离子阱类质谱仪的基本工作原理.pptxVIP

离子阱类质谱仪的基本工作原理; 离子阱类质谱是一类极其重要和应用广泛的质谱分析方法，是化学及生物学分析的基本工具，了解其工作的基本原理，对于深入了解阱类质谱的设计构造，性能指标，操作模式，参数优化和合理使用都是基本的和必须的，其基本原理主要涉及离子在四级场中对的运动规律的描述。; 1. 仪器类型 1.1三维离子阱 三维离子阱是较早出现的一种离子阱，由一对环形电极和两个呈双曲面形的端盖电极组成，两个端盖电极顶端开有小孔，作为离子出入的通道。一般在环形电极上施加射频交流电压或再加直流电压，以提供一个捕获离子的四级场，上下两个端盖电极一般接地。三维离子阱的主要缺陷是双曲面电极加工组装困难，且离子捕获在阱中心的一个空间点上，捕获效率受到限制，另外存在着空间电荷效应，质谱的分辨率很难提高。 ; 图1. 3D离子阱的结构示意图; 1.2线性离子阱 线性离子阱，是在四级杆质谱基础上发展起来的，由两组双曲线形级杆和两端的两极板组成，在其中一组级杆上开有窄缝。两组极杆上施以位相相反的射频电压，且开有狭缝的一组施加一激励交变电压，以驱动离子从窄缝中共振弹射检出。相对于三维离子阱，离子在线性阱中被囚禁在极杆轴向的线段内而不是聚集在一个点上，有效地避免了三维离子阱的固有缺陷，因此捕获效率得以提高，空间电荷效应减弱，质谱的特异性和灵敏性得到了极大提高，该类型的离子阱为目前离子阱的主流产品。; 图２.附图示线性离子阱的结构 ; 1.３轨道离子阱 轨道离子阱的工作原理类似于电子围绕原子核旋转，具有一定初速度的离子，进入离子阱后受到来自中心纺锤形电极的吸引，会围绕中心电极做旋进运动，即：围绕中心电极（径向）和沿中心电极（轴向）的运动。因为离子质量不同，当达到谐振时，不同离子的轴向往复速度不同，通过离子阱中内置的检测器检，测定离子通过时产生的感应电流，可以得到多种离子的时序信号，然后通过傅立叶变换成为频谱，而共振频率直接与离子质量有关，由此可以得到质谱图。轨道离子阱质谱的分辨率极高，本身的体积很小，但对工作环境的要求极高，支持系统庞大，购置及维护费用高，使用受到一定限制。 ; 图３.ｂ示轨道离子阱结构 ; 1.４矩形离子阱 矩形离子阱是通过对线性离子阱的简化而来的，关键是用平行板取代了曲面极杆，容易加工和组装，不过其离子活动的主要空间处的电场仍然可以近似为电四极场。一般在x , y 电极之间施加的射频电压，使x-y 平面内形成谐振场，而在z方向加一直流电压形成捕集势阱, 限制并调节离子在z方向的运动。; 图4.矩形离子阱结构示意图及外加电压 ; 2.理论背景 2.1在捕获场的自由振荡 所有离子阱的工作机制具有共同的理论基础，即离子在电四极场中的运动规律，在单纯施加一个射频电压的情况下，其运动可以用马修齐次二阶微分方程描述，即 （1） ; 其中，在柱坐标系中，u表示径向r(x，y)和轴向z坐标，这是简谐方程，各坐标可独立求解；?是一个无量纲参数，?=?t/2，?是射频电压的角品率（rad/s ）；au和 qu是一对有关马修方程解的约化参数，对理想的四极场，要求离子阱的电极结构满足 r0=2z0，r0和z0分别是环形电极和端盖电极顶点的到原点的距离，则有以下关系：; （2） 其中， m是离子的质量， e是单位电荷，U 和 V是所施加的射频的直流电压及交流电压波幅。; 图5.离子阱结构示意图; 对离子运动的马修方程求解，可以得到离子在电四极场的本征振荡频率的频谱为： （3） 其中，下角标u表示空间坐标，n是高