圆柱形离子阱质谱仪关键技术研究及参数优化

先进的科学仪器设备是技术创新和知识创新的前提，也是创新研究的主体内容之一。质谱仪(mass spectrometer, MS)作为最重要的分析仪器之一，在生命科学、环境资源、新型材料、质量监测、食品安全、公共安全以及航天和军事技术等诸多领域发挥着越来越重要的作用[1]。

质量分析器是质谱仪的核心，随着质谱仪的发展，出现了各种新型的质量分析器。圆柱形离子阱(cylindrical ion trap, CIT)是继Paul阱后开发的一种新型离子阱质量分析器[2]。相比于双曲线型Paul阱，CIT具有以下3个特点：1) 具有圆柱形结构，结构简单、易于加工；2) 其尺寸对仪器的性能没有影响，适合仪器的小型化；3) 相比于四极杆等其他质量分析器，CIT适用于较高的压强环境。鉴于此，近年来CIT得到了广泛的应用。CIT属于四极离子阱，Cooks等[3-5]国外研究者在四极杆质谱研制方面已经取得了巨大成就，但国内的研究大多局限于应用层面，如利用质谱仪分析蛋白组学[6-7]、研究中药成分[6,8]等。由于研制质谱仪需要化学、电学等多个学科的交叉融合，因此，国内从事质谱仪器研制的机构较少，特别是CIT质谱仪的研制，更是鲜有报道。

在深入研究CIT工作原理的基础上，本实验自行设计并加工了CIT质量分析器，设计并组合离子源、电学系统、信号检测与数据处理系统和真空系统，研究不同的灯丝电流、推斥极电压、背景气体压强、质量扫描速度等工作参数下的谱图变化规律，并使用最优化的工作参数对部分有机物进行分析，希望搭建能满足实际分析要求的CIT质谱平台。

1 质谱仪关键技术研究

1.1 真空系统

真空腔为本项目组自行设计并加工，其整体采用不锈钢材料，上盖使用有机玻璃板，以便随时观察腔内的实验情况，尤其是观察EI源灯丝的点亮程度。使用机械泵和分子泵级联的方式获取真空环境，其中机械泵为Pascal 2005SD(抽速1.67 L/s)，分子泵为HiPace 700(抽速685 L/s)。在实验过程中，使用电阻规和电离规配合真空计实时测量环境的真空度。电阻规采用云捷ZJ-52，测量压强范围为105～0.1 Pa；电离规采用云捷ZJ-27B，测量压强范围为5～10-6 Pa；采用云捷ZDF-1A复合真空仪，根据环境压强情况自动切换电阻规和电离规。实际测试结果表明，泵在长时间工作的情况下，该系统的真空度可达到10-5 Pa量级。

1.2 离子源与电子门

电子轰击电离源(EI)是最常见的气相离子源之一，其原理为灯丝受热发射电子，具有一定能量的电子与样品碰撞，使样品离子化。

本实验使用的自制EI源由灯丝、推斥极、灯丝室3部分组成，其结构示意图与加工后的实际结构示于图1。灯丝采用直径0.15 mm的钨铼丝(SIS W410)，钨铼丝较传统的钨丝更不易断裂、寿命长、发射效率高。推斥极附着在灯丝的一端，其上施加一定的偏置电压，用以加速灯丝产生的电子，被加速的电子穿过离子阱端盖电极上的小孔入射到CIT，与样品分子发生碰撞，使样品离子化。灯丝和推斥极固定在灯丝室内，使用外电离方式时，可以在灯丝室内施加一定的电压，以调节电子的聚焦程度；而在内电离方式下，可直接将灯丝室接地。本实验采用内电离方式，不需离子导向装置，结构简单，仪器易于调试。电离源的电学系统由1个电流源、1个电压源和1个电流表构成。电流源用于提供灯丝电流；电压源用于提供推斥极的偏置电压；电流表串联于电压源和推斥极之间，用于实时监测灯丝发射电流。

