TurboMass质谱仪.docx
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TurboMass质谱仪
TurboMass质谱仪——离子光学仪器操作
Turbomass离子光学仪器包括多个部件。
这些部件可生成离子，并将其移入滤质器，然后将其滤入1道尔顿离析率的能流中，最后将其作为电流进行检测。
该仪器包括：
-离子室
-透镜
-前置四极过滤器
-四极滤质器
-离子转换
-光电倍增器检测
转换倍增器
光电倍增器
离子光学仪器
TurboMass硬件1－18
磁铁
荧光屏
前置方板
分析四极
透镜1
透镜2
磁铁
收集器
排斥极
灯丝
源极操作（EI+模式）
离子源分为两部分——内源和外源。
内源包括离子室（在其内部进行电离）、灯丝、排斥极以及排放捕集器。
外源包括两只透镜、磁铁、弹簧接触件（与内源进行电气连接）、两台筒形加热器以及一台热电偶（参考图1）。
内源滑入外源中，用户在外部即可接触到，因此无需拆除离子光学仪器歧管。
内外源之间无连接电线——内源铜质接触件插塞与外源铜质弹簧接触，从而完成所有电气连接。
带有高能量电子在离子室内碰撞分子，从而发生电离。
这一过程被称为生成阳离子（+）的电子碰撞，简称EI+。
收集器
（捕集器）
+24V加热器
透镜2
透镜1
外源
内源
热电偶
排斥极
灯丝
幻灯片13
图1.内源（蓝色）和外源（红色）部件示意图
电子的高能量还可拆分分子，这些分子用于构筑典型的光谱特性曲线，从而可通过商业库包加以识别。
电流通过灯丝电线，并予以加热，直至生成电子为止——电子就这样产生。
然后在灯丝上施加–70VDC的电压，迫使电子四散，从而赋予这些电子能量。
灯丝后部的金属防护罩将所有电子反射至离子室，其中许多电子穿过小孔，其余电子则撞击离子室。
通常而言，检测源自离子室（地电位）的涓流电流（微安级别），将其与软件预定数量级进行比较，并通过灯丝控制电路调节流过灯丝电线的电流，从而控制灯丝散射（参考图2）。
Turbomass使用更先进的灯丝电流（散射）控制器。
在灯丝对面离子室内添加收集器（也称为捕集器），并在此收集器上施加+47V电压，电子束将更加集中稳定地从灯丝移向收集器，并积聚更大的电离能量。
此时，散射电流将从灯丝移至+47V电源处。
若在此线路中添加一只电阻，可形成与散射电流成正比的电压。
灯丝
设置散射
灯丝控制器
散射
-69V电子能量
灯丝电流
（0-5.1Amp）
图2.使用源极“涓流”的常规散射控制
将其与软件设定散射组合使用，可更有条理地控制灯丝电流。
根据CI运行模式的需要，仍可使用用于常规灯丝控制的电路。
在EI+中，这可提供一种被称为源极电流的回读，对诊断故障颇有帮助。
（参考图3）。
收集器（捕集器）
灯丝控制器
源极电流
散射
设置散射
灯丝
灯丝电流
（0-5.1Amp）
-69V电子能量
图3.利用收集器进行散射控制。
用常规方法提供源极电流。
除收集器外，Turbomass源极还配有另一种被称为排斥极的电极，该器件与电子束成90°角。
它承载较低的+ve电压，可弄弯电子束，使离子室的覆盖范围更广。
其第二种功效为：
可将所生成的+ve离子缓慢推至或排斥至离子室的出口处，由此得名排斥极。
在灯丝上方和收集器下方加载永久磁铁的吸引极，电子的线性运动转变成螺旋运动。
总体功效如图4所示。
电子在灯丝和收集器之间的移动路径较长，增加了与分子碰撞的机率，从而对分子进行电离和分裂。
即便如此，通过此种途径完成电离的分子仍只占相当低的比例。
