7200 精确质量 四极杆飞行时间 GC/MS 系统 概念指南 大图景

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1 Agilent 7200 精确质量四极杆飞行时间 GC/MS 系统 概念指南 大图景 Agilent Technologies

2 声明 Agilent Technologies, Inc 按照美国和国际版权法的规定, 未经 Agilent Technologies, Inc. 事先同意和书面许可, 不得以任何形式或采取任何手段 ( 包括电子存储和检索或翻译成其他语言 ) 复制本手册中的任何内容 手册部件号 G 版本 第一版, 2012 年 2 月美国印刷 Agilent Technologies, Inc Stevens Creek Blvd. Santa Clara, CA Microsoft 和 Windows 是 Microsoft Corporation 在美国的注册商标 软件修订版 本指南在被替换前适用于 Agilent MassHunter Workstation 软件 四极杆飞行时间的数据采集程序 ( 版本 B 或更高版本 ). 担保本文档中包含的材料按 现状 提供, 若在后续版本中有任何更改, 恕不另行通知 而且, 在适用法律允许的最大范围内, Agilent 不对本手册及其所包含的信息做出任何明示或暗示的担保, 其中包括但不限于对适销性和对具体用途适用性的暗示的担保 Agilent 不对因提供 使用或执行本文档或其中所包含的信息而造成的任何错误或任何意外或附带的损失承担责任 如果 Agilent 与用户签有单独的书面协议, 且协议中涉及本文档所含材料的担保条款与上述条款发生冲突, 则该书面协议中的担保条款具有优先法律效力 技术许可 本文档中所述的硬件和 / 或软件是依据许可提供的, 且只能根据此类许可的条款进行使用或复制 受限权利说明 美国政府受限权利 授予联邦政府的软件和技术数据权利仅包括通常提供给最终用户的那些权利 Agilent 根据 FAR ( 技术数据 ) 和 ( 计算机软件 ) 和 ( 对于国防部 ) DFARS ( 技术数据 - 商品 ) 以及 DFARS ( 商业计算机软件或计算机软件文档中的权利 ) 安全声明来提供软件和技术数据方面的此常规商业许可 小心 小心声明表示存在危险 它表示在执行某个操作步骤或操作方法时必须加以注意 ; 如果操作不当或没有遵守相应的规程, 则可能会导致产品损坏或重要数据丢失 只有完全理解并符合指定的条件时, 才可以忽略小心声明的要求继续进行操作 警告 警告声明表示存在危险 它表示在执行某个操作步骤或操作方法时必须加以注意 ; 如果操作不当或没有遵守相应的规程, 则可能会导致人身伤亡 只有完全理解并符合指定的条件时, 才可以忽略警告声明的要求继续进行操作 2 概念指南

3 在本指南中... 概念指南 通过帮助您理解硬件和软件的工作原理而展示 Agilent 7200 精确质量四极杆飞行时间 GC/MS 系统的操作背后的 大图景 1 概述 了解 7200 Q-TOF GC/MS 如何帮助您完成工作 2 理论和内部工作原理 了解您要理解 7200 Q-TOF 的工作原理所需的概念 3 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 及性能 了解 7200 Q-TOF 如何超越性能测量范畴 概念指南 3

4 4 概念指南

5 目录 1 概述 2 理论和内部工作原理 系统描述 8 Q-TOF 应用领域 10 仪器控制软件 11 数据分析软件 12 Q-TOF 质谱仪的工作原理 16 样品电离技术 17 电子轰击电离 17 化学电离 20 正极 CI 理论 21 负极 CI 理论 27 单四极杆质谱仪操作 32 离子碎裂和碰撞池技术 35 飞行时间 MS 操作 36 四极杆飞行时间 MS 操作 Q-TOF 的设计 Q-TOF 中的创新功能 43 3 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能 7200 Q-TOF 如何满足性能测量要求 48 分离能力 48 质量准确度 48 扫描速度 49 灵敏度 49 动态范围 精确质量 Q-TOF 设计 50 每个组件如何工作以满足性能测量要求 52 概念指南 5

6 可拆卸离子源 52 四极杆质量过滤器 53 预过滤器和后过滤器 53 碰撞池 54 获得专利的 INVAR 飞行管 57 模数检测器 57 真空系统 58 6 概念指南

7 Agilent 7200 精确质量四极杆飞行时间 GC/MS 系统概念指南 1 概述 系统描述 8 Q-TOF 应用领域 10 仪器控制软件 11 数据分析软件 12 本章提供了对 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF GC/MS 系统 其应用及其数据分析系统的概述 Agilent Technologies 7

8 1 概述系统描述 系统描述 Agilent 7200 精确质量四极杆飞行时间 (Q-TOF) GC/MS 是与 Agilent 7890 气相色谱仪一起使用的四极杆 - 飞行时间质谱仪 7200 Q-TOF 具有以下功能部件 : 三个涡轮分子真空泵 旋片式前级泵 MS 单独加热的可拆卸 EI 或 CI 离子源 可拆卸离子源 (RIS), 可在仪器中真空损失最小的情况下快速从 EI 转换到 CI 离子源 MS 单独加热的双曲面四极杆质量过滤器, 可加热到高温, 在低温分析时通常可使污染度降到最低 一个六极杆碰撞池 真空绝热的飞行管, 带双级离子镜 高速电子设备, 可提高采样速率 模数检测器 GC 单独加热的 GC/MS 接口, 在离子源移除期间可自动收回 7200 Q-TOF 包含一个六极杆碰撞池 ( 覆盖有氮气 ), 以提高离子碎裂效率, 然后进行检测量化 它还包括新的离子光学器件, 可在飞行管和检测器之前聚焦离子 此配置对于许多应用都具有优点 通过使用 MassHunter WorkStation 软件来处理数据, 该软件提供了对采集数据的定量和定性分析 8 概念指南

9 概述 1 系统描述 7200 Q-TOF 可在 TOF 模式或 MS/MS 模式下操作 在 TOF 模式下操作时, 仪器可获得高分辨率 精确的质量测量和快速完整质谱图的采集 MS/MS 模式提供高分辨率 精确的质量测量和高灵敏度的快速完整产物离子质谱图 这些功能使 7200 Q-TOF 成为解决复杂的分析问题 进行未知化合物的结构解析以及非目标化合物的确认的理想工具 概念指南 9

10 1 概述 Q-TOF 应用领域 Q-TOF 应用领域 7200 Q-TOF GC/MS 组合可以对复杂基质中的微量有机化合物进行定量分析 以下是使用此定量方法的应用领域 : 食品安全与研究 环境污染物研究 毒物学 取证 代谢物组学和代谢组学 天然产物研究 人类和动物兴奋剂研究 能源研究和石化产品 国土安全 与 Agilent 7890 GC 组合, 7200 Q-TOF 可提供对复杂基质中目标化合物的灵敏而可重现的分析 这将提供以下优点 : 飞克级的检测限和定量限 选择性定量高化学背景样品中的目标化合物 改善复杂基质中的信噪比 能够满足某些特定应用领域更加苛刻的样品分析限制规范 简化了 Agilent 的数据分析软件的操作 快速 MS/MS 操作 可重现的质量准确度 7200 Q-TOF 提高了 GC/MS 在许多商业和合规性应用领域中分析的灵敏度 10 概念指南

