质子转移反应质谱仪聚焦型漂移管的设计及仿真研究

贺飞耀，代渐雄，付 玉，李 宏，邓辅龙，岳寒露，赵忠俊，段忆翔

(1.四川大学生命科学学院，四川 成都 610064；2.西北大学化学与材料科学学院，陕西 西安 710128；3.四川大学机械工程学院，四川 成都 610064；4.四川大学化学工程学院，四川 成都 610064)

质子转移反应质谱仪(proton transfer reaction mass spectrometry, PTR-MS)是因斯布鲁克大学的Lindinger团队在20世纪90年代中期基于Munson提出的化学电离思想[1]和Ferguson发明的流动漂移管[2]开发的，主要用于痕量气体的在线监测[3]。通过引入空心阴极放电和无质量筛选的漂移管，使仪器灵敏度比传统方法提高了2个数量级以上。该系统为痕量挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs)的快速检测提供了便利，在医学[4-5]、食品[6-7]、环境[8-9]及大气科学[10-11]等领域的应用逐步扩大。

随着工业技术的进步、科学研究的深入以及不断增长的应用需求，20多年来，质谱工作者一直致力于改善PTR-MS的性能，主要聚焦于灵敏度与分辨率指标。PTR-MS的开发之初及随后的商业仪器，质量分析器一直沿用四极杆质谱仪(quadrupole mass spectrometer, QMS)。虽然QMS能够最大限度保证系统的灵敏度，但是存在分辨率低、无法实现高通量检测、响应时间长等局限性。随着飞行时间质谱技术的进步，2004年，Blake等[12]首次推出了基于飞行时间质量分析器的质子转移反应飞行时间质谱仪(proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry, PTR-TOF MS)，极大地提高了仪器分辨率，然而由于低占空比导致该系统的灵敏度比报道的四极杆系统低2个数量级。2010年，Hansel等[10]首次报道了质子转移反应线性离子阱质谱(PTR-LIT)的现场部署，提供了区分同分异构体的能力。然而，LIT的质量分辨有限，且无法快速完成全谱采集，相对于PTR-TOF MS应用受到一定限制。为改善PTR-TOF MS的灵敏度，开始开发主要涉及离子传输区和离子源区的各种技术。离子源方面的探索主要包括放电区和漂移管。Hanson等[13]报道了一种放射性电离源，利用241Am发射α粒子电离水蒸气，该电离源稳定性好，无需外部电源驱动，但由于存在放射性危险而受到限制。2009年，该作者[14]开发了具有圆形辉光放电的PTR-MS，圆形放电可在湿润的清洁空气下运行，性能与传统辉光放电离子源相当。同年，Jordan团队[15]开发了多试剂离子切换的空心阴极放电源，在保持高灵敏度的同时，还具备选择离子流动管质谱(selected ion flow tube mass spectrometry, SIFT-MS)的功能，能够检测质子亲和势低于水的分子以及区分同分异构体。最近，本课题组[16]报道了基于微波等离子体的质子转移反应质谱仪(microwave plasma proton transfer reaction mass spectrometry, MWP-PTR-MS)，与直流放电等离子体相比，H3O+的计数率增加了7倍。漂移管的创新主要是通过在漂移区引入射频场聚焦离子，以提高反应效率及离子利用率。早在2012年，Barber团队[17]首次报道了将离子漏斗用作漂移管，灵敏度提高了1～2个数量级。2017年，Brown等[18]对该技术做了更详细的报道，离子漏斗可以显著提高灵敏度，如苯(65倍)、甲苯(43倍)和邻二甲苯(41倍)，然而这种带有离子漏斗的漂移管不利于低质荷比离子传输，同时会导致部分VOCs异常碎裂。需要指出的是，IONICON Analytik公司集成的离子漏斗仅用于离子离开漂移管后的聚焦，与Brown等[18]报道的装置不同。同年，因斯布鲁克大学的Hansel等[19]报道了一种全新的设计，质子转移反应室仅由射频三极杆组成(PTR3)，该仪器最早于2015年部署于欧洲核子研究组织。在PTR3中，离子轴向运动不再由传统的直流电场驱动，而是由样品气体流速决定，反应室的气压由传统的2 mbar提高到80 mbar，因此，反应时间增长了30倍，灵敏度提高了大约3个数量级(如酮)，但许多常见的VOCs灵敏度明显低于酮，且表现出很强的湿度依赖性[19-20]。2018年，de Gouw团队[21]报道了另一种全新的聚焦型分子离子反应器(focusing ion-molecule reactor，FIMR)，该反应器不是由环形电极堆叠而成，而是由一根电阻玻璃管和射频四极杆构成，四极杆圆周分布在玻璃管外表面用以产生聚焦场，电阻玻璃管两端接直流电源用以提供直流漂移场。因此，de Gouw报道的系统与传统PTR-MS的反应条件相似，不仅具备轴向解簇能力，同时具有较强的径向聚焦效率，RF场将试剂离子及产物离子的检测效率提高约1个数量级，且避免了环境湿度对仪器灵敏度的影响。

