KVADRUPÓLOVÝ ANALYZÁTOR A IONTOVÉ PASTI

Význam tématu

Popisuje se důležitost kvadrupólových filtrů a iontových pastí pro hmotnostní spektrometrii. Tyto techniky umožňují selektivní průchod a akumulaci nabitých částic podle jejich poměru hmotnosti ku náboji (m/z). Robustní konstrukce, nízké nároky na údržbu a možnost přímého propojení se separačními metodami (LC, GC) z nich činí univerzální nástroje v oblasti proteomiky, metabolomiky i průmyslové analýzy.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem referátu je shrnout principy fungování kvadrupólového hmotnostního analyzátoru a iontových pastí, vysvětlit matematikou podložené kritérium stability trajektorií iontů a popsat klíčové režimy skenování a tandemové experimenty. Studie představuje historický vývoj, základní rovnice (Mathieuova rovnice) a různé geometrie elektrod.

Použitá metodika a instrumentace

Iontová část analyzátoru tvoří:

• čtyři hyperbolické nebo aproximované kulaté tyče napájené stejnosměrným (DC) a střídavým (RF) napětím,
• idealizovaný trojrozměrný kvadrupól s hyperbolickým ringem a koncovými elektrodami (3D iontová past),
• popřípadě lineární kvadrupólová past (LIT) s radiálním nebo axiálním vypuzením iontů.

Matematické modely využívají potenciálové rovnice a parametry a, q definované vzorci pro amplitudy a frekvence RF pole. Stabilita iontů je určena diagramem stability (a, q). Pro tlumení iontů v pastech se používá helium při tlaku okolo 5·10⁻³ mbar.

Hlavní výsledky a diskuse

• Stabilita trajektorií iontů je omezena oblastmi prvního řádu v diagramu stability; filtrační režimy se volí parametry a, q kolem q=0,706 pro selektivní průchod a kolem q=0,908 pro stanovení nejnižší m/z.
• Sken kvadrupólu spočívá v lineárním nárůstu DC a RF napětí, čímž se dosahuje rozlišení m/z = 1 jednotka po celém rozsahu.
• Iontová past akumuluje ionty s parkovacím parametrem qz okolo 0,25–0,35, fragmentační experimenty (CID) se provádějí rezonanční excitací prekurzorových iontů a následným rampovitým nárůstem RF pro produktové skeny.
• Lineární pasti dosahují rychlosti skenu až 16000 m/z za sekundu a optimální fokusace iontů v objemu cca 0,5 mm.
• Vývoj geometrií stretched endcaps a provoz při nižších napětích umožnil přenosné spektrometry s napětím do 610 V.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlé a citlivé skeny vhodné pro komplexní směsi biologických vzorků.
• Možnost tandemové MS/MS analýzy s vysokou selektivitou fragmentace.
• Kompatibilita s kapalinovou a plynovou chromatografií.
• Nízké požadavky na vakuu a robustní konstrukce podporují průmyslové i terénní aplikace.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Optimalizace geometrie pasťových elektrod pro vyšší kapacitu a rozlišení.
• Vývoj modulárních a přenosných hmotnostních spektrometrů pro on-site analýzu.
• Integrace s novými separačními a ionizačními technikami (ambientní ionizace, DESI).
• Pokročilé režimy HRMS kombinované s Fourierovou transformací a Orbitrapem pro zlepšení přesnosti měření.

Závěr

Kvadrupólové analyzátory a iontové pasti zůstávají klíčovými nástroji hmotnostní spektrometrie. Jejich flexibilita v režimech skenu, jednoduchost obsluhy a široký aplikační záběr zajišťují jejich postavení v moderních analytických laboratořích. Další vývoj směřuje k vyššímu rozlišení, přenosným systémům a novým tandemovým metodám analýzy.

Reference

• Paul W., Steinwedel H.: Z. Naturforsch. 8a, 448 (1953).
• Dawson P. H.: Mass Spectrom. Rev. 5, 1 (1986).
• Douglas D. J.: Mass Spectrom. Rev. 28, 937 (2009).
• Mathieu E.: J. Math. Pures Appl. 13, 137 (1868).
• March R. E., Todd J. F. J.: Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry, Wiley 2005.
• Cooks R. G. a kol.: Int. J. Mass Spectrom. 305, 69 (2011).
• Li X. a kol.: Analyst 144, 5127 (2019).