11 概述 1 仪器控制软件 仪器控制软件 MassHunter WorkStation 仪器控制软件允许您在单个窗口中执行以下任务 : 准备仪器 从软件启动和停止仪器 将设置下载到 GC 和 Q-TOF 以实时控制仪器 通过验证调谐报告评估 MS 参数是否达到指定的质量精度和分辨率 自动优化 MS 参数 ( 自动调谐 ) 或通过 Agilent 调谐程序手动优化 MS 参数并及打印调谐报告 监视仪器的实际状况 查看实时色谱图和仪器参数 (GC 和 MS) 并打印实时谱图报告 实时查看峰的质心谱图或峰的质量范围轮廓图 设置采集方法 输入和保存 GC 和 Q-TOF 的采集方法参数值 选择并标记要显示在实时图谱中的总离子流图 (TIC) 或提取离子色谱图 (EIC) 为每个扫描类型和分析设置时间段, 其中参数随时间段更改或随时间段内的扫描而更改 打印采集方法报告 概念指南 11

12 1 概述数据分析软件 数据分析软件 采集数据 输入样品信息, 预运行或者后运行 ( 脚本 ) 和运行单个样品交互进行 输入和运行单个样品以及自动运行序列中的多个样品 设置序列中样品间预运行和后运行脚本 设置并运行序列以优化 MS 采集参数 打印序列报告 查看系统事件, 包括启动和停止时间, 运行事件和错误并打印事件日志报告 要了解如何开始使用 Agilent 7200 Q-TOF GC/MS, 请参见 快速入门指南 (G ) 要了解关于如何将 Agilent 7200 Q-TOF GC/MS 用于真实样品和数据的更多信息, 请参见 Agilent 7200 QTOF 采集精通指南 (G ) 要了解如何用 GC/MS 来完成单个任务, 请参见 联机帮助 要了解关于 Agilent 7890 GC 的更多信息, 请参见 Agilent 7890A GC 文档 定量分析程序 Agilent 设计了以下独特的 MassHunter 定量分析程序来帮助用户对低含量的物质进行定量分析 : 从采集方法直接导入信息 提供曲线拟合助手来测试有关校正曲线质量的所有拟合与统计 使用新算法的无参数积分器对信号进行自动积分, 并优化 Q-TOF 数据 12 概念指南

13 概述 1 数据分析软件 使用批处理结果窗口帮助您查看和处理整个批处理数据 自动检测离群值 提供用于基本报告的预配置模板并启用了以 Microsoft Excel 创建自定义报告的功能 请参考 Agilent MassHunter WorkStation 软件 - 定量分析入门指南 (G ) 或 定量分析 程序的联机帮助 定性分析程序 对于快速方法开发, 用此软件查看数据的定性部分, 例如最佳的 前级离子到产物离子 转换 Agilent 设计的 MassHunter 定性分析程序可以在一个中心位置显示并查看大量的数据 用此程序, 您可以对打开的任何质谱数据执行以下操作 : 提取色谱图 查看和提取峰质谱图 扣除背景 积分色谱图 查找化合物 打开数据文件时, 还可以设置方法来自动执行列表中的任务以及其他任务 请参考 定性分析 程序的联机帮助 概念指南 13

14 1 概述数据分析软件 14 概念指南

15 Agilent 7200 精确质量四极杆飞行时间 GC/MS 系统概念指南 2 理论和内部工作原理 Q-TOF 质谱仪的工作原理 16 样品电离技术 17 电子轰击电离 17 化学电离 20 正极 CI 理论 21 负极 CI 理论 27 单四极杆质谱仪操作 32 离子碎裂和碰撞池技术 35 飞行时间 MS 操作 Q-TOF 的设计 Q-TOF 中的创新功能 43 本章介绍 7200 Q-TOF GC/MS 的内部工作原理 Agilent Technologies 15

16 2 理论和内部工作原理 Q-TOF 质谱仪的工作原理 Q-TOF 质谱仪的工作原理 Agilent 7200 Q-TOF 是一个正交飞行时间质谱仪 它在飞行管和检测器之前使用四极杆和六极杆或碰撞池执行 MS/MS 样品首先通过电子轰击 (EI) 离子源或化学电离 (CI) 离子源进行电离 电离之后, 离子将通过四极杆质量分析器, 质量分析器包括四根平行双曲面杆, 通过这四根平行双曲面杆, 可以根据据选定离子的质荷比 (m/z) 来过滤这些选定离子 通过四极杆的离子随后被引导至碰撞池, 该碰撞池设置为选择和碎裂前级离子以形成产物离子 碰撞池是充满氮气的六极杆, 其设计目的是进行轴向加速, 有助于进行高速 MS/MS 分析 碎裂的离子 ( 或产物离子 ) 将通过切片器传送, 这有助于在通过飞行管将离子流传送到检测器之前聚焦离子流 所应用的将离子向上传送到飞行管的加速脉冲与离子离开质量分析器的方向成正交状态 这种几何形状可减小入口速度对飞行时间的影响, 从而提高分辨率 当离子到达飞行管末端时, 它们将从反射器或双级离子镜弹开, 朝相反的路径向下回到飞行管底部 模数检测器位于飞行管的底部 它将计算离子的数量, 并将信号发送到 MassHunter 软件以进行数据收集和分析 16 概念指南

17 理论和内部工作原理 2 样品电离技术 样品电离技术 电子轰击电离 在 GC/MS 中, 分析样品之前, 必须在离子源中电离样品 在 GC/MS 中有两种电离方法 : 电子轰击 (EI) 电离和化学电离 (CI) 在电子轰击电离模式中, 样品从 GC/MS 接口进入 EI 离子源 从灯丝发射的电子通过磁场引导而进入电离室 这些高能电子与样品分子相互作用, 从而电离和碎裂分子 推斥极上的正电压将正离子推入透镜堆, 使其通过一些静电透镜 这些透镜使离子聚焦形成离子束, 然后, 该离子束被引导至四极杆质量过滤器 离子源体 离子源体是一个圆柱体 它包含离子源的其他部分, 包括透镜堆 通过推斥极和拉出极, 它形成了电离室 电离室是形成离子的地方 离子源体中的狭缝可帮助真空系统抽走载气和未电离的分子 灯丝 两个灯丝位于 EI 离子源体的相对两侧 活动灯丝携带可调整的 AC 发射电流 发射电流对灯丝加热, 使其发射电子, 以对样品分子进行离子化 此外, 这两个灯丝还具有可调整的 DC 偏置电压 偏置电压决定电子的能量, 通常为 70 ev 如果发生一般性仪器关机, 灯丝将自动关闭 影响灯丝的参数有三个 : 灯丝选择 灯丝发射电流和电子能量 概念指南 17

