c t r o m e t r ys y s t e m s 公司的 e c o s y s p 四极杆质谱仪等。其中i n f i c o n 公司生产的h a p s l t e 气质联用仪是比较 成功的一款商业产品，它能够快速可靠地现场分析空气、水和土壤中的有毒工业 物质、挥发性有机物及化学武器等危险不明物，已被包括美国国防部在内的多国 安全部门应用于应急响应、有害废物现场调查、环境污染确定、室内空气质量检 测、工业过程安全监控、挥发毒性有机物定性等诸多领域。台湾也开发出了一种 以车载质谱分析仪为核心的新型核生化侦察车( n b c ) “云豹”，能在半小时内确 定禽流感等威胁，从而为及时预警提供宝贵时间。 国内也对小型质谱仪的研究给予了高度的重视。“十一五”期问，国家自然 科学基金等基金项目将加强和注重仪器的研制工作，以便携、现场、无损检测仪 器的研制作为分析化学学科的优先资助方向之一，并将面向国家安全、人类健康、 突发事件的分析方法与技术作为重点项目。在科技部“十一五”国家科技支撑计 划科学仪器设备研制与开发重大项目课题公开招标中，北京市东西分析仪器 有限公司以小型台式及车载应急检测气相色谱，四极杆质谱联用仪产业化示范项 目成功中标。上海市为了迎接2 0 1 0 年世博会的召开，也提出了保障重大活动安 全的“世博号”检测车项目，着重于小型便携质谱仪等现场分析仪器的开发。中 低端质谱仪市场正面临着从大型质谱仪向小型质谱仪转换的一个过渡时期，这将 是我国质谱产业发展的重要契机。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 小型质谱仪的研究现状 如何让质谱仪便于携带、使用方便、价格适于普及，及使其应用于现场实时 检测是近年从事质谱学研究的科研人员们一直关注的一个前沿课题。对小型质谱 仪来说，其质量分析器必须有三个特点：体积小、重量轻、功耗少。同时质谱仪 的小型化并不局限于质量分析器。在2 0 0 0 年1 月举行的以“现场便携式小型质 谱”为主题的s a n i b e l 国际质谱会议上，大多数与会专家认为质谱小型化的难点 在于减小真空系统、进样系统、电源等的尺寸，研制出真正小型化的质谱仪或气 质联用仪，而不是单纯使质量分析器小型化【2 】。 几种实验室常见的大型质谱仪都有小型化样机被开发出来【3 j 。s i n h a 等人采 用新型材料制成的轻型磁体，开发了一种小型的非扫描m a t t a u c h h e r z o g 式双聚 焦扇形磁式质谱仪【4 】，可应用于环境监测中对微孔气相色谱进样流进行快速分 析。英国利物浦大学s y m s 等人利用微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ，m e m s ) 技术成功地将四极杆质谱仪小型化【5 j ，工作气压为2 1 0 一p a 。 f e r r a n 和b o u m s e i l e k 利用玻璃与金属封接新工艺，制成了一种可用于残余气体 分析的四极杆微阵列质谱仪【6 1 ，但分辨率较低，般不到单位质量分辨率。普度 大学rg r a h a mc o o k s 教授领导的研究组在离子阱的微型化方面的工作比较突 出，他们研制的小型圆柱形离子阱1 7 j ( c y l i n d r i c a lq u a d r u p o l ei o nt r a p ，c i t ) 和矩 形线性离子阱【8 】( r e c t i l i n e a ri o nt r a p ，r i t ) 尺寸比常规的小了一个数量级，体积 和重量都得到了显著地减小；在保证信号强度的同时简化了操作，进一步降低了 功耗和成本。j o h n sh o p k i n s 大学应用物理实验室在飞行时问质谱仪的小型化方 面取得了较多成果，研制了一种长2 0 英寸( 约5c m ) 的端盖反射式质谱一j ，具 有很好的高阶动能聚焦性能，还采用非线性反射式飞行时间分析器开发了一种可 检测高质量化合物的手提箱式t o f 质谱仪【l o 】。