用于小分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)彎型無損離子操縱結(jié)構(gòu)的研究

關(guān)鍵詞 無損離子操縱結(jié)構(gòu)；行波結(jié)構(gòu)；離子遷移譜；小分子

離子遷移譜技術(shù)（Ion mobility spectrometry， IMS）是指在電場(chǎng)和支持氣體環(huán)境中，根據(jù)物質(zhì)群（定義為氣態(tài)離子團(tuán)）的速度表征物質(zhì)的技術(shù)，是復(fù)雜化學(xué)分析中強(qiáng)大的分離手段[1-3]。離子遷移譜的性能受多種因素影響，其中遷移管尤為重要[4-5]。為了提高離子遷移譜的分辨率，可以加長遷移管的長度或者提高電場(chǎng)強(qiáng)度，但傳統(tǒng)遷移管受其結(jié)構(gòu)與成本的限制，這些改進(jìn)都將帶來較大的挑戰(zhàn)。為增加離子遷移路徑以及傳輸效率， Webb 等[6-7]于2014 年提出了無損離子操縱結(jié)構(gòu)（Structures for lossless ion manipulations，SLIM）。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)的不同， SLIM 分為直流（Direct current， DC）電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的DC-SLIM[6，8]以及行波（Travelling wave， TW）驅(qū)動(dòng)的TW-SLIM[7，9-10]。其中， DC-SLIM 的直流驅(qū)動(dòng)電壓隨著SLIM 長度的增加而升高，限制了遷移長度的進(jìn)一步增加；TW-SLIM 的驅(qū)動(dòng)電壓為行波，增加SLIM 的長度并不需要提高行波的電壓強(qiáng)度，并且射頻電極與行波電極方向平行地間隔分布，保證了射頻/行波隔離，具有簡單且高效的離子束縛性，應(yīng)用價(jià)值更高。

目前，行波無損離子操縱結(jié)構(gòu)的研究多集中在與質(zhì)譜聯(lián)用方面，通過開關(guān)、轉(zhuǎn)彎[11]和多層離子電梯結(jié)構(gòu)[12-14]實(shí)現(xiàn)離子多通道傳輸[15-17]，有效延長離子遷移路徑。通過不同的結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)，能夠?qū)Υ蠓肿游镔|(zhì)進(jìn)行高效捕獲、積累及釋放，并通過無損傳輸實(shí)現(xiàn)超高分辨率分析。現(xiàn)有研究主要聚焦于蛋白質(zhì)等大分子的同分異構(gòu)體的分離和檢測(cè)[18-25]，對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量低于200 amu 的小分子物質(zhì)關(guān)注較少，未見對(duì)其在TW-SLIM 中的傳輸性能進(jìn)行探究的報(bào)道。

TW-SLIM 的優(yōu)勢(shì)之一是其長度在理論上可以無限增加， 90°轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠使SLIM 遷移長度在二維平面上有效擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)超長遷移路徑，對(duì)提高遷移譜分辨率具有重要意義。本研究通過仿真及實(shí)驗(yàn)首次探究了小分子物質(zhì)在TW-SLIM 轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)中的傳輸性能。通過COMSOL 軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真，分析小分子物質(zhì)在TW-SLIM 中的傳輸條件，并在實(shí)驗(yàn)室自制的TW-SLIM 遷移譜平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。探究了不同束縛電場(chǎng)因素對(duì)小分子物質(zhì)在TW-SLIM 轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)中傳輸效率的影響，獲得了無損傳輸?shù)淖顑?yōu)值范圍。本研究為基于TW-SLIM 的遷移譜儀檢測(cè)毒品和爆炸物的研究提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 TW-SLIM仿真實(shí)驗(yàn)

采用COMSOL Multiphysic軟件對(duì)TW-SLIM中的電場(chǎng)分布及帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真，探究小分子物質(zhì)無損傳輸?shù)碾妷簵l件。COMSOL是一款多物理場(chǎng)仿真軟件，利用有限元法求解偏微分方程（組），實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象仿真。相比于其它粒子軌跡仿真軟件（如Axsim、SIMION和ISIS）， COMSOL 的操作界面更加簡潔，對(duì)簡單結(jié)構(gòu)的計(jì)算精度較高[26]。因此，本研究選擇COMSOL 軟件進(jìn)行仿真。