电子门是位于离子源与离子阱之间的金属圆环，其直径略大于离子阱端盖上的小孔。在电离阶段，电子门的金属圆环电势为0或为正电压，电子门“开启”，电子可以透过小孔进入离子阱，样品被电离；当在金属圆环上施加负电压(如-100 V)，且负压电场对离子做功大于离子动能时，电子门“关闭”，电子被束缚在灯丝室中。通过电子门周期性的“开启”与“关闭”，可控制样品电离。

由于电子门需要迅速地开启与关闭，因此需要相应的电压控制电路，示于图2。图中Q是三级管2N5401，R1和R2分别是阻值为30 kΩ和1 kΩ的电阻。当脉冲输入为低电平0 V时，三极管Q1导通，电子门电势为较小的正电压，电子门“开启”；当脉冲输入为高电平+5 V时，三极管Q1截止，电子门电势为-100 V，电子门“关闭”。经测试，这种方式可以实现微秒量级上电子门通断的控制，能够满足电子门的工作需求。

图1 EI电离源的结构示意图(a)与加工实物图(b)
Fig.1 Schematic diagram (a) and the photograph (b) of EI

图2 电子门电压控制电路
Fig.2 Circuit for gate electrode

1.3 圆柱形离子阱

CIT属于四极杆离子阱，不同质荷比的离子在质量分析器中实现分离。四极场中的离子运动轨迹运用马修方程计算，示于式(1)；根据离子的稳定区进行质量扫描，示于图3[9]。

(1)

式中：

采用边界不稳定扫描方式实现质量分析，即保持马修参数a值为0(U=0)，通过改变q值(V值)实现不同质量离子的扫描。

CIT由本项目组自行设计并加工，离子阱由1个环电极和2个端电极构成，端电极中心开有小孔，其结构示意图示于图4。环电极和端电极均为不锈钢材料，环电极内径20 mm，高度15.94 mm，端电极厚度1 mm，中心小孔直径2 mm。环电极和端电极上均设有接线柱，方便连接导线；两电极之间采用聚醚醚酮材质的圆环形绝缘垫片隔离，其内径20 mm，厚度1 mm。装配后的离子阱r0=10 mm，z0=8.97mm，该比例可获得优异的质量分析性能。为将样品导入到离子阱中，实现样品的内电离，在环电极上开有导流孔，进样导管插入导流孔中。加工完成的各个部件图片示于图5。

图3 CIT稳定区图
Fig.3 Mathieu stability region of CIT

图4 CIT结构示意图
Fig.4 Schematic diagram of CIT

根据四极场基本理论，为达到质量分析的目的，需要在环电极上施加高压射频信号，信号频率约为1 MHz。CIT的电学系统示于图6。信号发生器(Agilent 33250A)经正弦波调幅产生低压射频信号，使用功率放大器(E&I, 1040L)放大其功率，然后经由电压放大模块得到可以用于质量扫描的高压射频信号。

图5 设计并加工的CIT部件
Fig.5 Custom components of CIT

电压放大模块为本项目组自制，主体为线圈，初级线圈与次级线圈均缠绕在外径8 cm的空心塑料骨架上。缠绕在空心骨架上的线圈为感性负载，而CIT是一个容性负载，当感性和容性负载发生谐振时，可以得到最大的电压放大倍数。确定初级线圈匝数为2，调整次级线圈匝数，当次级线圈匝数为130时，得到970 kHz的谐振频率，该频率与预设的1 MHz频率接近，符合实验要求。在质量分析过程中，使用安装了高压探头(安泰信，P5104)的数字示波器(Rigol，DS2102A)实时观察该射频信号。经测试，当信号发生器产生的低电压射频信号零峰值为350 mV时，放大的射频电压零峰值为3 kV，线性度良好。此外，由于采用边界不稳定扫描方式进行质量扫描，因此两个端电极均接地。

