圓柱形離子阱質譜儀關鍵技術研究及參數優化

姜佩賀，周志權,，趙占鋒

(1.哈爾濱工業大學，電子與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業大學(威海)，信息與電氣工程學院，山東 威海 264209)

先進的科學儀器設備是技術創新和知識創新的前提，也是創新研究的主體內容之一。質譜儀(mass spectrometer, MS)作為最重要的分析儀器之一，在生命科學、環境資源、新型材料、質量監測、食品安全、公共安全以及航天和軍事技術等諸多領域發揮著越來越重要的作用[1]。

質量分析器是質譜儀的核心，隨著質譜儀的發展，出現了各種新型的質量分析器。圓柱形離子阱(cylindrical ion trap, CIT)是繼Paul阱后開發的一種新型離子阱質量分析器[2]。相比于雙曲線型Paul阱，CIT具有以下3個特點：1) 具有圓柱形結構，結構簡單、易于加工；2) 其尺寸對儀器的性能沒有影響，適合儀器的小型化；3) 相比于四極桿等其他質量分析器，CIT適用于較高的壓強環境。鑒于此，近年來CIT得到了廣泛的應用。CIT屬于四極離子阱，Cooks等[3-5]國外研究者在四極桿質譜研制方面已經取得了巨大成就，但國內的研究大多局限于應用層面，如利用質譜儀分析蛋白組學[6-7]、研究中藥成分[6,8]等。由于研制質譜儀需要化學、電學等多個學科的交叉融合，因此，國內從事質譜儀器研制的機構較少，特別是CIT質譜儀的研制，更是鮮有報道。

在深入研究CIT工作原理的基礎上，本實驗自行設計并加工了CIT質量分析器，設計并組合離子源、電學系統、信號檢測與數據處理系統和真空系統，研究不同的燈絲電流、推斥極電壓、背景氣體壓強、質量掃描速度等工作參數下的譜圖變化規律，并使用最優化的工作參數對部分有機物進行分析，希望搭建能滿足實際分析要求的CIT質譜平臺。

1 質譜儀關鍵技術研究

1.1 真空系統

真空腔為本項目組自行設計并加工，其整體采用不銹鋼材料，上蓋使用有機玻璃板，以便隨時觀察腔內的實驗情況，尤其是觀察EI源燈絲的點亮程度。使用機械泵和分子泵級聯的方式獲取真空環境，其中機械泵為Pascal 2005SD(抽速1.67 L/s)，分子泵為HiPace 700(抽速685 L/s)。在實驗過程中，使用電阻規和電離規配合真空計實時測量環境的真空度。電阻規采用云捷ZJ-52，測量壓強范圍為105～0.1 Pa；電離規采用云捷ZJ-27B，測量壓強范圍為5～10-6Pa；采用云捷ZDF-1A復合真空儀，根據環境壓強情況自動切換電阻規和電離規。實際測試結果表明，泵在長時間工作的情況下，該系統的真空度可達到10-5Pa量級。

1.2 離子源與電子門

電子轟擊電離源(EI)是最常見的氣相離子源之一，其原理為燈絲受熱發射電子，具有一定能量的電子與樣品碰撞，使樣品離子化。

本實驗使用的自制EI源由燈絲、推斥極、燈絲室3部分組成，其結構示意圖與加工后的實際結構示于圖1。燈絲采用直徑0.15 mm的鎢錸絲(SIS W410)，鎢錸絲較傳統的鎢絲更不易斷裂、壽命長、發射效率高。推斥極附著在燈絲的一端，其上施加一定的偏置電壓，用以加速燈絲產生的電子，被加速的電子穿過離子阱端蓋電極上的小孔入射到CIT，與樣品分子發生碰撞，使樣品離子化。燈絲和推斥極固定在燈絲室內，使用外電離方式時，可以在燈絲室內施加一定的電壓，以調節電子的聚焦程度；而在內電離方式下，可直接將燈絲室接地。本實驗采用內電離方式，不需離子導向裝置，結構簡單，儀器易于調試。電離源的電學系統由1個電流源、1個電壓源和1個電流表構成。電流源用于提供燈絲電流；電壓源用于提供推斥極的偏置電壓；電流表串聯于電壓源和推斥極之間，用于實時監測燈絲發射電流。