圖1A所示為由兩組平行電極板組成的90°轉(zhuǎn)彎TW-LIM 的三維仿真模型。每組電極板的電極分布如圖1B所示，包含位于中間的平行的6 組射頻電極和5 組行波電極，以及位于兩側(cè)的2 組保護(hù)（Guard）電極，各電極尺寸參數(shù)詳見表1。由于仿真軟件限制，為減少仿真時(shí)間及所需存儲(chǔ)空間，設(shè)置總遷移長度為32 mm。

在TW-SLIM 上施加的電壓包括驅(qū)動(dòng)離子運(yùn)動(dòng)的行波電壓、束縛離子的射頻電壓和直流偏置電壓，直流偏置電壓施加在兩側(cè)保護(hù)電極上，形成從兩側(cè)到中心的電場(chǎng)，避免離子運(yùn)動(dòng)到兩側(cè)；射頻電場(chǎng)將離子束縛在上下極板之間，避免其打到上下極板而造成損失。

仿真使用相對(duì)分子質(zhì)量為124amu的正離子，設(shè)置總釋放數(shù)為100，記錄傳輸至終點(diǎn)處的粒子數(shù)量，傳輸效率為終點(diǎn)處粒子數(shù)與總釋放數(shù)的比值。行波電壓設(shè)置為18V，頻率為10 kHz，分別探究保護(hù)電場(chǎng)、射頻電場(chǎng)對(duì)小分子離子傳輸效率的影響。當(dāng)射頻電壓信號(hào)頻率為1.0 MHz、峰-峰值為320V時(shí)，TW-SLIM 傳輸效率隨保護(hù)電極電壓值（U_Guard）的變化情況見圖2A。結(jié)果表明，隨著U_Guard值增加，離子傳輸效率先增大后減小，當(dāng)U_Guard=6V時(shí)，傳輸效率最大。設(shè)置U_Guard=6V，測(cè)試射頻電壓幅值及峰-峰值對(duì)離子傳輸效率的影響，如圖2B 與2C 所示，離子傳輸效率隨著射頻電壓峰-峰值和頻率的增加而增大，當(dāng)射頻電壓峰-峰值為440 V、頻率為1.5 MHz時(shí)，傳輸效率達(dá)到100%。

根據(jù)以上的仿真結(jié)果配置電壓參數(shù)，設(shè)置行波電壓為18 V，頻率為10 kHz；設(shè)置保護(hù)電極電壓幅值為6V，射頻電壓峰-峰值設(shè)置為440 V，頻率設(shè)置為1.5 MHz。分別探究相對(duì)分子質(zhì)量為75、100、150、175和200amu 的粒子在轉(zhuǎn)彎TW-SLIM中的離子傳輸效率。仿真結(jié)果如圖2D 所示，以上不同離子均能在TW-SLIM 中達(dá)到100%的傳輸效率，離子運(yùn)動(dòng)軌跡仿真如圖3 所示。結(jié)果表明，相對(duì)分子質(zhì)量在200 amu以內(nèi)的小分子物質(zhì)可以在TW-SLIM轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)無損傳輸。

1.2 儀器測(cè)試平臺(tái)及試劑

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括電暈針電離源、毛細(xì)管、連續(xù)進(jìn)樣裝置、離子漏斗、TW-SLIM 漂移管和法拉第杯。本平臺(tái)采用連續(xù)進(jìn)樣系統(tǒng)，通過對(duì)待測(cè)樣品加熱蒸發(fā)后，并利用氣泵抽出。進(jìn)樣產(chǎn)生裝置（圖4）主要包括樣品氣體的產(chǎn)生裝置和電暈針電離源（實(shí)驗(yàn)室自制）2個(gè)部分，其中，樣品氣體的產(chǎn)生裝置包括氣體存儲(chǔ)腔體、氣泵、分子篩和存儲(chǔ)樣品的滲透管。通過加熱裝有樣品的滲透管使樣品揮發(fā)，在氣泵的帶動(dòng)下，隨著氣流進(jìn)入氣體存儲(chǔ)腔體。

在氣體存儲(chǔ)腔中，樣品被電離，然后通過不銹鋼毛細(xì)管進(jìn)入真空腔體，在自制的離子漏斗處聚焦，再進(jìn)入TW-SLIM 漂移管區(qū)，真空腔實(shí)驗(yàn)裝置如圖5A 所示。TW-SLIM 漂移管采用印刷電路板制成（圖5B），離子路徑為90°轉(zhuǎn)彎型，總遷移長度170 mm，電極尺寸及分布與仿真條件一致。射頻電極、行波電極的電壓信號(hào)分別由實(shí)驗(yàn)室自制射頻電源和行波脈沖電源提供。離子流經(jīng)漂移管后，電流信號(hào)通過出口處自制的法拉第杯接收，經(jīng)電流放大器將微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并進(jìn)行放大后，采用普源示波器（MSO5204）采集波形數(shù)據(jù)。

