introduzione
Lo spettrometro di massa RF è anche chiamato spettrometro di massa a quadrupolo. Il componente principale dello spettrometro di massa a radiofrequenza è un'asta quadrupolare. Nell'asta quadrupla, le quattro aste degli elettrodi sono divise in due gruppi e ad esse viene rispettivamente applicata una tensione alternata inversa a radiofrequenza (RF). Gli ioni situati in questo campo potenziale possono raggiungere il rivelatore dopo che la parte selezionata è stabile, o entrare nello spazio in seguito per la successiva analisi. La struttura e il circuito dello spettrometro di massa a radiofrequenza sono più semplici di altri spettrometri di massa. Anche il costo è relativamente basso. Gli spettrometri di massa a radiofrequenza sono ampiamente utilizzati nella cromatografia-sepctrometria di massa (Chromatography-MassSepctrometry).
TendemMassSpectrometry (TendemMS) può essere ottenuto attraverso l'uso di più quadrupoli in serie per ottenere le informazioni sulla struttura dell'analita.
Lo spettrometro di massa a radiofrequenza consente il passaggio ogni volta solo di ioni con un unico rapporto carica/massa. Durante la scansione di un ampio intervallo di massa, il tempo richiesto dallo spettrometro di massa a radiofrequenza è molto maggiore di quello della spettrometria di massa a tempo di volo (TimeofFlightMassSpectrometry, ToF-MS). ), Orbitrap MS (OrbitrapMS), Linear Ion Trap (LinearIonTrap) e altri spettrometri di massa che utilizzano il campionamento pulsato.
Frequenza radio
La radiofrequenza (RF) è l'abbreviazione di RadioFrequency, che significa la frequenza elettromagnetica che può essere irradiata nello spazio e la gamma di frequenza va da 300 KHz a 300 GHz. La radiofrequenza è abbreviata in RF. La radiofrequenza è corrente di radiofrequenza, che è un'abbreviazione di onda elettromagnetica che cambia corrente alternata ad alta frequenza. La corrente alternata che cambia meno di 1.000 volte al secondo è chiamata corrente a bassa frequenza e quella che cambia più di 10.000 volte è chiamata corrente ad alta frequenza. La radiofrequenza è una corrente ad alta frequenza. Alta frequenza (superiore a 10K); la radiofrequenza (300K-300G) è la banda di frequenza più alta dell'alta frequenza; la banda di frequenza delle microonde (300M-300G) è la banda di frequenza più alta della radiofrequenza.
Nella teoria dell'elettronica, quando la corrente scorre attraverso un conduttore, attorno al conduttore si formerà un campo magnetico; quando una corrente alternata passa attraverso il conduttore, attorno al conduttore si formerà un campo elettromagnetico alternato, che si chiama onda elettromagnetica. Quando la frequenza dell'onda elettromagnetica è inferiore a 100 kHz, l'onda elettromagnetica sarà assorbita dalla superficie e non può formare una trasmissione efficace, ma quando la frequenza dell'onda elettromagnetica è superiore a 100 kHz, l'onda elettromagnetica può propagarsi nell'aria ed essere riflessa dalla ionosfera al bordo esterno dell'atmosfera per formare capacità di trasmissione a lunga distanza, chiamiamo onde elettromagnetiche ad alta frequenza con capacità di trasmissione a lunga distanza come radiofrequenza; la tecnologia a radiofrequenza è ampiamente utilizzata nel campo della comunicazione wireless e il sistema di televisione via cavo utilizza la trasmissione a radiofrequenza.
Storia
La prima letteratura sugli spettrometri di massa a radiofrequenza risale alla metà del 1950. L'inventore, il professor Wolfgang Paul, ha vinto il premio Nobel per la fisica nel 1989.
Selettore di qualità e suo principio
Sebbene la maggior parte dei selettori di qualità a quadrupolo utilizzati nella realtà siano cilindrici, il selettore di qualità ideale è una forma iperbolica. La dimensione del selettore di massa è solitamente compresa tra pochi centimetri e decine di centimetri.
