单四极杆型LCMS简介

18 December 1856 – 30 August 1940 (August 10, 1913 – December 7, 1993) (1 September 1877 – 20 November 1945) (June 15, 1917 – December 10, 2010)
质谱应用的发展
http://www.osakavacuum.co.jp/en/products/pump_turbo/genri.html
维护的好，分子泵的寿命很长，从而延长质谱 的时候年限，维持质谱的仪器测试水准
真空系统－流量
1000 mbar 0.5 mbar 3×10－3 mbar 离子透镜 5×10－5 mbar 分析器
1/S = 1/Cpump + 1/Cpipe1＋1/Cpipe2＋1/Cpipe3…..+1/Cconnector1+1/Cconnector2+…. 总的气导类似于并联电阻的总电阻
休息一下…..
质谱的结构可以变得非常非常的复杂……
质量分析器
From Summer course by Professor ZhengOuyang

身高多少？ 分子量多少？
质谱早期历史（1）

J.J Thomson在20世纪初对阳极射线的研究直接导致 质谱的发明。
J.J Thomson, Rays of Positive electricity, 1911
质谱早期历史（2）
最早的质谱图
未找到原文章, 转自wikipedia.org
Aston F.W. Isotopes and Atomic Weights, Nature, 1920
质谱历史－磁质谱
Dempster A.J.
A new method of positive ray analysis Phys. Rev., 1917, XI(4), p.316
J. Mattauch, R. Herzog ÜbereinenneuenMassenspektrographen Zeitschrift fur Physik, 1934, 89, p.786
From R. Graham Cooks课程内容
历史角度看LCMS

新型的分析器原理在过去的100年中只出现了少数几 种－磁，飞行时间，四极杆，离子阱。新的原理往 往伴随着质谱的革命。所有这些技术都已用在了 LCMS上。
离子源是另一个容易产生技术革新的领域，在过去 的20年出现的最重要的几种离子化技术，大部分都 用于LCMS，例如ESI，APCI，Maldi，DESI，DART。 未来LCMS技术革新的方向预计将是向生物方向倾斜
http://www.lesker.com/newweb/Gauges/gauges_technicalnotes_1.cfm
http://www.omega.com/literature/transactions/volume3/high3.html
热阴极（10-3mbar-10-9mbar） 冷阴极（10-3mbar-10-9mbar） 如果您的质谱，气压反馈始终都在10-4mbar左右，有理由怀疑真空规有问题
Koichi Tanaka 2002 Nobel Prize for Chemistry "for the development of soft desorption ionisation methods (MALDI) for mass spectrometric analyses of biological macromolecules"
Paul W., Steinwedel H.
EinneuesMassenspektrometerohneMagnetfeld
Z. Naturforschg., 1953, 8a(), p.448
质谱历史－最早的ESI（电喷雾离子源）
Hale Waihona Puke Baidu
Dole M., Mack L.L., Hines R.L., Mobley R.C., Ferguson L.D., Alice M.B.
结构 一般在不进气的情况下，能够抽到10-2mbar
原理
在选择替换旧泵，坏泵时，主要的参数是抽速，一般用在LCMS上的机械泵抽速 多在10－30m3/hr 泵油建议半年换一次，排气管道务必通至室外
真空系统－分子泵
http://www.osakavacuum.co.jp/en/products/pump_turbo/genri.html
质谱历史－飞行时间质谱

1946年TOF（飞行时间质谱）概念出现
质谱历史－最早的飞行时间质谱
Cameron A.E., Eggers D.F. Jr.
An Ion "Velocitron"
The Rev. of Sci. Instrum., 1948, 19(9), p.605
质谱历史－四极杆质谱的出现
Wolfgang Paul 1989 Nobel Prize for Physics "for the development of the ion trap technique"
John Bennet Fenn 2002 Nobel Prize for Chemistry "for the development of soft desorption ionisation methods (ESI) for mass spectrometric analyses of biological macromolecules"
Analytical Chemistry, 1975, 47(14), p.2369
质谱历史－诺贝尔奖
Joseph John Thomson 1906 Nobel Prize for Physics "in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases"
单四极杆LCMS举例(天瑞LCMS-1000)
真空系统

