離子漏斗技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

郭 騰 彭 真 朱 輝 徐 麗* 董俊國(guó) 黃正旭 程 平* 周 振

1(上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200444) 2(暨南大學(xué)質(zhì)譜儀器與大氣環(huán)境研究所，廣州 510632)3(昆山禾信質(zhì)譜技術(shù)有限公司，昆山 215311)

1 引 言

質(zhì)譜分析法是測(cè)定分子質(zhì)量、鑒定分子結(jié)構(gòu)最強(qiáng)有力的儀器分析方法之一，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、石油化工、生命科學(xué)以及食品安全等領(lǐng)域扮演著極其重要的角色。近年來，無需樣品前處理, 而且在常壓環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)離子化的新型電離技術(shù)的發(fā)明及應(yīng)用, 已成為質(zhì)譜學(xué)領(lǐng)域的前沿及備受關(guān)注的研究方向，如實(shí)時(shí)直接分析(DART)[1]、常壓解吸附化學(xué)電離(DAPCI)[2]、介質(zhì)阻擋放電電離(DBDI)[3]、電噴霧電離(ESI)[4]及其一系列衍生電離技術(shù)等[5,6]。待測(cè)樣品在大氣壓下電離后，將依次通過初級(jí)(1～10 Torr)和次級(jí)(10-1～10-2Pa)差分抽氣區(qū)，最終傳輸至高真空(～10-4Pa)的質(zhì)量分析器獲得質(zhì)譜圖。然而，大氣環(huán)境下產(chǎn)生的等離子體在進(jìn)入初級(jí)差分抽氣區(qū)后，由于環(huán)境真空度由1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓急劇下降至幾個(gè)Torr，會(huì)發(fā)生射流膨脹現(xiàn)象[7]，致使離子束半徑變大。除此之外，在氣壓相對(duì)較高的初級(jí)差分抽氣區(qū)，中性氣體分子與待測(cè)離子頻繁地發(fā)生碰撞，迫使離子進(jìn)行無規(guī)則、復(fù)雜的遷移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，將進(jìn)一步擴(kuò)大離子束的半徑。離子束較大的離軸發(fā)散半徑會(huì)導(dǎo)致大量的傳輸損失，從而顯著降低儀器靈敏度。因此，對(duì)于大氣壓電離質(zhì)譜儀而言，實(shí)現(xiàn)離子的高效傳輸仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的研究，而合理的設(shè)計(jì)和運(yùn)用離子導(dǎo)向裝置，在氣壓較高的背景下最大限度地對(duì)離子束進(jìn)行徑向束縛，盡可能減少離子在傳輸路徑上的損失就顯得尤為重要。離子漏斗的概念和技術(shù)就是在這種背景下被提出并得以發(fā)展。

1997年，Shaffer等[8]在層疊環(huán)電極結(jié)構(gòu)[9]的基礎(chǔ)上通過依次減小沿軸的環(huán)形電極孔徑，研制出一種全新的離子導(dǎo)向裝置，即離子漏斗。并在1998年[10]和1999年[11]的進(jìn)一步研究表明該裝置克服了靜電透鏡和多極桿作為離子導(dǎo)向裝置只能在高真空(～10-2Pa)或低氣壓(﹤1 Torr)下工作的缺陷，可以在相對(duì)較高的氣壓背景下(～10Torr)高效實(shí)現(xiàn)離子的捕獲、傳輸與聚焦，從而開啟了離子漏斗技術(shù)的快速發(fā)展之路。此后，短短幾年之內(nèi)關(guān)于離子漏斗的原理[12～15]、多物理場(chǎng)模擬[16～21]、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及電氣參數(shù)優(yōu)化[22～26]等方面的研究相繼出現(xiàn)。這些研究成功地將離子漏斗應(yīng)用于電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)[27]、離子遷移譜質(zhì)譜(IMS-MS)[28]以及質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜(PTR-MS)[29]等質(zhì)譜儀器中，顯著提高了儀器的靈敏度。值得關(guān)注的是，目前離子漏斗技術(shù)已不再局限于實(shí)驗(yàn)室研究，許多知名的質(zhì)譜儀器制造商都加大了對(duì)該技術(shù)的推廣力度，積極應(yīng)用到各自的最新產(chǎn)品中，以改善儀器的檢測(cè)性能。如Agilent649X系列的三重串聯(lián)四極桿液質(zhì)聯(lián)用儀、IONICON的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜PTR-TOF 6000 X2、布魯克Impact II四級(jí)桿-飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜和EVOQ系列液質(zhì)聯(lián)用型三重四極桿等。最近，賽默飛公司在新一代Orbitrap Fusion四級(jí)桿-靜電場(chǎng)軌道阱-線性離子阱三合一組合式質(zhì)譜中S-lens的設(shè)計(jì)也借鑒了離子漏斗技術(shù)。配備高性能的離子漏斗，質(zhì)譜分析獲得了極高的靈敏度，其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到生物標(biāo)記物分析、雜質(zhì)鑒定或殘留物篩查等領(lǐng)域[30～32]。