18 2 理论和内部工作原理电子轰击电离 灯丝选择 灯丝选择参数可选择离子源中活动的灯丝 由于灯丝具有一定的可变性, 我们建议在选择不同的灯丝时运行调谐 发射电流 灯丝发射电流 ( 发射 ) 会在 0 和 315 µa 之间变化, 但应设置为软件缺省值才能进行正常操作 电子能量 电子能量 (EIEnrgy) 是电离电子上的能量 它由偏置电压决定 ; 灯丝上的 70 VDC 偏置电压可使发射的电子携带 70 ev ( 电子伏特 ) 电压 该值的调整范围是从 5 到 241 VDC, 但要进行正常操作, 应将此参数设置为 70 磁铁 由磁铁产生的磁场将灯丝发射的电子引导至电离室中并穿过电离室 磁铁组件是一个永久性磁铁, 在磁场中心产生 350 高斯的电荷 推斥极 推斥极形成了电离室的一个室壁 推斥极上的正电荷将带正电荷的离子通过一系列透镜推出离子源 推斥极电压也称为离子能量, 尽管离子仅接收大约 20% 的推斥极能量 推斥极电压的变化范围是从 0 到 VDC 某些调谐程序使用固定的推斥极电压 其他程序可使推斥极电压阶升, 以找到最佳设置 如果推斥极电压设置得过低, 则会导致灵敏度和高质量响应都较差 如果推斥极电压设置得过高, 则将产生前级离子 ( 质量过滤性差 ) 和较差的低质量分离度 18 概念指南

19 理论和内部工作原理 2 电子轰击电离 拉伸极透镜组件 拉伸极透镜组件形成了电离室的另一个室壁 离子束将通过拉伸极透镜中的孔 该组件带有狭缝 这些狭缝与离子源体中的狭缝对应 这些狭缝允许真空系统抽走载气和未电离的分子 拉伸极透镜组件处于低电势状态 离子聚焦 离子聚焦透镜上的电压的变化范围是从 0 到 127 VDC 典型的电压在 70 和 90 VDC 之间 一般情况下 : 增大离子聚焦电压会提高较低质量的灵敏度 减小离子聚焦电压会提高较高质量的灵敏度 不正确的离子聚焦调整会导致高质量响应较差 入口透镜 入口透镜位于离子源末端, 在四极杆质量过滤器的入口之前 此透镜可使四极杆的边缘场最小化, 以与高质量离子区别开 对入口透镜增加永久性 +4.4 伏特电压 施加于入口透镜的总电压是入口透镜补偿值和入口透镜增益以及 +4.4 伏特永久性补偿值之和 入口透镜电压 = +4.4 VDC + 补偿值 + ( 增益 质量 ) 概念指南 19

20 2 理论和内部工作原理化学电离 化学电离 化学电离 (CI) 是一种生成质谱分析所用离子的技术 化学电离和电子电离 (EI) 之间存在着显著的差异 本节介绍了最常用的化学电离途径 在 EI 模式下, 相对高能电子 (70 ev) 与待分析的样品分子进行碰撞 这些碰撞将 ( 主要 ) 产生正离子 电离发生后, 给定物质的分子一般会以预知的模式碎裂 EI 是一个直接过程 ; 能量通过碰撞从电子传递到样品分子 对于 CI 而言, 除了样品和载气外, 还会将大量的反应气引进电离室 由于反应气的量远远大于样品量, 因此大多数发射的电子将与反应气分子发生碰撞, 形成反应气离子 这些反应气离子在主反应和次反应过程中相互反应, 以达到均衡 它们还以各种不同方式与样品分子发生反应, 形成样品离子 CI 离子的形成所需的能量远远低于电子电离所需的能量, 并且比电子电离更为 缓和 由于 CI 产生的碎片非常少, 因此 CI 谱图通常会显示具有高丰度值的分子离子 因此, CI 通常用来确定样品化合物的分子量 甲烷是最常用的 CI 反应气 它会产生某些特有的电离模式 其他反应气会产生不同的模式, 可能会提高某些样品的灵敏度 常用的备用反应气是异丁烷和氨气 二氧化碳通常用于负极 CI 中 二氧化碳 氢气 氟利昂 三甲基硅烷 一氧化氮和甲胺是不太常用的反应气 每种反应气发生的电离反应均不相同 反应气中的水污染会显著降低 CI 的灵敏度 正极 CI 中在 m/z 19 (H ) 处出现的较大峰是水污染的诊断征兆 如果浓度足够高, 特别是在与校正剂进行混合时, 水污染会导致严重的离子源污染 在连接新的反应气管道或反应气缸后, 经常会立即发生水污染 如果让反应气流通几小时 ( 吹扫系统 ), 则通常可以减少污染 20 概念指南

21 理论和内部工作原理 2 正极 CI 理论 正极 CI 理论 正极 CI (PCI) 与 EI 产生相同的质量分析器电压极性 对于 PCI 而言, 反应气是通过与释放的电子进行碰撞而被电离的 反应气离子与样品分子 ( 作为质子提供者 ) 进行化学反应, 形成样品离子 PCI 离子的形成比电子电离更为 缓和, 产生的碎片也更少 由于此反应通常会产生高丰度的分子离子, 因此经常使用它来测定样品的分子量 最常用的反应气是甲烷 甲烷 PCI 几乎可以生成所有样品分子的离子 也可选择其他反应气, 如异丁烷或氨气, 它们产生的碎片更少 由于反应气离子的背景较高, 因此 PCI 不是特别灵敏, 并且检测限制通常较高 在离子源压力为 0.8 至 2.0 Torr 的范围内进行正极化学电离时, 会经过四个基本的电离过程 这些过程是 : 质子传递 氢化物提取 加成 电荷交换 根据使用的反应气不同, 可以使用上述四个过程中的一个或多个过程来解释在生成的质谱图中观察到的电离产物 图 1 中显示了硬脂酸甲酯的 EI 甲烷 PCI 和氨气 PCI 谱图 简单的碎裂模式 大量 [MH] + 离子以及存在两种加合离子, 这些是使用甲烷作为反应气的正极化学电离的特征 概念指南 21

22 2 理论和内部工作原理正极 CI 理论 系统中存在的空气或水, 尤其是 PFDTD 校正剂中存在的空气或水, 会迅速污染离子源 图 1 硬脂酸甲酯 (MW = 298):EI 甲烷 PCI 和氨气 PCI 质子传递 质子传递可表示为 BH + + M MH + +B 其中, 反应气 B 已经过电离, 被质子化 如果分析物 ( 样品 ) M 的质子亲合力比反应气的大, 则已质子化的反应气会将其质子传递给分析物, 同时形成带正电荷的分析物离子 22 概念指南

23 理论和内部工作原理 2 正极 CI 理论 最常用的例子是从 CH 5 + 向分子分析物传递质子, 这一过程将产生质子化的分子离子 MH + 反应气和分析物的相对质子亲合力将决定质子传递反应 如果分析物的质子亲合力大于反应气的质子亲合力, 则会发生质子传递 由于甲烷 (CH 4 ) 的质子亲合力非常低, 因此它是最常用的反应气 根据该反应, 质子亲合力可定义为 : B + H + BH + 其中, 质子亲合力的单位以千卡 / 摩尔表示 甲烷的质子亲合力为 127 千卡 / 摩尔 表 1 和 2 列出了几种可能的反应气的质子亲合力以及几种具有不同官能团的小型有机化合物的质子亲合力 由质子传递反应生成的质谱图取决于多个标准 如果质子亲合力的差异很大 ( 如与甲烷相比 ), 则质子化的分子离子中可能存在大量过剩能量 这会导致发生碎裂反应 因此, 对于某些分析而言, 质子亲合力为 195 千卡 / 摩尔的异丁烷比甲烷好 氨气的质子亲合力为 207 千卡 / 摩尔, 这使得它无法将大多数分析物质子化 质子传递化学电离通常被认为是 软 电离, 但是其软度取决于分析物和反应气的质子亲合力以及包括离子源温度在内的其他因素 表 1 反应气质子亲合力 离子种类 质子亲合力千卡 / 摩尔 形成的反应物离子 H H + 3 (m/z 3) CH CH + 5 (m/z 17) C 2 H C 2 H + 5 (m/z 29) H 2 O 165 H 3 O + (m/z 19) 概念指南 23