d i e t r i c h 则深入研究了傅立叶变换 离子回旋共振质谱仪的小型化【l ，f t m s 样机采用磁场强度为0 4 4t 的永磁体， 最大质量范围约为3 0 0 - 5 0 0m z ，在采样气压为1 0 巧p a 时可获得5 0 0 , - 一1 0 0 0 ( f w h m ) 的质量分辨率。除了以上五种主要的质谱仪外，较少见的单极杆 ( m o n o p o l e ) 质谱仪也出现了半径为2m m 小型化样型【1 2 1 。另外，m a k a r o v 发明 的基于静电场的新型轨道阱傅立叶变换质谱仪o r b i t r a l p 【1 3 j ，体积虽小但分辨率 极高。 对比这些小型质量分析器：扇形磁式分析器重复性好，在样品或离子源不稳 定和样品难于捕捉时特别有用，同时也可以用于同位素比的测定，但如果减小磁 体体积和重量将极大地影响磁场的强度，从而大大削弱其分析性能。四极杆分析 器定量能力好，对工作真空度的要求较低，预真空时问短，能够在较高气压( 1 0 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 p a 级) 下工作；但其定性能力不足，需与气相色谱联用以增强总体分析能力， 且尺寸的减小使其传输率和分辨率受到限制，需要更有效的离子源和更高频率的 射频电场。四极杆阵列式分析器在减小尺寸的同时保持了灵敏度，更有效地利用 了供给电极的电源功率，但结构更加复杂，增加了其在加工、安装以及电连接等 方面的困难。离子阱分析器虽然在分辨率和质量精确性上不如f f - i c rm s 和t o f m s ，但其小型化仍有一些优点：高灵敏度，这在环境监测和过程痕量监测中非 常重要；可以做串级质谱分析，解析分子结构。其缺点在于操作流程复杂，而且 需要射频电场，当阱尺寸减小时，为保证其分辨率需要更高的驱动电压和频率， 可能导致极问放电。飞行时问分析器具有结构简单、灵敏度高和质量范围宽等优 点，但是需要更低的工作气压，因此需要更高性能的真空泵；且t o f 的分辨力 与尺寸成正比，体积过小将影响高分辨能力的发挥，这成为制约飞行时间分析器 小型化的重要因素。另t o f 所需的脉冲离子源便携化也有较大的困难。傅立叶 变换分析器分辨能力高，定性能力强，适合于未知物的鉴定工作，但它在需要稳 定强磁场的同时还需要射频电场，且功耗较大，使得它比其他分析器更难小型化。 单极杆分析器结构简单，性能一般，但在某些专用检测项目上具有一定优势，如 空问站和飞船等密闭环境气体分析。o r b i t r a p 分辨能力与尺寸无关，所以在小型 化仪器上仍然可以保持1 0 万( f w 瑚) 的分辨能力，缺点在于需要较高的真空 度。 1 3 论文的主要研究内容 从上面的讨论可知，o r b i t r a p 不需要磁场和射频电场，具有识别质量数非常 接近物质的高分辨力，是成为通用小型质谱仪分析器的首选；可与色谱串联的四 极杆小型化仪器对真空度要求低，也具有广泛的应用前景。因此将主要围绕这两 种质量分析器进行小型质谱仪的研究工作。 本论文的主要内容有： l 、对四极杆分析器的方波驱动理论进行研究，探讨以频率扫描实现质量扫 描的工作模式，从理论计算上验证扫频式方波驱动四极杆分析器的可行性以及频 率扫描方式用于分析器小型化的优点，设计小型四极杆分析器的结构； 2 、研究轨道离子阱o r b i t r a p 对离子进行质量分析的原理，探讨o r b i t r a p 尺 寸对其性能的影响，设计小型o r b i t r a p 分析器结构； 3 、在研究非蒸散型吸气泵的工作原理以及吸气剂性能的基础上设计实用的 吸气泵结构； 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 4 、利用离子光学软件s i m i o n d7 0 对所研究的两种质量分析器中离子运 动轨迹进行模拟，将模拟结果与理论计算结果做对比，证实理论计算的正确性； 5 、对扫频式方波驱动的四极杆分析器的电源进行设计、仿真和实验。 