為了便于測(cè)試，樣品采用易揮發(fā)的甲基膦酸二甲酯溶液（DMMP，分析純，麥克林生化科技有限公司），分子式為C₃H₉O₃P，相對(duì)分子質(zhì)量為124 amu。TW-SLIM測(cè)試時(shí)的主要工作參數(shù)見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 保護(hù)電極電壓對(duì)離子傳輸效率的影響

實(shí)驗(yàn)中，法拉第杯連接微流放大器的放大倍數(shù)為10⁸倍，測(cè)量離子漏斗后即TW-SLIM漂移管前的總離子流為20 pA，傳輸效率為TW-SLIM 漂移管后的離子流與總離子流的比值。設(shè)置射頻電壓峰-峰值為200V、頻率為1.0MHz，考察了保護(hù)電極電壓幅值對(duì)離子傳輸效率的影響（圖6）。隨著保護(hù)電極電壓幅值增加，離子傳輸效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最優(yōu)值為V_Guard=5V，此時(shí)離子傳輸效率達(dá)到43%。

2.2 射頻電極電壓對(duì)離子傳輸效率的影響

將保護(hù)電極電壓設(shè)置為5 V，探究射頻電壓對(duì)離子傳輸效率的影響。將射頻電壓信號(hào)頻率設(shè)定為1.0 MHz，改變射頻電壓峰-峰值，觀察離子傳輸效率的變化。如圖7A 所示，隨著射頻電壓峰-峰值增加，離子傳輸效率逐漸增大。設(shè)置U_RFp-p為440V，考察離子傳輸效率隨射頻電壓信號(hào)頻率增加的變化趨勢(shì)。結(jié)果如圖7B 所示，隨著信號(hào)頻率增加，離子傳輸效率持續(xù)增大，當(dāng)f_RF=1.5 MHz 時(shí)，離子傳輸效率達(dá)到最大（100%）。

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可見離子傳輸效率受保護(hù)電極電壓、射頻電壓頻率及峰-峰值的影響趨勢(shì)一致，但具體數(shù)值存在差異。這主要是由于仿真實(shí)驗(yàn)的離子傳輸路徑較短（32 mm），環(huán)境條件理想，離子的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)簡單；實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的離子傳輸路徑長（170 mm），環(huán)境復(fù)雜，存在干擾因素，如電磁干擾、氣壓波動(dòng)等。

仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在TW-SLIM 轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)中，小分子物質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)無損傳輸。將本研究與以往TW-SLIM 的相關(guān)研究的部分參數(shù)進(jìn)行比較，由表3 可見，本研究首次實(shí)現(xiàn)了相對(duì)分子質(zhì)量小于200 amu的小分子物質(zhì)在TW-SLIM 中的無損傳輸。與大分子物質(zhì)傳輸?shù)氖`電場(chǎng)條件相比，小分子物質(zhì)傳輸時(shí)，保護(hù)電極實(shí)現(xiàn)有效傳輸所需的電壓值低（5～7 V）；RF 電極需要更高的電壓峰-峰值及頻率才能實(shí)現(xiàn)較好的束縛效果，當(dāng)電壓峰-峰值達(dá)到440 V、頻率達(dá)到1.5 MHz 時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)無損傳輸。

3 結(jié)論

針對(duì)小分子物質(zhì)在TW-SLIM 傳輸性能研究較少的情況，采用COMSOL 軟件進(jìn)行仿真，探究了保護(hù)電場(chǎng)和射頻電場(chǎng)對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量小于200 amu的小分子物質(zhì)在TW-SLIM 轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)中傳輸性能的影響，并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)保護(hù)電極電壓幅值為5 V、射頻電極電壓峰-峰值為440 V、頻率為1.5 MHz 時(shí)，小分子物質(zhì)的離子傳輸效率達(dá)到最高（100%），實(shí)現(xiàn)了無損傳輸。與大分子物質(zhì)在TW-SLIM 中進(jìn)行無損傳輸?shù)臈l件相比，小分子物質(zhì)對(duì)射頻束縛電場(chǎng)的要求更高，進(jìn)一步提高了對(duì)射頻源的要求。本研究結(jié)果為TW-SLIM 轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)中的小分子離子傳輸機(jī)制研究提供了重要參考，為在二維平面上增加離子遷移路徑奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)用于毒品、爆炸物等物質(zhì)的遷移譜儀器的研發(fā)具有重要意義。