24 2 理论和内部工作原理正极 CI 理论 表 1 反应气质子亲合力 ( 续 ) 离子种类 质子亲合力千卡 / 摩尔 形成的反应物离子 H 2 S 170 H 3 S + (m/z 35) CH 3 OH 182 CH 3 OH 2 + (m/z 33) t-c 4 H t-c 4 H 9 + (m/z 57) NH NH 4 + (m/z 18) 表 2 选定用于 PCI 的有机化合物的质子亲合力 分子 质子亲合力 ( 千卡 / 摩尔 ) 分子 乙醛 185 甲胺 211 乙酸 188 氯甲烷 165 丙酮 202 甲基氰 186 苯 178 二甲硫醚 丁醇 197 甲基环丙烷 180 环丙烷 179 硝基乙烷 185 二甲醚 190 硝基甲烷 180 乙烷 121 乙酸丙酯 207 甲酸乙酯 198 丙烯 179 蚁酸 175 甲苯 187 氢溴酸 140 反 -2- 丁烯 180 盐酸 141 三氟醋酸 167 异丙醇 190 二甲苯 187 甲醇 182 质子亲合力 ( 千卡 / 摩尔 ) 24 概念指南

25 理论和内部工作原理 2 正极 CI 理论 氢化物提取 在反应气离子的形成过程中, 可形成具有高氢阴离子 (H ) 亲合力的不同反应物离子 如果反应物离子的氢阴离子亲合力大于分析物失去 H 时形成离子的氢阴离子亲合力, 则此热力学过程有利于化学电离过程的进行 以甲烷化学电离过程中烷烃的氢化物提取为例 在甲烷 CI 中, CH + 5 和 C 2 H + 5 都可以进行氢化物提取 由于这些物质的氢阴离子亲合力都很大, 因此根据总反应, 长链烷烃将失去 H R + + M [M H] + + RH 对于甲烷而言, R + 表示 CH 5 + 和 C 2 H 5 +, M 表示长链烷烃 对于 CH 5 + 而言, 将继续进行反应以形成 [M H] + + CH 4 + H 2 氢化物提取得到的谱图会显示因失去 H 而得到的 M 1 m/z 峰 该反应是放热反应, 因此经常可观测到 [M H] + 离子的碎裂反应 通常, 在样品谱图中氢化物提取和质子传递电离都很明显 以长链甲酯的甲烷 CI 谱图为例, 其中, 既有从碳氢化合物链进行的氢化物提取, 又有向酯官能团进行的质子转移 例如, 在硬脂酸甲酯的甲烷 PCI 谱图中,m/z 为 299 的 MH + 峰是由质子传递形成的, 而 m/z 为 297 的 [M 1] + 峰是由氢化物提取形成的 加成 对于很多分析物而言, 热力学现象对质子传递和氢化物提取的化学电离反应没有促进作用 在这些情况下, 反应气离子的活性通常足以通过冷凝或缔合 ( 加成反应 ) 而与分析物分子结合 由此生成的离子称为加合离子 在甲烷化学电离中可以观察到加合离子, 它以 [M+C 2 H 5 ] + 和 [M+C 3 H 5 ] + 离子的形式存在, 并且会导致出现 M+29 和 M+41 m/z 质量峰 概念指南 25

26 2 理论和内部工作原理正极 CI 理论 在氨气的化学电离中, 加合反应尤其重要 由于 NH 3 质子亲合力很高, 因此几乎没有有机化合物会与氨气反应气进行质子传递 在氨气 CI 中, 会发生一系列的离子分子反应, 并导致形成 NH 4 + [NH 4 NH 3 ] + 和 [NH 4 (NH 3 ) 2 ] + 值得注意的是, 氨离子 NH 4 + 通过冷凝或缔合的方式, 会在 M+18 m/z 处出现剧烈运动的 [M+NH 4 ] + 离子 如果由此而生的离子是不稳定的, 则会发生碎裂反应 还会经常观察到失去中性分子 H 2 O 或 NH 3, 即失去 18 或 17 m/z 处的峰 电荷交换 电荷交换电离可用以下反应来表示 : X + + M M + + X 其中, X + 为电离的反应气, M 为相关分析物 用于电荷交换电离的反应气包括惰性气体 ( 氦气 氖气 氩气 氪气 氙气和氡气 ) 氮气 二氧化碳 一氧化碳 氢气和其他不与分析物发生 化学 反应的气体 一旦被电离, 所有这些反应气都将具有复合能, 如下式所示 + : X + e X 或者, 仅仅是电离的反应气与电子复合形成中性物质 如果此能量大于从分析物中移走一个电子所需的能量, 则上面的第一个反应为放热反应并且是热力学所允许的 电荷交换化学电离未广泛用于一般的分析应用中 但是, 电荷交换化学电离可以用于其他不受热力学过程影响的化学电离过程 26 概念指南

27 理论和内部工作原理 2 负极 CI 理论 负极 CI 理论 负极化学电离 (NCI) 将互换质量分析器电压极性, 以选择阴离子 有几种 NCI 化学途径 并非所有使灵敏度剧增的途径都与 NCI 有关 四种最常用的途径 ( 反应 ) 为 : 电子捕获 游离电子捕获 离子对形成 离子分子反应 除离子分子反应以外, 反应气在所有反应中所起的作用均与其在 PCI 中所起的作用不同 在 NCI 中, 反应气通常称为缓冲气体 使用从灯丝发出的高能电子轰击反应气时, 会发生以下反应 : 反应气 + e (230eV) 反应离子 + e ( 热 ) 如果反应气是甲烷 ( 图 2), 则反应是 : CH 4 +e (230eV) CH e ( 热 ) 热电子的能级比从灯丝发出的电子的能级低 与样品分子进行反应的就是这些热电子 未形成任何负极反应气离子 这将避免在 PCI 模式下看到的背景类型, 也使得 NCI 的检测限大幅度降低 仅当 MS 在阴离子模式下进行操作时, 才能检测到 NCI 产物 此操作模式会互换所有质量分析器电压的极性 在 NCI 中, 二氧化碳经常用作反应气体 与其他气体相比, 二氧化碳在成本 可用性和安全性方面具有明显的优势 概念指南 27