天津大学硕士学位论文 第二章质谱仪理论分析 第二章质谱仪理论分析 本章详细讨论了方波驱动的扫频式四极杆质谱仪和o r b i t r a p 轨道阱的工作原 理，从理论上说明了这两种质谱仪的小型化优势。 2 1 方波驱动的扫频式四极杆质谱仪 传统四极杆质谱仪的都是余弦周期信号驱动，其电源中有一个高频振荡器， 用于产生射频电压，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，无法进行频率扫描，所以质量扫描一直采用的电压扫描方式。l a n d a i s 等人虽然尝试了用自制电源以频率扫描方式进行质量扫描【1 4 】，但因其仍由余弦周 期信号驱动，电源电路复杂，频率可调范围较窄，只能在0 4 1 1 m h z 之间扫描， 所得到的质量扫描范同远无法满足应用的需要。 其实，四极质谱仪的驱动信号并不一定要用余弦交流电压。s h e r e t o ve 很早 就提出脉冲射频电压驱动双曲场的理论【1 5 1 ，丁力等人也实现了用方波电压作为离 子阱的驱动信号【l6 】。从理论上来说只要驱动电压缘是周期性的，任何形式的纯都 能够实现束缚离子运动的目的。那么为什么不采用方波驱动并以频率扫描方式来 对四极杆质谱仪进行质量扫描呢? 方波电压是二值信号，很容易实现数字化操 作，在软件的帮助下，频率和波形独立并可连续调节，可调范围广，还能实现波 形的延时或暂停，方便灵活地对离子进行控制( 如引入、引出离子) 。用方波驱 动以频率扫描工作的四极杆质谱仪比传统余弦波驱动的电压扫描方式更具有小 型化优势。 ( 1 ) 采用数字化电压驱动频率扫描代替传统的电压扫描，使得四极杆 质谱仪的质量扫描只需改变一个物理量，简化了驱动电路的结构， 并使得扫描变得更加简单； ( 2 )扫描过程与驱动电压幅值无关，可使驱动电压固定在较低电压值 进行质量扫描，对真空腔的真空度要求有所降低，另外在减小了 分析器的机械尺寸时，极杆间放电的可能性也大大减小，有利于 四极杆质谱仪的小型化； ( 3 )采用方波电压数字化驱动四极杆质谱仪时，电源有半个周期时问 天津大学硕士学位论文 第二章质谱仪理论分析 处于不做功状态，大大降低了质谱仪的功耗，有利于长时间使用 电池工作； ( 4 ) 由于被分析离子的质量数与频率的平方成反比，依靠软件对频率 的程序化连续调节使质量扫描更加精确。 2 1 1 四极杆质谱仪的工作原理 四极杆质谱仪，顾名思义就是由四根带有直流电压( d c ) 和叠加的射频电 压( r f ) 的准确平行杆构成极杆组成质量分析器的质谱仪【1 7 j ，其结构如图2 - 1 所示。极杆的理想表面为双曲面，一般多用圆柱面替代。相对的一对电极是等电 位的，两对电极之间电位相反。如果定义水平方向为x 方向，垂直方向为y 方 向，与极杆平行的方向为z 方向，在x 与y 两支电极上分别施加( u v c o s ( 1 ) t ) 的高频电压( v 为射频电压幅值，u 为直流分量，为圆频率，t 为时间) ， 则在4 个极杆之间的空问形成一个形如马鞍的交变电场。当一组质荷比不同的离 子进入该交变电场时，只有满足特定条件的离子作稳定振荡通过四极杆，到达另 一端的离子检测器而被检测。 图2 - 1 四极杆质谱仪的工作原理 ，匹j 检测器 由拉普拉斯方程知四极杆分析器内任一点( x ，y ，z ) 的电势可表示为1 8 1 ： 垂：冀( x 2 - y 2 ) 公式( 2 1 ) 其中。为四极杆电极上的驱动电压，r o 为四极杆的场半径。质量为m 、电 天津大学硕士学位论文第二章质谱仪理论分析 荷为e 的离子在四极场中各个方向的受力为： 公式( 2 2 ) 其中t t 分另| j 龇m 方向的电场分量，将e 一菩、e r 一蔷、 疋= 一塑a z 带入，并令扣2 _ z e ，则有 f c = - k x = 砂 【c = o 公式( 2 3 ) 可知四极杆分析器中，离子在x ，y 方向上受与位置相关的力的作用而振动， 在z 方向上则不受力的作用。