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ICP-MS各部分功能和原理——质量分析器

2018.3.16

质量分析器是不同种类的质谱仪的主要区别之处,四极杆分析器是一种成熟的质量分析仪器,利用了四极杆对不同核质比的元素离子的筛选作用,达到顺序分析离子质量的目的。

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四极杆的主要原理如下图所示:

四极杆的两对电极,分别加上了正负直流电压和相位差为180度的射频信号,离子在四极杆中旋转、振荡,当合理设置直流电压的大小和射频电压的幅度后,只有特定核质比范围的离子才能通过四极杆,而其它离子将偏转,最终打在四极杆上损失掉,从而实现了质量选择。

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更详细的筛选过程见下图:

图中显示的是工作电压和质量分析的稳定区域图,AB是两种不同核质比的元素离子,A的核质比小于B(因为B只有在更高的电压下才能稳定通过),两者在一定的直流电压和射频电压下可以顺利通过,形成了形状相似的稳定区域图,在绿色的overlap区域内,两种离子无法被四极杆准确区分,在蓝色区域内A可以通过,在黄色内B可以通过。当四极杆工作时,一般保证Fdc/F(rf)=const,因此途中的过圆点的直线表示了四极杆能够达到的所有的工作状态,当直线的斜率如蓝线所示时,AB两种离子可以被很好分离,由于两者稳定区域的电压相差较远,所以得到了较高的分离度,而红线表示的是较低的分离度。分离度是质谱仪最重要的一个指标之一X7ICPMS的一般分离度在0.7左右,最高分离度为0.3左右。作为无机分析仪器,足以分辨出不同质量数的各种离子,但是对那些具有相同质量数的不同元素离子,则无法辨别,这也是四极杆质谱的一个弱点,因此在质量分析中形成了大量的同位素和多元子分子干扰。

四极杆对低动能离子更为有效,如果离子能量太高,则离子通过四极杆的速度将加快,最终导致峰将展宽。在四极杆的入口和出口处,仅施加射频可以使全谱离子通过,但可以使离子向中心聚焦。

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四极杆有两个工作模式,即顺序扫描方式和跳峰方式,如下图所示:

当四极杆工作在扫描方式,直流电压和射频电压幅度成比例连续变化,每个时刻都选择对应的连续变化的核质比的离子通过。当工作在跳峰模式,两个电压也不连续的跳变,每个时刻都选择感兴趣的某个核质比的离子通过。


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