黨乾坤，楊 凱，王 強，滕恩江，王冠軍，丁傳凡

(1.復旦大學化學系激光化學研究所，上海 200433；2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012)

利用直流偏置電壓提高矩形離子阱質譜的靈敏度

黨乾坤1，楊 凱2，王 強2，滕恩江2，王冠軍1，丁傳凡1

(1.復旦大學化學系激光化學研究所，上海 200433；2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012)

線性離子阱質譜是近年來被廣泛應用的一種性能優(yōu)良的質譜儀。線性離子阱質量分析器通常是由四根柱狀電極合圍而成。由于四根電極的幾何對稱性，在線性離子阱中產生的電場在離子檢測方向上也是高度對稱的，也就是說，當離子從x方向被逐出離子阱時，將各有50%的離子從+x和-x方向被分別逐出。因此，如果只在線性離子阱的一側安裝離子探測器，則離子的檢測效率只有50%。本工作以矩形線性離子阱為研究對象，通過在離子阱中離子逐出方向的一根電極上施加一定的直流偏置電壓，利用此直流電壓在離子阱中產生的直流電場，使離子阱中存儲的離子偏離中心軸分布。這樣，離子將在后續(xù)離子逐出電場的作用下，被非對稱地逐出離子阱。如，可使多數(shù)離子從+x方向出射，少數(shù)離子從-x方向出射。此時，如果在+x方向安置離子探測器，將獲得高于50%的離子探測效率。實驗結果表明，直流偏置電壓可以明顯地提高離子檢測效率，例如，在與檢測器對側電極施加正的直流偏置電壓時，離子強度在一定電壓范圍內皆有顯著提高。實驗所測得的4種不同質荷比的離子提高比例分別是20%、38%、31%、44%。該方法的實驗原理簡單、實驗技術方便易行，可以顯著提高線性離子阱檢測靈敏度，具有一定的實用價值和應用前景。

離子阱質譜；線性離子阱；直流偏置電壓；靈敏度

質譜是一種非常重要的分析技術，廣泛應用于航天、冶金、地質、法醫(yī)、生命科學、環(huán)境污染、食品安全等領域。然而，由于體積重量大、能耗高、保養(yǎng)復雜，其進一步應用(如在線監(jiān)測、實時分析)受到不同程度的限制。因此，小型化、便攜式質譜的研制引起了廣泛的興趣[1-2]。矩形線性離子阱質量分析器由于結構簡單、易加工、能耗小、工作氣壓高、具有在單一阱中就能實現(xiàn)串級質譜的功能等優(yōu)勢，在質譜儀小型化過程中扮演著重要的角色[3-5]。

靈敏度是離子阱質譜性能的一個重要指標。線性離子阱相比三維離子阱一個重要的優(yōu)勢是離子存儲容量大[6-7]，這使質譜靈敏度有較大提高。由于線性離子阱，包括矩形離子阱中的射頻電場和激發(fā)電場是關于軸向平面呈鏡像對稱分布的，所以進行質量掃描時，從離子逐出方向的一對電極上逐出的離子數(shù)各占一半。因此，如果離子阱質譜只使用一個離子檢測器，則只能檢測到50%的離子，另外50%的離子將損失掉。如果通過在兩個離子逐出電極外都安置檢測器的方法來提高離子檢測效率，如Thermo-Fisher公司的LTQ質譜儀，會使電子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)復雜化，提高儀器成本。