图6 CIT的电学连接示意图
Fig.6 Schematic diagram of RF amplifier and CIT

1.4 信号检测与数据采集

信号检测系统由电子倍增管、电流放大器和数据采集卡构成，其连接示意图示于图7。电子倍增管是依据二次电子倍增原理实现微弱离子检测的部件，在质谱领域具有广泛的应用。本实验选用Detech 2069型电子倍增管，该电子倍增管的体积小、增益高，其最大工作电压1.9 kV，最大增益8.5×107。将电子倍增管输出的微弱电流信号连接到电流放大器，由于电流信号微弱，极易受到射频高压的影响，因此需使用屏蔽线。电流放大器采用Keithley 428，该电流放大器可以将微弱的电流信号转化为电压信号，最大增益1011 V/A。放大后得到的电压信号由数据采集卡(NI，PCIe-6259，1.25 MS/s)数字化采样，得到随时间变化的谱图信息，经质量校准即可将时间转化为质荷比。数据采集卡使用LabVIEW控制，用多次测量求平均值的方式降低噪声。

图7 信号检测系统电学连接示意图
Fig.7 Schematic diagram of ion detection

1.5 部件的装配与时序控制

将离子源、CIT和电子倍增管安装于滑轨上，三者之间的距离由自行设计的绝缘垫片精确控制，滑轨两端设有堵头，装配完成的部件图片示于图8，该部件固定于真空腔中。此外，由于电子倍增管易受高压射频信号的影响，因此使用接地的金属片对其进行屏蔽处理。

图8 装配完成的质谱仪核心部件
Fig.8 Main component of the custom CIT mass spectrometer

离子源、离子阱和检测器需在统一的时序控制下工作，使用延时脉冲发生器(SRS， DG535)产生时序控制脉冲，质量扫描时序图示于图9。每次质量分析分为捕获、冷却和扫描3个步骤。在捕获阶段，电子门打开，具有一定能量的电子入射到离子阱，样品被离子化，此时，RF输入一个确定幅度的正弦信号，满足捕获条件的离子被捕获在离子阱中；在冷却阶段，电子门关闭，已进入离子阱的离子与背景气体发生碰撞，离子运动轨迹不断缩小并聚焦在离子阱中心区域，离子的冷却有助于提高质谱仪的性能；在扫描阶段，RF电压逐渐升高，不同质荷比的离子依次被扫出离子阱，射向电子倍增管，产生谱图信息。

图9 质量扫描时序图
Fig.9 Timing diagram used for a representative MS experiment

2 结果与讨论

2.1 灯丝电流与发射电流

EI源电离样品所需的电子由灯丝提供，当电流通过灯丝，炽热的灯丝内电子的无规则运动加剧，当电子的动能大于金属表面逸出功时，电子逸出金属表面，在电场的作用下形成发射电流。

灯丝由电流源驱动，灯丝电流的大小影响电子的发射效率，继而影响离子的电离程度和仪器的灵敏度。保持真空腔压强为1.5×10-4 Pa，推斥极电压为-70 V，测试不同灯丝电流下灯丝的状态和发射电流的大小。当灯丝电流大于2 A时，灯丝被点亮；当灯丝电流大于3 A时，发射电流达到μA量级。灯丝电流与发射电流的关系示于图10，随着灯丝电流的增大，发射电流不断增大，当灯丝电流为3.7 A时，发射电流达到107 μA，而后随着灯丝电流的增大，发射电流基本保持不变。权衡发射电流的大小与灯丝寿命，设定灯丝电流为3.6 A。

图10 灯丝电流与发射电流的关系
Fig.10 Relationship between filament current and electron current

2.2 推斥极电压与离子丰度

EI源推斥极电压的大小决定了电子能量的高低。电子能量过低，样品不能被完全电离，离子丰度低；电子能量过高，样品碎片增加，谱峰增多，谱图解析难度增大。针对空气和氩气的混合气体，测试了不同推斥极电压下N2(m/z 28)和Ar(m/z 40)的离子丰度，结果示于图11。当推斥极电压为-10 V时，离子丰度很低；随着推斥极电压绝对值的增大，离子丰度整体呈上升趋势；当推斥极电压绝对值超过一定大小后，丰度变化不明显。目前，商用仪器以及标准谱图库一般采用-70 V作为推斥极的标准电压。因此，本实验设置推斥极电压为-70 V。

