碰撞氣體的種類和壓力對離子阱質(zhì)譜性能的影響

徐福興??黨乾坤 丁航宇 黃正旭 汪源源 周振 丁傳凡

摘要基于數(shù)字離子阱技術，研究了離子阱質(zhì)譜分析實驗過程使用的碰撞氣體種類及壓力對離子阱質(zhì)譜性能，如質(zhì)量分辨能力、信號強度、串級質(zhì)譜分析，以及低質(zhì)量截止效應等的影響。實驗過程中，在離子的激發(fā)和碰撞誘導解離階段，分別采用質(zhì)量數(shù)不等的氦氣（質(zhì)量數(shù)=4amu）、氮氣（質(zhì)量數(shù)=28amu）、氬氣（質(zhì)量數(shù)=40amu）等作為碰撞氣體，以及不同的氣體壓力，研究了它們對質(zhì)譜性能的影響。結果表明，當采用質(zhì)量數(shù)較大的氬氣作為碰撞氣體時，可以有效改善低質(zhì)量數(shù)截止效應和提高離子碰撞過程中的能量轉移效率，同時提高離子捕獲和解離效率，但是質(zhì)量分辨率會明顯降低。在獲得較高質(zhì)量分辨率方面，氦氣作為碰撞氣體時效果最好。在氣壓相同的情況下，質(zhì)量數(shù)大的碰撞氣體有利于提高串級質(zhì)譜分析效率，即獲得更多碎片離子峰和更多有關母體離子結構的信息。

關鍵詞離子阱；碰撞氣體；氣壓；碰撞誘導解離；低質(zhì)量截止值

1引言

質(zhì)譜分析儀器是目前分析測試領域中最重要的科學儀器之一，廣泛應用于現(xiàn)代科學研究、食品安全、環(huán)境保護、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等領域，成為社會發(fā)展和科技活動中不可缺少的科學工具[1～4]。

離子阱質(zhì)譜儀是一種近年來被廣泛應用的質(zhì)譜儀。它除了具有其它質(zhì)譜儀所共有的快速分析、高靈敏度、高質(zhì)量分辨能力外，還具有結構簡、體積小、使用方便等優(yōu)點[5～7]。特別是離子阱質(zhì)譜所具有的離子存儲和串級質(zhì)譜分析功能，是其它質(zhì)譜儀器無法實現(xiàn)的，它使得研究者可以在一種單一的質(zhì)譜儀上同時實現(xiàn)質(zhì)量分析和串級質(zhì)譜分析，可同時獲得有關樣品組成和分子結構的多重信息[8～10]。

在離子阱質(zhì)譜分析過程中，碰撞氣體是實驗過程中的重要組成部分[11～13]。它的主要作用包括兩個方面：第一，當離子由離子源引入離子阱中時，常具有較大的動能，如幾十或上百電子伏特的動能，這些高能量的離子必須與碰撞氣體分子發(fā)生碰撞，實現(xiàn)離子動能的碰撞轉移，即所謂的碰撞冷卻（Collisioncooling），才能降低離子的動能，從而被離子阱內(nèi)的射頻電場束縛在離子阱的中心，提高分析儀器的靈敏度和質(zhì)量分辨能力；第二，在串級質(zhì)譜分析過程中，被電場加速的高能離子必須與碰撞氣體分子發(fā)生碰撞，才可以將離子的動能轉化成離子的內(nèi)部能量，如電子、振動或轉動能量，即獲得具有較高內(nèi)能的離子。高內(nèi)能的離子將進一步發(fā)生化學鍵斷裂生成碎片離子，整個過程被稱為“碰撞誘導解離”（Collisioninduceddissociation，CID）[14～16]。因此，離子的內(nèi)部能量是離子發(fā)生解離的必要條件。