本文從離子漏斗的基本原理出發(fā)，著重介紹離子漏斗裝置的研究進(jìn)展及其在ESI-MS、IMS-MS以及PTR-MS等質(zhì)譜儀器中的應(yīng)用概況，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

2 離子漏斗的基本原理

圖1 層疊環(huán)電極結(jié)構(gòu)示意圖[9]Fig.1 Diagram of a stacked ring lens ionguide[9]

離子漏斗的來源是Gerlich等[9]在1992年設(shè)計(jì)的層疊環(huán)電極結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它由一系列內(nèi)徑相等的環(huán)形電極同軸等間距堆疊而成，而相鄰的電極上施加幅值相等、相位相反的射頻電壓。在射頻電壓的驅(qū)動(dòng)下，疊環(huán)電極組內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有效的電場(chǎng), 即“贗場(chǎng)”，從而在徑向上將離子束縛在導(dǎo)向裝置中，其有效電勢(shì)V*與射頻電場(chǎng)強(qiáng)度Erf(r,z)的關(guān)系表述如下：

(1)

其中，m表示離子質(zhì)量，ω是射頻電壓的角頻率，半徑和軸向方向分別為r和z。求解Erf(r,z),有效電勢(shì)V*的空間分布可進(jìn)一步等效如下：

(2)

(3)

(4)

其中，Vtrap是軸向有效阱深，Vmax是有效電勢(shì)在r=ρ，z=d(i+1/2)和i= 0，1，2，…，n-2 (n為離子漏斗電極片數(shù))時(shí)的最大值，d是相鄰電極間距，I0和I1分別是0階和1階貝塞爾函數(shù)，δ=d/π，Vrf為射頻電壓的幅值。有效電勢(shì)V*越大，表明疊環(huán)電極組對(duì)離子的徑向束縛能力越強(qiáng)。 基于層疊環(huán)的設(shè)計(jì)理念，并在此基礎(chǔ)上依次減小每個(gè)環(huán)形電極片的內(nèi)徑，使其逐步收縮成漏斗狀，因此得名離子漏斗。與層疊環(huán)電極結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式相似，離子漏斗在相鄰的電極上施加反相射頻電壓。除此之外，整個(gè)軸向上還疊加了直流梯度電壓，為離子的傳輸提供額外的軸向動(dòng)能。運(yùn)用層疊環(huán)電極結(jié)構(gòu)內(nèi)部有效電勢(shì)V*的空間分布理論，探索離子漏斗內(nèi)部的有效電勢(shì)值，徑向和軸向分布如圖2所示[12]，再結(jié)合圖3離子光學(xué)程序SIMION模擬離子在漏斗中的飛行軌跡[8]，成功揭示了離子漏斗的傳輸與聚焦原理：隨著電極內(nèi)徑遞減，射頻電壓形成的有效電勢(shì)值遞增，進(jìn)而對(duì)離子的徑向束縛能力增強(qiáng)，逐步將離子聚集在漏斗的中心軸線上，藉由直流電勢(shì)梯度向漏斗出口處傳輸。

圖2 離子漏斗內(nèi)部有效電勢(shì)分布[12]Fig.2 Effective potential distribution in ion funnel[12]

圖3 使用SIMION程序模擬的離子在漏斗中的飛行軌跡[8]Fig.3 Ion trajectory simulations conducted using SIMION for a ion funnel model[8]

