摘要：報道了一種結(jié)構(gòu)非常簡單的新型線型離子阱質(zhì)量分析器，它由4塊“柵網(wǎng)電極”電極與2塊端蓋電極合圍而成的一個近似于長方體的離子存儲和分析空間?！皷啪W(wǎng)電極”的結(jié)構(gòu)為：首先在矩形電極上加工一個“口”字型的通孔，然后再用導(dǎo)電的柵網(wǎng)覆蓋住“口”字表面構(gòu)成。這4塊含有柵網(wǎng)的電極合圍成一個四面對稱的長方體空間，它們與二個端蓋電極組成一個完整的離子阱。用柵網(wǎng)電極構(gòu)成離子阱質(zhì)量分析器具有以下優(yōu)勢：（1）結(jié)構(gòu)非常簡單。它可以極大地減小離子阱質(zhì)量分析器對組成離子阱電極的機(jī)械加工精度要求，如電極對稱性，離子引出孔的線性度與大小，以及對離子阱組裝精度的要求，使離子阱質(zhì)譜的生產(chǎn)工藝和使用維護(hù)更加簡化；（2）由于傳統(tǒng)離子引出電極上的離子引出槽被省去，使得離子阱電極的對稱性提高，這有可能改善離子阱內(nèi)部的電場分布，提高離子阱質(zhì)量分析器的質(zhì)譜性能；（3）由于離子引出電極的大部分為柵網(wǎng)，它可以成倍提高離子引出效率，提高質(zhì)譜儀的分析靈敏度。初步的實驗結(jié)果表明，用本工作給出的用柵網(wǎng)電極組成的離子阱質(zhì)量分析器，當(dāng)柵網(wǎng)寬度為4 mm時，在較低的離子共振激發(fā)電壓下，即可將離子從阱中彈出，并可以獲得高于400的質(zhì)量分辨率和300 Thomson以上的質(zhì)量掃描范圍。

關(guān)鍵詞：離子阱質(zhì)量分析器； 柵網(wǎng)電極； 質(zhì)量分辨率； 靈敏度

1引言

質(zhì)譜分析技術(shù)是分析領(lǐng)域最重要的儀器分析技術(shù)之一。在化學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、國土安全、食品安全、臨床醫(yī)學(xué)檢測、新型材料、軍事技術(shù)和航天技術(shù)等熱門領(lǐng)域中，具有越來越顯著的作用，質(zhì)譜技術(shù)和質(zhì)譜儀器的發(fā)展水平在一定的程度上決定了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[1]。

離子阱質(zhì)譜是應(yīng)用廣泛的質(zhì)譜儀器之一，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小的特點，同時具備離子存儲，離子質(zhì)量分析以及串級質(zhì)譜分析功能。根據(jù)構(gòu)成離子阱質(zhì)譜電極形狀的不同，離子阱質(zhì)譜又分為三維離子阱[2]和線型離子阱[3，4]。傳統(tǒng)上，不論是三維還是線型離子阱，它們都是由雙曲面形阱構(gòu)成的。由雙曲面電極組成的離子阱，其加工難度和組裝難度大。某種程度上，高機(jī)械加工難度也限制了離子阱質(zhì)譜的廣泛應(yīng)用。

離子阱質(zhì)譜的研究和開發(fā)是近幾十年來質(zhì)譜領(lǐng)域備受關(guān)注的方向之一。鑒于雙曲面電極的加工和組裝難度，尋找一種由較簡單電極構(gòu)造離子阱質(zhì)量分析器一直是近年來質(zhì)譜研究追求的目標(biāo)之一。各種新型離子阱，如線型離子阱（LIT）[3，4]，圓柱形離子阱（CIT）[5，6]，矩形離子阱[7]等先后被發(fā)展起來?；谶@幾種離子阱的商業(yè)儀器也不斷被各個領(lǐng)域的科研人員廣泛使用。

矩形線型離子阱是一種新型離子阱質(zhì)量分析器，它具有捕獲離子效率高、容納離子數(shù)量多、空間電荷效應(yīng)小、結(jié)構(gòu)簡單、容易加工和裝配等優(yōu)點[7]。矩形離子阱電極在材料的選擇性方面更廣，可以采用不銹鋼[8]、PCB[9，10]、陶瓷[11～13]等作為電極材料，電極材料的多樣性為陣列離子阱[14，15]的多通道離子檢測研究工作提供發(fā)展空間。在小型便攜質(zhì)譜儀[8]、氣相色譜離子阱質(zhì)譜聯(lián)用儀[16]和手提便攜式質(zhì)譜儀[17]等儀器研究工作中得到了廣泛應(yīng)用，為矩形離子阱技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展空間。

不論是傳統(tǒng)的雙曲面電極離子阱，還是近年發(fā)展起來的各種其他形狀電極離子阱，都必須在組成離子阱的某個電極上加工出一個離子引出小孔或槽，讓離子可以從此小孔中被引出和測量[2～4]。

