多次反射飛行時間質(zhì)譜儀高性能矩形離子阱的研制

關(guān)鍵詞 矩形離子阱；離子傳輸；質(zhì)量范圍；質(zhì)量分辨率；多次反射飛行時間質(zhì)譜

多次反射飛行時間（Multi-reflection time-of-flight-mass spectrometry， MR-TOF MS）[1]是新一代的飛行時間質(zhì)譜，通過使離子在兩組反射鏡之間往返飛行，延長其飛行時間和距離，并且有效限制飛行時間發(fā)散，實現(xiàn)超高的質(zhì)量分辨率。MR-TOF MS 因具有超高分辨率、超高質(zhì)量精度和快速分析等特點，現(xiàn)已成為核物理[2–4]、化學(xué)[5]和生物學(xué)[6]等領(lǐng)域的重要分析工具。MR-TOF MS的超高分辨率不僅基于質(zhì)量分析器的非線性反射電場，還與引入離子的初始狀態(tài)密切相關(guān)[7]。通常，離子的能量發(fā)散和角度發(fā)散越小，儀器質(zhì)量分辨率越高。此外，離子在MR-TOF質(zhì)量分析器中的駐留時間較長（通常1～10 ms），無法僅通過提高工作頻率來提升離子的利用效率。因此， MR-TOF質(zhì)量分析器的前端需要耦合一個離子收集聚焦裝置，用于離子的收集、冷卻聚焦，并將其統(tǒng)一拋出，確保離子聚焦效果和利用率，以保證儀器的超高分辨率和高靈敏度。

目前， MR-TOF MS 普遍在質(zhì)量分析器前端耦合線形離子阱作為離子收集聚焦裝置[8–12]。歐洲核子研究中心采用一個分割成20段的線形離子阱[8]，實現(xiàn)了離子充分冷卻，質(zhì)量分辨率達(dá)到2.0×10⁵，離子利用效率超過10%。德國亥姆霍茲重離子研究中心開發(fā)了一種由3 個線形離子阱組成的多級串聯(lián)離子阱裝置[13]，逐級壓縮離子，質(zhì)量分辨率達(dá)到6.0×10⁵，離子利用效率高達(dá)99%以上。日本高能加速器研究機構(gòu)[14]、中國科學(xué)院近代物理研究所[15]和廣州禾信儀器股份有限公司[16]等均研制了基于印刷電路板（Printed circuit boards， PCB）技術(shù)的線形離子阱，該類裝置僅由兩片對稱放置的PCB電極組構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡潔，實現(xiàn)了10⁵～10⁶的質(zhì)量分辨率。相較于常規(guī)四電極結(jié)構(gòu)的線形離子阱，這種基于兩組平面電極結(jié)構(gòu)的離子阱需要施加更高電壓以得到相近的電場，因此其應(yīng)用受到了限制。

本研究開發(fā)了一種由方波射頻驅(qū)動、基于PCB 技術(shù)設(shè)計和加工的矩形離子阱（Rectilinear ion trap，RIT），其結(jié)構(gòu)簡單，由四電極組構(gòu)成，能在較低電壓下實現(xiàn)與兩組平面電極結(jié)構(gòu)的離子阱相似的離子約束性能。將RIT 與MR-TOF 質(zhì)量分析器結(jié)合，可實現(xiàn)離子的收集和冷卻聚焦，并采用碘化銫樣品對此裝置的性能進行了測試。

1 實驗部分

1.1 RIT裝置

PCB 技術(shù)憑借其集成化和加工便捷的特點，在電子線路板制造與加工領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。本研究采用PCB 技術(shù)設(shè)計和加工RIT 的電極。如圖1A 所示，在離子阱的徑向（y、z 平面）上， 4 片PCB 電極組相對中心上下左右分布，兩對PCB 間距均為4 mm。如圖1B 所示，上下一對PCB 電極組編號為DC 組，左右一對PCB 電極組編號為AC 組。拋出方向（z 方向）的PCB 電極組采用柔性印刷電路（Flexible" printedcircuit， FPC）技術(shù)加工，電極厚度僅為0.2 mm，以便離子可以快速引出。在軸向（x 方向）上，各PCB 的長度均為45 mm，沿軸向被分割為7 段電極，沿離子引入方向依次編號為AC1～AC7。其中，一對用于拋出的電極通過標(biāo)記“’”來區(qū)分（DC4 和DC4’）。此外，拋出孔電極（DC4）被設(shè)計成向電極背面延伸，起到屏蔽作用。RIT 電極組與固定件結(jié)合，形成了一個長方體腔室（圖1C）。在這個腔室內(nèi)，通入連續(xù)的氦氣（He）并保持一定的氣壓，以便實現(xiàn)離子的碰撞冷卻。