当k 为正值时，离子在x 方向上所受到的力就是回 复力，即离子在x 方向上的运动就可以看做是简谐振动，而在y 方向上所受到的 力却是随着位移的增加而增加，所以是振幅逐渐增加的振动。k 为负值时，离子 在x 方向上的运动就是振幅逐渐增加的振动，而此时y 方向上离子的运动则是简 谐振动。 由牛顿第二定律f = m a ，得离子的运动方程为： + 一 o o 公式( 2 - 4 ) 根据公式( 2 4 ) ，若纯仅仅是一个常数，在x z 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，也即它们的振幅是有限长度。在 ) ，一z 平面内，离子的运动相对于z 轴则发散，最后这些离子都会丢失。如图2 - 2 所示。 e b t晦哆噬 i i i l i i c 0 t，j【l 币 o静静狰 天津丈学硕士学位论文第二章质谱仪理论升析 x z iv z i + l+ u- _一o ：一 1 。、 + _- 1 图2 - 2 纯为常数时离子运动示意图 另外一方面，若靠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，倘若电势商的周期足够小且离子质量足 够大，以至于当靠处于使离子相对于轴发教阶段时，离子不能有效的响应鼎所 施加的“发散力”而撞上或“逃逸”出四极杆。 当四极杆分析器驱动电势随时间交替变化刚，离子的运动类似于小球在一个 马鞍面( 如图2 3 一a ) 上的运动。在一段时问内y 方向上离子运动可看成在图 2 3 一b 的示意的电势阱中做往复运动，而在z 方向上的离子运动由图2 - 3 - e 示意， 离子只有在顶点处才处于不平衡稳定，否则不论在那个位置离子都将滑向z 方向 上的两个极杆。若离子在z 方向正要滑靠极杆时，极杆电势发生变化，于是，z 方向上离子运动变成了上一时问段内y 方向上离子的运动，即在图2 - 3 一b 示意的 电势阱中做往复运动，而此时y 方向上离子运动则变成了上一时间段内x 方向上 的离子运动，如图2 - 3 一c 所示意的，离子只有在顶点处才处于不平衡稳定，否则 不论在那个位置离子都将滑向y 方向上的两个极杆。如此周期性的变更，致使离 子在j 方向和y 方向上不断的变换自己的运动方式，只要控制好靠中交流分量的 幅度和频率，使得离子在某一方向上刚好要碰到该方向上的极杆时其运动方式发 生改变，使得它向四极场中心运动那么就能使离子能够有稳定的轨迹而通过四 极杆，实现质量分析的功能。 ， i ：， a ) b )c ) 图2 _ 3 四极杆分析器中的“电势阱” a 天津大学硕士学位论文第二章质谱仪理论分析 理论上只要唬是周期性的，那么任何形式的晚都能够实现束缚离子运动的 目的。因此，周期性的方波也就能够作为四极杆滤质器的驱动电压，这就为四极 杆分析器的驱动电压提供了另一种选择。 当四极杆分析器采用余弦交流电压驱动时，即。= u y c 。s 积，令孝= 詈， 贿j = 孑d 2 x 和萝= 万d 2 y = 譬窘，艺= 万d 2 z = 等等，带入式得 d 2 x 虿+ d 2 y d f 2 定义 d 2 z n 虿创 口“2 口j5 一口y2 q u2q 一2 一日y2 c o s 2 孝) x = 0 c o s 2 善：) y = 0 8 p 【， m a c r 0 2 4 p y m a c r 0 2 则x 和y 方向的离子运动方程均可用马绍方程表示： 窘+ ( a u - 2 q u c o s 2 跏= 。 公式( 2 - 5 ) 公式( 2 6 ) 公式( 2 7 ) 根据马绍方程的解，可以得到离子在x 方向和y 方向都稳定的二维稳定图， 即四极杆分析器的稳定图，如图2 - 4 所示。凡是工作点( a ，q ) 处于稳定区的 离子都有稳定的轨迹，否则，其轨迹不稳定。