從理論上講，一個離子阱質(zhì)譜的分析性能主要是由離子阱內(nèi)的電場分布所決定的，而電場分布又取決于產(chǎn)生電場的電極形狀，或稱之為電極幾何結(jié)構(gòu)[18～20]。前人的研究結(jié)果表明，用于從離子阱中引出離子的引出小孔將會影響離子阱中的電場分布，即引起阱內(nèi)的電場畸變。這種電場畸變往往會顯著影響離子阱的質(zhì)譜性能，如質(zhì)量分辨能力等。因此，不論是三維離子阱，還是線型離子阱； 不論是雙曲面形電極，還是矩形電極，電極的離子引出孔都是越小越好。另一方面，由于離子在離子阱內(nèi)都有一定的空間分布，因此，它們在被引出過程中，必然會有一部分會被小孔的邊界所擋住而損失掉。較小的小孔雖然會引起較小的電場畸變，但會導(dǎo)致離子阱質(zhì)譜儀器分析靈敏度的下降。此外，離子引出孔在電極上的位置、形狀等還會影響整個電極的對稱性，最終導(dǎo)致電場分布的對稱性。它也會直接影響離子阱的工作性能[21～24]。

綜合以上各方面的考慮，傳統(tǒng)矩形離子阱的離子引出孔寬度大約為1.0mm[25～27]。在本實驗在研究中，離子阱離子引出孔被設(shè)計加工成長度為 20mm， 寬度為4 mm的矩形孔。在此離子引出孔上，用透過率為92%的導(dǎo)電柵網(wǎng)覆蓋。本研究采用這些包含柵網(wǎng)電極構(gòu)造的離子阱被稱之為“柵網(wǎng)電極離子阱”。結(jié)果表明，由柵網(wǎng)電極組成的線型離子阱質(zhì)量分析器，在較低的離子共振激發(fā)電壓下，即可將離子從阱中彈出，并可以獲得高于400的質(zhì)量分辨率和300 Thomson以上的質(zhì)量掃描范圍。表明這種簡單構(gòu)造的離子阱同樣具有良好的離子存儲，質(zhì)量分析和高靈敏度等功能。具有很好的應(yīng)用前景。通過這種柵網(wǎng)電極構(gòu)造的離子阱質(zhì)量分析器已有專利報道[28]。

3結(jié)果與討論

3.1質(zhì)量分析過程及時序控制

本實驗研究中的柵網(wǎng)離子阱質(zhì)量分析器工作過程主要分為4個階段： 離子引入、離子冷卻、質(zhì)量分析和離子清空[29～31]，如圖4所示。電噴霧電離源產(chǎn)生離子，進(jìn)入采樣板、取樣錐、四極導(dǎo)引桿、透鏡板之后，到達(dá)離子阱質(zhì)量分析器進(jìn)入質(zhì)量分析需要經(jīng)過以上4個階段。

在離子引入和離子冷卻階段中，加載在離子阱上的射頻電壓幅度和頻率均保持不變，在離子引入階段中主要通過離子阱端蓋上的直流電壓來控制離子進(jìn)入。離子在直流電場的作用下由徑向方向進(jìn)入離子阱中，在射頻電場作用下能夠很好地被捕獲。在離子冷卻階段，被捕獲的離子在緩沖氣體He氣的碰撞下，離子動能逐漸減小，經(jīng)過一段時間的碰撞冷卻，離子被束縛在離子阱的中央，呈線狀排列。在質(zhì)量分析階段，對加載在離子阱上的射頻信號幅度進(jìn)行線性掃描，從低電壓掃到高電壓值方向，同時在此過程中加入共振激發(fā)信號（AC）。在射頻信號和共振激發(fā)信號的共同作用下，不同質(zhì)荷比的離子依次從離子阱柵網(wǎng)中穿過，達(dá)到離子檢測器，從而被檢測和分析。在離子清空階段，射頻電壓幅度將為0 V，離子阱內(nèi)的徑向交流束縛電場消失，清空殘存在阱內(nèi)的離子，避免對下一次分析造成干擾。

3.2質(zhì)量分辨率

4結(jié)論

本研究表明，可以用“柵網(wǎng)電極”構(gòu)建更簡單的離子阱質(zhì)量分析儀。與已有的離子阱質(zhì)量分析儀相比，這種“柵網(wǎng)電極離子阱”離子阱具有以下明顯優(yōu)勢：（1）結(jié)構(gòu)非常簡單。它可以極大地增大離子阱質(zhì)量分析器離子引出槽的尺寸，便于實現(xiàn)高精度加工，使離子阱質(zhì)譜的生產(chǎn)工藝和使用維護(hù)更加簡化；（2）用柵網(wǎng)代替離子引出孔，使得離子阱電極的對稱性提高，并改善離子阱內(nèi)部的電場分布，它有利于提高離子阱質(zhì)量分析器的質(zhì)譜性能；（3）由于離子引出電極的大部分為柵網(wǎng)，它可以成倍提高離子引出效率，提高質(zhì)譜儀的分析靈敏度。

進(jìn)一步的研究工作包括如何優(yōu)化柵網(wǎng)電極離子阱的幾何結(jié)構(gòu)，如離子引出孔的大小、形狀變化對質(zhì)譜性能的影響；柵網(wǎng)電極選擇，組裝以及加工精度，空間位置設(shè)置等對質(zhì)量分辨的影響等。我們還將進(jìn)一步研究離子阱中的質(zhì)量歧視效應(yīng)、離子存儲和引出效率、空間電荷效應(yīng)以及MSMS等問題，以獲得更高性能的柵網(wǎng)電極離子阱。