如圖2A 所示，電極1～7 的電勢由兩邊至中間呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，在離子軸向形成勢阱，使離子約束在阱中心。AC 電極組上均疊加幅值和頻率相同的方波射頻電壓，使RIT 的內(nèi)部形成近似四極場，在徑向上約束離子（圖2B）。圖2C 為平面離子阱的四極場效果圖，左右兩側(cè)的電極通過施加正弦射頻電壓形成四極場，中間一對電極作為梯度直流電極，用于離子團的軸向約束。

離子在方波和正弦波驅(qū)動的四極場中的運動非常相似，其理論基礎(chǔ)建立在對馬修方程（Mathieuequation）求解之上。當(dāng)一個質(zhì)量為m、電荷為e的離子在純四極場中運動時，馬修方程的參數(shù)（a， q）可表示為：

本研究采用自行搭建的MR-TOF MS，其結(jié)構(gòu)如圖3B所示。儀器由電噴霧電離源、大氣壓接口系統(tǒng)、3個四極傳輸桿、矩形離子阱和MR-TOF質(zhì)量分析器所組成。MR-TOF的詳細(xì)信息已在前期工作中闡述[17]。樣品在經(jīng)過電離源電離后，進入大氣壓接口系統(tǒng)，隨后通過四極傳輸桿將離子傳輸至矩形離子阱中，在阱中進行收集和冷卻。隨后，所有離子被同步拋出并注入到MR-TOF 質(zhì)量分析器中進行分析。在直線飛行模式中，離子從矩形離子阱拋出后，沿質(zhì)量分析器直線飛行至檢測器被接收。在多次反射飛行模式中，離子從矩形離子阱拋出后，在質(zhì)量分析器中的反射電場作用下往返多圈飛行，最終被檢測器接收。

如圖3A所示， RIT的工作流程主要包括3 個階段：離子引入、離子冷卻和離子拋出。在離子引入階段，將矩形離子阱前端蓋電極（離子門）的直流電壓保持0 V，引導(dǎo)離子進入RIT 并在射頻電場的作用下被捕獲。在此階段，施加于RIT 電極上的直流電壓和射頻電壓保持不變。在離子冷卻階段，離子與冷卻氣體發(fā)生碰撞后損失動能，實現(xiàn)冷卻和存儲。經(jīng)過一段時間的碰撞冷卻，離子在直流電極施加的梯度電壓作用下逐漸集中于阱中心。在此階段，矩形離子阱前端蓋電極的直流電壓從0 V 調(diào)整至10 V，阻止外部離子進一步進入。在離子拋出階段，經(jīng)過1個周期的碰撞冷卻后，離子束形成離子團。在RIT 的拋出電極對上施加極性相反的脈沖電壓，通過程序控制迅速關(guān)閉方波射頻電壓，實現(xiàn)離子的快速拋出。

1.2 樣品制備與試劑

甲醇（色譜純）、CsI 和KNO₃（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。純凈水（杭州娃哈哈集團有限公司）。將固體樣品用甲醇配制成不同濃度溶液進行實驗，使用注射泵（Harvard" pump 11 Elite，美國Harvard公司）以10 μL/min 的流速輸入所有樣品。

1.3 實驗條件及方法

RIT的冷卻效果、離子容量、傳輸效率及儀器質(zhì)量范圍均通過直線飛行模式測定，以獲得離子信號峰的半峰寬和強度。冷卻效果的考察實驗通過改變離子冷卻階段的時間來觀察冷卻效果。傳輸效率的測定需要關(guān)閉RIT 電極拋出階段的工作電壓并同時關(guān)閉冷卻氣，使離子從引入方向飛行至RIT 后端蓋（圖3B），并接收電流信號以獲得拋出前的離子數(shù)量。離子傳輸效率定義為到達(dá)檢測器的離子數(shù)占到達(dá)后端蓋的離子數(shù)的百分?jǐn)?shù)。儀器的高分辨率測定通過多次反射飛行時間模式進行。表1 列出了以上實驗的電壓參數(shù)。RIT 采用SIMION 軟件進行離子光學(xué)模擬（電場和離子軌跡等）。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷卻效果

