利用直流偏置电压提高矩形离子阱质谱的灵敏度

党乾坤，杨 凯，王 强，滕恩江，王冠军，丁传凡

(1.复旦大学化学系激光化学研究所，上海 200433；2.中国环境监测总站，北京 100012)

利用直流偏置电压提高矩形离子阱质谱的灵敏度

党乾坤1，杨 凯2，王 强2，滕恩江2，王冠军1，丁传凡1

(1.复旦大学化学系激光化学研究所，上海 200433；2.中国环境监测总站，北京 100012)

线性离子阱质谱是近年来被广泛应用的一种性能优良的质谱仪。线性离子阱质量分析器通常是由四根柱状电极合围而成。由于四根电极的几何对称性，在线性离子阱中产生的电场在离子检测方向上也是高度对称的，也就是说，当离子从x方向被逐出离子阱时，将各有50%的离子从+x和-x方向被分别逐出。因此，如果只在线性离子阱的一侧安装离子探测器，则离子的检测效率只有50%。本工作以矩形线性离子阱为研究对象，通过在离子阱中离子逐出方向的一根电极上施加一定的直流偏置电压，利用此直流电压在离子阱中产生的直流电场，使离子阱中存储的离子偏离中心轴分布。这样，离子将在后续离子逐出电场的作用下，被非对称地逐出离子阱。如，可使多数离子从+x方向出射，少数离子从-x方向出射。此时，如果在+x方向安置离子探测器，将获得高于50%的离子探测效率。实验结果表明，直流偏置电压可以明显地提高离子检测效率，例如，在与检测器对侧电极施加正的直流偏置电压时，离子强度在一定电压范围内皆有显著提高。实验所测得的4种不同质荷比的离子提高比例分别是20%、38%、31%、44%。该方法的实验原理简单、实验技术方便易行，可以显著提高线性离子阱检测灵敏度，具有一定的实用价值和应用前景。

离子阱质谱；线性离子阱；直流偏置电压；灵敏度

质谱是一种非常重要的分析技术，广泛应用于航天、冶金、地质、法医、生命科学、环境污染、食品安全等领域。然而，由于体积重量大、能耗高、保养复杂，其进一步应用(如在线监测、实时分析)受到不同程度的限制。因此，小型化、便携式质谱的研制引起了广泛的兴趣[1-2]。矩形线性离子阱质量分析器由于结构简单、易加工、能耗小、工作气压高、具有在单一阱中就能实现串级质谱的功能等优势，在质谱仪小型化过程中扮演着重要的角色[3-5]。

灵敏度是离子阱质谱性能的一个重要指标。线性离子阱相比三维离子阱一个重要的优势是离子存储容量大[6-7]，这使质谱灵敏度有较大提高。由于线性离子阱，包括矩形离子阱中的射频电场和激发电场是关于轴向平面呈镜像对称分布的，所以进行质量扫描时，从离子逐出方向的一对电极上逐出的离子数各占一半。因此，如果离子阱质谱只使用一个离子检测器，则只能检测到50%的离子，另外50%的离子将损失掉。如果通过在两个离子逐出电极外都安置检测器的方法来提高离子检测效率，如Thermo-Fisher公司的LTQ质谱仪，会使电子系统、数据采集与处理系统复杂化，提高仪器成本。

在三维离子阱中，通过在某个电极上施加直流电压(DC)，可使束缚在阱中离子的运动状态发生改变，从而达到改善质谱性能或者实现某些功能的目的[8-19]。直流电压一般以3种方式施加在三维离子阱上：1)四极直流电压，即在三维离子阱的环电极上加直流电压。这种方式一般用于质量选择性离子隔离[8]。2)偶极直流电压，即在前端盖电极上加一正的直流电压，后端盖电极上加一负的直流电压，或者相反。3)单极直流电压，即在某一端盖电极上加一正或一负直流电压，另一端盖电极接地。以2)或3)方式施加的直流电压主要用于提高离子入射时的捕获效率[9]、串级质谱中阱中离子的提取[10-11]、离子的碰撞诱导解离(CID)[12-15]、直流断层扫描实验[16]等。Plass等[17]在研究三维离子阱中直流电压激发和直流断层扫描理论时，模拟发现加上偶极直流电压后离子在轴向的运动轨迹中心偏向直流电压为负的一侧端盖电极。这说明，通过加直流电压产生不对称电场，使离子偏向性的在某一个电极方向上逐出存在可能。Vaden等[18]报道了在三维离子阱质量分析阶段加上一偶极直流电压，促使离子单向逐出，使不同质荷比的离子强度提高13%到97%不等(大部分离子在45%左右)，直流电压是通过一个线圈与共振激发电压AC一起加到两个端盖电极上，并通过TTL电路对直流电压进行控制，在离子检测器一侧电极施加负的直流电压。Prentice等[19]报道了质量分析阶段在三维离子阱后端盖电极上加一负的直流电压使离子强度得以提高，激发电压AC以单极方式仅加在前端盖电极上，通过TTL电路对直流电压进行控制。