28 2 理论和内部工作原理负极 CI 理论 图 2 硫丹 I (MW = 404):EI 和甲烷 NCI 28 概念指南

29 理论和内部工作原理 2 负极 CI 理论 电子捕获 在 NCI 中, 电子捕获是最主要的途径 电子捕获 ( 通常称为高压电子捕获质谱或 HPECMS) 可为已知 NCI 提供较高的灵敏度 对于一些在理想条件下的样品而言, 电子捕获提供的灵敏度比正极电离提供的灵敏度要高 10 至 1000 倍 请注意, 在 NCI 模式下, 还会发生所有与正极 CI 相关的反应, 通常会产生污染物 由于透镜电压已反向的缘故, 形成的阳离子不会离开离子源, 并且这些阳离子的存在可抑制电子捕获反应 电子捕获反应可用下列反应式来表示 : MX + e ( 热 ) MX 其中 MX 为样品分子, 而电子为高能电子和反应气相互作用而产生的热 ( 慢速 ) 电子 有时,MX 自由基阴离子不稳定 在这些情况下可能会发生逆反应 : MX MX + e 逆反应有时称为自动脱附 通常, 这种逆反应发生的速度很快 因此, 不稳定的阴离子来不及通过碰撞或其他反应而稳定下来 电子捕获对于那些具有杂原子的分子最有利 例如 : 氮气 氧气 磷 硫 硅, 对卤素 ( 氟 氯 溴和碘 ) 的效果尤其明显 氧气 水, 或任何污染物的存在都会干扰电子捕获反应 通过慢速离子分子反应, 污染物会导致形成阴离子 这样通常会降低灵敏度 必须尽量消除所有潜在污染源, 尤其是氧气 ( 空气 ) 和水源 概念指南 29

30 2 理论和内部工作原理负极 CI 理论 游离电子捕获 游离电子捕获也称为游离共振捕获 它是一个与电子捕获类似的过程 差别在于 : 在反应期间, 样品分子是以碎片形式存在, 还是以游离形式存在 结果通常是阴离子和中性基 游离电子捕获可用下列反应式来说明 : MX + e ( 热 ) M +X 反应产生的灵敏度与电子捕获不同, 并且形成质谱的分子离子丰度也通常比较低 就电子捕获而言, 游离电子捕获的产品有时不稳定 有时会发生逆反应 这种逆反应有时称为联合脱附反应 逆反应的方程式为 : M + X MX + e 离子对形成 离子对的形成表面上与游离电子捕获类似 离子对形成反应可用以下反应式表示 : MX + e ( 热 ) M + + X + e 对于游离电子捕获而言, 样品分子会发生碎裂 但是, 与游离电子捕获不同, 该电子不会被碎片捕获 相反, 样品分子以电子不均匀分布的方式碎裂并生成阳离子和阴离子 30 概念指南

31 理论和内部工作原理 2 负极 CI 理论 离子分子反应 在 CI 离子源中存在氧气 水和其他污染物时, 会发生离子分子反应 离子分子反应比电子附着反应的速度慢 2-4 倍, 并且不提供与电子捕获反应关联的高灵敏度 离子分子反应可用以下通用反应式表示 : M + X MX 其中 X 通常为灯丝发出的电子引起的污染物电离而产生的卤素或羟基 离子分子反应与电子捕获反应对抗 发生的离子分子反应越多, 则发生的电子捕获反应就越少 概念指南 31

32 2 理论和内部工作原理单四极杆质谱仪操作 单四极杆质谱仪操作 理解了单四极杆的基本操作有助于深入了解 7200 Q-TOF GC/MS 系统的某些特点 本节回顾单四极杆质谱仪的基本原理 质谱是基于分析真空环境中离子的移动 如前面一节所述, 样品的电离发生在离子源中 离子是通过控制离子从质量分析器离开的运动的质量分析器来过滤的 在单四极杆 MS 中, 离子将到达检测器而转化成实际信号 ( 图 3) 但在 Q-TOF MS 中, 过滤的离子将在检测之前被传送到飞行时间管 图 3 单四极杆质谱仪的示意图 四极杆质量分析器是由四根带有特定直流和交流电压的平行杆组成 这些平行杆将过滤所有的离子, 但由所施加的电压确定的一个或多个特定 m/z 或质荷比值的离子除外 RF 将应用于所有四根杆, 但是负 (-) 杆与正 (+) 杆为 180 度异相 依据对杆所应用的 DC 电压而将杆标记为 + 和 - 32 概念指南

33 理论和内部工作原理 2 单四极杆质谱仪操作 在离子源中生成构成样品的所有离子 但是, 应用特定的电压集时, 仅具有对应 m/z 值的离子可通过四极杆而到达检测器, 在这种情况下是飞行管 电压增加到其他值时, 可允许具有其他 m/z 值的离子通过 通过在允许范围内增加四极杆的 DC 和 RF 电压而获得全 MS 扫描 可使用概念模型来说明单四极杆质谱仪的理论 请参见图 4 图 4 单四极杆质谱仪的概念模型 在模型中, 样品在外部电离源中离子化, 生成的所有离子收集在漏斗中 不同颜色和大小的球代表具有不同 m/z 值的不同离子 四极杆质量过滤器用移动带表示, 通过移动带上不同大小的孔过滤离子, 离子从漏斗经过过滤器, 在传送到飞行管之前碎裂和聚焦 过滤带下方的收集漏斗中提供了聚焦电子部件, 这些聚焦电子部件位于飞行管之前 概念指南 33

34 2 理论和内部工作原理单四极杆质谱仪操作 当带 ( 质量分析器 ) 移动时, 或杆上的电压变化时, 通过质谱仪来过滤具有不同 m/z 值的离子 质量分析器从小的 m/z 值逐渐增大到较大值时, 就产生了全 MS 扫描 如果此带不移动, 那么检测器在整个扫描周期中持续监测相同的单一 m/z 值 这种分析类型就称为选择性离子监测或 SIM 这是单四极杆质谱仪的最灵敏操作方式 扫描周期由用户选择 ( 固定 ) 用户可以将扫描设置到特定的质量范围 ( 例如 :m/z 50 到 1000) 或者在扫描期间停留在一个选定的离子 (SIM) 上或者停留在若干选定的离子上 在 SIM 模式中, 质量过滤器不会在一定范围内全扫描 将设置必需的 RF/DC 电压来过滤指定停留时间内的单一质量, 然后转移到下一个 SIM 的设置 通过四极杆的离子可由检测器测量, 也可通过其他过滤方法传送以进行 MS/MS 分析 34 概念指南

35 理论和内部工作原理 2 离子碎裂和碰撞池技术 离子碎裂和碰撞池技术 当带电离子移动通过质量分析器腔体时, 它们将相互碰撞, 并与整个区域中存在的气体分子发生碰撞 当电压沿其路径增大时, 离子会具有更高的平动能, 这会导致它们在碰撞时发生碎裂 因为碎裂模式可提供有关原始离子的信息, 所以可使用碰撞池有目的地使通过质量分析器的离子碎裂 这些离子称为前级离子, 其碎片称为产物离子 可以调谐四极杆以选择哪个前级离子将移动到碰撞池 由检测器对飞行管中的产物离子进行分析可提供更准确的质量测量 可以使用不同类型的碰撞池 该池可以为另一四极杆 六极杆 ( 如与 7200 Q-TOF 中所用的杆类似的六根杆 ) 八极杆 ( 八根杆 ) 或者甚至横波导轨 无论使用何种几何形状, 都需要使用惰性的非反应气体作为碰撞气体 此外, 应用于碰撞池的电压必须不同于应用于四极杆的电压, 以加速所有离子的运动, 以便其碰撞能量足以导致发生碎裂 在碰撞池中, 始终存在电势差 这可确保传输来自四极杆的前级离子或碰撞池中生成的碎片离子, 而不允许其随机漂移, 以实现在将其传送到检测器之前聚焦离子流 使用碰撞池有助于消除色度干扰 当由于碰撞池的清空速度较慢, 使来自先前选定的前级离子的产物离子出现在后续选定的前级离子的产物离子质谱中时, 就会发生色度干扰 这将产生很难解释的复合产物离子质谱 概念指南 35