I quattro poli del selettore di qualità del quadrupolo sono divisi in due gruppi corrispondenti e viene applicata rispettivamente l'alta tensione a radiofrequenza inversa. Le espressioni dei due insiemi di tensioni sono:
I due gruppi di tensioni hanno solo segni opposti. Dove U è la componente della corrente continua (DC) e V è l'ampiezza della componente della radiofrequenza (corrente alternata che raggiunge la frequenza di trasmissione, RF) (qui si usa V_rms invece di Vp-p).
In circostanze normali, il valore di U è 500-2000 V e il valore di V è 0-3000 V.
In un tale ambiente di campo elettrico, gli ioni oscilleranno in base al campo elettrico. Tuttavia, solo gli ioni con uno specifico rapporto carica/massa possono attraversare stabilmente il campo elettrico. Quando viene specificata la tensione sul polo, gli ioni con massa troppo piccola saranno interessati da una tensione elevata, che provocherà un'oscillazione molto violenta, che farà perdere carica al polo di contatto e verrà pompato via dal sistema del vuoto; Non può essere attratto da un campo elettrico sufficiente e alla fine toccherà il polo o volerà fuori dal campo elettrico e non riuscirà a superare il selettore di massa.
In the hardware of the quadrupole mass selector, the usual method is to adjust the radio frequency working frequency w to select the mass of the ion, and adjust the ratio of U to V to adjust the ion pass rate. The corresponding picture in this section shows that the triangular area is the stable area of the ion of this mass. The ratio of U to V is represented here as a slope. It can be seen that the larger the U/V, the higher the accuracy of ion selection, and the stronger the resolution of the instrument, but the number of ions that can be stably passed is reduced; while the smaller the U/V ratio, the more ions pass, but the resolution decreases. . After weighing, the resolution of most RF mass spectrometers is about 1Th, which is reflected in the mass spectrum that the half-peak width is about 1Th or 1Da.
Vale la pena sottolineare che quando il valore U è zero, cioè quando al quadrupolo è applicata solo la tensione RF, tutti gli ioni possono passare. Il significato di questa operazione è che il fascio ionico può essere più concentrato. Solitamente utilizzato come specchio ionico (IonLens). L'estensione più tipica è la comparsa di ottopoli ed esapoli, che in realtà derivano dalle caratteristiche operative di base dei quadrupoli.
Sistema del vuoto
Il sistema del vuoto dello spettrometro di massa RF è solitamente diviso in due fasi.
The primary vacuum system provides basic vacuum support for the secondary vacuum system. The secondary vacuum system is usually directly connected to the cavity of the mass spectrometer to make the mass spectrometer reach a vacuum state. It is worth noting that the vacuum of the RF mass spectrometer is not a high vacuum (0.001Pa). The ions move in the pole, and a large amount of energy is obtained from the electric field. In order to form a stable ion cloud, a very small amount of gas must be present in RF mass spectrometry to absorb excess kinetic energy. The vacuum of a radio frequency mass spectrometer is usually one percent of the time-of-flight mass spectrometry (1e-5Pa) and one ten billionth of the orbital ion trap mass spectrometry (1e-14Pa).
Vuoto primario
Il vuoto primario è solitamente una pompa meccanica (RoughingPump) o una pompa scroll (ScrollPump). Il grado di vuoto è di circa 1mTorr (0.13Pa).
Le pompe meccaniche sono relativamente economiche rispetto alle pompe a rulli, ma richiedono olio lubrificante per funzionare. Quando si eseguono analisi sensibili ai gas, in particolare nel campo delle scienze atmosferiche, viene solitamente utilizzata una pompa a rulli invece di una pompa meccanica.
Vuoto secondario
Il vuoto secondario utilizza solitamente una pompa turbomolecolare (TurbomolecularPump) o una pompa a dispersione (DiffusionPump).