理論上，離子與碰撞氣體分子的一個單次碰撞中可以轉換到離子的內(nèi)部能量的最大值，可通過以下公式（1）計算：

ECom=ELab〖JB（（〖SX（Mn〖Mp+Mn〖SX）〖JB））〖FH（1）

其中，ECom表示質(zhì)心坐標系中的動能，Mn表示碰撞氣體分子或原子的質(zhì)量，Mp表示離子的質(zhì)量，ELab表示離子實驗室坐標系中的動能。

目前，在離子阱質(zhì)譜儀器中，最常用的碰撞氣體是質(zhì)量數(shù)為4的氦氣。實驗結果表明，一定壓力的氦氣對各種樣品離子具有顯著的碰撞冷卻效果，可獲得較好的質(zhì)譜分辨率和靈敏度[17～19]。但是通過公式（1）可知，當Mn增加，Ecom也會增大，可以使更多的離子動能通過碰撞轉換成內(nèi)能，即通過使用質(zhì)量數(shù)較大的中性氣體作為碰撞氣體，提高離子碰撞冷卻效果，增加碰撞能量轉移。因此，在離子阱質(zhì)譜儀器中，采用其它中性氣體作為碰撞氣體是否會改善質(zhì)譜性能，是離子阱質(zhì)譜研究關注的焦點之一。

目前，在離子阱質(zhì)譜中，常用的緩沖氣體是氦氣。實驗結果表明，氦氣可以很好地冷卻離子，提高離子阱的離子束縛能力，有助于提高儀器的靈敏度和質(zhì)量分辨率[17～19]。但由公式（1）可知，因為氦氣的質(zhì)量數(shù)為4amu，則Ecom較小，一些研究者曾采用更大的中性氣體作為碰撞氣體，如氬氣、氙氣、甲烷等[17，20～22]；也有一些研究者采用混合氣體作為碰撞氣體，將質(zhì)量更重的氣體與氦氣按照1%50%的比例混合，但是這種混合氣體在某種程度上會降低儀器的靈敏度[22～26]。在早期研究報告中，還有研究者采用氬氣作為碰撞氣體，但在高氣壓情況下，未檢測到離子信號[22]。

本研究基于數(shù)字離子阱技術，進一步研究了碰撞氣體種類和壓力對離子質(zhì)譜性能的影響。研究過程中，在離子的激發(fā)和碰撞誘導解離階段分別采用不同質(zhì)量數(shù)的中性碰撞氣體，如氦氣、氮氣、氬氣等，以及不同的氣體壓力，觀測它們對離子阱質(zhì)譜性能的影響。結果表明，當采用質(zhì)量數(shù)較大的氬氣作為碰撞氣體時，可以有效改善低質(zhì)量數(shù)截止效

應，提高離子碰撞過程中的能量轉移效率，同時提高離子捕獲和解離效率，但是質(zhì)量分辨能力會明顯降低。在獲得較高質(zhì)量分辨率方面，氦氣的效果最好；在相同氣體壓力情況下，質(zhì)量數(shù)大的碰撞氣體有利于提高串級質(zhì)譜分析效率，即可以獲得更多的碎片離子，因此可以獲得更多有關母體離子結構的信息。

2實驗部分

2.1試劑

利血平（Reserpine，m/z609，上海阿拉丁試劑有限公司）；亮氨酸腦啡肽（LeuEnk）TyrGlyGlyPheLeu（YGGFL，m/z556，吉爾生化上海有限公司），在本實驗過程中，溶劑采用甲醇水（50〖KG-3∶〖KG-550，V/V，其中含有0.05%醋酸），配制成1×10

5mol/L的溶液。

2.2儀器結構

質(zhì)譜系統(tǒng)：自主加工的電噴霧離子源離子阱質(zhì)譜儀系統(tǒng)[27～29]。整個質(zhì)譜儀真空系統(tǒng)主要由三級差分抽氣真空組成，第一級差分真空選用機械泵（抽速8L/s）抽氣，真空度可達到66.66Pa。在第二級差分真空和第三級真空均使用機械泵（抽速8L/S）和渦輪分子泵（600L/s）組合抽氣，選用CPG600真空測量儀（日本Tamagawa公司）測量儀器真空度，離子阱質(zhì)量分析器所在的第三級真空可達到1.33×10

3Pa，在實驗過程中，在離子阱質(zhì)量分析器內(nèi)通入中性氣體作為碰撞氣體，對離子進行碰撞冷卻，或碰撞激發(fā)。根據(jù)不同的實驗需求，通入氦氣氣體后的第三級真空在2.66×10