到目前为止，前人研究工作均未涉及到线性离子阱，包括如何在矩形离子阱中提高离子单向逐出效率。由于三维离子阱离子弹出电极上不施加射频信号，耦合一可控的直流脉冲信号非常简单。而线性离子阱在质量分析阶段施加偶极或单极直流偏置电压，离子逐出方向的两个电极上的RF信号将不仅需要耦合共振激发AC信号，还需要耦合一个可控的直流脉冲信号，如是偶极直流该脉冲信号在两个电极上的相位则需相反。这样的实验电路较为复杂,实用性低。因此，本工作施加一恒定的单极直流偏置电压，而非脉冲直流电压，研究其对矩形离子阱质谱性能的影响。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

精氨酸(Arginine,m/z174.2)，利血平(Reserpine,m/z608.7)：上海阿拉丁试剂有限公司产品；三肽Gly-Phe-Leu(GFL,m/z335.4)，亮氨酸脑啡肽(Leucineenkephalin,m/z555.6)，三肽Ala-Ala-Ala(AAA，m/z231.2)，四肽Gly-Gly-Phe-Leu(GGFL,m/z392.5)：吉尔生化上海有限公司产品。以上试剂均采用V(甲醇)∶V(水)=50∶50的溶剂，含有0.05%醋酸,配制成5×10-5mol/L溶液。以V(三肽AAA)∶V(四肽GGFL)∶V(精氨酸)∶V(三肽GFL)=1∶1∶1∶1的溶液配制成各浓度均为5×10-5mol/L的混合溶液，溶剂同上。

万用表(VC9808+)：深圳市胜利高电子科技有限公司产品，整个实验过程中的直流电压都是在万用表20 V档下测量所得的；本实验室自行设计和加工的电喷雾离子源-矩形离子阱质谱仪器系统的结构参考文献[20]。仪器由三级差分真空系统构成，离子阱所在真空腔内的真空度达3×10-3Pa。氦气作为冷却气，气压维持在1.33 Pa。

电喷雾离子源产生的离子通过采样板小孔和取样锥孔进入第二级真空腔，在长200 mm的四极离子导引杆传输作用下，进入离子阱质量分析器。该矩形离子阱是实验室自行设计加工的，阱的场半径比例为Rx/Ry=1.2∶1，仅一对电极上有离子引出槽，有关离子阱结构的具体介绍参考文献[21]。离子阱引出槽一侧安装有电子倍增器(型号CEM 4879)。

离子阱工作所用的射频电源为加拿大Sciex公司生产的RF电源(型号009701)，频率为768 kHz。此射频电源可输出相位相反，振幅相同的射频电压信号：一路直接加至Y电极，另一路通过一线圈与AC激发电压信号耦合，产生的两路信号输出分别施加至X1、X2电极。两路信号AC电压的相位相反。

实验测控系统是本实验室自行研制的。它除了可以与计算机实现通信外，还可用于控制多路直流电压、射频电压信号，并产生AC激发电压信号。多路直流电压是由测控系统产生信号，经程控直流放大系统放大产生的。该系统可提供12路直流信号，每路直流信号的输出电压均由测控系统控制，可在-120～120 V连续可调。有6路直流信号分别加至离子采样电极、取样锥、四极离子导引杆、离子透镜电极和离子阱的前后端盖电极，另有一直流线路通过-20 M电阻接至X2电极上，电路图示于图1。在另一耦合信号输出端和X1电极之间串联-10 nF的电容，从而使直流电压仅加至X2电极。当射频电源调节平衡后，整个电路处于谐振状态，所串联的电容对电路的影响可忽略不计，且施加的直流电压不超过20 V则不会对射频电源产生任何影响。

图1 矩形离子阱直流偏置电压施加方式电路图Fig.1 Schematic of application of a DC offset to the rectilinear ion trap

1.2 实验方法

本实验中，质谱分析过程分为4个阶段：离子引入、离子冷却、质量分析和离子清空。在离子引入和冷却阶段，离子阱射频工作电压的幅度保持不变，但不加离子AC激发电压。在离子引入阶段，离子阱前端盖电极的直流电压(门控电压)较低，使离子可以进入阱中。离子引入一段时间后，该直流电压升高，离子不能再进入离子阱。进入阱中的离子与缓冲气体He气发生碰撞，并失去部分动能而被束缚在离子阱中。随后施加一定频率的AC激发电压，同时扫描此射频电压的幅值，使离子久期频率不断增加。当某种质荷比离子的久期频率与AC激发电压频率相等时，此离子被共振弹出，并被安置在离子阱外的离子探测器所接收，获得离子质谱信号，实现质量分析。在离子清空阶段，离子阱上不加射频电压。整个质谱分析过程，直流偏置电压保持不变。各个阶段的电压施加方式示于图2。