在冷卻階段，離子在離子阱中與冷卻氣體碰撞而逐漸損失動能，并通過軸向與徑向上的電場被捕獲壓縮成離子團。圖4A 展示了不同氣壓下133Cs+離子的徑向冷卻效果。在徑向約束上，離子團冷卻到一定位置后，其位置發(fā)散轉(zhuǎn)換為拋出時的能量發(fā)散。離子團的能量發(fā)散越小，說明其在進入質(zhì)量分析器后的狀態(tài)越集中，從而使得離子團的半峰寬（FWHM）越窄，表明徑向約束效果越好。在1.7 和2.2 Pa 的氣壓條件下，冷卻時間為0.5～1.0 ms 時，離子半峰寬顯著降低，分別由26.1 和23.0 ns 降至22.0 ns；冷卻1.0 ms后，離子半峰寬趨于穩(wěn)定。這表明在1.7 和2.2 Pa 氣壓條件下，離子在前1.0 ms 內(nèi)與冷卻氣體碰撞損失了大部分能量，阱中積累的離子在徑向上得到了充分冷卻，但在拋出過程中離子團會與氣體發(fā)生碰撞，導(dǎo)致離子半峰寬增加。在0.2 和0.7 Pa 的氣壓條件下，冷卻時間為0.5～3.0 ms 時，離子半峰寬的降低趨勢尤為顯著，由22.0 ns 分別降至16.1 和18.0 ns；冷卻3.0 ms 后趨于穩(wěn)定，這表明在較低氣壓條件下，離子充分冷卻所需的時間更長。在離子阱內(nèi)，氣壓對分辨率的影響主要通過拋出過程中的時間發(fā)散（Δt）體現(xiàn)。盡管較高氣壓能夠加快離子冷卻過程，但在拋出階段，由于離子團與氣體分子頻繁碰撞，能量發(fā)散加劇，從而增大離子半峰寬并導(dǎo)致分辨率降低。圖4B 為不同氣壓下離子團拋出過程的模擬結(jié)果，可見隨著氣壓從0.2 Pa 升至2.2 Pa，離子團的Δt 增加了13 ns，導(dǎo)致分辨率降低約1 倍。這表明氣壓不僅影響冷卻過程，還顯著影響拋出階段的離子團聚焦效果。圖4C 為同等參數(shù)條件下氣壓為2.2 Pa 時離子冷卻前后的仿真離子云圖。離子在RIT 內(nèi)冷卻1 ms 后，拋出離子的參數(shù)分別為：離子束直徑dx=6σx=2.37 mm、dy=6σy=0.46 mm。

從RIT 中拋出的離子團的初始尺寸和能量分布直接影響儀器靈敏度和質(zhì)量分辨率。離子團能否順利進入質(zhì)量分析器將顯著影響儀器的靈敏度。離子團在冷卻階段軸向約束效果越好時，其空間分布較小，順利通過RIT 拋出孔的離子數(shù)量也越多，使得更多的離子能夠進入質(zhì)量分析器，提升儀器的靈敏度。在不同氣壓條件下， ¹³³Cs⁺隨冷卻時間變化的離子數(shù)量見圖4D，冷卻1 ms 后，離子數(shù)量保持穩(wěn)定，表明阱中積累的離子在軸向上充分冷卻；隨著氣壓增大，離子數(shù)量逐漸增加，表明增大氣壓有利于離子捕獲。

綜合考慮冷卻效率和離子數(shù)量，選擇1.7 和2.2 Pa 的氣壓條件，此時離子阱展現(xiàn)出較好的性能，能夠在1 ms 內(nèi)有效冷卻133Cs+，獲得顯著的冷卻效果。

2.2 離子容量

RIT 的離子容量影響儀器的靈敏度，是評估阱性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。如圖5A 所示，在相同的電控和氣壓條件下，總離子信號強度I 隨39K+濃度增大而呈非線性增長，當(dāng)RIT 接近飽和時， RIT 中的離子數(shù)量不再隨著39K+濃度增大而增加。離子阱的離子容量由此阱的贗勢阱深度決定。相同尺寸下，離子阱的贗勢阱深度越深，阱內(nèi)能夠約束的離子數(shù)量也越多[18]。RIT 的電場分布由幾何結(jié)構(gòu)和工作電壓決定，對于矩形離子阱，除四極電場外，還存在多種成分的高階場。計算RIT 贗勢阱可參考標(biāo)準(zhǔn)理想離子阱的計算方法，忽略高階項影響以獲得近似值。本研究參考由Huntley 和Reilly 開發(fā)的基于Hill 方程原理的電子表格程序[19]，計算了相同尺寸條件下傳統(tǒng)離子阱的贗勢阱深度，并以此作為參考。由圖5B 所示， RIT 最大贗勢阱深度約為37 V。根據(jù)測量的單離子信號強度（20 mV·ns）可計算出RIT 的離子容量約為10³個，與勢阱的空間電荷極限吻合。