在参数( r o ，缈，u ，v ) 给定的 情况下，所有质荷比相同的离子可用稳定图中同一点来表示。又因a q = 2 u v ， 与质量无关，所以不同质荷比的离子在稳定图中均处在一条通过坐标原点且斜率 为a q = 2 u y 的直线上。该直线称之为质量扫描线。质荷比较小的离子，对应a ， 口值较大，因此远离原点，反之离原点较近。在一定的情况下，通过四极场离 子的质荷比与国，u ，v 有关。因此，保持缈不变，而同时改变u 和y 且使u v 比值不变( 即电压扫描) ，或保持u 和y 不变而改变彩( 即频率扫描) ，都可以使 各个质荷比的离子顺序通过四极场而实现质谱扫描【l 引。 u u 一孑 一芬 丝矿丝扩 一m m 天津大学硕十学位论文第二章质谱仪理论分析 黔 辩 a 图2 _ 4 四极杆分析器的a - q 稳定图及其第一稳定区 2 1 2 方波驱动四极场稳定图的计算 q 这里采用矩阵的方法利用计算机计算四极场中离子的稳定性2 0 1 ，这种方法的 优点在于它适用于所有周期性驱动电压，可以通过编程很方便地在传统余弦驱动 电压和方波驱动电压变换，进行对比。关于矩阵法可以参考以前的论文2 1 和文献 2 0 。 对于周期性的方波电压来说，其电势按照矩阵法中的讨论可写成： 忡协麓川，嘲，国 公北剐 此时有： 屯= 研8 e u l2 ，c f = 毒，1 = 蒯 2 叫h ) 公式( 2 - 9 ) 公式( 2 9 ) 中，d 是周期性方波的占空比。为了能方便得与周期性正弦或 余弦波做比较，在这里令： ia = 颤+ ( 1 一d ) 疋 【g = ( 工一疋) d ( 1 一d ) 解得： 公式( 2 1 0 ) 天津大学硕士学位论文 第二章质谱仪理论分析 五雩里 根据矩阵法，可得： m = v ( a 一尚，2 ) v ( 口+ 号，” 公式( 2 1 1 ) 公式( 2 1 2 ) 公式( 2 1 2 ) 就是驱动电压为方波时四极杆质量分析器的传递矩阵。 对于方波电压( 这里取占空比d ：0 5 ) 存在 乏2 口+ 黧，且有，= a 2 = 要。 t t 22a 一二q 二 根据公式( 2 1 2 ) 可求出传递矩阵m 。求出传递矩阵m 后，利用h = p 学l = 1 l 二 求出稳定图边界。 图2 5 示意所求得的方波驱动的四极场中离子在工方向和y 方向上的稳定区 域，即四极场的稳定图。其中标有“a 的区域是离子在x 方向和y 方向上均稳 定的区域之一，被称作“第一稳定区域”。 s t a “暗t yg r a p ho lr a c l l l r l g u l a rw a v “t i z o 5 一i 上：! = j l么； 戛7 y 一r 。 豢! v j ：，。曼 、： 专歹：一、0 ， ? ， 文i 蔓，罗。 、 7 。：，夕、专、； 、 、 ， 么，：7 i 7 、；、釜羹形影 _ 。? 奠 ：x 。l ?、：! 一。j q 图2 - 5 方波( 占空比为o 5 ) 驱动四极场稳定图 稳定区域对x 轴，y 轴均对称，一般取第一象限中的第一稳定区分析，如图 2 - 6 所示。 天津大学硕七学位论文第二章质谱仪理论分析 s _ a * u a 刚h _ c t 口w l v e ( d = o 6 a l 2 r ：j ： ，!j j | | 一。i j? ； 7j | ， ，。帕- 7 ，。s p ：? j 一一= ：。；：。一一，：二：i：一 “1o , 4 1o _ o o - 7 q 图2 - 6 方波驱动的四极杆分析器的第一稳定区域 和图2 - 2 比较可知，传统余弦波驱动电压的稳定图上顶点和右顶点分别为： ( o 7 0 6 ，0 2 3 7 ) 、( 0 9 0 8 ，0 ) ，而方波驱动电压的稳定图与之不同，分别为( o 5 5 2 9 ， 0 2 3 8 1 ) 、( 0 7 1 2 5 ，0 ) 。以下计算都取上顶点参数( o 5 5 2 9 ，0 2 3 8 1 ) 。 