数字化矩形离子阱质谱仪的设计及性能

　　　　 作者：李晓旭 蒋公羽 丁力 汪源源 丁传凡

【摘要】 将数字化离子阱技术和矩形离子阱(RIT)技术相结合，建立了数字化矩形离子阱质谱仪。此技术和装置既具有数字化电源的结构简单、输出稳定和易精确控制等特点，又结合了矩形离子阱的高离子存储效率、结构简单以及加工和装配容易等优点。构建了基于电喷雾(ESI)电离源的数字化矩形离子阱质谱仪系统，并使用Fenfluramine和PPG2000分别对此系统的质量分辨率和质量范围进行了测试。研究结果表明：一个用印刷线路板(PCB)制作的简单矩形离子阱，在200 V(半峰值)的数字束缚电压的驱动下，获得了大于500的质量分辨率和超过2600 Th的质量范围。实验证明，数字化离子阱技术的应用可以显著提高矩形离子阱的性能，特别是质量范围等关键的质谱仪指标。

【关键词】 数字化离子阱，矩形离子阱，质量范围，质量分辨率，质谱仪

　　1 引 言

　　矩形离子阱是在线型离子阱(LIT)[1，2]和圆柱形离子阱(CIT)[3，4]的基础上发展而来的一种离子阱质量分析器，它既具有线型离子阱离子存储效率高、容量大的优点[5]，又具有圆柱形离子阱结构简单、容易加工和装配的优点[5]。近年来，利用矩形离子阱建造了小型质谱仪[6]、气相色谱离子阱质谱联用仪[7]和手提式质谱仪[8]等，这些研究工作使得矩形离子阱技术不断完善。目前，对矩形离子阱的研究都是基于传统的正弦波电压扫幅模式，即由射频电源产生的正弦波射频电压加载在矩形离子阱的电极上，从而产生以四极电场为主的离子阱工作电场。在正弦波的频率保持不变的情况下，通过对正弦波电压的幅度进行线性扫描实现对离子的质量分析。在该工作模式下，对高质荷比(m/z)离子的分析需要高达上万伏电压，它不仅使得射频电源的造价昂贵，而且还很可能导致电极之间的放电，进而损坏仪器部件。因此，工作在传统模式下的矩形离子阱的质量范围受到了很大的限制。已报道的实验结果中，矩形离子阱的最大质量范围约为2000 Th[9，10]。而在手提式质谱仪中，由于工作气压较高，更容易发生放电现象，其质量范围只有500 Th[8]。比较狭窄的质量范围限制了矩形离子阱的应用领域。

　　数字化离子阱[11～13]是一种新型的离子阱工作模式。与传统的正弦波电压扫幅模式不同，它利用频率可精确控制的矩形波(数字束缚电压，Digital trapping waveform)驱动离子阱，并通过对矩形波的频率进行扫描从而实现质量分析。工作在数字化离子阱模式下的离子阱质量分析器具有分辨率高、质量范围宽等优点。在数字化离子阱中，使用仅1000 V(半峰值)的数字束缚电压获得了17000 Th的质量范围[13]。到目前为止，数字化离子阱技术仅被应用于三维(3D)离子阱[14]。本研究将数字化离子阱技术与矩形离子阱(RIT)技术结合，建立了一种新型的数字化矩形离子阱质谱仪。实验结果表明，利用数字化矩形离子阱质谱仪可以获得较高的质量分辨率，以及更宽的质量范围，具有良好的潜在应用价值。

　　2 数字化离子阱基本理论

　　传统的离子阱工作原理建立在马修方程(Mathieu equation) 的基础上[14]，但在数字化离子阱中，由于使用了矩形波替代传统的正弦波驱动离子阱，马修方程已不适用于描述离子在离子阱中的运动情况。关于数字化离子阱的理论在文献[11～13]中已有详细论述，这里只简要列出其中的一些基本原理。