電子門是位于離子源與離子阱之間的金屬圓環，其直徑略大于離子阱端蓋上的小孔。在電離階段，電子門的金屬圓環電勢為0或為正電壓，電子門“開啟”，電子可以透過小孔進入離子阱，樣品被電離；當在金屬圓環上施加負電壓(如-100 V)，且負壓電場對離子做功大于離子動能時，電子門“關閉”，電子被束縛在燈絲室中。通過電子門周期性的“開啟”與“關閉”，可控制樣品電離。

由于電子門需要迅速地開啟與關閉，因此需要相應的電壓控制電路，示于圖2。圖中Q是三級管2N5401，R1和R2分別是阻值為30 kΩ和1 kΩ的電阻。當脈沖輸入為低電平0 V時，三極管Q1導通，電子門電勢為較小的正電壓，電子門“開啟”；當脈沖輸入為高電平+5 V時，三極管Q1截止，電子門電勢為-100 V，電子門“關閉”。經測試，這種方式可以實現微秒量級上電子門通斷的控制，能夠滿足電子門的工作需求。

圖1 EI電離源的結構示意圖(a)與加工實物圖(b)Fig.1 Schematic diagram (a) and the photograph (b) of EI

圖2 電子門電壓控制電路Fig.2 Circuit for gate electrode

1.3 圓柱形離子阱

CIT屬于四極桿離子阱，不同質荷比的離子在質量分析器中實現分離。四極場中的離子運動軌跡運用馬修方程計算，示于式(1)；根據離子的穩定區進行質量掃描，示于圖3[9]。

(1)

采用邊界不穩定掃描方式實現質量分析，即保持馬修參數a值為0(U=0)，通過改變q值(V值)實現不同質量離子的掃描。

CIT由本項目組自行設計并加工，離子阱由1個環電極和2個端電極構成，端電極中心開有小孔，其結構示意圖示于圖4。環電極和端電極均為不銹鋼材料，環電極內徑20 mm，高度15.94 mm，端電極厚度1 mm，中心小孔直徑2 mm。環電極和端電極上均設有接線柱，方便連接導線；兩電極之間采用聚醚醚酮材質的圓環形絕緣墊片隔離，其內徑20 mm，厚度1 mm。裝配后的離子阱r0=10 mm，z0=8.97mm，該比例可獲得優異的質量分析性能。為將樣品導入到離子阱中，實現樣品的內電離，在環電極上開有導流孔，進樣導管插入導流孔中。加工完成的各個部件圖片示于圖5。

圖3 CIT穩定區圖Fig.3 Mathieu stability region of CIT

圖4 CIT結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of CIT

根據四極場基本理論，為達到質量分析的目的，需要在環電極上施加高壓射頻信號，信號頻率約為1 MHz。CIT的電學系統示于圖6。信號發生器(Agilent 33250A)經正弦波調幅產生低壓射頻信號，使用功率放大器(E&I, 1040L)放大其功率，然后經由電壓放大模塊得到可以用于質量掃描的高壓射頻信號。

圖5 設計并加工的CIT部件Fig.5 Custom components of CIT

電壓放大模塊為本項目組自制，主體為線圈，初級線圈與次級線圈均纏繞在外徑8 cm的空心塑料骨架上。纏繞在空心骨架上的線圈為感性負載，而CIT是一個容性負載，當感性和容性負載發生諧振時，可以得到最大的電壓放大倍數。確定初級線圈匝數為2，調整次級線圈匝數，當次級線圈匝數為130時，得到970 kHz的諧振頻率，該頻率與預設的1 MHz頻率接近，符合實驗要求。在質量分析過程中，使用安裝了高壓探頭(安泰信，P5104)的數字示波器(Rigol，DS2102A)實時觀察該射頻信號。經測試，當信號發生器產生的低電壓射頻信號零峰值為350 mV時，放大的射頻電壓零峰值為3 kV，線性度良好。此外，由于采用邊界不穩定掃描方式進行質量掃描，因此兩個端電極均接地。

