用于小分子物質的轉彎型無損離子操縱結構的研究

關鍵詞 無損離子操縱結構；行波結構；離子遷移譜；小分子

離子遷移譜技術（Ion mobility spectrometry， IMS）是指在電場和支持氣體環境中，根據物質群（定義為氣態離子團）的速度表征物質的技術，是復雜化學分析中強大的分離手段[1-3]。離子遷移譜的性能受多種因素影響，其中遷移管尤為重要[4-5]。為了提高離子遷移譜的分辨率，可以加長遷移管的長度或者提高電場強度，但傳統遷移管受其結構與成本的限制，這些改進都將帶來較大的挑戰。為增加離子遷移路徑以及傳輸效率， Webb 等[6-7]于2014 年提出了無損離子操縱結構（Structures for lossless ion manipulations，SLIM）。根據驅動電場的不同， SLIM 分為直流（Direct current， DC）電場驅動的DC-SLIM[6，8]以及行波（Travelling wave， TW）驅動的TW-SLIM[7，9-10]。其中， DC-SLIM 的直流驅動電壓隨著SLIM 長度的增加而升高，限制了遷移長度的進一步增加；TW-SLIM 的驅動電壓為行波，增加SLIM 的長度并不需要提高行波的電壓強度，并且射頻電極與行波電極方向平行地間隔分布，保證了射頻/行波隔離，具有簡單且高效的離子束縛性，應用價值更高。

目前，行波無損離子操縱結構的研究多集中在與質譜聯用方面，通過開關、轉彎[11]和多層離子電梯結構[12-14]實現離子多通道傳輸[15-17]，有效延長離子遷移路徑。通過不同的結構及功能設計，能夠對大分子物質進行高效捕獲、積累及釋放，并通過無損傳輸實現超高分辨率分析。現有研究主要聚焦于蛋白質等大分子的同分異構體的分離和檢測[18-25]，對相對分子質量低于200 amu 的小分子物質關注較少，未見對其在TW-SLIM 中的傳輸性能進行探究的報道。

TW-SLIM 的優勢之一是其長度在理論上可以無限增加， 90°轉彎結構的設計能夠使SLIM 遷移長度在二維平面上有效擴展，實現超長遷移路徑，對提高遷移譜分辨率具有重要意義。本研究通過仿真及實驗首次探究了小分子物質在TW-SLIM 轉彎結構中的傳輸性能。通過COMSOL 軟件平臺進行仿真，分析小分子物質在TW-SLIM 中的傳輸條件，并在實驗室自制的TW-SLIM 遷移譜平臺上進行實驗驗證。探究了不同束縛電場因素對小分子物質在TW-SLIM 轉彎結構中傳輸效率的影響，獲得了無損傳輸的最優值范圍。本研究為基于TW-SLIM 的遷移譜儀檢測毒品和爆炸物的研究提供了參考。

1 實驗部分

1.1 TW-SLIM仿真實驗

采用COMSOL Multiphysic軟件對TW-SLIM中的電場分布及帶電粒子運動軌跡進行仿真，探究小分子物質無損傳輸的電壓條件。COMSOL是一款多物理場仿真軟件，利用有限元法求解偏微分方程（組），實現真實物理現象仿真。相比于其它粒子軌跡仿真軟件（如Axsim、SIMION和ISIS）， COMSOL 的操作界面更加簡潔，對簡單結構的計算精度較高[26]。因此，本研究選擇COMSOL 軟件進行仿真。

圖1A所示為由兩組平行電極板組成的90°轉彎TW-LIM 的三維仿真模型。每組電極板的電極分布如圖1B所示，包含位于中間的平行的6 組射頻電極和5 組行波電極，以及位于兩側的2 組保護（Guard）電極，各電極尺寸參數詳見表1。由于仿真軟件限制，為減少仿真時間及所需存儲空間，設置總遷移長度為32 mm。

在TW-SLIM 上施加的電壓包括驅動離子運動的行波電壓、束縛離子的射頻電壓和直流偏置電壓，直流偏置電壓施加在兩側保護電極上，形成從兩側到中心的電場，避免離子運動到兩側；射頻電場將離子束縛在上下極板之間，避免其打到上下極板而造成損失。

仿真使用相對分子質量為124amu的正離子，設置總釋放數為100，記錄傳輸至終點處的粒子數量，傳輸效率為終點處粒子數與總釋放數的比值。行波電壓設置為18V，頻率為10 kHz，分別探究保護電場、射頻電場對小分子離子傳輸效率的影響。當射頻電壓信號頻率為1.0 MHz、峰-峰值為320V時，TW-SLIM 傳輸效率隨保護電極電壓值（U_Guard）的變化情況見圖2A。結果表明，隨著U_Guard值增加，離子傳輸效率先增大后減小，當U_Guard=6V時，傳輸效率最大。設置U_Guard=6V，測試射頻電壓幅值及峰-峰值對離子傳輸效率的影響，如圖2B 與2C 所示，離子傳輸效率隨著射頻電壓峰-峰值和頻率的增加而增大，當射頻電壓峰-峰值為440 V、頻率為1.5 MHz時，傳輸效率達到100%。

