Квадрупольный масс-анализатор: принцип работы и применение.

Введение

Тип масс-спектрометра

В масс-спектрометрии квадропольный масс-анализатор (или квадропольный масс-фильтр) – это тип масс-анализатора, первоначально разработанный для квадропольного масс-спектрометра (QMS). В QMS квадрополь является масс-анализатором – компонентом прибора, отвечающим за отбор ионов образца на основе их отношения массы к заряду (m/z). Ионы разделяются в квадрополе на основе стабильности их траекторий в осциллирующих электрических полях, приложенных к стержням. Квадрополь состоит из четырех параллельных металлических стержней. Каждая пара противоположных стержней электрически соединена, и между одной парой стержней и другой прикладывается радиочастотное (РЧ) напряжение с постоянным смещением. Ионы перемещаются по квадрополю между стержнями. Только ионы с определенным отношением массы к заряду достигнут детектора при заданном соотношении напряжений: другие ионы имеют нестабильные траектории и столкнутся со стержнями. Это позволяет выделить ион с конкретным m/z или позволяет оператору сканировать диапазон значений m/z, непрерывно изменяя приложенное напряжение. В идеале стержни должны быть гиперболическими, однако цилиндрические стержни с определенным соотношением диаметра стержня к расстоянию между ними обеспечивают более простое в изготовлении адекватное приближение к гиперболам. Небольшие изменения в этом соотношении оказывают значительное влияние на разрешение и форму пика. Различные производители выбирают немного отличающиеся соотношения для точной настройки рабочих характеристик с учетом предполагаемых требований к применению. С 1980-х годов компания MAT, а затем Finnigan Instrument Corporation, использовали гиперболические стержни, изготовленные с механической толерантностью 0,001 мм, точный процесс производства которых являлся тщательно охраняемой тайной компании.

Многократные четвероногие, гибриды и вариации

Линейный ряд из трех квадрополей известен как тройной квадропольный масс-спектрометр. Первый (Q1) и третий (Q3) квадрополи выступают в роли масс-фильтров, а средний (q2) квадрополь используется в качестве коллизионной ячейки. Эта коллизионная ячейка представляет собой квадрополь, работающий только на радиочастоте (без масс-фильтрации), с использованием газа Ar, He или N2 (~10−3 Торр, ~30 эВ) для диссоциации выбранных родительских ионов из Q1 под воздействием столкновений. Образующиеся фрагменты направляются в Q3, где они могут быть отфильтрованы или подвергнуты полному сканированию. Этот процесс позволяет изучать фрагменты, полезные для установления структуры методом тандемной масс-спектрометрии. Например, Q1 может быть настроен на фильтрацию иона лекарственного средства с известной массой, который затем фрагментируется в q2. Третий квадрополь (Q3) может быть настроен на сканирование всего диапазона m/z, предоставляя информацию об интенсивности фрагментов. Таким образом, можно определить структуру исходного иона. Конструкция из трех квадрополей была впервые разработана Джимом Моррисоном из Университета Ла Тробе (Австралия) для изучения фотодиссоциации ионов в газовой фазе. Первый тройной квадропольный масс-спектрометр был создан в Мичиганском государственном университете Кристи Энке и аспирантом Ричардом Йостом в конце 1970-х годов. Квадрополи могут использоваться в гибридных масс-спектрометрах. Например, секторный прибор можно объединить с коллизионным квадрополем и квадропольным масс-анализатором для создания гибридного прибора. Гибридный прибор, состоящий из квадрополя для выбора массы, коллизионного квадрополя и устройства времени пролета в качестве второй ступени выбора массы, известен как масс-спектрометр с квадрупольным временем пролета (QTOF MS). Также возможны конфигурации QqTOF (квадрополь-квадрополь-время пролета), которые особенно часто используются в масс-спектрометрии пептидов и других крупных биологических полимеров. Вариант квадропольного масс-анализатора, называемый монополем, был изобретен фон Заном и работает с двумя электродами, генерируя четверть квадропольного поля. Он состоит из одного круглого электрода и одного V-образного электрода. Однако его характеристики ниже, чем у квадропольного масс-анализатора. Было показано, что применение магнитного поля к прибору повышает эффективность квадропольного масс-анализатора. Для квадропольного масс-спектрометра (QMS) сообщалось о значительном улучшении разрешения и чувствительности при приложении магнитного поля в различных ориентациях.

A linear series of three quadrupoles is known as a triple quadrupole mass spectrometer. The first (Q1) and third (Q3) quadrupoles act as mass filters, and the middle (q2) quadrupole is employed as a collision cell. This collision cell is an RF only quadrupole (non mass filtering) using Ar, He, or N2 gas (~10−3 Torr, ~30 eV) for collision induced dissociation of selected parent ion(s) from Q1. Subsequent fragments are passed through to Q3 where they may be filtered or fully scanned. This process allows for the study of fragments that are useful in structural elucidation by tandem mass spectrometry. For example, the Q1 may be set to 'filter' for a drug ion of known mass, which is fragmented in q2. The third quadrupole (Q3) can then be set to scan the entire m/z range, giving information on the intensities of the fragments. Thus, the structure of the original ion can be deduced. The arrangement of three quadrupoles was first developed by Jim Morrison of La Trobe University in Australia for the purpose of studying the photodissociation of gas phase ions. The first triple quadrupole mass spectrometer was developed at Michigan State University by Christie Enke and graduate student Richard Yost in the late 1970s. Quadrupoles can be used in hybrid mass spectrometers. For example, a sector instrument can be combined with a collision quadrupole and quadrupole mass analyzer to form a hybrid instrument. A mass selecting quadrupole and collision quadrupole with time of flight device as the second mass selection stage is a hybrid known as a quadrupole time of flight mass spectrometer (QTOF MS). Quadrupole quadrupole time of flight (QqTOF) configurations are also possible and used especially the mass spectrometry of peptides and other large biological polymers. A variant of the quadrupole mass analyzer called the monopole was invented by von Zahn which operates with two electrodes and generates one quarter of the quadrupole field. It has one circular electrode and one V shaped electrode. The performance is, however, lower than that of a quadrupole mass analyzer. An enhancement to the performance of the quadrupole mass analyzer has been demonstrated to occur when a magnetic field is applied to the instrument. Manifold improvements in resolution and sensitivity have been reported for a magnetic field applied in various orientations to a QMS.

Приложения

Эти масс-спектрометры особенно эффективны в приложениях, где исследуются конкретные интересующие ионы, поскольку они могут длительное время фокусироваться на одном ионе. Это полезно, например, в жидкостной хромато-масс-спектрометрии или газовой хромато-масс-спектрометрии, где они выступают в качестве детекторов исключительно высокой специфичности. Квадрупольные приборы часто имеют доступную цену и являются хорошими универсальными инструментами. Одноквадрупольный масс-спектрометр с электронным ионизатором используется как самостоятельный анализатор в остаточных газоанализаторах, газоанализаторах реального времени, системах диагностики плазмы и системах SIMS для анализа поверхности.