在三維離子阱中，通過在某個電極上施加直流電壓(DC)，可使束縛在阱中離子的運動狀態(tài)發(fā)生改變，從而達到改善質譜性能或者實現(xiàn)某些功能的目的[8-19]。直流電壓一般以3種方式施加在三維離子阱上：1)四極直流電壓，即在三維離子阱的環(huán)電極上加直流電壓。這種方式一般用于質量選擇性離子隔離[8]。2)偶極直流電壓，即在前端蓋電極上加一正的直流電壓，后端蓋電極上加一負的直流電壓，或者相反。3)單極直流電壓，即在某一端蓋電極上加一正或一負直流電壓，另一端蓋電極接地。以2)或3)方式施加的直流電壓主要用于提高離子入射時的捕獲效率[9]、串級質譜中阱中離子的提取[10-11]、離子的碰撞誘導解離(CID)[12-15]、直流斷層掃描實驗[16]等。Plass等[17]在研究三維離子阱中直流電壓激發(fā)和直流斷層掃描理論時，模擬發(fā)現(xiàn)加上偶極直流電壓后離子在軸向的運動軌跡中心偏向直流電壓為負的一側端蓋電極。這說明，通過加直流電壓產生不對稱電場，使離子偏向性的在某一個電極方向上逐出存在可能。Vaden等[18]報道了在三維離子阱質量分析階段加上一偶極直流電壓，促使離子單向逐出，使不同質荷比的離子強度提高13%到97%不等(大部分離子在45%左右)，直流電壓是通過一個線圈與共振激發(fā)電壓AC一起加到兩個端蓋電極上，并通過TTL電路對直流電壓進行控制，在離子檢測器一側電極施加負的直流電壓。Prentice等[19]報道了質量分析階段在三維離子阱后端蓋電極上加一負的直流電壓使離子強度得以提高，激發(fā)電壓AC以單極方式僅加在前端蓋電極上，通過TTL電路對直流電壓進行控制。

到目前為止，前人研究工作均未涉及到線性離子阱，包括如何在矩形離子阱中提高離子單向逐出效率。由于三維離子阱離子彈出電極上不施加射頻信號，耦合一可控的直流脈沖信號非常簡單。而線性離子阱在質量分析階段施加偶極或單極直流偏置電壓，離子逐出方向的兩個電極上的RF信號將不僅需要耦合共振激發(fā)AC信號，還需要耦合一個可控的直流脈沖信號，如是偶極直流該脈沖信號在兩個電極上的相位則需相反。這樣的實驗電路較為復雜,實用性低。因此，本工作施加一恒定的單極直流偏置電壓，而非脈沖直流電壓，研究其對矩形離子阱質譜性能的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

精氨酸(Arginine,m/z174.2)，利血平(Reserpine,m/z608.7)：上海阿拉丁試劑有限公司產品；三肽Gly-Phe-Leu(GFL,m/z335.4)，亮氨酸腦啡肽(Leucineenkephalin,m/z555.6)，三肽Ala-Ala-Ala(AAA，m/z231.2)，四肽Gly-Gly-Phe-Leu(GGFL,m/z392.5)：吉爾生化上海有限公司產品。以上試劑均采用V(甲醇)∶V(水)=50∶50的溶劑，含有0.05%醋酸,配制成5×10-5mol/L溶液。以V(三肽AAA)∶V(四肽GGFL)∶V(精氨酸)∶V(三肽GFL)=1∶1∶1∶1的溶液配制成各濃度均為5×10-5mol/L的混合溶液，溶劑同上。

萬用表(VC9808+)：深圳市勝利高電子科技有限公司產品，整個實驗過程中的直流電壓都是在萬用表20 V檔下測量所得的；本實驗室自行設計和加工的電噴霧離子源-矩形離子阱質譜儀器系統(tǒng)的結構參考文獻[20]。儀器由三級差分真空系統(tǒng)構成，離子阱所在真空腔內的真空度達3×10-3Pa。氦氣作為冷卻氣，氣壓維持在1.33 Pa。

電噴霧離子源產生的離子通過采樣板小孔和取樣錐孔進入第二級真空腔，在長200 mm的四極離子導引桿傳輸作用下，進入離子阱質量分析器。該矩形離子阱是實驗室自行設計加工的，阱的場半徑比例為Rx/Ry=1.2∶1，僅一對電極上有離子引出槽，有關離子阱結構的具體介紹參考文獻[21]。離子阱引出槽一側安裝有電子倍增器(型號CEM 4879)。