然而，de Gouw团队对FIMR的结构及设计细节描述较少，没有提及对于射频四极杆的几何尺寸及工作参数的确定过程[21]。

本文将主要介绍结合射频四极杆的聚焦型漂移管的结构设计，同时在SIMION 8.1中对四极杆的几何尺寸和工作电压进行详细仿真。最后，通过离子的位置分布结果给出采样孔的参考尺寸，以保证离子透过率。希望能为聚焦型漂移管的实际应用提供可靠的理论依据及技术支持。

1 实验部分

1.1 RFQ-FDT的工作原理及结构设计

RFQ-FDT作为PTR-TOF MS的反应器，具备传统漂移管的所有功能，其最大的改进在于通过四极杆技术将射频聚焦场引入反应室，直流漂移电场由一种特殊的电阻玻璃管(Photonis Scientific Inc, Massachusetts, USA)提供。射频四极杆的工作原理与四极杆离子导向装置相同。相对极杆施加相位和幅值相同，相邻极杆施加相位相反、幅值相同的正弦电压，由此产生的势阱在一定频率及电压幅值条件下能够束缚离子。另外，由于反应室在低真空环境(约200 Pa)工作，样品离子与大量水合质子、中性分子碰撞而损失能量，在射频场作用下逐渐向轴心聚集，关于射频聚焦及碰撞冷却的详细介绍可参考文献[22]。离子的运动稳定性与射频电场及离子质荷比大小密切相关，因此，可以通过SIMION 8.1平台(Scientific Instrument Services, Inc., Ringoes, NJ)对这些参数进行考察。

在PTR-MS中，漂移管作为反应室，在放电源之后工作，在对RFQ-FDT进行结构设计之前，必须首先确定放电区的结构，其决定了仿真时初始离子的分布。本工作设计了一种试剂离子同轴引入、样品分子圆周引入的空心阴极放电源，示于图1。在该放电源中，试剂离子由空心阴极放电产生，之后经过一段漂移区直接引入RFQ-FDT，样品分子则通过围绕在试剂离子通道外的缝隙引入，该缝隙呈漏斗状，样品气流在RFQ-FDT前端向轴心汇聚，与轴向引出的试剂离子混合。由于试剂离子(H3O+)的质量较低，与背景气体分子(H2O)接近，在射频四极场的作用下无法充分冷却，倾向于分布在外层，而样品分子包围试剂离子向内运动，这种相对运动有助于提高样品与试剂离子的碰撞效率，进而增强反应效率。

图1 空心阴极离子源结构示意图Fig.1 Structural diagram of hollow-cathode ion source

基于射频四极杆和电阻玻璃管的RFQ-FDT结构示于图2。装置的核心部分由2对不锈钢圆柱形电极和1根中空圆柱形电阻玻璃管组成，PEEK绝缘环用于固定四极杆，使其圆周均布于电阻玻璃管外表面。图中±Vcosωt为射频电压，U为施加在电阻管两端的直流电压，电极杆长度LRFQ为88 mm，射频聚焦场半径r0为6.5 mm，电阻玻璃管长度LRGT为100 mm，rrod为电极杆半径，作为可变参数将在后文探究。整个装置通过四极杆提供聚焦束缚场，由电阻玻璃管提供轴向漂移场及反应空间。

注：a.前视图；b.左视图

1.2 建立仿真模型

根据图2的结构设计，在SIMION 8.1平台建立仿真模型。为探究四极杆直径对装置聚焦能力的影响，取6、8和10 mm等3种直径分别建立模型，三维模型(仅示出6 mm)示于图3a。为使仿真结果最大限度符合实际情况，在仿真时，离子初始状态的定义、缓冲气体的参数设置至关重要。另外，由于实际装置中的直流场采用电阻玻璃管分压产生，场强分布均匀，因此模型中的轴向电场也要尽可能符合实际情况。