图2 矩形离子阱工作时序图Fig.2 Scan function used for the rectilinear ion trap experiment

2 结果与讨论

2.1 离子强度随直流电压的变化

实验过程中，分别测量并记录某一直流偏置电压下的离子质谱峰强度。离子质谱峰强度用某一质荷比质谱峰的峰面积表示。某一直流偏置电压下的质谱峰强度相对于偏置电压为0 V时的峰面积比(百分数)表示该离子的强度变化。假定0 V时的质谱峰强度为100%。

利血平离子的质谱峰强度随直流电压的变化曲线示于图3。实验中，每测得2次直流电压值下的质谱峰都需要再次测得0 V时的质谱峰作为参考值，以减少仪器信号波动对结果产生的影响。而且每个直流电压下(包括0 V)的质谱峰峰面积都是在质谱信号稳定后，取3次扫描得到的质谱峰峰面积的平均值，其中每次扫描累加100次平均后的质谱峰测量结果。本实验样品为利血平，离子引入和冷却阶段的时间分别为7、15 ms，2个阶段射频工作电压的幅值保持480 V不变，扫描速度为1 622 amu/s，离子共振激发电压幅度为7 V，频率为220 kHz。

当在离子阱逐出方向的X2电极施加一正的偏置直流电压时，带正电荷的离子会偏离中心,靠近与X2电极相对立的X1电极。然后在AC激发电压的作用下，离子在X方向的运动幅度是连续不断增大的。故偏离中心的离子将首先从X1电极逸出，从而使得安置在此电极外的检测器所检测的离子数多于50%，与未加直流电压相比，其信号强度增大。但直流电压增加到一定值时，离子偏离中心的距离较大，受到射频电场的束缚作用减弱，从而发生扩散。同时，由于离子引出槽宽度仅0.8 mm，且位于电极中心，扩散的离子将撞到电极上，使得检测到的离子数减少，此时离子强度将会下降。从图3可以看出，直流电压为3.5 V时，信号提高比例最大，达44%。进一步提高直流偏置电压，质谱信号则逐渐下降。

当在X2电极施加一负的偏置直流电压时，直流电场方向变为反方向，此时位于X1电极一侧的检测器所测得的离子数应与施加正的直流电压时X2电极逐出的离子数一样。再施加正的直流电压时，从X1电极逐出的离子数增加，但阱束缚的离子总量一定，这导致从对侧电极逐出的离子数减少，其减少的量与增加的量应基本相等。从图3可见，在4 V以内，增加量与减少量基本相等。

图3 利血平样品离子的相对强度随直流电压的变化曲线图Fig.3 Results of the relative intensity of reserpine as a function of DC potentials

2.2 直流电压对质谱质量分辨率的影响

在离子阱电极上施加直流电压的目的是为了提高离子阱的检测灵敏度，但从应用的角度上，要求此直流电压不能对离子阱的质量分辨力产生不利的影响。为了了解直流偏置电压对质谱分辨的影响，分别测量了不同直流偏置电压下的质谱图，并分析了质谱质量分辨的变化情况，当X2电极所加直流电压分别为0、3、5 V时，脑啡肽离子样品的质谱图示于图4。实验过程中，离子引入和冷却阶段的时间分别为10、15 ms，2个阶段射频电压幅值保持500 V不变，扫速为1 730 amu/s，激发电压幅度为6 V，频率为220 kHz。结果表明，在实验测量误差允许范围内，直流电压为0、3、5 V时，所对应的质谱图的半峰宽(FWHM)基本没有变化，可见施加直流偏置电压对离子阱的质量分辨率基本不产生影响。

图4 DC=0、3、5 V时，脑啡肽离子的质谱图Fig.4 MS spectrum of leucineenkephalin at three different DC potentials(0, 3 and 5V)

图5 精氨酸离子、三肽(GFL)离子、脑啡肽离子的相对强度随X2电极上所加正直流电压的变化趋势Fig.5 Results of the relative intensity of arginine, GFL, leucine encephalin as a function of DC potentials

