質譜中的“四極杆”是做什麼用的？

質譜法質荷比是什麼

一、四極杆簡介

四極杆質譜是目前最成熟、應用最廣泛的小型質譜計之一。在氣相色譜-質譜（GC/M S）和液相色譜-質譜（LC/M S）聯用儀中，四極杆是最常用的

質量分析器

之一［1］。

先說什麼是質量分析器。質譜分析是一種測量離子質荷比（質量-電荷比）的分析方法，其基本原理是使試樣中各組分在離子源中發生電離，生成不同荷質比的帶電荷的離子，經加速電場的作用，形成離子束，進入質量分析器。在質量分析器中，再利用電場和磁場使發生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質譜圖，從而確定其質量。

四極杆就是最常用的

質量分析器

之一。四極杆質譜計屬於動態質譜， 由於僅利用純電場工作， 無需涉及磁場 ，其結構簡單 ，重量較輕；僅要求離子入射能量小於某一上限，不要求入射離子實現能量聚焦，從而可引入結構簡單、高靈敏度的離子源， 並且適用於具有一定能量分散的離子，如二次離子；掃描速度快 ，可透過調節電參量實現儀器靈敏度和分辨本領的調整，同一臺儀器可滿足不同的分析要求。這些優點使得四極杆從誕生開始就備受關注，並得到了迅速發展［1］。目前四極杆質譜技術已相當成熟， 作為一種結構緊湊、功能齊全、價格低廉的質譜儀器， 在物理學、分析化學、醫學、環境科學、生命科學等領域中獲得了廣泛應用。

二、四極杆電極系統的理論

四極杆電極系統的理論是由Paul等於1958年創立的［2］，根據他們的假設和理論研究，證明了可以在一定空間內產生“純淨”理想四極電場分佈的四極杆電極系統，但必須是由４根幾何形狀完全等同，且包含雙曲面截面的電極平行圍繞著一箇中心對稱軸合圍而成，其系統結構示意圖示於圖１。

圖 1 四極杆電極系統組成結構示意圖［2］

在實際使用中，４根電極中相對的２根電極被連線在一起，形成一對Ｘ電極和一對Ｙ電極。四極杆電極系統的工作電源為一同時包含高頻交流電壓和直流電壓成分的所謂射頻電源。當射頻電源的正、負輸出電壓分別載入在一對Ｘ電極和一對Ｙ電極上時，在四極杆電極所圍成的場空間內會產生四極電場分佈。離子在時間相關的四極電場中的運動是四極杆電極進行離子束縛和質量分析的基礎。四極杆中的電場分佈如圖2所示。

圖 2 四極杆質量分析器電場分佈及其邊界條件示意圖［1］

三、實際四極杆質譜儀中的四極杆

四極杆質量分析器的場分佈為透過理想雙曲面電極得到的理想雙曲電場。實際中， 理想雙曲面極杆的加工、裝配都相當困難，因而 ，在四極杆質譜儀器中常採用圓杆電極替代雙曲面電極。透過調整四極杆的半徑使其實際場分佈最接近於理想雙曲場。圖3為實際四極杆質量分析器的示意圖。由於採用了圓杆替代雙曲面極杆，因此， 四極杆質譜計的實際解析度很大程度上還受限於圓杆四極杆的加工、裝配、邊緣場等因素的影響。

圖 3 四極杆質量分析器的結構示意圖［1］

四、多級串聯四極杆

四極杆質譜儀在研究級應用中 ，常涉及質譜儀器多級串聯MS系統， 而四極杆質譜計則是多級串聯MS實驗中最常用的質譜計型別之一。最常見的多級串聯MS系統系統為三級串聯質譜。在三級串聯四極杆質譜中，將3個四極分析器串聯起來，組成 QqQ 序列， 如圖 4 所示。

圖4 三級串聯四極杆質量分析系統示意圖［1］

其中 ，Q1 和 Q3 是正常的質量分析器，q2上沒有直流電壓而只有射頻成分，該射頻場使所有離子聚焦並允許所有離子透過［1］。因此， q2 相當於磁質譜中的無場區，離子在其中可發生亞穩碎裂或碰撞誘導解離（CID）。Q1 能夠從離子源中選擇感興趣的離子，使其在 q2 中發生解離反應，最後將解離產物送至 Q3 進行常規質譜分析，從而可推斷分子的組成結構。更復雜的串聯絡統可將 5個四極杆組成 QqQqQ 序列，形成三個分析器和兩個反應室，從而可進行 MS/MS/MS 實驗。理論上最多可實現十級串聯四極杆，但在實際應用中， 最常用的是三級串聯四極杆質量分析系統。QqQ 儀器還可方便地改變離子的動能，當離子以不同的動能與靶氣碰撞時，所獲得的熱力學能也不同，這就使得可進行能量分辨 CID 實驗，有助於推導反應機理。四極杆質量分析器雖不能進行高分辨測定，但較容易實現單位質量分辨。在實際分析中，QqQ儀器可獲得解析度優於雙聚焦BE儀器的MS/MS 譜。

參考文獻

［1］ 方向等，四極杆質量分析器的研究現狀及進展， 質譜學報，2005，26（4）。

［2］ 徐福興等，四極杆電極系統的應用與研究進展，質譜學報，2015，36（6）。

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