首先，在排斥极上+ve电压的作用下，通过此种途径生成的+ve离子缓缓移向离子室的出口板；然后透镜1电磁场产生作用，给这些离子施加“引出”力。
由于这些离子是各种物质的混合物，因此这种外力对质量较轻的物质效果更好。
灯丝控制器
设置散射
散射电流
源极电流
-69V电子能量
收集器
（捕集器）
排斥极
＋ve
灯丝
灯丝电流
（0-5.1Amp）
图4.排斥极和磁铁为电子撞击提供更大的区域
透镜上的电压必须保持平衡，以便引出质量重的离子，而质量轻的离子又不受此能量的影响，使离子撞击透镜板而消散。
事实上，透镜1上的电压通常为–7V。
当离子穿过透镜1，它们需要保持平行或者共线在一条离子线柱上，这可以借助透镜2的能量来完成。
对于仍旧混合在一起且质量轻重不等的离子而言，电压需要重新折中，尽可能达到良好效果。
透镜2上的电压通常在–50V和–120V之间。
透镜2外的接地板是一种介于透镜2电磁能和滤质器能量之间的分离器。
离子将借助冲量通过此板。
（参考图5）。
引出透镜
（0-200V）
通常为–7V
共线透镜2
（0-200V）
通常介于-50和-200之间
透镜2
透镜1
接地板
图5.透镜提供最大数量且质量各不相同的离子，移出源极，进入滤质器，从而实现离子控制
通过加载2台24V筒形加热器和1台热电偶来获取源极。
加热器电阻为3欧姆，3台加热器串联时为2欧姆，第3台置于滤质器上方。
滤质器（四极）操作。
滤质器包括两个部分——前置过滤器和四极分析器。
尽管前置过滤器首先遭遇离子束，但是先介绍四极操作后介绍前置过滤器则相对更容易些。
当离子云脱离透镜2后面的接地板时，它们完全摆脱了源极的影响。
除非其他电磁力产生作用，否则离子将仅仅借助冲量和重力运动。
若四极滤质器完全不受任何能量的影响，则离子只会以一定速度逃离。
该速度将取决于每个离子的质量。
（参考图7）。
检测器
轻离子
中等离子
重离子
图7.若方板上无任何能量，则离子将会如何运动？
一旦杆上存在一定电压，离子运动将会受到此能量的影响。
+ve/–ve电压将会吸引或排斥各个离子，运动速度取决于离子质量。
轻离子在低压情况下就会快速偏离，而重离子需要更高的电压才能达到同样的偏离程度——因此负荷电压与质量成正比。
假定某电压等效于200Da的质量。
若在RF频率下此电压被施加到两根反作用杆上；而在反相位情况下，将相同频率和电压施加到另外两根反作用杆上，则200Da的离子将被捕集到杆的中部位置，这是因为质量和电磁能是等效的。
稍微轻些的离子将开始移近或远离杆，但恒变电压和极性将促使离子转圈。
若离子变得更轻，移动速度将会相当快，实际上离子会撞到其中一根杆然后消散。
电压偏低，无法承受超过200Da的质量，那么这些离子最终将会因重力而坠落。
最终结论是60Da宽度的离子束将被定位在杆与杆之间——所有离子均从一端向另一端运动。
（参考图8）。
增加高低电压之间的RF幅度，此离子束将会沿质量标尺向上运动，但仍保持60Da的宽度。
我们的目标在于获得标准的离析率（1Da），因此60Da的通带并不是太理想。
其缩减步骤为：
第一步，从硬件处获取部分RF电压，并对其进行修正，使其DC电压相当于RF幅度的10%左右。
质量为200Da的离子
＋/-200＝等效于200Da的电压
=离子＜200Da
=离子＞200Da
幻灯片9
图8.在两对方板上施加反相RF的实例。
在电压等效于200Da时，带通滤波器被设置为约60Da。
质量更轻的离子撞击杆，而质量更重的离子因重力而坠落。
然后将其施加到另外两对杆上，换言之，其中一对杆上始终有+veDC，而另一对杆上始终有–veDC。