La pompa molecolare è di piccole dimensioni e la sua efficienza è superiore a quella della pompa a dispersione. Le normali pompe molecolari possono supportare una velocità del flusso d'aria di 350L/min, mentre le pompe molecolari di fascia più alta possono raggiungere un vuoto ultraelevato di 1e-14Pa.
La pompa di dispersione ha un volume enorme, che può raggiungere 1-2 metri. Negli strumenti moderni, è stato sostanzialmente sostituito da pompe turbomolecolari.
Per le condizioni di vuoto richieste dallo spettrometro di massa quadrupolare, la pompa turbomolecolare può raggiungere solitamente entro 30 minuti. La pompa di dispersione necessita di 20-80 ore.
Sistema di alimentazione
Because the quadrupole system requires high-frequency voltage, magnetic cores are usually not used in the core power supply system of RF mass spectrometry, but air-core transformers are used to ensure the circuit For high frequency radio frequency response. The early shock-generating components used a capacitor-inductor-transistor self-oscillation method (the mass spectrometer produced by THS in Georgia, USA still uses this system), with electronic technology For the development of oscillating sources, voltage-controlled oscillators (VoltagedControlledOscillator, VCO) or direct digital synthesis (DirectDigital Synthesis, DDS) are mostly used.
Applicazioni estese
Misurazione diretta
(Misurazione diretta)
Lo spettrometro di massa RF può essere utilizzato come strumento di misurazione diretta.
Abbinando diverse sorgenti ioniche, lo spettrometro di massa RF viene utilizzato come strumento di chimica analitica generale. Soprattutto nella misurazione a lungo termine, la quantità di dati generati dallo spettrometro di massa RF è significativamente inferiore rispetto ad altri spettri di massa di misurazione parallela (spettrometria di massa a tempo di volo, ecc.).
Spettrometria di massa multistadio
(Spettrometria TendemMass, MS-MS)
A causa del basso potere risolutivo dello spettrometro di massa RF, manca quindi la capacità di determinare sostanze sconosciute. Attraverso la spettrometria di massa multistadio, gli ioni passano attraverso camere indipendenti nel mezzo dei due gruppi di sistemi quadrupolari per la frammentazione. Pertanto, vengono analizzati i frammenti prodotti da ioni di massa specifica e si possono ottenere le informazioni sulla struttura degli ioni.
Il metodo di frammentazione include il metodo di frammentazione per collisione (CollisionInducedDissociation, CID) in cui il gas iniettato collide con gli ioni, e il metodo che emette direttamente la frammentazione elettronica attraverso il cannone elettronico (ElectronDissociation).
La spettrometria di massa multistadio svolge un ruolo fondamentale nella biochimica e nella chimica organica.
Cromatografia-spettrometria di massa
(Cromatografia-spettrometria di massa)
L'applicazione più tipica della cromatografia-spettrometria di massa è la spettrometria di massa gascromatografica (GasChromatography-MassSpectrometry, GC-MS) e la cromatografia liquida-Spettrometria di massa (LiquidChromatography-MassSpectrometry).
Il vantaggio sta nella combinazione di cromatografia e spettrometria di massa, che risolve il problema che se le masse degli ioni sono troppo simili nella spettrometria di massa, non possono essere distinte. In cromatografia, il tempo di ritenzione (RetensionTime) fornisce le informazioni strutturali di diversi tipi di sostanze nella miscela e l'operazione di pre-separazione migliora la credibilità dello spettrometro di massa. Questo metodo è simile alla spettrometria di mobilità ionica (IonMobility Spectrometry-MS, IMS-MS).
La difficoltà di applicare questo metodo risiede nel modo in cui accoppiare apparecchiature per cromatografia e apparecchiature per spettrometria di massa. Il metodo più comunemente usato è la ionizzazione elettrospray (Electrospray Ionization, ESI).
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