模擬研究與實(shí)驗(yàn)測(cè)試均證實(shí)，離子漏斗具有出色的傳輸與聚焦性能，但也存在射頻傳輸不可避免的質(zhì)量歧視問題。為了弱化離子漏斗對(duì)傳輸離子的質(zhì)量歧視，并進(jìn)一步指導(dǎo)其設(shè)計(jì)。Tolmachev等[12]在概述文獻(xiàn)[8,10,11,22,23,33]實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下，通過與模擬仿真對(duì)比，提出一個(gè)簡(jiǎn)化的理論模型，用于描述離子漏斗的特征，并在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了該理論模型的準(zhǔn)確性。首先，在自變量>>1時(shí)，對(duì)貝塞爾函數(shù)做如下近似計(jì)算：

(5)

然后，將計(jì)算結(jié)果代入公式(3)，可得到Vtrap/Vmax與ρ/δ之間的函數(shù)關(guān)系如下：

(6)

最后，以Vtrap/Vmax為因變量、ρ/δ為自變量，對(duì)公式(6)的單調(diào)性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，ρ>>δ=d/π時(shí)，該函數(shù)為減函數(shù)，即Vtrap/Vmax值隨ρ/δ值的增大而減小。一般情況下，Vtrap<

3 離子漏斗技術(shù)的裝置進(jìn)展

1997年，Shaffer等[8]發(fā)明的離子漏斗由28片環(huán)形電極組成，如圖4所示，電極內(nèi)徑從距入口處22.15 mm依次遞減至距出口處1.00 mm，電極片與絕緣陶瓷墊片的厚度均為1.59 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該離子漏斗代替原有的毛細(xì)管-漏勺結(jié)構(gòu)，使質(zhì)譜檢測(cè)靈敏度提高近一個(gè)量級(jí)，但也帶來嚴(yán)重的離子質(zhì)量歧視，傳輸離子質(zhì)量范圍較窄，m/z<750和m/z>1250的離子幾乎被完全截止。Lynn等[34]采用SIMION程序模擬研究指出，這種質(zhì)量歧視源于離子漏斗出口電極內(nèi)徑過小，低質(zhì)荷比離子容易被囚禁所導(dǎo)致。1999年，Shaffer等[11]對(duì)已有的離子漏斗做了相應(yīng)的改進(jìn)，整體擴(kuò)大了離子漏斗的內(nèi)徑，出口電極的孔徑從之前的1.00 mm擴(kuò)至2.04 mm，顯著減小了質(zhì)量歧視。在質(zhì)譜信號(hào)優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)所需射頻電壓的幅值與質(zhì)荷比呈線性關(guān)系[10]，因此，Shaffer等[11]將離子漏斗的工作模式由之前的射頻幅值固定改為射頻幅值掃描。通過此次調(diào)整，解決了離子漏斗的質(zhì)量歧視問題，獲得了與毛細(xì)管-漏勺結(jié)構(gòu)一致的傳輸離子質(zhì)量范圍，但射頻幅值掃描的工作模式只對(duì)個(gè)別質(zhì)量分析器受益，如四級(jí)桿或扇形磁場(chǎng)，而不適用于飛行時(shí)間、離子阱以及傅里葉變換離子回旋共振。

為了解決以上這些問題，2000年，Kim等[22，35]和Belov等[28]對(duì)離子漏斗的結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步改進(jìn)，如圖5所示。電極片與絕緣墊片的厚度調(diào)整為0.5mm，并增加電極數(shù)量至100片，其中前55片內(nèi)徑均為25.4 mm，后45片內(nèi)徑依次遞減至1.5 mm[22]、2.3 mm[35]或2.5 mm[28]不等。這一設(shè)計(jì)增加了一段內(nèi)徑相等的電極作為漂移管，同時(shí)也減緩了漏斗區(qū)電極片內(nèi)徑的遞減梯度，有利于改善離子漏斗內(nèi)部的氣壓分布，并提高傳輸離子的質(zhì)量上限。此外，不需要射頻幅值掃描離子漏斗即可獲得較寬的傳輸離子質(zhì)量范圍。該設(shè)計(jì)方案基本確定了離子漏斗裝置的結(jié)構(gòu)，并在ESI-MS中得以廣泛使用。此后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，離子漏斗相關(guān)的研究一直持續(xù)不斷，但裝置改進(jìn)方面的研究卻鮮有報(bào)道。

圖4 首款離子漏斗結(jié)構(gòu)示意圖[8]Fig.4 Schematic diagram of the first ion funnel[8]

圖5 典型離子漏斗結(jié)構(gòu)示意圖[22]Fig.5 Schematic diagram of a typical ion funnel[22]