根據以上的仿真結果配置電壓參數，設置行波電壓為18 V，頻率為10 kHz；設置保護電極電壓幅值為6V，射頻電壓峰-峰值設置為440 V，頻率設置為1.5 MHz。分別探究相對分子質量為75、100、150、175和200amu 的粒子在轉彎TW-SLIM中的離子傳輸效率。仿真結果如圖2D 所示，以上不同離子均能在TW-SLIM 中達到100%的傳輸效率，離子運動軌跡仿真如圖3 所示。結果表明，相對分子質量在200 amu以內的小分子物質可以在TW-SLIM轉彎結構中實現無損傳輸。

1.2 儀器測試平臺及試劑

實驗裝置主要包括電暈針電離源、毛細管、連續進樣裝置、離子漏斗、TW-SLIM 漂移管和法拉第杯。本平臺采用連續進樣系統，通過對待測樣品加熱蒸發后，并利用氣泵抽出。進樣產生裝置（圖4）主要包括樣品氣體的產生裝置和電暈針電離源（實驗室自制）2個部分，其中，樣品氣體的產生裝置包括氣體存儲腔體、氣泵、分子篩和存儲樣品的滲透管。通過加熱裝有樣品的滲透管使樣品揮發，在氣泵的帶動下，隨著氣流進入氣體存儲腔體。

在氣體存儲腔中，樣品被電離，然后通過不銹鋼毛細管進入真空腔體，在自制的離子漏斗處聚焦，再進入TW-SLIM 漂移管區，真空腔實驗裝置如圖5A 所示。TW-SLIM 漂移管采用印刷電路板制成（圖5B），離子路徑為90°轉彎型，總遷移長度170 mm，電極尺寸及分布與仿真條件一致。射頻電極、行波電極的電壓信號分別由實驗室自制射頻電源和行波脈沖電源提供。離子流經漂移管后，電流信號通過出口處自制的法拉第杯接收，經電流放大器將微弱電流信號轉化為電壓信號并進行放大后，采用普源示波器（MSO5204）采集波形數據。

為了便于測試，樣品采用易揮發的甲基膦酸二甲酯溶液（DMMP，分析純，麥克林生化科技有限公司），分子式為C₃H₉O₃P，相對分子質量為124 amu。TW-SLIM測試時的主要工作參數見表2。

2 結果與討論

2.1 保護電極電壓對離子傳輸效率的影響

實驗中，法拉第杯連接微流放大器的放大倍數為10⁸倍，測量離子漏斗后即TW-SLIM漂移管前的總離子流為20 pA，傳輸效率為TW-SLIM 漂移管后的離子流與總離子流的比值。設置射頻電壓峰-峰值為200V、頻率為1.0MHz，考察了保護電極電壓幅值對離子傳輸效率的影響（圖6）。隨著保護電極電壓幅值增加，離子傳輸效率呈現先增大后減小的趨勢，最優值為V_Guard=5V，此時離子傳輸效率達到43%。

2.2 射頻電極電壓對離子傳輸效率的影響

將保護電極電壓設置為5 V，探究射頻電壓對離子傳輸效率的影響。將射頻電壓信號頻率設定為1.0 MHz，改變射頻電壓峰-峰值，觀察離子傳輸效率的變化。如圖7A 所示，隨著射頻電壓峰-峰值增加，離子傳輸效率逐漸增大。設置U_RFp-p為440V，考察離子傳輸效率隨射頻電壓信號頻率增加的變化趨勢。結果如圖7B 所示，隨著信號頻率增加，離子傳輸效率持續增大，當f_RF=1.5 MHz 時，離子傳輸效率達到最大（100%）。

將實驗結果與仿真結果進行對比，可見離子傳輸效率受保護電極電壓、射頻電壓頻率及峰-峰值的影響趨勢一致，但具體數值存在差異。這主要是由于仿真實驗的離子傳輸路徑較短（32 mm），環境條件理想，離子的運動軌跡相對簡單；實際實驗中的離子傳輸路徑長（170 mm），環境復雜，存在干擾因素，如電磁干擾、氣壓波動等。

仿真及實驗結果顯示，在TW-SLIM 轉彎結構中，小分子物質能夠實現無損傳輸。將本研究與以往TW-SLIM 的相關研究的部分參數進行比較，由表3 可見，本研究首次實現了相對分子質量小于200 amu的小分子物質在TW-SLIM 中的無損傳輸。與大分子物質傳輸的束縛電場條件相比，小分子物質傳輸時，保護電極實現有效傳輸所需的電壓值低（5～7 V）；RF 電極需要更高的電壓峰-峰值及頻率才能實現較好的束縛效果，當電壓峰-峰值達到440 V、頻率達到1.5 MHz 時，才能實現無損傳輸。

3 結論

針對小分子物質在TW-SLIM 傳輸性能研究較少的情況，采用COMSOL 軟件進行仿真，探究了保護電場和射頻電場對相對分子質量小于200 amu的小分子物質在TW-SLIM 轉彎結構中傳輸性能的影響，并在實驗平臺上進行了驗證。結果表明，當保護電極電壓幅值為5 V、射頻電極電壓峰-峰值為440 V、頻率為1.5 MHz 時，小分子物質的離子傳輸效率達到最高（100%），實現了無損傳輸。與大分子物質在TW-SLIM 中進行無損傳輸的條件相比，小分子物質對射頻束縛電場的要求更高，進一步提高了對射頻源的要求。本研究結果為TW-SLIM 轉彎結構中的小分子離子傳輸機制研究提供了重要參考，為在二維平面上增加離子遷移路徑奠定了實驗基礎，對用于毒品、爆炸物等物質的遷移譜儀器的研發具有重要意義。