English

• 1.   引 言

  质谱分析不仅是目前化学领域最主要的分析方法之一,同时也被广泛应用于生命科学、环境监测、食品安全等领域。特别是质谱与色谱、毛细管电泳等分离技术的联用,使质谱成为蛋白质组学、代谢组学分析的重要工具^[1~6]。

  质谱仪器的核心部件是质量分析器,离子阱作为质谱质量分析器的一种,具有结构简单、对真空度要求低、串级质谱分析等特点。文献研究结果表明,离子阱质量分析器的性能主要取决于离子束缚区域的电场分布,而电场分布又很大程度上取决于电极的几何形状^[7~10]。三维以及传统的线型离子阱都是由双曲面电极构成的,其加工难度和组装难度大。近年发展起来的几种简化电极的离子阱^[11~15],由于其内部电场分布包含了多种成分的高阶场,使得其质谱性能,尤其是质量分辨能力有限。可通过在电极上施加分压优化PCB离子阱电场分布^[11],但主要还是通过改变离子阱的几何结构实现内部电场的优化。离子阱的几何形状包括电极几何形状、组装精度等,这些因素都会影响电场分布,从而影响离子阱的性能。

  Cooks等结合了圆柱形离子阱的简单结构和线性离子阱的二维结构这两个特点,发明了矩形离子阱^[12~15]。矩形离子阱是将双曲面电极简化为了平板电极结构,大大简化了线形离子阱的结构,但是过于简单的结构也导致阱内的电场成分较为复杂,离子引入小孔和离子引出槽均会增加阱内的高阶场成分。后来,其他研究者进一步在矩形离子阱的基础上又发展了不对称弧面电极离子阱^[16]、半圆电极离子阱^[17]、三角形电极离子阱^{[18, 19]}。其中三角形电极是一种相比于矩形离子阱更接近于双曲面的电极结构,在电极简化的同时尽可能的减少了高阶场成分的引入,以减少高阶场成分的引入可能引起的离子阱质量分辨能力降低。

  显然,由于矩形离子阱的几何结构太简单,因此也无法通过改变其电极形状对离子阱内的电场分布进行细致的优化。本研究提出了一种几何结构简单,又可调节离子阱内电场分布的离子阱-阶梯电极离子阱(Ladder electrode linear ion trap,LeLIT)。阶梯电极可以看作是由二层或多层矩形电极叠加所组成,因此它在几何结构上比矩形阱平板电极更接近三角形电极和双曲面电极。可以想象,由多个阶梯形成的多级阶梯电极,最终可以获得近似的双曲面电极,从而可以获得更好的质谱分析性能。本研究初步设计了一级阶梯结构离子阱,通过理论模拟调整阶梯电极的宽度、高度以及场半径比例,可以获得优化结构的阶梯离子阱,它可以在225 Da/s扫速下获得超过10000的质量分辨率。在相同的模拟条件下,阶梯电极离子阱的分辨能力相比矩形离子阱有了很大的提高,初步加工的阶梯电极离子阱实验结果也表明了阶梯电极离子阱具有较好的串级质谱分析性能。

  2.   理论模拟计算

  2.1.   阶梯电极离子阱的几何结构模型

  本工作所设计的阶梯电极离子阱的截面结构示意图如图 1所示,其阶梯电极分为上下二层,a_x,a_y分别为阶梯电极较宽一层电极的宽度,a_x=a_y=10 mm。h_1x,h_1y,h_2x,h_2y分别为上下二层阶梯电极的高度。b_x,b_y分别为阶梯电极较窄一层电极的宽度,在理论模拟中,通过调节b_x,b_y等参数来实现优化电场分布。每个电极上都有一个漏斗形的离子引出狭缝,离子引出狭缝朝向离子阱内部一端的宽度为0.8 mm,X₀、Y₀为阶梯电极离子阱内部的电场分布矩形空间的尺寸,Y₀=5 mm。因此,可以通过改变X₀的大小实现场半径比例的变化。在理论模拟中,为简化模拟过程和时间,对几何结构参数进行了简化,使得可调节的几何参数仅包括X₀、阶梯电极高度h=h_1x=h_1y和宽度b=b_x=b_y。