離子阱工作所用的射頻電源為加拿大Sciex公司生產的RF電源(型號009701)，頻率為768 kHz。此射頻電源可輸出相位相反，振幅相同的射頻電壓信號：一路直接加至Y電極，另一路通過一線圈與AC激發(fā)電壓信號耦合，產生的兩路信號輸出分別施加至X1、X2電極。兩路信號AC電壓的相位相反。

實驗測控系統(tǒng)是本實驗室自行研制的。它除了可以與計算機實現(xiàn)通信外，還可用于控制多路直流電壓、射頻電壓信號，并產生AC激發(fā)電壓信號。多路直流電壓是由測控系統(tǒng)產生信號，經程控直流放大系統(tǒng)放大產生的。該系統(tǒng)可提供12路直流信號，每路直流信號的輸出電壓均由測控系統(tǒng)控制，可在-120～120 V連續(xù)可調。有6路直流信號分別加至離子采樣電極、取樣錐、四極離子導引桿、離子透鏡電極和離子阱的前后端蓋電極，另有一直流線路通過-20 M電阻接至X2電極上，電路圖示于圖1。在另一耦合信號輸出端和X1電極之間串聯(lián)-10 nF的電容，從而使直流電壓僅加至X2電極。當射頻電源調節(jié)平衡后，整個電路處于諧振狀態(tài)，所串聯(lián)的電容對電路的影響可忽略不計，且施加的直流電壓不超過20 V則不會對射頻電源產生任何影響。

圖1 矩形離子阱直流偏置電壓施加方式電路圖Fig.1 Schematic of application of a DC offset to the rectilinear ion trap

1.2 實驗方法

本實驗中，質譜分析過程分為4個階段：離子引入、離子冷卻、質量分析和離子清空。在離子引入和冷卻階段，離子阱射頻工作電壓的幅度保持不變，但不加離子AC激發(fā)電壓。在離子引入階段，離子阱前端蓋電極的直流電壓(門控電壓)較低，使離子可以進入阱中。離子引入一段時間后，該直流電壓升高，離子不能再進入離子阱。進入阱中的離子與緩沖氣體He氣發(fā)生碰撞，并失去部分動能而被束縛在離子阱中。隨后施加一定頻率的AC激發(fā)電壓，同時掃描此射頻電壓的幅值，使離子久期頻率不斷增加。當某種質荷比離子的久期頻率與AC激發(fā)電壓頻率相等時，此離子被共振彈出，并被安置在離子阱外的離子探測器所接收，獲得離子質譜信號，實現(xiàn)質量分析。在離子清空階段，離子阱上不加射頻電壓。整個質譜分析過程，直流偏置電壓保持不變。各個階段的電壓施加方式示于圖2。

圖2 矩形離子阱工作時序圖Fig.2 Scan function used for the rectilinear ion trap experiment

2 結果與討論

2.1 離子強度隨直流電壓的變化

實驗過程中，分別測量并記錄某一直流偏置電壓下的離子質譜峰強度。離子質譜峰強度用某一質荷比質譜峰的峰面積表示。某一直流偏置電壓下的質譜峰強度相對于偏置電壓為0 V時的峰面積比(百分數(shù))表示該離子的強度變化。假定0 V時的質譜峰強度為100%。

利血平離子的質譜峰強度隨直流電壓的變化曲線示于圖3。實驗中，每測得2次直流電壓值下的質譜峰都需要再次測得0 V時的質譜峰作為參考值，以減少儀器信號波動對結果產生的影響。而且每個直流電壓下(包括0 V)的質譜峰峰面積都是在質譜信號穩(wěn)定后，取3次掃描得到的質譜峰峰面積的平均值，其中每次掃描累加100次平均后的質譜峰測量結果。本實驗樣品為利血平，離子引入和冷卻階段的時間分別為7、15 ms，2個階段射頻工作電壓的幅值保持480 V不變，掃描速度為1 622 amu/s，離子共振激發(fā)電壓幅度為7 V，頻率為220 kHz。