3～8.65×10

3Pa范圍，由于常用的真空計對不同氣體的反應不同，在進行氣體壓力的實驗中，每次在通入不同的碰撞氣體前，先對真空進行重新校準，然后通入相應的碰撞氣體，使得每種碰撞氣體氣壓在實驗中保持一致。

離子阱質(zhì)量分析器：采用氧化鋯陶瓷，表面鍍金加工制作的矩形離子阱[27]。

電路系統(tǒng)：采用數(shù)字方波驅(qū)動離子阱工作模式[30～32]，主要由數(shù)字方波測控系統(tǒng)、共振激發(fā)模塊、射頻方波放大電路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、多路直流放大電路系統(tǒng)組成。

3結果與討論

3.1碰撞誘導解離效率

本研究基于數(shù)字離子阱技術，在碰撞解離過程中，采用改變方波頻率的方式實現(xiàn)離子解離[30]，選用腦啡肽離子（m/z556）作為碰撞解離的測試樣品，在離子解離階段，碰撞解離時間為20ms，數(shù)字束縛電壓為200V0p，激發(fā)電壓為1.5V0p，分別選用氦氣、氮氣、氬氣作為碰撞氣體，實驗中，通入碰撞氣體后的氣壓均為2.66×10

3Pa，對其腦啡肽母離子進行碰撞，氦氣、氮氣、氬氣分別在射頻頻率566.5，564.33和563.38kHz下獲得最高解離效率，其解離效率分別為76.6%，81.2%和85.4%。實驗所獲得的質(zhì)譜圖如圖1所示，不同的質(zhì)量數(shù)的碰撞氣體，在同一氣壓下，由于受其碰撞解離的能量影響，得到的碎片離子峰強度不同。從圖1可見，當分別使用氦氣、氮氣、氬氣作為碰撞氣體時，氬氣所得到的碰撞解離效率最高，但譜峰的質(zhì)量分辨最低；其次是氮氣；氦氣作為緩沖氣體得到的質(zhì)量分辨為最高。

3.2碰撞能量轉移效率

對于串級質(zhì)譜分析，除了母體離子解離效率之外，解離的碎片離子類型也很重要，而碎片離子類型的形成由母體離子內(nèi)部能量決定[21，23]。一般通過腦啡肽碎片離子中a4（m/z397）和b4（m/z425）碎片離子的強度比值研究能量轉移過程。在前人研究工作中，已通過四極質(zhì)譜證明a4/b4比值可以用于驗證腦啡肽在CID過程中的能量轉移[33～36]。由于形成a4離子需要更多的內(nèi)能[21，23，34]，因此，a4、b4離子強度比值越大，表明在母體離子解離時具有較大的內(nèi)部能量，反之亦然。在CID過程中，碰撞氣體的氣壓、質(zhì)量數(shù)及碰撞速率會影響母體離子的解離，在研究中，采用不同的碰撞氣體及不同氣壓下對腦啡肽離子進行碰撞解離，通過測量a4/b4比值來觀察這些因素對腦啡肽母體離子的內(nèi)能轉移。在同一氣壓（3.99×10

3Pa）下，a4/b4離子強度比值隨頻率變化的結果如圖2所示，隨著頻率增加，離子強度比值增大，達到最大值后，再緩慢降低，其中氬氣、氮氣、氦氣的射頻工作電壓頻率分別為564.97，565.57和568.18kHz時，得到的a4/b4比值最大，說明在相同氣體壓力下，碰撞氣體的質(zhì)量數(shù)在CID過程中對母體離子的內(nèi)能以及解離時的頻率有影響，碰撞氣體越重，形成的母體離子內(nèi)能越大，解離時射頻電壓頻率越低。

在不同氣壓下，a4/b4離子強度比值測量結果如圖3所示。可以看出，當采用氦氣作為碰撞氣體時，隨著氣體壓力的增加，其a4/b4比值越來越小，這是因為在解離過程中，要同時考慮到離子碰撞冷卻和解離速率時，

