基于三重四極桿串聯(lián)線性離子阱質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)分析的故障解決方案

杜智洋 陳楚群 郭向輝

質(zhì)譜分析儀的工作原理是將樣品通過進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)入離子源，由于結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同而電離為各種不同質(zhì)荷比(m/z)的分子離子和碎片離子，而后帶有樣品信息的離子被加速進(jìn)入質(zhì)量分析器，不同的離子在質(zhì)量分析器中被分離，并根據(jù)帶電粒子在電場(chǎng)中能夠偏轉(zhuǎn)的原理，按質(zhì)荷比大小依次抵達(dá)檢測(cè)器，經(jīng)記錄即得到按不同質(zhì)荷比排列的離子質(zhì)量譜，即按離子質(zhì)荷比的大小依次排列形成的圖譜。串聯(lián)質(zhì)譜儀具有快速、靈敏、特異以及化學(xué)計(jì)量的獨(dú)到之處，可對(duì)化合物的結(jié)構(gòu)定性、對(duì)混合物的成分定量。串聯(lián)質(zhì)譜儀不僅能夠分析小分子，也可分析蛋白質(zhì)等大分子，其應(yīng)用廣泛，目前主要進(jìn)行氨基酸類代謝病、脂肪類代謝病和有機(jī)酸類代謝病等新生兒遺傳代謝病篩查[1]。

1 三重四極桿串聯(lián)線性離子阱質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)與原理

API3200MD三重四極桿串聯(lián)線性離子阱質(zhì)譜儀(美國(guó)AB SCIEX公司)主機(jī)由Turbo V離子源、三重四極桿串聯(lián)線性離子阱、分析器、分子泵、檢測(cè)器、控制和處理電路板、整機(jī)供電以及分子泵驅(qū)動(dòng)器組成(圖1)。通過LC系統(tǒng)優(yōu)化離子源和化合物參數(shù)，提供精確低流速的(2～1000 μl/min)進(jìn)樣。進(jìn)樣到達(dá)主機(jī)Turbo V離子源加熱至750 ℃，在電暈針作用下被非均勻破裂，當(dāng)破裂液滴在半徑≤10 nm時(shí)，電荷量積累互排斥產(chǎn)生庫倫爆炸，使得進(jìn)樣液滴脫離出氣相離子，傳輸至質(zhì)量分析器中進(jìn)行篩選和分析(圖2)。

圖1 API3200MD 三重四極桿串聯(lián)線性離子阱質(zhì)譜儀系統(tǒng)

圖2 API3200MD三重四極桿串聯(lián)線性離子阱質(zhì)譜儀工作流程

質(zhì)量分析器主要由離子傳輸、串聯(lián)線性三重四極桿、探測(cè)器和分子泵組成。在質(zhì)量分析器中，氣相離子到達(dá)一級(jí)四極桿Q1時(shí)，可通過調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)不同質(zhì)荷比離子進(jìn)行篩選，以此可將不需要的氣相離子過濾。到達(dá)LINAC線性加速碰撞室Q2后，通過高氣壓使離子連續(xù)加速，由Q3內(nèi)四極桿擺放位置而形成梯度電場(chǎng)，使快速通過的離子形成螺旋前進(jìn)軌跡，最終由檢測(cè)器捕獲離子進(jìn)行檢測(cè)。由于不同質(zhì)荷比，不同的離子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的線路會(huì)有差異，到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間也不同，形成不同質(zhì)荷比的到達(dá)時(shí)間差異測(cè)定圖譜，質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)

2 故障案例分析

2.1 故障一

(1)故障現(xiàn)象。探測(cè)樣品所得數(shù)據(jù)值明顯偏低，使用質(zhì)控品再次測(cè)量仍未能得出有效質(zhì)譜。

(2)故障分析。樣品經(jīng)LC系統(tǒng)優(yōu)化后，使用針泵提供準(zhǔn)確流速到離子源進(jìn)行離子化，在離子源中，樣品被噴霧到加熱室中，使用加熱輔助氣，保證高流速。加熱到750 ℃后的樣品通過高壓的電噴霧針噴射出帶電荷的液滴，在電暈針幫助下使化合物在氣相中離子化，最終使化合物演變成氣態(tài)離子進(jìn)入質(zhì)量分析器。根據(jù)故障現(xiàn)象可推斷為實(shí)際檢測(cè)到的樣品量不足，可能由于進(jìn)樣針、LC系統(tǒng)(內(nèi)部管路)以及離子源堵塞所造成。

(3)故障處理。使用甲醇對(duì)進(jìn)樣針、LC系統(tǒng)(內(nèi)部管路)以及離子源進(jìn)行清潔，其中進(jìn)樣針需要超聲清洗。離子源在拆卸后發(fā)現(xiàn)離子傳輸孔有焦化物堵塞，需甲醇清洗通孔。由于樣品中加熱到750 ℃就會(huì)有結(jié)焦物質(zhì)，因此需要定期清潔設(shè)備內(nèi)部的針、管路以及離子源等。清潔后安裝使用，經(jīng)質(zhì)控品測(cè)試，可正常得出質(zhì)譜，故障排除。