为什么要真空？ 四极杆加载着2000－4000V的高压，在非真空环境 下，放电导致损坏仪器电路和四极杆 最常用的几类检测器都需要工作在真空环境下，不 恰当的真空会直接击穿检测器
1. 保护作用
a.
b.
2. 降低碰撞概率
在非真空环境下，离子，分子之间的碰撞非常频繁， 无法利用电场，磁场规范离子运动，导致离子的运 动行为不可测
真空系统－平均自由程
平均自由程：分子两次碰撞之间自由运动的平均距离
真空系统－真空腔
离子透镜 离子＋气体分子 离子 分析器
1000mbar
气体分子
10－5—10－6mbar
早期质谱，从大气压直接通过小孔至10－5mbar, 如果通过一个100um的孔， 后一级真空的分子泵抽速要达到100，000L/s！（对比现在常用的70－500L/s 分子泵抽速） 成本高昂，容易堵塞
结构示意图
某品牌的分子泵
真空系统－分子泵原理
结构比较精密的泵，一旦出现问题， 务必不要自己拆开！ 虽然现在的分子泵都有快速停止功能，为了泵 的安全和寿命，建议留够30－60分钟等待分子 泵完全停止 部分分子泵每隔一段时间需要添加少量油润滑 轴承，购买质谱时，最好知道自己的质谱所使 用的分子泵是否需要维护 启动分子泵之前务必先启动机械泵；分子泵 完全停止后再停止机械泵！ 尽量避免液态水，气态水进入真空
Francis William Aston 1922 Nobel Prize for Chemistry "for his discovery, by means of his mass spectrograph, of isotopes, in a large number of non-radioactive elements, and for his enunciation of the whole-number rule"
Molecular beams of macroions Journal of Chemical Physics, 1968, 49(5), p.2240
质谱历史－ESI离子源
Yamashita M., Fenn, J.B.
Electrospray Ion Source. Another Variation on the free-jet theme

质谱现状
更高，更快，更强 更高：分辨率，质量数范围 更快：扫描速度，快速检测离子源 更强：应用范围更加的广泛，生物，医药等

四极杆质谱-结构简介

回到我们将要专注的四极杆LCMS
真空系 统
离子 源
分子离子
真空 接口
离子传 输器
质量分 析器
离子被筛选
检测 器
信号 采集
数据 分析
离子被检测 信号采集转为电脑数据



四极杆结构
y x
四根平行的金属杆，分为两组 加载完全相反的电压。 电压由交流电和直流电两部分 组成
四极杆原理简介
四极杆原理
那么离子在x，y方向上的运动方程为
假定：
得到： 著名的马休斯方程（Mathieu Equation）
马休斯方程
Journal of Physical Chemistry, 1984, 88(20), p.4451
质谱历史－最早的APCI（大气压化学电离）
Carroll D.I., Dzidic I., Stillwell R.N., Haegele K.D., Horning E.C.
Atmospheric Pressure Ionization Mass Spectrometry: Corona Discharge Ion Source for Use in Liquid Chromatograph - Mass Spectrometer - Computer Analytical System
3.75
0.75 3.0 0.715
0.035
单位为mLatm/s
简单模型下，假设使用常用泵抽速，多级真空系统的进气量 最终到分析器的气体量只有1%
真空系统－真空规

真空规有很多种，在LCMS中常用的是pirani和冷阴 极组成的复合规(在10－4mbar左右切换)
Pirani计（1000mbar-10-4mbar）
四极杆优缺点

LCMS的质量分析器可以是飞行时间，离子阱，四极 杆等类型 目前的主流还是四极杆，虽然四极杆质谱的分辨率 （单位质量分辨率）差强人意，但是其价格和对大 部分应用需求的满足，还是使得四极杆依然是目前 的主流LCMS分析器 四极杆的用途不止限于作为质量分析器，也可以作 为离子传输器和碰撞反应池 理解四极杆的初步理论，对理解谱图和查找问题有 着巨大的帮助
真空系统－真空腔

目前主流LCMS都采用了多级真空系统
离子透镜 分析器
离子＋气体分子
离子 气体分子
1000 mbar
1 mbar
10－3 mbar
10－5—10－6 mbar
多级真空系统，有效的降低了成本，提高离子的通过率从而提高了信号。
如何获得真空－机械泵

机械泵
http://www4.nau.edu/microanalysis/microprobe-sem/instrumentation.html
真空系统－需要注意的其他事项
Hagen-Poiseuille推导公式。用于计算圆管的气导。
为了提高抽真空的效率，尽量使用短而粗的气管连接机械泵，分子泵和真空腔； 例如对于25m3/hr（7L/s）的机械泵，如果使用两根60cm长，1.6cm的气管连接 到分子泵和真空腔，那么在真空腔这端的抽速会降低到5L/s！ 尽量减少接头的时候，需要用接头时，尽可能的使用U型，避免使用V或Γ型 真空规定期应该清洗一次，以保证真空反馈数值的准确性，保证质谱的安全
单四极杆型LCMS简介
潘翔博士 江苏天瑞仪器股份有限公司 天津市理化分析中心 2012.12.01
内容目录
MS历史 LCMS结构

质量分析器、离子源、真空系统、真空接口、离子传 输、检测器 仪器指标 软件 调谐校准、数据采集、数据分析、数据库检索 应用实例
什么是质谱？
物质的基本信息：分子量（分子的重量） 而现有的有机物的分子量从16 Dalton（CH4）到几 千万Dalton （蛋白质）都有