通过上面的计算，得到了方波驱动四极场的稳定图，从类似的稳定图来看， 可知利用方波作为四极杆质谱仪的驱动电压同样能够对离子进行质谱分析，验证 了之前根据动力学理论分析得到的结论，即方波可以代替传统余弦波作为四极杆 质谱仪的驱动电压。 2 1 3 扫频模式的质量扫描图计算 传统四极杆分析器的质量扫描图，即u v 稳定图是通过公式( 2 6 ) 变换直 接得到的，如图2 7 所示，其质量扫描线是一条过原点的直线。 fyu罩=ma)zr。2二 公式( 2 1 3 ) 天津大学硕十学位论文第二章质谱仪理论分析 鞠 直流分鼋u 5 。 4 。 3 。 冀 j 0 0 0 貉1 知 强2 5 。铷蹴橘鼢蚴 交流分量v 图2 7 传统四极分析器的质量扫描图u v 图 为了实现频率扫描，需要计算该工作模式下的质量扫描图，即u 一，稳定图。 通过公式( 2 6 ) 变换可得： 公式( 2 1 4 ) 将：4 e 了v 一1 代入到u ：垡q 矿式中，并将缈：2 x f , a 扒。可得： m百级8e 公式( 2 1 5 ) 由公式( 2 1 5 ) 可知，当保持a q r o 、v 不变时，质量数与u 无关，而 只与射频电压的频率_ 厂有关。即可以使用固定幅度的偏置直流电压和射频交流电 压，改变射频交流的频率来实现对离子质量数的扫描。利用这一特点，可以实现 高频低电压下的质量分析，避免了使用高频高压驱动四极杆，这样，当对四极杆 质量分析器小型化时，就不用担心电极距离太近而发生放电。与此同时，由于没 有放电的限制，就不需要太高的真空度，虽然这样可能会影响仪器的灵敏度，但 降低了仪器真空系统的功耗，有利于质谱仪的小型化。 1 令m = 3 0 0 、v = i o o v 、r o = 兰m m ，以及电子电荷常数p = 1 6 x 1 0 - 1 9 c ， 倒 一i 吼 口 岳w i = 严 忙 矿 ，陀 、 上厄 q一吼一蹩 = 一y 一饥忙辱 = 。 天津大学硕士学位论文第二章质谱仪理论分析 质子质量常数m p = 1 6 7 1 0 - 2 7 始等量代入兰和争可以得到： u ：5 0 旦 吼 f = 1 3 8 1 5 x 1 0 6 、| 1 i 公式( 2 1 6 ) 根据公式( 2 1 6 ) ，可将前面求得的方波驱动的四极场a - q 稳定图变换成u 一厂 稳定图，如图2 8 所示。 ；i；i ；i； 咝乏5 0 0 ；耐z 2 i o；! ；争蝴磊1 i； 荔i ? ：、 憋 ；。? o ! 、 1 ； ，： ； ； j ! 轴粥绞2 ；j 、 瓣 i | i ；| | ； i|； ： l 守i觏亭黼i泽魂啐一1f f 俅h z 图2 - 8 方波驱动四极杆分析器的质量扫描图 与u y 图不同，在u 一厂图中，质量扫描线是一条与横轴厂平行的直线。 传统质量扫描采用的电压扫描需要同时改变u 、v 的值，电源电路和控制电路都 比较复杂。而频率扫描方式这只需要改变频率厂一个参数就可以实现质量扫描 了。图2 8 中共作了1 0 条曲线，分别是质量数竺：5 0 0 、一m ：4 5 0 、里：5 0 zzz 在u 一厂图上的稳定曲线。由图可知，质量数越大其稳定曲线越靠近u 轴。从扫 描线1 可以看出，质量数越小，相同质量间隔的频率差距越大，即频率对质量扫 天津大学硕士学位论文第二章质谱仪理论分析 描的精度越高。扫描质荷比范围5 0 5 0 0 m z 需要的频率范围为1 4 - - 4 6m h z 。 从质量扫描线2 可以看出，质量数越低，可清楚分辨两扫描线问的m 越小，分 析器质量数的降低不会直接导致分辨力的下降。 若将a ，= o 2 3 8 1 ，q ，= o 5 5 2 9 代入公式( 2 1 6 ) 可以得到频率扫描方式此时 的质荷比与频率关系曲线图，如图2 - 9 所示。因为m z 与频率厂的平方成正比， 所以其对数图是一条直线。其中的红点代表所取的质量数为3 0 0 的点需要的频率 是i 8 5 8m h z 。 s c i 蛔e i i ：黧、，二 ?j _ 一一。