圖6 CIT的電學連接示意圖Fig.6 Schematic diagram of RF amplifier and CIT

1.4 信號檢測與數據采集

信號檢測系統由電子倍增管、電流放大器和數據采集卡構成，其連接示意圖示于圖7。電子倍增管是依據二次電子倍增原理實現微弱離子檢測的部件，在質譜領域具有廣泛的應用。本實驗選用Detech 2069型電子倍增管，該電子倍增管的體積小、增益高，其最大工作電壓1.9 kV，最大增益8.5×107。將電子倍增管輸出的微弱電流信號連接到電流放大器，由于電流信號微弱，極易受到射頻高壓的影響，因此需使用屏蔽線。電流放大器采用Keithley 428，該電流放大器可以將微弱的電流信號轉化為電壓信號，最大增益1011V/A。放大后得到的電壓信號由數據采集卡(NI，PCIe-6259，1.25 MS/s)數字化采樣，得到隨時間變化的譜圖信息，經質量校準即可將時間轉化為質荷比。數據采集卡使用LabVIEW控制，用多次測量求平均值的方式降低噪聲。

圖7 信號檢測系統電學連接示意圖Fig.7 Schematic diagram of ion detection

1.5 部件的裝配與時序控制

將離子源、CIT和電子倍增管安裝于滑軌上，三者之間的距離由自行設計的絕緣墊片精確控制，滑軌兩端設有堵頭，裝配完成的部件圖片示于圖8，該部件固定于真空腔中。此外，由于電子倍增管易受高壓射頻信號的影響，因此使用接地的金屬片對其進行屏蔽處理。

圖8 裝配完成的質譜儀核心部件Fig.8 Main component of the custom CIT mass spectrometer

離子源、離子阱和檢測器需在統一的時序控制下工作，使用延時脈沖發生器(SRS， DG535)產生時序控制脈沖，質量掃描時序圖示于圖9。每次質量分析分為捕獲、冷卻和掃描3個步驟。在捕獲階段，電子門打開，具有一定能量的電子入射到離子阱，樣品被離子化，此時，RF輸入一個確定幅度的正弦信號，滿足捕獲條件的離子被捕獲在離子阱中；在冷卻階段，電子門關閉，已進入離子阱的離子與背景氣體發生碰撞，離子運動軌跡不斷縮小并聚焦在離子阱中心區域，離子的冷卻有助于提高質譜儀的性能；在掃描階段，RF電壓逐漸升高，不同質荷比的離子依次被掃出離子阱，射向電子倍增管，產生譜圖信息。

圖9 質量掃描時序圖Fig.9 Timing diagram used for a representative MS experiment

2 結果與討論

2.1 燈絲電流與發射電流

EI源電離樣品所需的電子由燈絲提供，當電流通過燈絲，熾熱的燈絲內電子的無規則運動加劇，當電子的動能大于金屬表面逸出功時，電子逸出金屬表面，在電場的作用下形成發射電流。

燈絲由電流源驅動，燈絲電流的大小影響電子的發射效率，繼而影響離子的電離程度和儀器的靈敏度。保持真空腔壓強為1.5×10-4Pa，推斥極電壓為-70 V，測試不同燈絲電流下燈絲的狀態和發射電流的大小。當燈絲電流大于2 A時，燈絲被點亮；當燈絲電流大于3 A時，發射電流達到μA量級。燈絲電流與發射電流的關系示于圖10，隨著燈絲電流的增大，發射電流不斷增大，當燈絲電流為3.7 A時，發射電流達到107 μA，而后隨著燈絲電流的增大，發射電流基本保持不變。權衡發射電流的大小與燈絲壽命，設定燈絲電流為3.6 A。

圖10 燈絲電流與發射電流的關系Fig.10 Relationship between filament current and electron current

2.2 推斥極電壓與離子豐度

EI源推斥極電壓的大小決定了電子能量的高低。電子能量過低，樣品不能被完全電離，離子豐度低；電子能量過高，樣品碎片增加，譜峰增多，譜圖解析難度增大。針對空氣和氬氣的混合氣體，測試了不同推斥極電壓下N2(m/z28)和Ar(m/z40)的離子豐度，結果示于圖11。當推斥極電壓為-10 V時，離子豐度很低；隨著推斥極電壓絕對值的增大，離子豐度整體呈上升趨勢；當推斥極電壓絕對值超過一定大小后，豐度變化不明顯。目前，商用儀器以及標準譜圖庫一般采用-70 V作為推斥極的標準電壓。因此，本實驗設置推斥極電壓為-70 V。