图11 推斥极电压与离子丰度的关系
Fig.11 Relationship between signal intensity and biax voltage of EI

2.3 背景气体压强与离子丰度

在离子阱的工作过程中，需要在真空腔内充入一定量的背景气体，离子与背景气体不断碰撞，运动轨迹不断缩小并聚焦于离子阱的中心区域。一定压强范围内的背景气体有助于提高离子阱的捕获效率，提高离子丰度。本实验选择质量较小的氦气作为背景气体，设定样品进样分压为1×10-4 Pa，改变背景气体分压，得到了N2(m/z 28)和Ar(m/z 40)的离子丰度变化情况，示于图12。在一定范围内，随着背景气体压强的升高，离子丰度呈上升趋势；但当压强进一步升高，离子丰度开始下降。根据实验结果，设定背景气体压强为6×10-4 Pa。

2.4 电子倍增管电压与离子丰度

随着工作电压的增加，电子倍增管增益不断增大，本实验所选用的电子倍增管最大工作电压为1.9 kV，最大增益为8.5×107。改变电子倍增管工作电压，得到了不同电压值下的离子丰度，示于图13。随着电子倍增管电压的增加，离子丰度不断增大，但综合权衡电子倍增管寿命与离子丰度，设定电子倍增管工作电压为1.75 kV。

图12 背景气体压强与离子丰度的关系
Fig.12 Relationship between signal intensity and background gas pressure

图13 电子倍增管电压与离子丰度的关系
Fig.13 Relationship between signal intensity and electron multiplier voltage

2.5 扫描速度与仪器性能

质量扫描速度是指单位时间内扫描的质量数，该参数影响仪器的灵敏度与分辨率。在不同扫描速度下对样品进行测试，结果示于图14。为对比不同扫描速度下的谱图变化，在纵向上对谱图进行了平移。实验结果表明，随着扫描速度的降低，谱峰总体呈向右偏移的趋势。这是因为当扫描速度减慢，同一种离子需要更长的时间才能达到所需的扫出电压。当扫描速度为16 000 u/s时，图中虚线框内可以明显分辨2个谱峰；而当扫描速度为3 200 u/s时，可以分辨4个谱峰。因此，减小扫描速度可以提高仪器的分辨率。此外，对比不同扫描速度下的谱图变化，可以发现，随着扫描速度的降低，离子信号强度逐渐降低。权衡灵敏度与分辨率，设定质量扫描速度为4 000 u/s。

图14 扫描速度与谱峰的关系
Fig.14 Relationship between the mass scan rate and peaks

2.6 样品测试

对自制的CIT质谱仪进行参数优化，得到的最优化仪器操作参数列于表1。使用该参数测定水杨酸甲酯(纯度≥98.0%，国药集团化学试剂有限公司产品)，谱图示于图15a，为方便对比，水杨酸甲酯的NIST标准谱图示于图15b。经对比分析，发现本实验所得的谱峰位置准确，分辨率约为300。

表1 自制的CIT质谱仪的参数优化结果
Table 1 Optimization results of the custom CIT mass spectrometer

注：a.本实验质谱仪获取的谱图；b.NIST 标准谱图
图15 水杨酸甲酯的谱图
Fig.15 Mass spectra of methyl salicylate

3 结论

本研究基于CIT工作原理，自行设计并加工了CIT质量分析器，完成了离子源、电学系统、信号检测与数据处理系统和真空系统的设计和组合，优化了灯丝电流、推斥极电压、背景气体压强、电子倍增管电压、质量扫描速度等工作参数。使用该质谱仪对水杨酸甲酯进行测试，获得了准确的有机物谱图信息，其分辨率约为300，性能较好。本工作可为研究频谱仪操作模式和性能优化提供平台基础，下一步工作将使用共振出射方式进行质量扫描，以进一步提高仪器性能，并在此基础上研究低真空度下质谱仪的质量分析方法。