36 2 理论和内部工作原理飞行时间 MS 操作 飞行时间 MS 操作 上一节讨论了使用四极杆质谱仪进行离子分离以及通过碰撞池进行碎裂的理论 在四极杆飞行时间质谱分析中, 这些方法用于在检测之前在飞行管末端进行初步离子分离 飞行时间质谱分析可测量离子经过已知距离所用的时间, 并使用此时间值确定离子的质荷比 离子由已知强度的电场通过飞行管加速 这种加速可使离子的动能与任何其他具有相同电荷的离子的动能相同 离子的速度取决于质荷比 可测量随后粒子经过已知距离到达检测器所用的时间 此时间取决于粒子的质荷比 ( 粒子越重, 到达速度就越慢 ) 根据此时间以及已知的实验参数, 可以使用下列关系确定离子的质荷比 : KE = 1/2 m v 2 v = d/t t = m 1/2 * d/(2ke) 1/2 我们可以假设上述方程式的 d/2ke 项保持恒定 因此, 可通过测量离子经过飞行管所用的时间来确定粒子的质量 考虑图 5 中的 Q-TOF 模型 在四极杆中选定的并在碰撞池中碎裂的离子将被传送到飞行管, 在那里, 它们将以正交方向向上传送到飞行管 这意味着将以与这些离子飞行经过四极杆和碰撞池垂直的方向传送它们 正交方向可最大程度地降低离子生成和传输对质量测量的影响, 因为任何不需要的离子将被施加在偏转板上的脉冲电压沿所经过方向推出或弹出 36 概念指南

37 理论和内部工作原理 2 飞行时间 MS 操作 接近平行的离子束将传到飞行时间离子脉冲发生器中 离子脉冲发生器是一堆塔板, 每个 ( 除背板外 ) 都有一个中心孔 离子将从背板和第一个板之间的面通过中心孔传到此堆中 要使离子开始飞向检测器, 将对背板施加高电压 (HV) 脉冲 施加的脉冲可使离子加速通过脉冲发生器板堆, 就像快速发射的离子枪一样 图 5 离子被脉冲发生器吸引和排斥 脉冲发生器的带电板将带电离子传送通过飞行管, 该飞行管约有 1 米长 ( 图 6) 温度和湿度变化会改变脉冲电子功能 此外, 包含残留气体的任何离子碰撞会减慢离子通过其路径到达检测器的速度, 并影响质量计算的准确度 因此, 必须使飞行管保持恒定的温度和真空条件 概念指南 37

38 2 理论和内部工作原理飞行时间 MS 操作 图 6 离子以与其入口垂直的方向向上经过飞行管 通过飞行管之后, 必须以相同的方式计算粒子数 它们通过双级带电离子镜的反射, 被向下传送回飞行管, 到达检测器 ( 图 7) 由于质量相同的两个离子可能在不同的位置离开脉冲发生器, 或者有不同的动能, 因此离子镜有助于使这些条件对飞行时间的影响最小化 动能较高的离子将进一步穿透到离子镜中, 使其再经过一段距离 这可以平衡离子到达检测器的时间 38 概念指南

39 理论和内部工作原理 2 飞行时间 MS 操作 图 7 离子反射出双级离子镜 离子以一定的前冲力进入离子脉冲发生器, 这种前冲力与飞行管中的飞行方向是正交的 因此, 当它们反射出离子镜时, 再也不会回到离子脉冲发生器, 但将移到离子检测器所在的位置 ( 图 8) 概念指南 39

40 2 理论和内部工作原理飞行时间 MS 操作 图 8 向下经过飞行管朝着检测器运动的离子 离子检测器的表面是一个微通道板 (MCP), 它非常薄, 包含一组从前表面延伸到板后部的微型小管 如图 9 所示 当离子撞击 MCP 的前表面时, 电子将逸出, 开始电信号放大的过程 随着释放的电子与微型小管的壁发生碰撞, 不断增多的电子层将到达板后部 离开 MCP 的电子比接触表面的传入离子将近多 10 倍 这些电子随后被聚焦到闪烁器上, 当闪烁器被电子撞击时, 将产生一道闪光 从闪烁器产生的闪光通过两个小透镜聚焦到光电倍增管 (PMT) 上, 以产生由数据系统读取的电信号 从 MCP 电子产生光信号的原因是 MCP 的输出大致为 6000 伏特 由闪烁器产生的闪光将传送到 PMT, PMT 具有处于地电势状态的信号输出 40 概念指南

41 理论和内部工作原理 2 飞行时间 MS 操作 图 9 离子在撞击检测器时发送信号 通过模数转换, 检测器一次可对多个电子进行计数 检测器将记录离子到达的时间和数量 ( 图 10) 图 10 检测器记录离子离开飞行管的时间和数量 概念指南 41

42 2 理论和内部工作原理四极杆飞行时间 MS 操作 四极杆飞行时间 MS 操作 7200-Q-TOF 的设计 上一节中有关电离以及单四极杆质谱仪的操作 碰撞池和飞行时间质谱分析有助于阐明 Q-TOF 操作的原理 本节介绍如何结合使用这些技术来执行精确的质量检测 Agilent 7200 精确质量四极杆飞行时间 GC/MS 包含一个离子源, 后面是离子光学器件, 该光学器件可将离子转移到位于其右侧的第一个四极杆 当前 7200 Q-TOF 质谱的示意图如图 11 所示 图 Q-TOF 概述 42 概念指南

43 理论和内部工作原理 Q-TOF 中的创新功能 7200 Q-TOF 中的创新功能 在四极杆中, 将对选定离子进行过滤 过滤后的离子随后进入碰撞池, 在那里被碎裂 碰撞池从几何形状上看是一个六极杆, 其中充满氮气作为碰撞气体 在碰撞池中形成的碎片离子随后传送经过切片器, 这是碰撞池和飞行管入口之间带电荷的狭缝 切片器用于对离子聚焦并进一步分离, 以进入飞行管 通过切片器之后, 选定的离子将被脉冲发生器推过飞行管 这些离子随后以与其进入飞行管的方向正交的方向传送 这样可以确保当离子撞击飞行管顶部的离子镜时, 它们将朝着检测器的方向反射出去, 而不是反射回脉冲发生器 飞行管长 1 米, 从而可在离子反射出离子镜后提供 2 米的飞行路径 双级离子镜有助于最大程度降低飞行时间的变化, 从而校正了离子没有在相对于飞行方向的空间中的相同平面上启动的情况 飞行管底部的模数检测器可在离子撞击检测器板时记录时间和丰度 Agilent 精确质量 Q-TOF GC/MS 的最具创新性的功能是可拆卸离子源 (RIS) 技术 这个新离子源设计的功能允许快速完整地交换离子源, 包括灯丝, 整个过程不到 30 分钟, 而且无需放空 概念指南 43