當在離子阱逐出方向的X2電極施加一正的偏置直流電壓時，帶正電荷的離子會偏離中心,靠近與X2電極相對立的X1電極。然后在AC激發(fā)電壓的作用下，離子在X方向的運動幅度是連續(xù)不斷增大的。故偏離中心的離子將首先從X1電極逸出，從而使得安置在此電極外的檢測器所檢測的離子數(shù)多于50%，與未加直流電壓相比，其信號強度增大。但直流電壓增加到一定值時，離子偏離中心的距離較大，受到射頻電場的束縛作用減弱，從而發(fā)生擴散。同時，由于離子引出槽寬度僅0.8 mm，且位于電極中心，擴散的離子將撞到電極上，使得檢測到的離子數(shù)減少，此時離子強度將會下降。從圖3可以看出，直流電壓為3.5 V時，信號提高比例最大，達44%。進一步提高直流偏置電壓，質譜信號則逐漸下降。

當在X2電極施加一負的偏置直流電壓時，直流電場方向變?yōu)榉捶较?，此時位于X1電極一側的檢測器所測得的離子數(shù)應與施加正的直流電壓時X2電極逐出的離子數(shù)一樣。再施加正的直流電壓時，從X1電極逐出的離子數(shù)增加，但阱束縛的離子總量一定，這導致從對側電極逐出的離子數(shù)減少，其減少的量與增加的量應基本相等。從圖3可見，在4 V以內，增加量與減少量基本相等。

圖3 利血平樣品離子的相對強度隨直流電壓的變化曲線圖Fig.3 Results of the relative intensity of reserpine as a function of DC potentials

2.2 直流電壓對質譜質量分辨率的影響

在離子阱電極上施加直流電壓的目的是為了提高離子阱的檢測靈敏度，但從應用的角度上，要求此直流電壓不能對離子阱的質量分辨力產生不利的影響。為了了解直流偏置電壓對質譜分辨的影響，分別測量了不同直流偏置電壓下的質譜圖，并分析了質譜質量分辨的變化情況，當X2電極所加直流電壓分別為0、3、5 V時，腦啡肽離子樣品的質譜圖示于圖4。實驗過程中，離子引入和冷卻階段的時間分別為10、15 ms，2個階段射頻電壓幅值保持500 V不變，掃速為1 730 amu/s，激發(fā)電壓幅度為6 V，頻率為220 kHz。結果表明，在實驗測量誤差允許范圍內，直流電壓為0、3、5 V時，所對應的質譜圖的半峰寬(FWHM)基本沒有變化，可見施加直流偏置電壓對離子阱的質量分辨率基本不產生影響。

圖4 DC=0、3、5 V時，腦啡肽離子的質譜圖Fig.4 MS spectrum of leucineenkephalin at three different DC potentials(0, 3 and 5V)

圖5 精氨酸離子、三肽(GFL)離子、腦啡肽離子的相對強度隨X2電極上所加正直流電壓的變化趨勢Fig.5 Results of the relative intensity of arginine, GFL, leucine encephalin as a function of DC potentials

2.3 不同質荷比的離子信號受直流電壓的影響

從理論上講，由于不同離子的質荷比不同，在相同電壓產生的電場作用下，它們在離子阱中所偏離的距離應有所不同[14]。因此，當它們被共振激發(fā)出離子阱時，由于不同離子運動狀態(tài)的差異，其增加的量應有所差別。實驗分別測量了精氨酸、GFL、腦啡肽樣品的離子相對強度隨X2電極所加直流電壓的變化，結果示于圖5。GFL樣品離子的引入時間和冷卻階段時間分別為9、15 ms，2個階段射頻電壓幅值保持400 V不變，掃速為1 465 amu/s，激發(fā)電壓幅度為6 V，頻率為220 kHz。精氨酸樣品離子的引入時間和冷卻階段時間分別為9、15 ms，2個階段射頻電壓幅值保持400 V不變，掃速為1 435 amu/s，激發(fā)電壓幅度為3 V，頻率為220 kHz。由圖5可見，不同樣品隨直流電壓的變化趨勢一致，均為先上升后下降，且有一峰值。精氨酸、GFL、腦啡肽樣品的峰值分別在5、5、2 V處，提高比例分別達20%、38%、31%。這種差別與理論預料的結果基本吻合。