2005年，Julian等[13]報(bào)道了一種新的設(shè)計(jì)思路，打破了之前的一些設(shè)計(jì)常識(shí)，闡明離子漏斗出口電極的孔徑不必要減小至極限流導(dǎo)值，可以根據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)擴(kuò)大，且反常識(shí)地增大離子漏斗相鄰極片之間的間隙。如圖6所示，這一新設(shè)計(jì)(出口電極孔徑7.9 mm，相鄰極片間隙5.1 mm，極片厚度0.51 mm)獲得較寬質(zhì)荷比離子的通過率，對(duì)75

圖6 大間隙、大口徑離子漏斗裝配體照片[13]
Fig.6 Photo of large gap and large diameter ion funnel assembly[13]

離子漏斗裝置技術(shù)在沉寂了近十年之后，隨著印刷電路板(PCB)工藝和3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展，進(jìn)入了一個(gè)前所未有的快速發(fā)展時(shí)期。2014年，Chaudhary等[36]報(bào)道了一種新型的離子漏斗裝置，如圖7所示。在一塊PCB基板的正面印制一系列環(huán)徑依次遞減的同心金屬圓環(huán)，充當(dāng)平面離子漏斗的電極，并在PCB基板的背面印刷有一個(gè)分壓電路，用于在相鄰的同心圓環(huán)上施加一個(gè)電勢(shì)梯度，將離子聚焦到中心傳輸孔。計(jì)算空間電勢(shì)分布和離子的飛行軌跡[37]證實(shí)平面離子漏斗對(duì)離子的傳輸效率可高達(dá)90%以上，幾乎不存在質(zhì)量歧視的問題。至此，離子漏斗的制作開始由傳統(tǒng)的機(jī)械加工向PCB工藝轉(zhuǎn)變。2015年，Agilent科技有限公司成功推出配置雙級(jí)離子漏斗技術(shù)的第四代三重串聯(lián)四極桿液質(zhì)聯(lián)用儀[38]。如圖8所示，該離子漏斗是由一系列中心帶有圓形通孔的方形PCB基板堆疊而成，通孔的直徑依次遞減，且在每塊PCB的通孔處都印刷有銅箔，擔(dān)任離子漏斗的電極。與Agilent公司的第三代商業(yè)化儀器相比，檢測(cè)靈敏度提高近十倍。

圖7 平面離子漏斗正面(A)和反面(B)照片[36]Fig.7 Front side (A) and back side (B) of a planar ionfunnel[36]

隨后，Tridas等[39]采用柔性PCB工藝，并結(jié)合3D打印技術(shù)進(jìn)一步升級(jí)了離子漏斗的加工與裝配。如圖9 所示，覆有銅箔和分壓電路的柔性電路板被卷入到3D打印好的漏斗型支架中制成離子漏斗。總之，采用PCB工藝制作離子漏斗，一方面巧妙地避開復(fù)雜的機(jī)械加工和裝配，降低了離子漏斗的制作成本，加快了其商業(yè)化應(yīng)用的步伐; 另一方面，離子漏斗自身相當(dāng)于一個(gè)容性負(fù)載，傳統(tǒng)的機(jī)械加工由近百片電極堆疊而成，負(fù)載的容抗值高達(dá)幾千pF，而基于PCB工藝制作出的離子漏斗由于相鄰電極之間的正對(duì)面積很小，負(fù)載的容值得以有效控制，僅有幾百pF，因此大大地簡(jiǎn)化了所需射頻驅(qū)動(dòng)電源的開發(fā)難度。

圖8 Agilent科技有限公司設(shè)計(jì)的離子漏斗[38]
Fig.8 Ion funnel designed by Agilent Technologies Inc[38]

圖9 基于柔性PCB和3D打印技術(shù)制作的離子漏斗[39]Fig.9 Ion funnel based on flexible printed circuit board (PCB)and 3D printing technology[39]