  图 1

  

  图 1  阶梯电极离子阱的几何结构截面示意图

  Figure 1.  Schematic diagram of cross section and geometry of the ladder electrode linear ion trap

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  2.2.   阶梯电极离子阱质量分辨能力与阶梯电极的宽度、高度、场半径比例的关系

  理论模拟中,通过调整几何参数来获得阶梯电极离子阱的优化结构,从而来考察阶梯电极离子阱质量分析器的性能。首先利用Simion模拟软件^{[20, 21]}获得不同几何参数阶梯电极离子阱的内部电场分布情况,结果见表 1。

  表 1

  

  表 1  不同几何参数阶梯电极离子阱的多级场成分

  Table 1.  Multipole expansion coefficients for different LeLIT geometries

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  Geometry (mm)	A2	A4 (%,A4/A2)	A6 (%,A6/A2)	A8 (%,A8/A2)	A10 (%,A10/A2)
  X0/Y0=6/5,b/a=2/10,h1=0.5	0.8107	0.0321(3.97)	-0.0135(-1.669)	-0.0070(-0.865)	0.0053(0.65)
  X0/Y0=6/5,b/a=6/10,h1=0.5	0.8678	0.0478(5.51)	-0.05223(-6.024)	0.0037(0.42)	-0.0034 (-0.39)
  X0/Y0=6/5,b/a=8/10,h1= 2	0.8767	0.0512(5.84)	-0.0630(-7.19)	0.00027(0.03)	0.0022(0.25)
  X0/Y0=6/5,b/a=4/10,h1=1.5	0.8347	0.0050(0.6)	-0.0083(-0.99)	0.0134(1.6)	-0.0177(-2.12)
  X0/Y0=7/5,b/a=4/10,h1=1.5	0.6822	0.0019(0.28)	-0.0060(-0.886)	0.0132(1.94)	-0.0127(-1.86)
  X0/Y0=8/5,b/a=4/10,h1=1.5	0.5644	-0.0005(-0.087)	-0.0055(-0.97)	0.0112(1.99)	-0.0102(-1.81)
  X0/Y0=9/5,b/a=4/10,h1=1.5	0.4746	-0.0024(-0.51)	-0.0052(-1.1)	0.0095(2.0)	-0.0086(-1.81)
  X0/Y0=10/5,b/a=4/10,h1=1.5	0.4064	-0.0038(-0.95)	-0.0051(-1.25)	0.0083(2.03)	-0.0074(-1.82)
  X0/Y0=11/5,b/a=4/10,h1=1.5	0.3531	-0.0046(-1.31)	-0.0048(-1.36)	0.0072(2.05)	-0.0065(-1.83)

  在此基础上,利用Axsim软件模拟阶梯电极离子阱内离子运动状况,获得质量分辨能力与几何参数的关系。模拟过程所用的碰撞气为氦气,气压为0.0080 Pa,使用的气体碰撞模型为硬球碰撞模型,模拟中所用的是质荷比为609,610和611的离子,离子是以共振激发方式弹出。离子阱工作电压采用的是余弦波射频信号,其中RF射频的频率为768 kHz,AC信号的频率选择RF的三分频,即: 768 kHz/3=256 kHz。在模拟过程中,可以通过调节AC的电压值和微调AC频率获得较好的离子出射效率。所有模拟结果对应的基本模拟条件都相同,对每个不同几何参数的阶梯离子阱上所加载的共振激发信号的幅值做了一些优化,以使其达到最佳的质量分辨率。

  离子阱的几何结构直接决定了阱中的电场分布。在众多几何结构参数中,场半径比例(X₀/Y₀) 一直是主要因素之一。本工作中,在固定X₀/Y₀=6∶5条件下,首先考察了阶梯电极高度以及宽度对质量分辨的影响。可以看到阶梯电极离子阱模拟分辨率与阶梯电极高度(h₁=0.5,1.0,1.5,2.0 mm)的变化关系,如图 2所示。对于阶梯宽度b分别为2和6 mm的结构,阶梯电极离子阱的分辨率都是随着阶梯电极高度的递增而下降; b=8 mm的阶梯电极离子阱的分辨率随阶梯电极高度的递增有很小的上升波动; b=4 mm的阶梯电极离子阱的分辨率先上升后下降。通过调整阶梯电极的宽度b及高度h₁,可以获得一个初步优化结构的阶梯电极离子阱(X₀×Y₀=6 mm×5 mm,a×b=10 mm×4 mm,h₁×h₂=1.5 mm×1.5 mm),该结构阶梯电极离子阱的模拟分辨率为1880。