這兩個因素會影響到a4/b4離子強度比值[17，37]，在低氣壓下，由于氦氣質(zhì)量低且是單原子，比氬氣和氮氣的碰撞冷卻速率常數(shù)要慢。因此在解離中，離子與氦氣碰撞產(chǎn)生更多的a4離子。而〖CM（44氮氣和氬氣隨著氣壓增加到3.99×10

3Pa時，a4/b4比值達到最大值，由于在較高的碰撞氣體壓力下，〖CM）

離子間將發(fā)生更多的碰撞。因此，在離子解離過程中，母離子的內(nèi)部能量可以提高到更高水平。綜上可知，質(zhì)量數(shù)大的氬氣和氮氣顯然比氦氣具有更有效的碰撞能量轉移，使得母體離子有更大的內(nèi)部能量沉積，即具有更高的Ecom值。但隨著氣壓的繼續(xù)增加，a4/b4比值會減小，這是由于氣體壓力的進一步升高，分子離子間的碰撞頻率不斷提高。根據(jù)前面的論述，碰撞氣體的作用包括兩個方面，即它既可以使高能量的離子發(fā)生碰撞冷卻，也可以經(jīng)碰撞將離子動能轉化成離子的內(nèi)能。這兩個截然相反的過程在碰撞過程中相互競爭。當碰撞冷卻效應為主時，即離子在碰撞過程中損失的動能大于轉換成離子的內(nèi)能時，離子會越來越“冷”。反之，若離子的內(nèi)能升高速度大于能量損失速度，則離子會變得越來越“熱”，最終解離成碎片離子。這兩個相互競爭的過程與單位時間內(nèi)的碰撞次數(shù)有關，當離子的碰撞頻率逐漸升高時，能量轉換效率也逐漸升高，此時離子的內(nèi)能會不斷升高。但如果離子碰撞頻率太高，則碰撞冷卻的速度大于內(nèi)能升高的速度，此時離子在碰撞過程中所能達到的最大能量反而降低，因此使得反映母體離子內(nèi)能的a4/b4比值減小。

3.3低質(zhì)量截止效應的改善

圖4為不同碰撞氣體在碰撞解離過程中對低質(zhì)量數(shù)截止（Lowmasscutoff）的影響圖。氣體氣壓為3.99×10

3Pa時，解離時間為2ms。在本實驗中，隔離后的母體離子通過改變激發(fā)電壓頻率方法實現(xiàn)碰撞解離[30]。圖4A是氦氣作為緩沖氣體和碰撞氣體，得到腦啡肽（YGGFL）的碎片離子最低質(zhì)量數(shù)為m/z323，其它低質(zhì)荷比的離子基本上看不到，圖4B和4C的碰撞氣體分別是氮氣氬氣，得到腦啡肽（YGGFL）最小碎片離子峰m/z=120。可能是增加碰撞氣體的質(zhì)量可以提高離子在碰撞過程中獲得的總能量，有助于母離子在解離過程中獲取更大內(nèi)能。在解離過程中，母離子碎片產(chǎn)物在解離階段不再與共振信號發(fā)生共振時，產(chǎn)物離子動能在沒有完全轉移之前可能會與碰撞氣體再次發(fā)生碰撞解離[20，21]，雖然在解離后，Elab的減少而導致Ecom降低，但在碎片離子中，這種能量的碰撞，足夠?qū)?nèi)部能量傳遞給產(chǎn)物離子導致進一步解離，得到更多的低質(zhì)量數(shù)碎片離子。

圖5為利血平與氮氣和氬氣碰撞解離的質(zhì)譜圖，實驗條件及解離方法與上述實驗參數(shù)一致，從圖5可見，碰撞解離后得到最低質(zhì)量數(shù)m/z=174碎片子離子峰，在早期報道的矩形離子阱在氦氣條件下發(fā)生碰撞解離獲取的碎片離子峰只能檢測到m/z=365[27，29，38]，用氮氣和氬氣作為碰撞氣體后，獲取了更多的低質(zhì)量數(shù)離子，豐富了母體離子分析信息。

