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四级杆质谱仪原理

检测人王大锤

2023/06/29

气质联用（GCMS）

四级杆质谱仪(Quadrupole Mass Spectrometer)来源于其四级杆质量选择器。在四级杆中，四根电极杆分为两两一组，分别在其上施加射频(Radio Frequency, RF)反相交变电压。位于此电势场中的离子，被选择的部分稳定后可到达检测器(Detector)，或者进入之后的空间进行后续分析。

　　原理：

　　虽然现实中使用的四级杆质量选择器大多使用圆柱形，然而理想的质量选择器外形为双曲线形。质量选择器的大小通常在几厘米到几十厘米之间。

　　四级杆质量选择器的四根极杆被对应的分为两组，分别施加反相射频高压。其中两组电压的表达式分别为：

　　两组电压只有符号相反。其中U为直流(DC)分量，V为射频(达到发射频率的交流电，RF)分量的振幅(在此处用到的是V_rms而不是Vp-p)。在通常情况下，U的值为500-2000 V，V为0-3000 V 。

　　在这样的电场环境下，离子会根据电场进行震荡。然而，只有特定荷质比的离子可以稳定的通过电场。当极杆上的电压被指定时，质量过小的离子会受到很大的电压影响，从而进行非常激烈的震荡，导致碰触极杆失去电荷而被真空系统抽走；质量过大的离子因为不能受到足够的电场牵引，最终导致碰触极杆或者飞出电场而无法通过质量选择器。

　　在四级杆质量选择器的硬件中，通常的做法是调整射频工作频率w来选择离子的质量，调整U与V的比值来调整离子的通过率。本节对应的图片可见，三角形区域为该质量的离子稳定的区域。U与V的比值在此体现为斜率。可见，U/V越大，离子的选择精度越高，仪器的解析能力越强，但是能稳定通过的离子数量减小；而U/V比值越小，离子通过的数量多，但是解析度下降。经过权衡之后，大多数四级杆质谱仪的解析能力大约都是1Th，体现在质谱图上就是半峰宽度大约为1Th或者1Da。

　　值得指出的是，当U值为零，即四级杆上仅施加射频电压时，所有离子均可通过。这样操作的意义是，可以使离子束更加聚拢。通常当作离子镜(Ion Lens)使用。最典型的扩展就是八极杆和六极杆的出现，实际是源自四级杆的基本工作特性。

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