  图 2

  

  图 2  阶梯电极离子阱的质量分辨与阶梯电极高度、宽度的关系

  Figure 2.  Mass resolution in simulation for different LeLITs with different dimensions

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  在此基础上,进一步利用Axsim软件考察了阶梯电极离子阱的质量分辨能力与场半径比例X₀/Y₀的关系。如图 3,不同场半径比例(5/5,5.5/5,5.75/5,6/5,7/5,8/5,9/5,10/5,11/5)下阶梯电极离子阱的模拟分辨率分别为282,410,1457,1880,2183,2743,2207,595,表明了x方向电极拉伸对提高离子阱分辨率的效果,不拉伸以及拉伸过度都无法获得较高的分辨能力。通过调整阶梯电极的宽度、高度、场半径比例,可以获得一个优化结构的阶梯电极离子阱(X₀×Y₀ = 9 mm×5 mm,a×b=10 mm×4 mm,h₁×h₂=1.5 mm×1.5 mm),分辨率为2743。

  图 3

  

  图 3  阶梯电极离子阱的质量分辨与场半径比例的关系

  Figure 3.  Mass resolution in simulation for different LeLITs with different field radius dimensions

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  在众多影响离子阱质量分析器分辨能力的因素中,降低射频电压扫描速度可以有效提高质谱的分辨率。因此考察了射频电压扫描速度对阶梯电极离子阱质量分辨能力的影响。如图 4所示,射频电压扫速分别为3050,1750,500和225 Da/s,可以计算得到它们对应的分辨率分别为1903,2768,4350和10150,由此可知,随着扫速减小,阶梯电极离子阱的分辨率明显提高。在225 Da/s扫速时,对于m/z 609的离子获得了10150的模拟分辨率。

  图 4

  

  图 4  阶梯电极离子阱的模拟分辨率与射频扫描速度的关系

  Figure 4.  Mass resolution in simulation for LeLIT at different scan rates

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  2.3.   多级场参数分析

  采用径向出射方式的离子阱都会有出射狭缝,离子阱不可避免地引入了除四级场外其它的高阶场。已有研究发现,正的八级场有利于提高离子阱的分辨能力以及减弱质量迁移效应^[22]。对于4个电极几何结构完全相同的四重对称离子阱,一般只能引入正的十二级场而非八级场。两重对称的离子阱可以同时引入八级场和十二级场,一般是通过改变场半径比来改变场成分比例。对于四重对称的阶梯电极离子阱,既可以通过改变场半径比例,也可以通过改变阶梯电极的高度、宽度来调整离子阱内的场成分比例,并成功引入了八级场。图 5是不同阶梯电极宽度、高度对应的多级场参数(An/A2) (n=4,6,8,10)。在阶梯电极离子阱结构中,随着阶梯电极高度的变化,多级场占比较大的A4逐渐变小,甚至从相对于A2为正值变为负值,A6呈上升趋势,A8、 A10变化趋势微弱。其中阶梯宽度为4 mm的阶梯电极离子阱,场成分比例随着阶梯电极高度基本上没有变化,可能是由于它接近于矩形阱的平板电极结构。其中A4处于较接近于0,且为正值时,对应的结构具有较好的质量分辨能力。

  图 5

  

  图 5  多级场参数与阶梯电极宽度、高度的关系 (An/A2): A,b=2 mm; B,b=4 mm; C,b=6 mm; D,b=8 mm

  Figure 5.  Relative high-order multipoles (An/A2 for n=4,6,8 and 10) as a function of the width and height of the LeLIT with A,b=2 mm; B,b=4 mm; C,b=6 mm; D,b=8 mm