4總結

本研究考察了氦氣、氮氣和氬氣作為緩沖氣體對離子阱質(zhì)譜性能的影響。結果表明，在同一氣壓下，當使用氬氣時，質(zhì)譜分析靈敏度和CID效率比氦氣和氮氣高，但質(zhì)量分辨率明顯降低。因此，使用氬氣有利于樣品離子捕獲和串級質(zhì)譜分析過程，但對質(zhì)量分析不利。此外也可以使用氮氣作為緩沖氣體。使用氮氣得到的靈敏度和CID效率略高于氮氣，雖然分辨率也降低，但仍高于氬氣。

在碰撞解離期間，不同緩沖氣體產(chǎn)生不同的碰撞冷卻速率。較重的緩沖氣體比氦氣所冷卻的激發(fā)產(chǎn)物離子更快，離子碰撞冷卻中獲取更大的動能轉換為離子的內(nèi)部能量。因此，在母離子的共振激發(fā)期間可以獲取較高的內(nèi)部能量實現(xiàn)解離。同時，在這些碎片離子形成后，在碰撞冷卻期間，可進一步與碰撞氣體發(fā)生碰撞，產(chǎn)物碎片離子的內(nèi)部能量繼續(xù)增加，使得產(chǎn)物離子得到進一步碰撞解離，得到更多的低質(zhì)量數(shù)碎片離子信息，可以提高碰撞解離效率和低質(zhì)量數(shù)檢測，有利于在生物大分子分析中獲取更多的結構信息。

References

1AgrawalGK，SarkarA，RighettiPG，PedreschiR，CarpentierS，WangT，BarklaBJ，KohliA，NdimbaBK，BykovaNV，RampitschC，ZollaL，RafudeenMS，CramerR，BindschedlerLV，TsakirpaloglouN，NdimbaRJ，F(xiàn)arrantJM，RenautJ，JobD，KikuchiS，RakwalR.MassSpectrom.Rev.，2013，32（5）：335-365

2WangJ.MassSpectrom.Revi.，2009，28（1）：50-92

3WangYZ，ZhangXH，ZhaiYB，JiangY，F(xiàn)angX，ZhouMF，DengYL，XuW.Anal.Chem.，2014，86（20）：10164-10170

4LiAL，HansenBJ，PowellAT，HawkinsAR，AustinDE.RapidCommun.MassSpectrom.，2014，28（12）：1338-1344

5RobinsonCV，SaliA，BaumeisterW.Nature，2007，450（7172）：973-982

6WuQU，LiAL，TianY，ZareRN，AustinDE.Anal.Chem.，2016，88（15）：7800-7806

7LiLF，ChenTC，RenY，HendricksPI，CooksRG，OuyangZ.Anal.Chem.，2014，86（6）：2909-2916

8DouglasDJ，KonenkovNV.RapidCommun.MassSpectrom.，2014，28（21）：2252-2258

9HopfgartnerG，HusserC，ZellM.J.MassSpectrom.，2003，38（2）：138-150

10DonohoeGC，MalekiH，ArndtJR，KhakinejadM，YiJH，McBrideC，NurkiewiczTR，ValentineSJ.Anal.Chem.，2014，86（16）：8121-8128

11NeuhauserW，HohenstattM，ToschekPE，DehmeltHG.Appl.Phys.，1978，17（2）：123-129

12FulfordJE，HoaDN，HughesRJ，MarchRE，BonnerRF，WongGJ.J.Vac.Sci.Technol.，1980，17（4）：829-835

13StaffordGC，KelleyPE，SykaJEP，ReynoldsWE，ToddJF.J.Int.J.MassSpectrom.IonProcesses.，1984，60（9）：85-98

14MuLuckeySA.J.Am.Soc.MassSpectrom.，1992，3（6）：599-614

15ShuklaAK，F(xiàn)utrellJH.J.MassSpectrom.，2000，35（9）：1069-1090

16LourisJN，CooksRG，SykaJEP，KelleyPE，StaffordGC，ToddJFJ.Anal.Chem.，1987，59（13）：1677-1685