　　采用与马修方程中类似的参数(a，q)来描述离子在数字化离子阱中的稳定情况。当一个质量为m、电荷为e的离子在纯四极场中运动时，参数(a，q)可表示为如下形式[11]：az=8eUmr20Ω2， qz=4eVmr20Ω2(1) 分 析 化 学第37卷第9期李晓旭等: 数字化矩形离子阱质谱仪的设计及性能 其中， r0是离子阱的场半径， U是矩形波的直流分量， V是矩形波的交流分量，Ω是矩形波的频率。本研究中使用的矩形波的占空比均为50%(方波)，且不含直流分量。因此，U=0， V等于方波高电平和低电平的差值的一半(半峰值)。数字化离子阱的第一稳定区如图1所示，当az=0时， qz存在一个最大值q0，即只有qz值处于0～q0之间的离子是稳定的。通过计算，在数字化离子阱中， q0=0.7125[11]，而在传统的正弦波模式下， q0=0.908[14]。

　　上述q0值是在不加载任何激发电压的情况下计算得到的。而在实际应用中，为了提高离子阱的质量分辨率和检测灵敏度，通常使用共振激发方式。在传统的离子阱中，共振激发信号的频率保持不变，其幅度随着射频电压的幅度升高而升高。而在数字化离子阱中，质量分析是通过对数字束缚电压的频率进行扫描而实现的，为保证所有的离子都在同一个qz值上被共振激发出离子阱外，共振激发信号的频率也随着数字束缚电压的频率一起扫描。共振激发信号可由数字束缚电压的分频产生，若分频数为n，则共振激发信号的频率为：ωexc=Ω/n(2)离子的共振频率(secular frequency) ωs与数字束缚电压的频率Ω之间的关系可以用参数βz来表示：ωs=βzΩ/2(3) 当数字束缚电压为方波时， βz与qz存在下述关系[12]：βz=1πarccos[cos(πqz/2)cosh(πqz/2)](4) 当外加的共振激发信号的频率和离子的共振频率相等时，离子发生共振激发，从而被逐出离子阱外，根据式(2)和(3)可得：βz=2/n。当分频数n确定时，便可通过式(4)计算得到离子被逐出离子阱时的qz值，记作qejection。此时，离子的质荷比可用如下等式表示：m/e=Vqejectionr20π2T2(5)式(5)中，T表示数字束缚电压的周期。当幅度V保持不变时，对数字束缚电压的频率进行线性扫描并不能保证对质荷比的线性扫描。为实现对质荷比的线性扫描，可实施如下的周期扫描方式[13]：设数字束缚电压的初始周期为Tsart ，持续N个周期数后，将周期增大一个固定的步长Tstep，此时数字束缚电压的周期变为Tstart+Tstep。然后再持续N个周期数，依此类推。则对于扫描过程中的任意一步i，有：Ti=Tstart+iTstep(6)

　　ti=∑i-1j=0NTj+TiN/2=(Tstepi2/2+Tstarti+Tstart/2)·N(7)其中ti表示第i步时经过的时间。以第i步的中间时刻(即第i步持续N/2个周期数时)为准。通过式(6)和(7)联立可以消去变量i，得到下式：Ti=T2start-TstartTstep+(2Tstep/N)ti(8)Ti代表离子被逐出离子阱时所对应的数字束缚电压的周期。将Ti带入到式(6)中就可以看出，质荷比与时间ti呈线性关系，即实现了对离子质荷比的线性扫描。

　　3 实验装置

　　3.1 PCB矩形离子阱

　　本研究中所使用的离子阱质量分析器是由印刷线路板(PCB)材料及其加工技术制作而成。用本方法制造的矩形离子阱具有结构简单、加工容易和价格低廉等优点。 图2 PCB矩形离子阱的结构及装配示意图

　　Fig.2 Structure and assembly of a printed circuit board(PCB) rectilinear ion trap 图2为PCB矩形离子阱的结构和装配过程示意图。PCB离子阱由两对PCB电极和一对金属端盖电极组成。所有PCB电极的厚度均为2.2 mm，长度均为46 mm。每块PCB电极的表面被分割成为3部分：1个长度为40 mm的中间电极和2个长度均为2.7 mm的端电极。在中间电极与2个端电极之间有0.3 mm宽的绝缘带，使得可以在中间电极和两端电极上分别加载不同的工作电压。两端电极上有4个直径为1 mm的定位孔，用于离子阱的组装。端盖电极采用厚度为0.5 mm的不锈钢片加工成如图1所示的特殊形状，可以与PCB电极两端的定位孔紧密配合，构成PCB离子阱。其中一对PCB电极中央有0.8 mm宽的狭缝，作为离子引出槽。