一。 心 i 、0j h 一 协 m 在( t h o m s o n l 鲫 图2 - 9v = 1 0 0 v ，r o = 1 5 1 1 4 8 时的m z 与厂的对数图 2 1 4 方波驱动质谱仪的分辨率 理想情况下，质谱仪的分辨率m z ! o n 为： 蕊m = c l 等u，竹 公式( 2 。1 7 ) 其中m 为半高峰宽，c t 为常数，f 为射频电压的频率，l 为极杆长度，u ： 为出离子源时的加速电压。 由公式( 2 1 4 ) 考虑四极杆分析器的传输率有： m 一8 2 去专 公式( 2 。1 8 ) 天津大学硕士学位论文第二章质谱仪理论分析 这里v 为射频电压的幅值，为极杆半径，级在扫描时为常数，将公式( 2 1 8 ) 代入公式( 2 1 7 ) 有： 一m a m 4 8 2 g 去号ur 1 冗q 。 可以令1 1 4 8 2 矛c 瓦1 e 2 c 2 ，则有： 冗( 1 ， 石m = c 2 筹u，z 一r 公式( 2 1 9 ) 公式( 2 2 0 ) 即除了四极杆分析器的物理特征外，分辨率与加速电压u ，成反比，与射频 电压的频率无关。对于扫频式方波驱动的分析器，在质量扫描时y 不变，所以理 论上该分析器在全质量范围上的分辨率是不变的。在其他参数不变的情况下，四 极杆分析器的极杆半径，越小，极杆长度l 越大，分析器具有的分辨率越高。但 是半径，的减小，要求其离子引导具有更好的聚焦性能，否则会导致灵敏度和传 输率的下降。长度l 增大的同时对离子的传输率也有一定的影响，而且不利于仪 器的小型化。冈此分析器小型化设计时，应注意仪器离子引导的聚焦能力，选择 合适半径、长度的极杆，在小型化与分辨率间找到最优的组合。 2 2o r b i t r a p 质谱仪 傅里叶变换静电场轨道离子阱o r b i t r a p 是一种全新的质量分析器，是2 0 多 年来质谱仪器领域的重大突破。 2 2 1o r b i t r a p 分析器工作原理 o r b i t r a p 是一种基于静电场的新型轨道阱傅立叶变换质量分析器。该分析器 由一个纺锤状的中央电极和一个与之共轴的桶状外部电极组成，其电势分布可用 一四极场加对数场表示12 1 。离子在静电场的作用下绕中央电极在两电极问旋转的 同时以一定的频率沿轴向谐振，离子谐振的频率与其质荷比的负二分之一次方 ( ( 面z ) 。1 尼) 成正比。与f t - i c r 样，可用镜像电流( i m a g ec u r r e n t ) 检测器对 天津大学硕+ 学位论文第二章质谱仪理论分析 此共振频率在时域进行非破坏性测量，然后用快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，f f t ) 即可得到质谱图。 早在1 9 2 3 年，k i n g d o n 就提出了轨道阱的概念【2 2 1 。当离子围绕中央电极运 动时，若其初始切线速度引起的离心力与电极对离子的静电引力相互补偿，离子 将被束缚，端电极形成的电势屏障限制了离子的轴向运动，可通过适当地改变电 极的形状控制离子的振荡频率( 尤其是轴向振荡的频率) 。由于离子轨道诱捕和 检测方面的问题，早期k i n g d o n 阱一直作为一种分子束检测器【2 3 域离子存储装置 阱】。直到1 9 9 9 年，m a k a r o v 采用电力“挤压”技术诱捕离子，并提出通过镜像 电流检测离子在阱中的轴向运动频率的方法，静电场轨道阱才成为一种质量分析 器 2 5 1 。 般情况下，当离子从外界进入静电场时会加速通过场区，就像外太空的彗 星在引力的作用下穿过太阳系一样。因此，在离子进入进行诱捕时，电场不能是 静态的。为了增加捕获离子的质量范围，m a k a r o v 运用“电力挤压”的原理对离 子进行诱捕，在离子进入o r b i t r a p 场时，用一个强度渐增的电场将离子向中间挤 压，使离子到达o r b i t r a p 另一面时，平均轨迹