2.2 故障二

(1)故障現(xiàn)象。開機(jī)“READY”燈不亮，四極桿串聯(lián)離子阱負(fù)壓未達(dá)到工作要求，無法啟動(dòng)。

(2)故障分析。由于三重四極桿串聯(lián)線性離子阱使用分子泵作為潔凈抽真空，分子泵的后級(jí)則由常規(guī)負(fù)壓泵進(jìn)行抽真空。分子泵利用高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉輪將動(dòng)量傳給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流速而抽氣的真空泵。渦輪分子泵優(yōu)點(diǎn)：①啟動(dòng)快，循環(huán)的時(shí)間短，可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作；②能使用各種射線照射，耐大氣沖擊；③無氣體存儲(chǔ)、返流和解吸效應(yīng)，油蒸氣無污染或污染較少，能獲得清潔超高真空；④使用方便，無需要閥門、管道、阱、以及閥門控制器等真空元件。但對(duì)沉積物敏感的缺點(diǎn)，會(huì)影響葉片和軸承不平衡而造成磨損，所以其后級(jí)需要連接常規(guī)負(fù)壓泵進(jìn)行抽真空。

由于四極桿串聯(lián)離子阱負(fù)壓沒未達(dá)到工作要求，則需要檢查2個(gè)泵是否正常工作。檢查發(fā)現(xiàn)分子泵未啟動(dòng)工作，驅(qū)動(dòng)變頻器PWR黃燈未亮，檢查其供電電源與驅(qū)動(dòng)變頻器。測(cè)量供電電源時(shí)發(fā)現(xiàn)24 Vdc引腳只輸出4 Vdc，斷開驅(qū)動(dòng)變頻器后供電電源空載輸出24 Vdc。由于該電源輸出負(fù)載電流可達(dá)14.6 A，使用24 V 150 W小燈泡和電流表測(cè)試其負(fù)載，小燈泡可正常亮起，電壓穩(wěn)定24 Vdc、6 A輸出。接電開機(jī)后，該24 Vdc開關(guān)電源一直工作，分子泵是否啟動(dòng)工作由主板信號(hào)控制，因此懷疑驅(qū)動(dòng)變頻器故障。

(3)故障處理。該驅(qū)動(dòng)變頻器型號(hào)為L(zhǎng)EYBOLD TD300(德國(guó)Oerlikon公司)，其參數(shù)為0～24 V，160 W，0～1500 Hz。經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)該變頻器內(nèi)部輸入初級(jí)濾波電容鼓起變形，更換電容后接電試機(jī)，“PWR”黃燈正常亮起，接收到抽真空信號(hào)后“STS”綠燈亮起，質(zhì)量分析器開始抽真空，當(dāng)負(fù)壓達(dá)到設(shè)備要求后，主機(jī)的“STADY”燈亮起，可開始正常工作，故障排除。

2.3 故障三

(1)故障現(xiàn)象。工作時(shí)顯示的質(zhì)譜只有一條“0”直線。

(2)故障分析。導(dǎo)致此故障現(xiàn)象為質(zhì)量分析器中無高壓產(chǎn)生或探測(cè)器故障。質(zhì)量分析器中高壓產(chǎn)生板無高壓輸出，導(dǎo)致氣相離子未能被吸引到離子傳輸路徑，從而無離子進(jìn)入三重四極桿，而氣相離子需要經(jīng)過質(zhì)量分析器后才能到達(dá)探測(cè)器，因此需要明確高壓產(chǎn)生板HVPS板工作是否正常。

(3)故障處理。經(jīng)檢測(cè)高壓產(chǎn)生板在輸入24 Vdc正常情況下無高壓輸出，同時(shí)該高壓輸出線絕緣良好，因此判斷為該高壓產(chǎn)生板故障。該高壓產(chǎn)生板輸入24 Vdc后經(jīng)LM340T15穩(wěn)壓15 Vdc輸出到各電路工作，高壓產(chǎn)生部分采用三路相同的震蕩高壓電路，由MC34072AP震蕩信號(hào)產(chǎn)生后，經(jīng)過BA11三極管功率驅(qū)動(dòng)使得變壓器工作，再由多組二極管和電容進(jìn)行升壓進(jìn)而產(chǎn)生高壓輸出。當(dāng)板上探測(cè)高壓產(chǎn)生正常后，閉合繼電器進(jìn)行外部輸出，由于產(chǎn)生高壓僅用于氣相離子在真空中的吸引，所以功率負(fù)載低。經(jīng)檢查L(zhǎng)M340T15輸出異常，更換后高壓產(chǎn)生板高壓工作輸出正常，故障排除。

3 小結(jié)

質(zhì)譜是一種測(cè)量離子荷質(zhì)比(電荷-質(zhì)量比)的分析方法，可用來分析同位素成分、有機(jī)物構(gòu)造及元素成分等。質(zhì)譜法在一次分析中可提供豐富的結(jié)構(gòu)信息，將分離技術(shù)與質(zhì)譜法相結(jié)合是分離科學(xué)方法中的一項(xiàng)突破性進(jìn)展。在眾多分析測(cè)試方法中，質(zhì)譜法被認(rèn)為是一種同時(shí)具備高特異性和高靈敏度且得到廣泛應(yīng)用的普適性方法，在高分子化學(xué)、有機(jī)化學(xué)及藥學(xué)等領(lǐng)域中顯示出獨(dú)特潛力和應(yīng)用前景，已成為廣大科技工作者研究分析大分子質(zhì)量、純度及結(jié)構(gòu)的理想工具。

隨著質(zhì)譜儀的使用推廣，臨床工程技術(shù)人員綜合分析故障現(xiàn)象和總結(jié)維修方法，保障測(cè)量的精準(zhǔn)度，降低故障的發(fā)生率，以保證設(shè)備良好運(yùn)行。