17DanellRM，DanellAS，GlishGL.J.Am.Soc.MassSpectrom.，2003，14（10）：1099-1199

18SchuesslerHA，OCS.NuclearInstrumentsMethodsPhys.Res.，1981，186（12）：219-230

19WuHF，BrodbeltJS.Int.J.MassSpectrom.IonProcesses，1992，115（1）：67-81

20VachetRW，GlishGL.J.Am.Soc.MassSpectrom.，1996，7（12）：1194-1202

21DoroshenkoVM，CotterRJ.Anal.Chem.，1996，68（3）：463-472

22McLuckeySA，GlishGL，AsanoKG.Anal.Chim.Acta，1989，225（1）：25-35

23VachetRW，GlishGL.J.Am.Soc.MassSpectrom.，1996，7（12）：1194-1202

24MorandKL，CoxKA，CooksRG.RapidCommun.MassSpectrom.，1992，6（8）：520-523

25NourseBD，CoxKA，MorandKL，CooksRG.J.Am.Chem.Soc.，1992，114（6）：2010-2016

26CharlesMJ，McLuckeySA，GlishGL.J.Am.Soc.MassSpectrom.，1994，5（12）：1031-1041

27WangL，XuFX，DingCF.RapidCommun.MassSpectrom.，2012，26（17）：2068-2074

28XUFuXing，WANGLiang，WANGYuanYuan，DINGChuanFan.ChineseJ.Anal.Chem.，2013，41（5）：781-786

徐福興，王亮，汪源源，丁傳凡.分析化學，2013，41（5）：781-786

29WangL，XuFX，DaiXH，F(xiàn)angX，DingCF.J.Am.Soc.MassSpectrom.，2014，25（4）：547-555

30XuFX，WangL，DaiXH，F(xiàn)angX，DingCF.J.Am.Soc.MassSpectrom.，2014，25（4）：556-562

31XUFuXing，DINGLi，DAIXinHua，F(xiàn)ANGXiang，DINGChuanFan.ChineseJ.AnalChem.，2014，42（6）：918-923

徐福興，丁力，戴新華，方向，丁傳凡.分析化學，2014，42（6）：918-923

32DingL，SudakovM，BranciaFL，GilesR，KumashiroS.J.MassSpectrom.，2004，39（5）：471-484

33ThibaultP，AlexanderAJ，BoydRK，TomerKB.J.Am.Soc.MassSpectrom.，1993，4（11）：845-854

34VachetRW，RayKL，GlishGL.J.Am.Soc.MassSpectrom.，1998，9（4）：341-344

35AsanoKG，ButcherDJ，GoeringerDE，McLuckeySA.J.MassSpectrom.，1999，34（6）：691-698

36AsanoKG，GoeringerDE，ButcherDJ，McLuckeySA.Int.J.Mass.Spectrom.，1999，191：281-293

37BlackDM，PayneAH，GlishGL.J.Am.Soc.MassSpectrom.，2006，17（7）：932-938

38SongQY，KothariS，SenkoMA，SchwartzJC，AmyJW，StaffordGC，CooksRG，OuyangZ.Anal.Chem.，2006，78（3）：718-725

AbstractIontrapperformancesareinvestigatedbasedondigitaliontraptechniquewithdifferentcollisiongasesatdifferentpressures.Collisiongasesofhelium（4amu），nitrogen（28amu）andargon（40amu）withvariouspressuresareadoptedinionexcitationanddissociationstagestoinvestigatetheiontrapperformances，includingmassresolution，signalintensity，tandemmassspectrometricanalysisabilityandlowmasscutoff（LMCO）effect.Itisfoundthatwhenheavygasofargonisused，energycanbeefficientlytransferredandLMCOeffectisdecreasedwithhigherioncaptureanddissociationefficienciesbutwithlowmassresolution.Highermassresolutionisrealizedwithheliumascollisiongas.Furthermore，atthesamegaspressure，heavygasisbeneficialtoabundantfragmentionsandstructuralinformationofprecursorion.

KeywordsIontrap；Collisiongas；Pressure；Collisioninduceddissociation；Lowmasscutoffeffect

（Received11November2016；accepted12January2017）

ThisworkwassupportedbytheNationalMinistryofScienceandTechnologyofChina（No.2011YQ14015006）