2.3 傳輸效率

在RIT拋出階段，當(dāng)離子在阱內(nèi)充分冷卻后，拋出電極通過施加脈沖電壓對離子團進行徑向拋出，使離子團順利進入質(zhì)量分析器。拋出工作電壓可分為單脈沖模式和雙脈沖模式。在單脈沖模式下，脈沖電壓施加于單個拋出電極，用于推斥離子團；在雙脈沖模式下，在一對拋出電極上分別施加極性相反的脈沖電壓，實現(xiàn)對離子團的拋出。RIT 拋出工作電壓采取雙脈沖方式，與單脈沖相比，雙脈沖可以顯著提高靈敏度和質(zhì)量分辨率[20]。實驗表明， RIT 的傳輸效率與離子冷卻階段的軸向冷卻有關(guān)（圖6）。隨著冷卻時間延長，拋出效率提高；2ms后，拋出效率穩(wěn)定保持在36%。同時， RIT 在關(guān)閉射頻電壓時方波可實現(xiàn)快速關(guān)斷（實際測得的脈沖沿時間僅為20 ns），減少了電壓干擾，從而使其傳輸效率滿足分析需求。

2.4 RIT 與MR-TOF質(zhì)量分析器的適配性

RIT作為離子收集聚焦裝置，與MR-TOF質(zhì)量分析器耦合并實現(xiàn)良好的工作性能是體現(xiàn)其適配性的關(guān)鍵?；谛阅鼙碚鹘Y(jié)果，從工作周期、離子通量和離子聚焦?fàn)顟B(tài)這3個方面分析RIT 對MR-TOF質(zhì)量分析器的耦合。

RIT 在1 個工作循環(huán)中能夠持續(xù)2 ms 收集離子，并在1 ms 內(nèi)實現(xiàn)對離子團的充分冷卻，這使得RIT能夠高效地與MR-TOF 質(zhì)量分析器的20 Hz 工作頻率相匹配。通過測定RIT 離子容量發(fā)現(xiàn)阱的容量為10³個，可以滿足MR-TOF MS 儀的分析需求（通常離子容量lt;10² 個），保證儀器實現(xiàn)超高分辨率分析。與MR-TOF 質(zhì)量分析器耦合后，對RIT 的質(zhì)量范圍進行測量（圖7）。此離子阱能夠穩(wěn)定約束的最小質(zhì)荷比為39Th，最大質(zhì)量數(shù)可達(dá)1200 Th。直流偏置會影響離子在阱內(nèi)的位置以及阱的形狀[21]，并限制了離子阱的質(zhì)量范圍。方波驅(qū)動的RIT 在質(zhì)量掃描過程中可通過改變四極場的頻率而獲得所需的離子質(zhì)量數(shù)，同時能適度降低對高電壓和高頻率電子元器件設(shè)計的要求，有效降低裝置放電風(fēng)險[22]。平面離子阱具有對稱平行放置的結(jié)構(gòu)，施加的射頻電壓無法在離子阱內(nèi)形成等效的四極場效果（圖2C），限制了其質(zhì)量范圍，并增加了電極放電的風(fēng)險。相比之下，矩形離子阱具有四電極結(jié)構(gòu)，在阱內(nèi)形成的近似四極場能夠更有效地約束更大質(zhì)量范圍的離子[23]。¹³³Cs⁺經(jīng)過MR-TOF 質(zhì)量分析器的多次反射后，質(zhì)量分辨率達(dá)到1.5×10⁵（圖8），進一步說明方波驅(qū)動的離子阱能夠保持良好的離子聚焦效果。

綜上所述， RIT 作為離子收集聚焦裝置與MR-TOF質(zhì)量分析器耦合后的性能良好，能夠滿足MRTOFMS 儀器的高分辨率分析需求，并具有較高的離子容量和較寬的質(zhì)量范圍，為MR-TOF MS 儀器在多個分析領(lǐng)域中的應(yīng)用提供支持。

3結(jié)論

本研究開發(fā)并測試了一種基于PCB 技術(shù)的新型RIT，用于MR-TOF MS離子進入質(zhì)量分析器前的離子收集與聚焦。實驗結(jié)果表明，此離子阱能在1ms內(nèi)實現(xiàn)離子的完全冷卻，并具備10³ 個離子容量，其傳輸效率達(dá)到36%，在與MR-TOF質(zhì)量分析器結(jié)合后， ¹³³Cs⁺的半峰寬可達(dá)到16 ns，經(jīng)多次反射質(zhì)量分辨率可達(dá)到1.5×10⁵，滿足MR-TOF MS分析器的高分辨率需求。此離子阱結(jié)構(gòu)簡單，有望設(shè)計為一種通用的小型離子阱，應(yīng)用于其它類型的質(zhì)譜儀中。