柵網(wǎng)電極離子阱質量分析器的結構與性能

摘要：報道了一種結構非常簡單的新型線型離子阱質量分析器，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”的結構為：首先在矩形電極上加工一個“口”字型的通孔，然后再用導電的柵網(wǎng)覆蓋住“口”字表面構成。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)電極構成離子阱質量分析器具有以下優(yōu)勢：（1）結構非常簡單。它可以極大地減小離子阱質量分析器對組成離子阱電極的機械加工精度要求，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，使離子阱質譜的生產(chǎn)工藝和使用維護更加簡化；（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部的電場分布，提高離子阱質量分析器的質譜性能；（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，提高質譜儀的分析靈敏度。初步的實驗結果表明，用本工作給出的用柵網(wǎng)電極組成的離子阱質量分析器，當柵網(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的質量分辨率和300 Thomson以上的質量掃描范圍。

關鍵詞：離子阱質量分析器； 柵網(wǎng)電極； 質量分辨率； 靈敏度

1引言

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

離子阱質譜是應用廣泛的質譜儀器之一，具有結構簡單，體積小的特點，同時具備離子存儲，離子質量分析以及串級質譜分析功能。根據(jù)構成離子阱質譜電極形狀的不同，離子阱質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，高機械加工難度也限制了離子阱質譜的廣泛應用。

離子阱質譜的研究和開發(fā)是近幾十年來質譜領域備受關注的方向之一。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造離子阱質量分析器一直是近年來質譜研究追求的目標之一。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。基于這幾種離子阱的商業(yè)儀器也不斷被各個領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、空間電荷效應小、結構簡單、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。在小型便攜質譜儀[8]、氣相色譜離子阱質譜聯(lián)用儀[16]和手提便攜式質譜儀[17]等儀器研究工作中得到了廣泛應用，為矩形離子阱技術提供了廣闊的發(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，一個離子阱質譜的分析性能主要是由離子阱內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構[18～20]。前人的研究結果表明，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，即引起阱內的電場畸變。這種電場畸變往往會顯著影響離子阱的質譜性能，如質量分辨能力等。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，但會導致離子阱質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%的導電柵網(wǎng)覆蓋。本研究采用這些包含柵網(wǎng)電極構造的離子阱被稱之為“柵網(wǎng)電極離子阱”。結果表明，由柵網(wǎng)電極組成的線型離子阱質量分析器，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的質量分辨率和300 Thomson以上的質量掃描范圍。表明這種簡單構造的離子阱同樣具有良好的離子存儲，質量分析和高靈敏度等功能。具有很好的應用前景。通過這種柵網(wǎng)電極構造的離子阱質量分析器已有專利報道[28]。

3結果與討論

3.1質量分析過程及時序控制

本實驗研究中的柵網(wǎng)離子阱質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，進入采樣板、取樣錐、四極導引桿、透鏡板之后，到達離子阱質量分析器進入質量分析需要經(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入。離子在直流電場的作用下由徑向方向進入離子阱中，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。在質量分析階段，對加載在離子阱上的射頻信號幅度進行線性掃描，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，不同質荷比的離子依次從離子阱柵網(wǎng)中穿過，達到離子檢測器，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，離子阱內的徑向交流束縛電場消失，清空殘存在阱內的離子，避免對下一次分析造成干擾。

3.2質量分辨率

4結論

本研究表明，可以用“柵網(wǎng)電極”構建更簡單的離子阱質量分析儀。與已有的離子阱質量分析儀相比，這種“柵網(wǎng)電極離子阱”離子阱具有以下明顯優(yōu)勢：（1）結構非常簡單。它可以極大地增大離子阱質量分析器離子引出槽的尺寸，便于實現(xiàn)高精度加工，使離子阱質譜的生產(chǎn)工藝和使用維護更加簡化；（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，并改善離子阱內部的電場分布，它有利于提高離子阱質量分析器的質譜性能；（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，提高質譜儀的分析靈敏度。

進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構，如離子引出孔的大小、形狀變化對質譜性能的影響；柵網(wǎng)電極選擇，組裝以及加工精度，空間位置設置等對質量分辨的影響等。我們還將進一步研究離子阱中的質量歧視效應、離子存儲和引出效率、空間電荷效應以及MSMS等問題，以獲得更高性能的柵網(wǎng)電極離子阱。