綜上所述，縱觀離子漏斗技術(shù)的演變，其整個(gè)發(fā)展過程大致可分為前后兩個(gè)階段。第一個(gè)階段主要是采取擴(kuò)大出口電極孔徑或減小相鄰電極間距這兩種策略增大離子漏斗裝置的ρ/δ值，以達(dá)到減小Vtrap/Vmax值, 提高其傳輸性能。如圖10所示，直到2000年，Belov等[28]設(shè)計(jì)的離子漏斗裝置Vtrap/Vmax值低至0.009，已無限趨近0。隨后，離子漏斗技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入到第二個(gè)階段，通過擴(kuò)大相鄰極片之間的間隙或減小相鄰極片之間的正對(duì)面積這兩種策略減小其固有電容值，從而便于電氣工程師開發(fā)出參數(shù)可調(diào)范圍更寬的射頻驅(qū)動(dòng)電源。滿足峰-峰值400～500 V的同時(shí)、頻率可高達(dá)106Hz，以此從電氣參數(shù)優(yōu)化方面入手改善離子漏斗的傳輸性能。

圖10 基于離子漏斗技術(shù)的裝置的研究進(jìn)展Fig.10 Progress of equipment based on funnel technology

4 離子漏斗的應(yīng)用進(jìn)展

相比于傳統(tǒng)的離子導(dǎo)向裝置(靜電透鏡和多極桿)，離子漏斗除了具有工作氣壓范圍廣、傳輸離子質(zhì)荷比范圍寬以及離子傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)之外，在離子的選擇、冷卻和囚禁方面也嶄露頭角。目前，離子漏斗與電噴霧電離源的匹配使用，與離子遷移譜的聯(lián)合使用，甚至與高靈敏質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜的結(jié)合使用，均取得了顯著的進(jìn)步。

4.1 離子漏斗應(yīng)用于電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)

電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)是20世紀(jì)80年代美國(guó)耶魯大學(xué)Fenn等[4]發(fā)明的一種非常實(shí)用、高效的軟電離質(zhì)譜技術(shù)。該技術(shù)成功應(yīng)用于蛋白質(zhì)等生物大分子的分析，為生命科學(xué)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，同時(shí)，F(xiàn)enn也因?yàn)椤鞍l(fā)明了可分析生物大分子的質(zhì)譜分析法”而獲得2002年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。ESI-MS具有較高的離子化效率，就蛋白質(zhì)而言接近100%，但質(zhì)量分析器探測(cè)到的離子流僅約為ESI工作電流的1‰，甚至更小。針對(duì)如此低效的離子傳輸，1997年Shaffer等[8]首次使用離子漏斗替代ESI-MS初級(jí)差分抽氣區(qū)的光學(xué)部件，出人意料地發(fā)現(xiàn)儀器的檢測(cè)靈敏度提高近1個(gè)量級(jí)，自此諸多質(zhì)譜學(xué)者便開始探索ESI-MS中離子漏斗技術(shù)的應(yīng)用。

圖11 配有離子漏斗傳輸?shù)腅SI-MS結(jié)構(gòu)示意圖[23]Fig.11 Schematic diagram of electrospray ionization-mass spectrometry (ESI-MS) with ion funnel transmission[23]

初步研究發(fā)現(xiàn)，噴霧會(huì)誘發(fā)不良的氣體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，造成離子漏斗內(nèi)部氣壓分布極其不均，出口處的壓力比漂移管實(shí)測(cè)壓力高2～3倍，因而在一定程度上加大了后級(jí)真空系統(tǒng)的負(fù)荷，同時(shí)也限制了本級(jí)真空系統(tǒng)的離子傳輸。為解決這個(gè)問題，Kim等[23]于2001年對(duì)ESI-MS進(jìn)行了如圖11所示的改進(jìn)，增加大氣壓接口處毛細(xì)管的數(shù)目，并在離子漏斗的中心軸線上安置噴射干擾極片。通過此次調(diào)整，ESI-MS的傳輸效率不僅提高了15%，而且降低了維持后級(jí)真空系統(tǒng)正常工作所需的泵抽速。隨后，Tang[40]和Tridas[41]等分別對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行電場(chǎng)仿真與多物理場(chǎng)仿真研究，從電勢(shì)和流速兩參量證實(shí)該噴射干擾極片存在的重要性。2007年，Page等[27]將改進(jìn)后的裝置安裝在Thermo公司的LTQ線性離子阱質(zhì)譜儀和LTQ-FT雜化質(zhì)譜儀上，得到了令人滿意的效果。

圖12 配有多級(jí)離子漏斗傳輸?shù)腅SI-MS結(jié)構(gòu)示意圖[42]Fig.12 Schematic diagram of ESI-MS equipped with tandem ion funnel transmission[42]

圖13 配有V型離子漏斗傳輸?shù)腅SI-MS結(jié)構(gòu)示意圖[45]Fig.13 Schematic diagram of ESI-MS equipped with a V-shape ion funnel transmission[45]