　　3.2 数字化矩形离子阱质谱仪系统

　　本实验室自行设计和加工的电喷雾电离源(ESI)——数字化矩形离子阱质谱仪系统，其结构示意图如图3所示。其中真空系统为三级差分抽气的不锈钢真空系统。第一级真空腔使用机械泵进行抽气(抽速为8 L/s)，图3 ESI数字化矩形离子阱质谱仪系统结构示意图

　　Fig.3 Structural diagram of ESIdigital rectilinear ion trap mass spectrometer可获得的最高真空度为66.5 Pa;第二级和第三级真空腔均使用FF160/620C分子泵(北京中科科仪技术有限发展责任公司，抽速为600 L/s)进行抽气，其中第二级真空腔可达到的真空度为0.0665 Pa，第三级真空腔可达到的真空度为6.65×10-4 Pa。

　　质谱仪器系统工作时，由ESI源产生的离子通过进样小孔(直径为0.2 mm)进入第一级真空腔，然后通过锥孔(直径为0.3 mm)进入第二级真空腔。在第二级真空腔内安装有四极杆离子导引装置，它用于将离子导引到位于第三级真空腔内的PCB矩形离子阱中，从而进行质量分析。在PCB矩形离子阱有离子引出槽的一侧安装了电子倍增器，用于检测质量分析过程中弹出的离子。电子倍增器在-1800 V的直流电压下工作。缓冲气体(He)通过针形阀被引入到第三级真空腔中，用于对离子进行碰撞冷却，使离子更有效地被离子阱捕获和存储。

　　3.3 电路系统

　　如图4所示，数字化矩形离子阱质谱仪的电路系统主要由控制系统、数据采集模块、多路直流输出模块、方波放大电路和共振激发模块组成。控制系统采用高速DSP、FPGA和直接数字合成(DDS)芯片设计而成，它主要实现的功能有：(1) 与计算机之间通过USB接口通信，接收计算机的指令，控制整个分析过程的时序，并把采集到的质谱数据传输到计算机上; (2) 控制多路直流输出模块产生需要的直流电压; (3) 利用DDS技术产生周期可扫描的方波信号，周期扫描的步长Tstep可调。在实验中，调节Tstep即调节质量扫描速率。显然， Tstep越小，则质量扫描速率越慢，得到的质量分辨率也越高，本系统能达到的最小值为50 ps。在实际电路中，高速DSP实时计算出控制DDS芯片所需要的频率控制字， 使DDS芯片产生一个周期扫描的正弦波，通过一个高速过零比较器后就得到实验所需要的方波信号; (4) 产生共振激发信号，即实现对方波信号的分频，分频数可以程控调节。

　　图4 数字化矩形离子阱质谱仪的电路系统硬件结构

　　Fig.4 Hardware architecture of electronic system for digital rectilinear ion trap mass spectrometer数据采集模块包括模数转换电路和前级放大电路，其中前级放大电路的放大倍率为107。多路直流输出模块提供12路程控可调的直流电压，直流调节范围为±150 V。方波放大电路把控制系统输出的TTL电平的方波信号放大到实验所需要的幅度，其原理为使用高速功率场效应管搭建开关电路，使输出信号在正电压和负电压之间快速切换，从而产生方波信号(数字束缚电压)。 图5 数字化矩形离子阱信号配置图

　　Fig.5 Configuration of signals applied to digital rectilinear ion trap正电压和负电压由两台高精度的直流电源(DCS6001.7E， Sorensen Power Supplies， Elgar Electronics Corporation)提供。此电路可输出两路幅度相同、相位相差180°的方波信号。方波信号的幅度在0～300 V(半峰值)之间任意可调，其上升沿为25 ns。共振激发模块用于放大控制电路输出的共振激发信号，其原理与方波放大电路相同，输出信号的幅度在0～30 V内任意可调。共振激发信号通过线圈变压器耦合到数字束缚电压上后再驱动矩形离子阱，具体的信号配置方式如图5所示。