注：a.三维图；b.仿真模型测试

在SIMION 8.1平台中，利用“Particles Define”功能进行“初始离子”定义。选择m/z19(H3O+)、m/z55(H3O+(H2O)2)和m/z100(样品离子)3种离子进行仿真，每种离子数量设为500。在PTR-MS中，样品离子总是以质子化的准分子离子形式存在，因此所有离子电荷量设为1。由图1可知，样品气经圆锥缝隙引入，在仿真模型中，离子的初始位置选择“圆形分布”，圆心为RFQ-FDT的轴心，直径与样品气入口孔径相同，为3.1 mm。还需定义初始速度的方向和能量，方向呈圆锥分布，半角大小为30°，能量设为0.5 eV。采用硬球碰撞模型模拟样品离子与RFQ-FDT中背景气体之间的碰撞。需要注意的是，漂移管在粗真空条件下工作，背景气体中的水蒸气分子含量高于80%，且含有大量的水合质子(H3O+)，因此，将相对分子质量设为18，3种离子碰撞截面分别为47.6 Å2、64.7 Å2和98 Å2[21]。气压设定为漂移管的典型工作气压200 Pa，通过编写用户程序来生成轴向直流梯度电场，维持在60 V/cm，在此条件下RFQ-FDT的约合场强(E/N)约为123 Td(Townsend，1 Td=10-17V·cm2)，与传统漂移管接近。射频聚焦场同样通过用户程序定义，并在SIMION 8.1平台的“Adjustable Variables”界面根据仿真需要对频率和幅值进行调整。

设置好以上参数后，对模型进行初步测试，6 mm杆径模型中的离子运动轨迹示于图3b，红色和蓝色分别对应射频峰峰值(Vpp)为300 V和无射频电压的情况。结果表明，建立的仿真模型和设置的模拟参数符合要求，可以进行后续实验。

1.3 数据记录规则与处理

离子束半径用以表征RFQ-FDT的聚焦能力，离子束越小，聚焦能力越强，反之亦然。本工作利用离子分布的“平均半径”来表示离子束大小。离子在装置中的位置通过三维坐标(x，y，z)确定，x，y为径向位置，z为轴向位置。每个离子到轴心的距离可通过x、y值计算得出，之后根据结果统计出“平均半径”。数据记录规则由用户程序定义，利用坐标获取所有离子的位置信息，从z轴的0点开始，每间隔20 mm记录1次，直到离子丢失或者到达漂移管出口100 mm处。

2 结果与讨论

2.1 杆体直径对离子束大小的影响

固定射频电压频率和幅值，考察四极杆尺寸对聚焦能力的影响。将射频频率设为2.5 MHz，分别统计无聚焦场和射频幅值为300 V时的离子束大小，结果示于图4。可知，3种模型下，不施加射频场时，3种离子的束流半径均沿轴向不断增大，而射频场能够显著提高装置的聚焦效率，在相同出口孔径下，将有更多离子进入下一级真空，离子利用率极大提高。另外，同一模型中，射频场对不同质荷比离子的聚焦能力也有较大差异，低质荷比离子总是趋向于分布在外层空间，形成更宽的离子束，这是放电源中将试剂离子由轴线引入的原因。仿真结果表明，当轴向距离达到约40 mm时，离子束可完成较好的聚焦，之后随着轴向距离增加，离子束半径略有减小。对比图4a、4b、4c，相同射频幅值下，不同杆体直径对离子的聚焦能力较接近，但仍有差异。例如，6 mm杆时，m/z19和55的离子束半径明显大于8 mm和10 mm杆，m/z100离子束半径则略大于另外2种。另外，8 mm杆时，m/z19的离子束半径明显大于10 mm杆，m/z55和100的离子束半径与10 mm接近。以上结果表明，采用较大直径的杆体对离子聚焦更有利，特别是对于低质荷比离子。产生这种现象的原因是在场半径一定的情况下，四极杆直径不同会导致相邻杆之间的边缘电场变化，对于分布在轴线附近的高质荷比离子来说，这种变化影响很小，可以忽略；然而对于分布在外层的低质荷比离子来说，这种变化会影响离子的轨迹，杆半径越大，相邻杆之间的边缘电场越强，对低质荷比离子的聚焦能力越强，束流变窄。在de Gouw等[21]的报道中，杆体直径为6 mm，若采用更大直径的杆体，预测仪器性能会进一步提高。需要特别注意的是，杆体直径增大会导致网格数量增多，要注意仿真平台允许的最大网格数量。另外，相邻杆体会因为直径增大不断靠近，最终导致电击穿。