44 2 理论和内部工作原理 7200 Q-TOF 中的创新功能 图 12 可拆卸离子源 RIS 探头设计包括一个连接到离子源的卡销, 用于在质量分析器腔体内拆卸和更换离子源 RIS 探头的另一端是冷却室 ( 图 13) 卡销可以收缩和伸展, 可在拆卸和安装期间将离子源从冷却室移进移出 当 RIS 探头组件连接到 MS 前端时, 重新装上 RIS 门盖后, 自动气动门阀将从 RIS 冷却室关闭 MS 系统, 这样, 在连接 RIS 冷却室时, 可使 MS 保持操作温度和真空条件 随后可使用干氮气吹扫 RIS 冷却室, 清除冷却室的氧气 水气和其他污染物, 然后再从 MS 拆下离子源并进入冷却室 对冷却室进行氮气吹扫并抽真空后, 门阀将自动打开, 允许卡销到达离子源, 同时传输线将自动收回, 从传输线释放离子源体以避免发生损坏 然后可使用卡销将离子源从 MS 拉到冷却室中 门阀再次从系统关闭冷却室 可在 10 分钟内冷却离子源, 使其达到安全温度, 然后使用 RIS 探头进行更换 这样在下次运行之前无需放空仪器并抽真空, 节约了循环时间 44 概念指南

45 理论和内部工作原理 Q-TOF 中的创新功能 图 13 RIS 系统的内部视图 7200 Q-TOF GC/MS 的另一个创新功能是获得专利的内部参比质量 (IRM) 交付系统 使用内部参比质量有助于在校正期间在每次扫描时 锁定 质量轴 7200 Q-TOF 可将低浓度或高浓度的 IRM 传送到离子源, 以进行 即时 质量校正 这样可在较宽的质量检测范围内提供简单可靠的质量准确度 四极杆和碰撞池设计也是创新功能 热的石英单片质量分析器和碰撞池与 7000 三重四极杆 GC/MS 中的质量分析器和碰撞池相同 后过滤器可聚焦离开四极杆的离子束, 这确保了离开四极杆离子的有效浓度 概念指南 45

46 2 理论和内部工作原理 7200 Q-TOF 中的创新功能 碰撞池实际是充满氮气流的六极杆 Agilent 创新所实现的碰撞池设计具有轴向加速功能, 用于高速 MS/MS 分析 碰撞池可使碎裂的产物离子加速通过 MS, 从而更快地产生没有色度干扰的高质量的 MS/MS 质谱图 获得专利的飞行时间管设计是另一个创新功能 INVAR 飞行管密封在真空绝热的外壳中 这种设计可消除由于温度变化而产生的热质量漂移, 有助于保持质量准确度 Agilent 的高速电子功能是 Q-TOF 技术的另一项创新 7200 Q-TOF 具备 4GHz ADC 电子设备, 可提供高达 32 Gbit/s 的采样速率 这可以提高低浓度样品的分离度 质量准确度和灵敏度 此外, 双增益放大器可同时处理通过低增益和高增益通道的检测器信号, 从而将动态范围扩展到 概念指南

47 Agilent 7200 精确质量四极杆飞行时间 GC/MS 系统概念指南 3 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能 7200 Q-TOF 如何满足性能测量要求 48 分离能力 48 扫描速度 49 质量准确度 48 灵敏度 49 动态范围 精确质量 Q-TOF 设计 50 每个组件如何工作以满足性能测量要求 52 可拆卸离子源 52 四极杆质量过滤器 53 预过滤器和后过滤器 53 碰撞池 54 获得专利的 INVAR 飞行管 57 模数检测器 57 真空系统 58 本章说明 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF GC/MS 如何减少化学和电子噪音以及每个组件如何致力于提高仪器性能 Agilent Technologies 47

48 3 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能 7200 Q-TOF 如何满足性能测量要求 7200 Q-TOF 如何满足性能测量要求 分离能力 质量准确度 7200 Q-TOF GC/MS 有一些性能标准 最重要的是 : 分离能力 质量准确度 扫描速度 灵敏度 动态范围 质谱分析的分离能力是指区分质谱图中质荷比 (m/z) 稍微不同的两个峰的能力 如果分离能力高, 那么会提高质量测量准确度以及多电荷离子的电荷态识别能力, 从而更好地识别化合物 7200 Q-TOF GC/MS 中的真空绝热的飞行管和双级离子镜提供了稳定的高分离能力 质量准确度是质量分析器准确地提供 m/z 信息的能力 在质谱分析中, 这是稳定性和分离度的功能 这种性能标准很重要, 因为准确的质量检测可降低检测错误分子的风险 由 4GHz 模数电子设备提供的高采样速率和多个离子事件数据有助于提高质量识别的准确度 48 概念指南

49 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能 3 扫描速度 扫描速度 质谱仪的扫描速率是指它扫描质谱图的速度 这对于色谱应用很重要, 在这些应用中, 扫描整个质谱图的速度必须比色谱峰的洗脱速度更快 理想情况下, 对于单个色谱峰, 至少应采集十个完整的质谱图 7200 Q-TOF 的快速电子功能的数据采集速率约为每秒 10,000 次脉冲 每次脉冲最多包含 100,000 个数据点 这些脉冲数据可从离子的单脉冲产生整个质谱图, 从而提供具有最佳离子统计数据的质谱图 灵敏度 MS 数据的灵敏度受检测限 样品稀释和样品污染的影响 通过增大信号强度和减少化学噪音来对 MS 灵敏度进行改善 7200 Q-TOF GC/MS 通过新的可拆卸离子源设计来改善灵敏度, 这种离子源具有高灵敏度拉伸极透镜以及新的离子源交换方法, 可最大程度地降低仪器中的污染风险 此外, 四极杆和碰撞池可提供较高的分离度 聚焦和碎裂水平, 切片器和抽气系统可在飞行管之前去除污染物, 这些功能都提高了 7200 Q-TOF GC/MS 的灵敏度 动态范围 动态范围是检测器的检测范围的度量, 因为它是指能够确定精确质量的范围 这是可检测的最大信号与最小信号之间的比率 7200 Q-TOF 的模数检测功能在运行期间提供 4-5 个数量级的动态范围, 以及 32 Gbit / 秒的信息 概念指南 49

50 3 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能 7200 精确质量 Q-TOF 设计 7200 精确质量 Q-TOF 设计 在 7200 Q-TOF GC/MS 的设计中, 从离子源到检测器的所有仪器部分都致力于提高性能度量 图 Q-TOF 和性能 50 概念指南

51 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能 精确质量 Q-TOF 设计 1 RIS 包括推斥极 离子体 高灵敏度拉伸极透镜和灯丝, 可轻松地进行离子源交换, 同时将停机时间和污染降至最低 2 质量分析器使用双曲面四极杆来优化离子传输和质谱分离度 3 ADC 电子设备为低丰度样品提供高采样速率 改善的分离度 质量准确度和灵敏度 4 双级离子镜通过延长离子飞行时间来改善飞行管中二阶时间聚焦, 从而提高了质量分离度 5 获得专利的 INVAR 飞行管是真空绝热的, 可消除由于温度变化而产生的热质量漂移, 从而提供较高的质量准确度和分离度 6 模数检测器可记录多个离子事件, 从而提供准确的质量读数 较宽的质量范围以及浓度范围 7 内部参比质量流量控制系统可在运行期间向离子源提供较低或较高浓度的化合物, 以便在较宽的质量范围内进行准确校正 8 具有线性加速的高压碰撞池优化了 MS/MS 碎裂并消除色度干扰 ( 即使停留时间极短 ) 小直径高频六极组件协助捕获和聚焦碎裂的离子 9 整合了三个涡轮分子泵的真空系统在检测器之前就有效地消除了中性物质 概念指南 51