為了克服氣體動(dòng)力學(xué)的不良效應(yīng)影響，進(jìn)一步優(yōu)化和改善離子的傳輸，研究者還設(shè)計(jì)出多級(jí)離子漏斗傳輸[25,42～44]來平衡ESI-MS各級(jí)真空系統(tǒng)間的氣壓差，如圖12所示。除此之外，2015年，Deng等[45]首次報(bào)道了應(yīng)用于ESI-MS的V型離子漏斗，如圖13所示。與傳統(tǒng)的直線型結(jié)構(gòu)相比，V型結(jié)構(gòu)不但起到噴射干擾極片阻擋氣流的效果，還增加了液滴在離子漏斗中的停留時(shí)間，更有利于脫溶劑并增強(qiáng)ESI-MS的靈敏度和穩(wěn)定性。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，離子漏斗技術(shù)已廣泛應(yīng)用于ESI-MS及其一系列衍生電噴霧電離質(zhì)譜儀，如萃取電噴霧電離質(zhì)譜(EESI-MS)[46]、二次電噴霧電離質(zhì)譜(SESI-MS)[47,48]以及納米電噴霧電離質(zhì)譜(Nano-ESI-MS)[49]等，研究結(jié)果充分證明離子漏斗可使儀器的檢測(cè)靈敏度提高至少1個(gè)數(shù)量級(jí)，高者可達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí)。

4.2 離子漏斗應(yīng)用于離子遷移譜質(zhì)譜(IMS-MS)

離子遷移譜(IMS)是20世紀(jì)60年代末70年代初發(fā)展起來的一種痕量有機(jī)物氣相分析技術(shù)。出現(xiàn)之初，就有研究者使用可以提供離子質(zhì)量信息的四極桿對(duì)IMS分離后的離子進(jìn)行檢測(cè)和鑒定[50]。隨后扇形磁場(chǎng)[51]、傅里葉變換離子回旋共振[52]、飛行時(shí)間[53]等多種質(zhì)量分析器先后與大氣壓或低氣壓IMS成功實(shí)現(xiàn)聯(lián)用。離子遷移譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(IMS-MS)綜合了IMS分離獲取的離子結(jié)構(gòu)信息和MS檢測(cè)得到的離子質(zhì)量信息，已發(fā)展成為一種分析復(fù)雜基體混合物強(qiáng)有力的分析手段。但大氣壓遷移管IMS-MS的靈敏度偏低，而低氣壓時(shí)儀器分辨率又有限，導(dǎo)致IMS與MS的結(jié)合略顯雞肋。2001年，Wyttenbach等[54]首次在IMS-MS遷移管的前端引入離子漏斗，用于有效地捕獲和存儲(chǔ)離子。隨后，Baker等[55]在研究中發(fā)現(xiàn)，引入離子漏斗可以化解IMS與MS工作氣壓的沖突，在不犧牲MS檢測(cè)靈敏度的前提下，可以通過增大遷移管的工作氣壓，改善IMS-MS的分辨率。2005年，Tang等[56]在IMS-MS遷移管的前端和后端分別加入離子漏斗，初步研究表明，在不犧牲IMS-MS檢測(cè)靈敏度的前提下，改進(jìn)后的IMS-MS對(duì)單電荷離子的分辨能力提高到了100，接近理論極限值。值得注意的是，IMS-MS遷移管前端和后端所采用的離子漏斗具有明顯的結(jié)構(gòu)差異,遷移管后端主要使用傳統(tǒng)的直線型離子漏斗，而遷移管前端以沙漏型離子漏斗[55～57]或者離子漏斗阱[28,58,59]為主。

4.3 離子漏斗應(yīng)用于質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜(PTR-MS)