注：a.6 mm；b.8 mm；c.10 mm

2.2 射频场对离子束大小的影响

根据图4的结论，6 mm杆体直径聚焦能力最弱，8 mm和10 mm杆体非常接近，为了减小点阵列数量，最终选择杆体直径为8 mm的模型以及m/z55离子，考察频率和电压幅值(Vpp)对离子束大小的影响，结果示于图5。频率从0.65 MHz开始，以间隔1 MHz增加至4.65 MHz，保持电压幅值为500 V，统计5个频率下的离子束平均半径及到达100 mm的离子数量。当频率约2 MHz时，离子束平均半径最小，聚焦效率最高。另外，在所有频率下，RFQ-FDT的总体传输效率非常高，接近100%，低频下离子有少量丢失，在可接受范围。根据图5a的结论，设定频率为2 MHz，电压幅值从0开始以间隔200 V增加至800 V，统计5个幅值下的离子束平均半径及到达100 mm的离子数量，结果示于图5b。电压幅值在0～400 V，随着电压幅值的升高，离子束半径迅速减小，表明射频电场的增强可以显著提高RFQ-FDT的聚焦能力。继续提高幅值，离子束半径仍会减小但趋势变缓。由于高电压幅值会增大电源功率，提高射频电源的制作难度及成本，同时可能导致离子碎裂，因此电压幅值不宜过高。根据图5b可知，电压幅值在400～600 V范围内较合适，离子束平均半径低于0.5 mm。

2.3 采样孔大小对离子透过率的影响

由图5可知，在不同频率和电压幅值下，RFQ-FDT的总体传输效率接近100%且波动较小。按照图4的结果，当RF幅值为0 V时，虽然3种离子束流均呈发散趋势，但由于电阻管内径足够大，离子仍能顺利到达100 mm位置并被记录，表明离子在直流场驱动下总体呈轴向运动趋势。然而，对于任何一台具有多级真空的质谱系统来说，为避免过多气流进入下一级真空室，通常会采用针孔电极隔离前后级真空，利用小孔进行采样。由于离子束直径过大，小孔会截掉大部分束流，导致离子丢失。采样孔的大小将直接影响仪器灵敏度。因此，本工作通过引入聚焦场来减小离子束，同时利用离子位置分布指导采样孔的尺寸设计，以保证仪器性能。

本工作选取0.3、 0.5、 1、1.5 mm 4种不同半径的采样孔考察离子透过率，示于图6。若离子位置分布于采样孔内，则能被传输至下一级真空。图6a是在电压幅值为600 V时得到的，随着频率不断提高，透过率先增大后减小，与图5a的结果相符。在频率约为2 MHz时，有超过85%的离子能够顺利通过直径为1 mm的小孔，有接近65%的离子落在半径为0.3 mm的圆内。图6b是在频率为2.5 MHz时得到的，随着电压幅值不断增大，离子束逐渐变窄，透过率逐渐增大，与图5b结果相符。当电压幅值为600 V时，直径1 mm的采样孔离子透过率接近85%，直径2 mm的采样孔离子透过率超过95%。然而，对于传统漂移管，即当电压幅值为0Vpp时，仅有3%的离子能透过1 mm直径采样孔，射频场将离子透过率提高了近28倍。另外，有11%的离子能透过直径为2 mm的采样孔，该尺寸下的离子透过率提高了约9倍，与之前de Grow报道的7～9倍相当[21]。因此，采样孔直径越小，RFQ-FDT的优势越明显，用更小的采样孔获得良好的仪器性能，真空系统成本将大幅降低。

注：a.频率；b.电压幅值

注：a.频率；b.电压幅值

3 结论

质子转移反应质谱仪的性能提升主要源于离子传输效率的改善以及离子源的技术创新。本工作详细介绍了用于PTR-MS的聚焦型漂移管的设计与仿真，利用射频四极杆对漂移管中的离子进行聚焦，以提高离子利用率。在SIMION 8.1平台中对四极杆的杆体直径、射频频率及电压幅值进行系统仿真。同时，详细统计了离子束大小及对应的离子透过率。仿真结果表明，在没有射频场的情况下，离子束沿径向扩散，平均半径大于2.5 mm，聚焦场的引入可以大大减小离子束流宽度。采用较大直径的杆体更有利于离子聚焦，其中低质荷比离子表现更明显。当射频频率在约2 MHz时，可以获得最小的离子束平均半径。随着电压幅值逐渐提高，离子束半径迅速减小并最终趋于稳定。离子的位置分布结果表明，在合适的电场参数下，有超过85%的离子能顺利透过直径为1 mm的采样孔，相比于传统漂移管，传输效率提高了28倍，有利于提升仪器的灵敏度。今后，将根据模拟结果搭建实验装置，利用本课题组研制的飞行时间质谱系统测试RFQ-FDT的性能。