52 3 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能每个组件如何工作以满足性能测量要求 每个组件如何工作以满足性能测量要求 可拆卸离子源 本节更详细地介绍了 7200 Q-TOF 的每个组件如何致力于提高灵敏度 进行精确质量检测以及提高质量分离度 7200 Q-TOF 使用与 Agilent 单极和三重四极杆质谱仪相同的前端电离方法 然而, 新的可拆卸离子源改进了这种技术 EI 离子源通过电子轰击电离运行, CI 离子源通过化学电离运行 样品离子通过 GC/MS 接口进入离子源 在电离室 ( 由离子源体 推斥极和拉出极组成 ) 中电离样品 固定在离子源体上的灯丝通过磁场引导将电子发射到电离室中 这些电子与样品分子相互作用, 从而电离和碎裂分子 7200 Q-TOF 中的电离源包含两个灯丝, 允许根据调谐结果选择灯丝 一旦样品离子化, 就由推斥极引导离子通过一堆静电透镜 推斥极包含正电压, 可将正离子推入透镜堆, 形成离子束并推入到质量分析器中 当样品离子进入四极杆中时, 离子源体中的狭缝允许真空系统抽走载气离子和未电离物质, 因而减少中性噪音并改善灵敏度 可拆卸离子源技术允许使用 RIS 探头和卡销拆卸和更换离子源 离子源接线永久固定在质量分析器腔体内部, 便于从质量分析器腔体外部快速轻松地安装离子源 使用卡销就无需打开质量分析器腔体, 防止在安装期间使空气和水分进入 MS 这样会减少仪器污染, 有助于降低背景噪音 52 概念指南

53 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能 3 四极杆质量过滤器 四极杆质量过滤器 预过滤器和后过滤器 四极杆包含可优化离子传输和质谱分离度的双曲面杆 四极杆配置产生的离子损失小于环形杆 镀金石英材料允许质量分析器在高温和低真空条件下运行, 消除了较低温度下会发生的污染 四极杆组件的末端部分还包括短的双曲面杆, 但是其 RF 电压强度仅够将离子引导到碰撞池中 在碰撞池的末端上还有一组相同的双曲面杆 这些仅有 RF 的短四极杆充当过滤器, 以确保进出碰撞池的最佳离子传输 石英四极杆 前过滤器 图 15 四极杆组件 概念指南 53

54 3 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能碰撞池 碰撞池 什么是碰撞池? 碰撞池收集前级离子和离子碎片的母离子, 加热离子束并聚焦束到飞行管 碰撞池是高压六极杆组件, 可在非常低的停留时间下, 通过调整线性加速来优化 MS/MS 碎裂, 同时消除色度干扰 致力于此更高灵敏度和更快响应的组件包括 小直径六极杆碰撞池 高频六极杆碰撞池 线性轴加速 高压碰撞池 高速数字电子 碰撞池包含氮气, 真空泵将抽除这些氮气以及载气气体和未碎裂的样品离子 小直径的六极杆组件协助碰撞碎裂的离子 为什么使用六极杆? 六极杆的几何形状在两个方面占有优势 : 离子聚焦和离子传输 ( 图 16) 第一个优势是在离子聚焦方面 研究显示在提供离子聚焦方面, 四极杆优于六极杆, 六极杆优于八极杆 因此, 在过滤器中较少数量的杆会改善离子聚焦 第二个优势涉及广泛质量范围或 m/z 带宽内的离子传输 在此情况下, 八极杆优于六极杆, 而六极杆优于四极杆 54 概念指南

55 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能 3 碰撞池 在广泛建模 模拟和实验后选择了六极杆, 原因是其在四极杆的聚焦和八极杆的离子传输之间提供了最佳的折中 碰撞池设计 碰撞池六极杆包含六个阻抗涂装杆, 用于在整个碰撞池中生成 5V 电势差 ( 图 16) 图 16 碰撞池设计 电势差始终存在 这确保传输来自四极杆的前级离子或碰撞池中生成的碎片离子, 而不允许其随机漂移 以此方式清除离子可避免色度干扰问题, 其中来自先前实验的残留产物离子会干扰后续实验的产物离子质谱 ( 请参见图 17) 使用超过加速线性电压的碰撞能量产生碎片或者产物离子 概念指南 55

56 3 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能碰撞池 碰撞池冲洗的时间长度 可以通过检查从碰撞池排出离子所需的时间来证明低程度的色度干扰 ( 图 17) 0 V 碰撞能量 5 V 应用的轴电势 图 17 碰撞池清洁轮廓 (500 pg 阿普唑仑, 20 ms 停留时间 ) 此图显示质量越大, 其排出碰撞池的时间就越长 例如, m/z 922 大约需要 600 微秒来排出使用线性电势的碰撞池, 而 m/z 118 仅需 350 微秒 这还证明由于 Y 轴为对数, 所以色度干扰很低, 显示反应池已完全清空 这表示 5 毫秒的内扫描延迟对于冲洗碰撞池的所有离子将绰绰有余 56 概念指南

57 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能 3 获得专利的 INVAR 飞行管 获得专利的 INVAR 飞行管 模数检测器 7200 Q-TOF 飞行管的长度约为 1 米, 可维持大约 10-7 torr 的真空压力 整个管中真空绝热 这样可以避免出现在较高压力情况下发生的离子离散, 并防止温度变动而导致离子飞行距离改变 此外, 温度和湿度变化也会改变飞行距离 这个绝热飞行管可将这些不利影响降至最低, 提高测量准确度 飞行管的入口处是一个切片器, 这是一个窄透镜, 可重新聚焦离子, 使其在飞行时作为平行离子束进入质量分析器 这有助于最大程度地降低测量的可变性, 由于离子没有在相对于飞行方向的空间中的相同平面上启动, 因此会使结果发生变化 飞行管末端的双级离子镜可将到达飞行管末端附近的离子朝检测器的方向反射 在反射时, 它将重新聚焦离子, 使到达时间中的动能变化最小 动能较高的离子将进一步穿透到离子镜中, 由于其经过较长的距离, 因此可同时到达检测器 这样可校正测量中的可变性, 从而提高了分离能力 模数检测器记录离子到达检测器的时间和数量 快速电子功能可提高采样速率, 增加检测器每次脉冲包含的数据点数 样品浓度不会影响到达时间, 因此该检测器可提供较宽样品浓度动态范围的数据 此外, 此检测器不会漏掉离子, 或受 死时间 的不利影响 概念指南 57

58 3 Agilent 7200 精确质量 Q-TOF 和性能真空系统 真空系统 真空系统是一个五级抽气系统, 由一个分流涡轮分子泵和另外两个涡轮分子泵形成, 这些涡轮分子泵由一个粗真空泵 ( 机械泵 ) 来支持 ( 图 18) 真空系统从离子源出口 碰撞池和质量分析器中排除载气和任何未电离的分子 另外, 它还产生聚焦离子并将其推过 1 米飞行管所需的恒定低压, 同时使离子离散风险降至最低 真空的有效性会影响质量准确度以及检测器的分离度, 因为包含残留空气的离子碰撞会改变离子的飞行时间 精确的质量计算取决于精确的飞行时间 因此, 飞行管中的背景气压非常低, 而且非常稳定 图 18 真空系统 58 概念指南

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60 Agilent Technologies, Inc 第一版, 2012 年 2 月 *G * G Agilent Technologies