質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜(PTR-MS)是一種化學(xué)電離源質(zhì)譜技術(shù)，專門用于痕量揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)[60,61]，主要由電離源、漂移管、質(zhì)量分析器以及檢測(cè)系統(tǒng)四部分組成。VOCs進(jìn)入漂移管后與電離源產(chǎn)生的母體離子H3O+發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，被離子化為VOC·H+，隨后傳輸至質(zhì)量分析器進(jìn)行定性分析，并通過檢測(cè)H3O+和VOC·H+的信號(hào)強(qiáng)度定量VOCs的絕對(duì)濃度[62～64]。其中，漂移管內(nèi)發(fā)生分子離子反應(yīng)的理想氣壓為1～2 Torr，而質(zhì)量分析器的工作氣壓要求低于10-4Pa。為了同時(shí)滿足漂移管和質(zhì)量分析器的真空要求，漂移管出口處設(shè)有真空分級(jí)小孔，直徑約0.4 mm。通常H3O+和VOC·H+在漂移管中的飛行軌跡是發(fā)散的，僅有少許離子可以通過該小孔到達(dá)質(zhì)量分析器，大量的、潛在可用的離子信號(hào)被浪費(fèi)。

鑒于此，2012年，Barber等[29]首次在PTR-MS中加入離子漏斗替代原有的漂移管，充分利用離子漏斗出色的傳輸與聚焦能力，避免真空分級(jí)小孔處VOC·H+的損失。如表1所示，切換射頻或直流工作模式，對(duì)比離子漏斗與漂移管的性能。結(jié)果表明，離子漏斗明顯提高了VOC·H+的傳輸效率，配備離子漏斗PTR-MS的檢測(cè)靈敏度提高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。在Barber等[29]研究基礎(chǔ)上，2016年，González-Méndez等[65]為了彌補(bǔ)PTR-MS對(duì)未知物定性分析的不足，采用調(diào)高射頻電壓幅值的方法，誘導(dǎo)離子漏斗中H3O+、VOC·H+與背景氣體碰撞，進(jìn)而解離產(chǎn)生[VOCs-H2O]·H+、[VOCs+H2O]·H+以及[VOCs-NO2]·H+等碎片離子，以此改善PTR-MS對(duì)爆炸物定性分析的特異性。隨后，Brown等[66]通過SIMION模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試闡明PTR-MS靈敏度的提高不僅依賴于離子漏斗出色的傳輸與聚焦能力，還由于離子漏斗延長(zhǎng)了H3O+的飛行軌跡，進(jìn)而延長(zhǎng)VOCs和H3O+的反應(yīng)時(shí)間。

表1 配備漂移管或離子漏斗PTR-MS的靈敏度和檢出限對(duì)比[29]

Table 1 Comparison of sensitivities and limits of detection of several volatile organic compounds (VOCs) with drift tube or ion funnel[29]

Compound(m/z for MH+)Raw sensitivity (Hz/ppbv)dc moderf moderf/dcLOD (ppbv)dc moderf moderf/dcMethanol (33)1.8158612510546Acetaldehyde (45)4.8218454861613Trans-2-butene (57)0.738549303463Acetone (59)5.811622004453015Methacrolein (71)2.43871613512613Cyclohexanone (99)3.16862212711518β-Pinene (137)1.11641494251233

5 總結(jié)與展望

經(jīng)歷了二十余年的發(fā)展，離子漏斗技術(shù)的基本原理和裝置結(jié)構(gòu)已趨于成熟，并廣泛應(yīng)用于電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)、離子遷移譜質(zhì)譜(IMS-MS)以及質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜(PTR-MS)中。此外，在電感耦合等離子體質(zhì)譜[67]以及大氣壓光致電離質(zhì)譜[68,69]等分析儀器中的應(yīng)用也已有報(bào)道。較高的氣壓背景下，在高效實(shí)現(xiàn)離子的捕獲、傳輸以及聚焦方面，離子漏斗展現(xiàn)出巨大的潛力，顯著提高了質(zhì)譜儀器的檢測(cè)靈敏度。隨著離子漏斗技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它將在更多質(zhì)譜儀器中發(fā)揮重要的作用。

與傳統(tǒng)的離子導(dǎo)向裝置相比，盡管離子漏斗具有更高的傳輸效率、更寬的工作氣壓范圍，但該技術(shù)在某些方面仍需進(jìn)一步改進(jìn)，如降低離子漏斗的制作成本，特別是在不降低加工和裝配精度的前提下降低離子漏斗的制作成本，將是其商業(yè)化應(yīng)用必須面對(duì)的一個(gè)問題。另外，離子漏斗的固有電容值偏大(102～103pF)，而多極桿的固有電容值僅有幾十pF，因此如何降低離子漏斗的固有電容值，從而簡(jiǎn)化所需射頻驅(qū)動(dòng)電源的開發(fā)難度，是離子漏斗未來技術(shù)研究的一個(gè)重要方面。