我们等效于200Da的电压如今变为一周180，另一周220。
如果是220的话，额外能量将对外层较轻离子产生更多影响，从而将其剥离。
通带应从60Da减至20－30Da左右。
（参考图9）
质量为200Da的离子
＋/-200＝等效于200Da的电压
=离子＜200Da
=离子＞200Da
DC电压约为RF幅度的10%
幻灯片11
图9.为RF增加约10%的DC电压，将离子束的通过量降至30Da左右。
如调谐页面所示，单一质量将完全无法离析。
（参考图10）。
若DC电压增加，则离析率也将会增加，使得离析率在某一点为1Da。
然而，对于各种质量而言，该点也将不同，因此仅利用硬件DC无法完成，还需增加软件控制的电子器件上的辅助DC。
首先，质量较轻离子束的离析控制器可将恒定DC电压添加到现有DC电压上（在整个质量范围内）。
这能提供足够的控制，从而离析出质量较轻的离子束，而非质量较重的离子束。
（参考图11）。
质量为200Da的离子
＋/-200＝等效于200Da的电压
=离子＜200Da
=离子＞200Da
幻灯片12
DC电压约为RF幅度的10%
图10.RF＋10％DC电压。
质量为50和500见调谐页面。
另一随质量增加的DC电压从质量较重离子的离析控制器开始引入。
这对质量较轻离子束的改变并不多，但对质量较重离子束的影响更大。
结论是在整个质量范围内均可实现1Da的离析率，取决于HMRes.和LMRes.的设置情况。
（参考图12）。
质量为200Da的离子
＋/-200＝等效于200Da的电压
=离子＜200Da
=离子＞200Da
软件DC
质量较低离子离析率
幻灯片13
DC电压约为RF幅度的10%
图11.从软件中添加线性DC电压对质量较轻的离子影响更大。
此时，这些电压已设定了离析率，然而离子仍仅靠冲量作用在杆的两端间运动，与它们刚脱离源极时一样。
（参考图13）。
质量为200Da的离子
＋/-200＝等效于200Da的电压
=离子＜200Da
=离子＞200Da
软件DC
质量较低离子离析率
DC电压约为RF幅度的10%
幻灯片14
图12.增加源自软件的倾斜DC对质量较重的离子影响更大。
在整个质量范围而言均可获得离析率。
在所有4根杆上施加+veDC电压，离子束被挤压至杆的中心位置，对其施加聚合能量，并不影响离析率。
利用软件控制的“离子能量”完成上述操作。
它为各种质量的离子束提供单电压DC+ve，对质量较轻的离子束影响更大。
通过“离子能量倾斜”控制，施加与HM离析率类似的倾斜DC。
（参考图14）。
冲量不携带任何离子能量
质量较重离子
质量中等离子
质量较低离子
幻灯片15
图13.方板对应组上的RF和DC电压离析出离子，但无法给出线性能量——离子仅通过冲量作用穿过四极。
在所有4根杆上的离子能量＋veDC
增加离子能量倾斜，积聚各种质量的离子
离子能量倾斜
质量较重离子
质量中等离子
质量较低离子
图14.在所有四根杆上添加线形DC+不会影响离析率，但会对质量较轻的离子造成“牙膏管”效应——将其挤压至方板的中心。
对于质量较重的聚合离子与加速离子之间而言，倾斜DC相同。
前置过滤器操作
带通滤波器下所有质量的离子均停留在前置过滤器杆上。
绝大多数污染物均小于100Da
…无污染物触及四极分析器
DC被电容器阻挡
DC被电容器阻挡
仅有RF的前置过滤器
图15.参考图8。
仅有RF的前置过滤器在方板前设有一个60Da的带通滤波器。
这样在RF倾斜时，所有质量较轻的污染物均沉淀在前置过滤器上，因而方板不会变脏。
前置过滤器是一种在主滤质器前面的特短杆装置（参考图15）。