X2電極加直流電壓0、2.5、5.5 V時，混合樣品的質譜圖示于圖6。離子引入和冷卻階段的時間分別為11、15 ms，2個階段射頻電壓幅值保持400 V不變，掃速為1 709 amu/s，激發(fā)電壓幅度為6 V，頻率為220 kHz。由圖6可見，相對電壓為0 V時，4個樣品離子強度都有不同程度的提高。對于GFL，在5.5 V電壓下的強度與2.5 V的強度基本無變化;而GGFL樣品在5.5 V電壓下的強度較2.5 V的強度有所下降;另外2個樣品則有所提高。結合圖5，這是因為樣品強度隨電壓變化呈先上升后下降的趨勢，且不同質荷比的離子信號強度增加與偏置電壓有關。

圖6 DC=0、2.5、5.5 V時，混合樣品的質譜圖Fig.6 MS spectra of Arginine, AAA, GFL, and GGFL mixture at three different DC potentials(0, 2.5 and 5.5 V)

3 結論

本實驗通過在矩形離子阱X2電極上施加正的直流偏置電壓，產生一定的直流電場分布，使得離子阱中的離子分布偏向離子探測器的一方，這樣當離子被共振逐出時，將有大部分離子從安置有離子探測器一方電極的小孔中逐出離子阱并被檢測到。此方法可以明顯提高單檢測器離子阱質譜的檢測效率，對質譜分辨率基本無影響,并且同一偏置電壓對不同質荷比的離子都可實現(xiàn)信號強度的提高。

由于本研究所用的離子引出槽較窄(僅0.8 mm)，這可能會影響離子信號強度的進一步增加，所以，需要進一步研究不同條件下直流偏置電壓對信號強度的影響，如設計加工具有不同尺寸離子引出槽時的離子信號與直流偏置電壓大小的關系，離子阱工作電壓、離子阱電極結構、不同β值等對離子檢測靈敏度的影響等，以最大限度地提高離子收集與檢測效率。

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Application of a DC Offset in a Rectilinear Ion Trap to Improve Sensitivity

DANG Qian-kun1, YANG Kai2, WANG Qiang2, TENG En-jiang2,WANG Guan-jun1, DING Chuan-fan1

(1.LaserChemistryInstitute,DepartmentofChemistry,FudanUniversity,Shanghai200433,China;2.ChinaNationalEnvironmentalMonitoringCenter,Beijing100012,China)

Linear ion trap (LIT) comprised of four electrodes has been widely used in recent years. Because of the symmetry of the electrodes, the electric field in the LIT is symmetrical in the axial direction. As a result, about 50% of the trapped ions are ejected from one of a pair of electrodes in the process of mass analysis, which can be detected for one detector. In this study, a DC offset was applied to the electrode on the opposite side of the detector, which shifted the positive ions towards the electrode on the side of the detector. This helped the trapped ions to eject unidirectionally. And over 50% of the trapped ions could be detected. Four ions of different mass-to-charge ratios were investigated in this experiment. The results show that the positive DC voltage in a certain range increases the ion intensity. The increments of the ions are 20%，38%，31%，44%， respectively. This method is simple in principle, convenient in experimental technique.

ion trap mass spectrometer; linear ion trap; DC offset; sensitivity

2014-01-02；

2014-02-20

國家“十二五”重大儀器專項“基于質譜技術的全組分痕量重金屬分析儀器開發(fā)和應用示范”(2011YQ0601003)資助

黨乾坤(1991～)，男(漢族)，安徽蕪湖人，碩士研究生，從事質譜儀器研究。E-mail：qdang12@fudan.edu.cn

丁傳凡(1962～)，男(漢族)，安徽人，教授，從事分析化學、物理化學研究。E-mail: cfding@fudan.edu.cn

O 657.63

A

1004-2997(2014)03-0210-06

10.7538/zpxb.2014.35.03.0210