　　4 结果与讨论

　　4.1 质量分析过程及时序控制 图6 数字化矩形离子阱的工作时序

　　Fig.6 Timing diagram for digital rectilinear ion trap

　　数字化矩形离子阱质谱仪的工作过程分为4个阶段(如图6所示)：离子化、离子冷却、质量分析和离子清空。在离子化阶段，加载在矩形离子阱上的数字束缚电压信号的幅度和频率均保持不变，进入矩形离子阱中的离子被电场捕获。在离子冷却阶段，被捕获的离子在缓冲气体的碰撞下动能逐渐减小到0 eV附近。此时离子被存储在矩形离子阱中央，呈线状排列。在质量分析阶段，对数字束缚电压信号的周期进行扫描，扫描方向为从高频率到低频率，并在此阶段加入共振激发信号。在离子清空阶段，排空残存在离子阱内的离子，以避免对下一次分析造成干扰。

　　4.2 质谱分辨率

　　对数字化矩形离子阱质谱仪的质量分辨能力进行了测试，所得质谱图见图7。实验中所使用的样品是500 μg/L的Fenfluramine (C12H17ClF3N，购于Sigma Aldrich，样品未进一步提纯)乙腈水溶液，其中乙腈和水的比例分别为80%和20%。

　　整个实验过程中，驱动矩形离子阱的数字束缚电压的幅度保持在170 V(半峰值)，离子导引四极杆上加载频率为1 MHz， 图7 数字化矩形离子阱检测到的Fenfluramine的质谱图

　　Fig.7 Mass spectrum of Fenfluramine in digital rectilinear ion trap幅度为500 V(峰峰值)的正弦波射频电压信号。离子进样小孔、锥孔、离子导引四极杆以及PCB离子阱上的直流电压配置分别为20，10，5 和0 V。离子化和离子冷却阶段的持续时间分别是5和30 ms，在这两个阶段中，数字束缚电压的频率均保持在1 MHz。在质量分析阶段，数字束缚电压按周期进行扫描，质量扫描速率为2000 amu/s。在这个过程中加入了共振激发信号(AC)，其频率为数字束缚电压频率的1/3，幅度为3.4 V。由图7可得，m/z 232的质谱峰的半峰宽(FWHM)为0.45 amu，其所对应的质量分辨率为： 232/0.45=515。

　　4.3 质量范围

　　采用0.1 mmol/L PPG溶液对数字化矩形离子阱质谱仪的质量范围进行了测试，得到的质谱图见图8。PPG溶液的具体配制方法为：将2 mg PPG2000(Acros， Poly(propylene glycol)， MW 2000， 1.0 g/mL) 和1.56 mg乙酸铵溶于10 mL含有0.1%甲酸的甲醇水(1∶1， V/V)溶液中。

　　数字束缚电压的幅度在整个实验过程中保持为200 V(半峰值)。离子在500 kHz的数字束缚电压条件下经过5 ms的离子化以及50 ms的离子冷却后被存储在离子阱中。在质量分析阶段，数字束缚电压的频率从500 kHz扫描到200 kHz(按周期进行扫描)，对应的质量扫描范围为400～2700 Th，质量扫描速率为10000 amu/s。在这个过程中加入了共振激发信号，其频率为数字束缚电压信号频率的1/3、幅度为5.1 V。由图8可以看出，此数字化矩形离子阱质谱仪的质量范围超过2600 Th。

　　4.4 结论

　　实验表明，此数字化矩形离子阱质谱仪显著提高了矩形离子阱的性能，扩展了质量范围，此质谱仪指标与传统正弦波扫幅模式的矩形离子阱相比有明显的优势。由于实验中的数字束缚电压仅为200 V(半峰值)，其质量范围仍有很大的提升空间，这使得矩形离子阱应用在蛋白质组学[15]、代谢组学[16]等需要对高质荷比离子进行分析的领域成为可能。我们还将进一步研究数字化矩形离子阱中的质量歧视效应、空间电荷效应以及离子存储量等问题，提高质谱仪的质量分辨率和实现ECD[17]等功能。

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