源自主杆的能量通过电容器输送给前置过滤器杆，从而拆除所有DC元件，仅有RF被施加到前置过滤器上。
（参考图8）。
若滤质器上仅有RF——60Da通带，则效果相同。
这意味着并非所有质量的离子均能进入滤质器，只有60Da的离子束能进入。
当RF倾斜时，所有带宽低于60Da的离子将在前置过滤器被消散掉，由于几乎所有化学污染物的质量均在10至100之间，这类污染物将沉淀到前置过滤器上，而不会沉淀到四极滤质器上。
这样清洗更容易。
通过消除大量质量较轻的“污染物”，无需频繁拆卸滤质器，可增加其敏感度。
4.5V–ve被施加到4台前置过滤器上，为离子从源极向滤质器运动提供一些能量。
调谐页面质量控制器
调谐页面上的质量控制器的典型设置如下：
质量较轻离子离析率
范围：
0–25
典型值：
11-14
质量较重离子离析率
范围：
0–25
典型值：
11-14
离子能量
范围：
–12－+12
典型值：
介于+1.0与+2.0之间
离子能量倾斜
范围：
0－12
典型值：
介于+1.0与+2.0之间
离子检测
利用“偏移倍增器”来检测从四极滤质器脱离出来的离子，而不是直接使用电子倍增器来检测离子。
（参考图16）。
离子束从四极滤质器中脱离出来后，穿透接地板，将四极能量与倍增器能量分离开来。
方板
倍增器
光电倍增器
荧光屏
前置amp+
PMTPS
接地板
图16.离子检测用的倍增器、荧光屏与光电倍增管
离子一旦脱离接地板，离子束表面电压偏移–4.4KV。
对于各种质量的离子而言，这都是一种非常强大的吸引能量；在强大作用力的驱动下，离子转弯并进入倍增器。
高能量离子撞击倍增器内表面，生成的电子穿过倍增器，在运动过程中撞击表面，并生成越来越多的电子。
这种电子束脱离倍增器后，荧光屏前方存在+5.4KV高电压。
电子加速后进入荧光材料，在荧光材料的另一侧生成光子。
这些光量子被光电倍增器探测到，转换成电子后又被放大。
形成的电子流经过前置放大器放大，数字化后再由软件阅读。
这种利用电子放大器的检测方法优势在于不会有任何化学材料接触到放大器，因此不会造成污染。
此外，无论离子质量如何，它所生成的光子质量均相同，因此在不影响调谐完整性的情况下亦能调节放大器电压。
化学电离模式
对于化学电离（CI）模式而言，离子光学仪器唯一的物理变化是使用CI内源替代EI+内源。
无任何其他变化。
在CI+模式中，前置过滤器、滤质器、倍增器以及荧光材料上的所有电压均与EI+情况相同。
透镜电压具有相同极性，但处于不同的电压级别。
在CI-模式中，前置过滤器偏差变化范围为–4.5V－+4.5V，四极离子能量与离子能量倾斜在DC+和DC-之间变化，倍增器电压变化范围为–4.4KV－+3.5KV，而荧光材料电压变化范围为+5.4KV－+8.0KV。
透镜极性也刚好相反。
软件调谐页面上源极控制和回读表
源极功能
软件控制
范围
回读
电子能量
是
0－–100V
是
散射
是
0－1000
是
排斥极
是
-12V－+12V
是
透镜1
是
0－–200V
是
透镜2
是
0－–200V
是
源极温度
是
0－350°C
是
灯丝电流*
否
0－5.1Amps
是
源极电流**
否
N/A
是
*灯丝电流是软件中设定的一种散射功能。
对于100uA散射而言，它通常在4.5amp左右。
**源极电流应为散射电流的3-5倍左右。
若源极电流值过大，则表明源极被污染或者灯丝出现故障。
图6.调谐页面上源极控制和回读表
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