2.3 不同质荷比的离子信号受直流电压的影响

从理论上讲，由于不同离子的质荷比不同，在相同电压产生的电场作用下，它们在离子阱中所偏离的距离应有所不同[14]。因此，当它们被共振激发出离子阱时，由于不同离子运动状态的差异，其增加的量应有所差别。实验分别测量了精氨酸、GFL、脑啡肽样品的离子相对强度随X2电极所加直流电压的变化，结果示于图5。GFL样品离子的引入时间和冷却阶段时间分别为9、15 ms，2个阶段射频电压幅值保持400 V不变，扫速为1 465 amu/s，激发电压幅度为6 V，频率为220 kHz。精氨酸样品离子的引入时间和冷却阶段时间分别为9、15 ms，2个阶段射频电压幅值保持400 V不变，扫速为1 435 amu/s，激发电压幅度为3 V，频率为220 kHz。由图5可见，不同样品随直流电压的变化趋势一致，均为先上升后下降，且有一峰值。精氨酸、GFL、脑啡肽样品的峰值分别在5、5、2 V处，提高比例分别达20%、38%、31%。这种差别与理论预料的结果基本吻合。

X2电极加直流电压0、2.5、5.5 V时，混合样品的质谱图示于图6。离子引入和冷却阶段的时间分别为11、15 ms，2个阶段射频电压幅值保持400 V不变，扫速为1 709 amu/s，激发电压幅度为6 V，频率为220 kHz。由图6可见，相对电压为0 V时，4个样品离子强度都有不同程度的提高。对于GFL，在5.5 V电压下的强度与2.5 V的强度基本无变化;而GGFL样品在5.5 V电压下的强度较2.5 V的强度有所下降;另外2个样品则有所提高。结合图5，这是因为样品强度随电压变化呈先上升后下降的趋势，且不同质荷比的离子信号强度增加与偏置电压有关。

图6 DC=0、2.5、5.5 V时，混合样品的质谱图Fig.6 MS spectra of Arginine, AAA, GFL, and GGFL mixture at three different DC potentials(0, 2.5 and 5.5 V)

3 结论

本实验通过在矩形离子阱X2电极上施加正的直流偏置电压，产生一定的直流电场分布，使得离子阱中的离子分布偏向离子探测器的一方，这样当离子被共振逐出时，将有大部分离子从安置有离子探测器一方电极的小孔中逐出离子阱并被检测到。此方法可以明显提高单检测器离子阱质谱的检测效率，对质谱分辨率基本无影响,并且同一偏置电压对不同质荷比的离子都可实现信号强度的提高。

由于本研究所用的离子引出槽较窄(仅0.8 mm)，这可能会影响离子信号强度的进一步增加，所以，需要进一步研究不同条件下直流偏置电压对信号强度的影响，如设计加工具有不同尺寸离子引出槽时的离子信号与直流偏置电压大小的关系，离子阱工作电压、离子阱电极结构、不同β值等对离子检测灵敏度的影响等，以最大限度地提高离子收集与检测效率。

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Application of a DC Offset in a Rectilinear Ion Trap to Improve Sensitivity

DANG Qian-kun1, YANG Kai2, WANG Qiang2, TENG En-jiang2,WANG Guan-jun1, DING Chuan-fan1

(1.LaserChemistryInstitute,DepartmentofChemistry,FudanUniversity,Shanghai200433,China;2.ChinaNationalEnvironmentalMonitoringCenter,Beijing100012,China)

Linear ion trap (LIT) comprised of four electrodes has been widely used in recent years. Because of the symmetry of the electrodes, the electric field in the LIT is symmetrical in the axial direction. As a result, about 50% of the trapped ions are ejected from one of a pair of electrodes in the process of mass analysis, which can be detected for one detector. In this study, a DC offset was applied to the electrode on the opposite side of the detector, which shifted the positive ions towards the electrode on the side of the detector. This helped the trapped ions to eject unidirectionally. And over 50% of the trapped ions could be detected. Four ions of different mass-to-charge ratios were investigated in this experiment. The results show that the positive DC voltage in a certain range increases the ion intensity. The increments of the ions are 20%，38%，31%，44%， respectively. This method is simple in principle, convenient in experimental technique.

ion trap mass spectrometer; linear ion trap; DC offset; sensitivity

2014-01-02；

2014-02-20

国家“十二五”重大仪器专项“基于质谱技术的全组分痕量重金属分析仪器开发和应用示范”(2011YQ0601003)资助

党乾坤(1991～)，男(汉族)，安徽芜湖人，硕士研究生，从事质谱仪器研究。E-mail：qdang12@fudan.edu.cn

丁传凡(1962～)，男(汉族)，安徽人，教授，从事分析化学、物理化学研究。E-mail: cfding@fudan.edu.cn

O 657.63

A

1004-2997(2014)03-0210-06

10.7538/zpxb.2014.35.03.0210