圖11 推斥極電壓與離子豐度的關系Fig.11 Relationship between signal intensity and biax voltage of EI

2.3 背景氣體壓強與離子豐度

在離子阱的工作過程中，需要在真空腔內充入一定量的背景氣體，離子與背景氣體不斷碰撞，運動軌跡不斷縮小并聚焦于離子阱的中心區域。一定壓強范圍內的背景氣體有助于提高離子阱的捕獲效率，提高離子豐度。本實驗選擇質量較小的氦氣作為背景氣體，設定樣品進樣分壓為1×10-4Pa，改變背景氣體分壓，得到了N2(m/z28)和Ar(m/z40)的離子豐度變化情況，示于圖12。在一定范圍內，隨著背景氣體壓強的升高，離子豐度呈上升趨勢；但當壓強進一步升高，離子豐度開始下降。根據實驗結果，設定背景氣體壓強為6×10-4Pa。

2.4 電子倍增管電壓與離子豐度

隨著工作電壓的增加，電子倍增管增益不斷增大，本實驗所選用的電子倍增管最大工作電壓為1.9 kV，最大增益為8.5×107。改變電子倍增管工作電壓，得到了不同電壓值下的離子豐度，示于圖13。隨著電子倍增管電壓的增加，離子豐度不斷增大，但綜合權衡電子倍增管壽命與離子豐度，設定電子倍增管工作電壓為1.75 kV。

圖12 背景氣體壓強與離子豐度的關系Fig.12 Relationship between signal intensity and background gas pressure

圖13 電子倍增管電壓與離子豐度的關系Fig.13 Relationship between signal intensity and electron multiplier voltage

2.5 掃描速度與儀器性能

質量掃描速度是指單位時間內掃描的質量數，該參數影響儀器的靈敏度與分辨率。在不同掃描速度下對樣品進行測試，結果示于圖14。為對比不同掃描速度下的譜圖變化，在縱向上對譜圖進行了平移。實驗結果表明，隨著掃描速度的降低，譜峰總體呈向右偏移的趨勢。這是因為當掃描速度減慢，同一種離子需要更長的時間才能達到所需的掃出電壓。當掃描速度為16 000 u/s時，圖中虛線框內可以明顯分辨2個譜峰；而當掃描速度為3 200 u/s時，可以分辨4個譜峰。因此，減小掃描速度可以提高儀器的分辨率。此外，對比不同掃描速度下的譜圖變化，可以發現，隨著掃描速度的降低，離子信號強度逐漸降低。權衡靈敏度與分辨率，設定質量掃描速度為4 000 u/s。

圖14 掃描速度與譜峰的關系Fig.14 Relationship between the mass scan rate and peaks

2.6 樣品測試

對自制的CIT質譜儀進行參數優化，得到的最優化儀器操作參數列于表1。使用該參數測定水楊酸甲酯(純度≥98.0%，國藥集團化學試劑有限公司產品)，譜圖示于圖15a，為方便對比，水楊酸甲酯的NIST標準譜圖示于圖15b。經對比分析，發現本實驗所得的譜峰位置準確，分辨率約為300。

表1 自制的CIT質譜儀的參數優化結果Table 1 Optimization results of the custom CIT mass spectrometer

注：a.本實驗質譜儀獲取的譜圖；b.NIST 標準譜圖圖15 水楊酸甲酯的譜圖Fig.15 Mass spectra of methyl salicylate

3 結論

本研究基于CIT工作原理，自行設計并加工了CIT質量分析器，完成了離子源、電學系統、信號檢測與數據處理系統和真空系統的設計和組合，優化了燈絲電流、推斥極電壓、背景氣體壓強、電子倍增管電壓、質量掃描速度等工作參數。使用該質譜儀對水楊酸甲酯進行測試，獲得了準確的有機物譜圖信息，其分辨率約為300，性能較好。本工作可為研究頻譜儀操作模式和性能優化提供平臺基礎，下一步工作將使用共振出射方式進行質量掃描，以進一步提高儀器性能，并在此基礎上研究低真空度下質譜儀的質量分析方法。

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