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  3.   实验部分

  3.1.   试剂

  三肽Gly-Phe-Leu(GFL,m/z=336 Da,吉尔生化上海有限公司),配制成5×10^-5 mol/L的溶液,溶剂采用甲醇-水(50∶50,V/V,其中含有0.05%醋酸)。

  3.2.   阶梯电极离子阱质量分析器的设计

  本研究中所使用的阶梯电极离子阱质量分析器是由表面镀有金属膜的陶瓷( 99.9% 氧化锆)片组装而成,阶梯电极离子阱由3 对电极构成,分别为x 方向电极对、y 方向电极对和端盖电极对,其中x和y方向电极均为阶梯电极,端盖电极对采用无氧铜材料。按X₀=6 mm,Y₀=5 mm(X₀/Y₀=1.2)设计加工,其中b_x=9 mm,b_y=11 mm,h_1x=h_1y=1.5 mm,图 6为阶梯电极离子阱组装示意图。

  图 6

  

  图 6  阶梯电极离子阱组装示意图

  Figure 6.  Schematic diagram of the assembly method for the LeLIT

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  3.3.   离子阱质谱仪系统

  在自行设计和加工的电喷雾电离源-阶梯电极离子阱仪器系统^[23](ESI-LeLIT-MS)上进行实验性能测试。该系统主要包括电喷雾离子源、离子导引、离子阱质量分析器、离子检测器、真空系统及其附属部件、质谱仪器控制电子电路系统、信号采集、记录以及数据处理系统等部分组成。其中电路系统主要采用数字方波电压^[24~29]驱动阶梯离子阱,实现离子引入、存储、碰撞诱导解离、质量分析等阶段。

  样品离子从离子源中产生后通过腔体上的采样锥孔进入到真空腔体内,经过RF-only导引杆的聚焦和引导后,经过离子阱的端盖进样小孔进入离子阱被冷却和存储,在碰撞诱导实验和离子冷却过程中,采用氦气作为冷却缓冲气体和碰撞气体。

  4.   结果与讨论

  4.1.   质量分辨率

  在本研究中,采用数字方波驱动离子阱技术对阶梯电极离子阱做了初步的实验性能测试。在实验过程中,数字方波的电压(0-P)为200 V,通过扫描方波的频率实现质量分析,扫描速度为2385 Th/s。在质量分析阶段施加共振激发信号,共振激发电压(0-P)为1.0 V。由图 7可见,三肽Gly-Phe-Leu的质谱峰半峰宽(FWHM)约为0.55,其质量分辨约为610。由于本实验所用的离子阱仅为测量串级质量分析功能所设计和制造,故其几何结构没有按照理论模拟的结果进行加工。所获得的质量分辨率也不理想。进一步的研究工作主要是阶梯电极离子阱模拟最优结构的加工测试。

  图 7

  

  图 7  阶梯电极离子阱分析三肽Gly-Phe-Leu的质谱图

  Figure 7.  Mass spectrum of protonated Gly-Phe-Leu molecular ion in TeLIT

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  4.2.   串级质谱分析

  串级质谱分析是离子阱质量分析器最独特的优点之一。因此,对于一个新型结构的阶梯离子阱质量分析器,具备良好的串级质谱分析功能是最基本的功能之一。在实验过程中,先对电喷雾电离产生的三肽Gly-Phe-Leu母体离子峰(m/z=336) 进行隔离,隔离方式采用DAWI^[30]方法,得到的质谱结果如图 8A所示。被隔离的母离子通过常规的改变数字激发方波频率的方法实现碰撞诱导解离。在碰撞诱导解离阶段中,数字束缚方波频率为110 kHz,解离阶段持续时间为40 ms。图 8B是三肽Gly-Phe-Leu的解离碎片谱图,包括了碎片离子峰m/z 318,205和177的质谱信号,与其它离子阱质量分析器串级质谱分析结果一致,表明阶梯电极离子阱具有传统离子阱所具备的串级质谱分析功能。

  图 8

  

  图 8  Gly-phe-leu 三肽质谱图串级质谱分析

  Figure 8.  Tandem mass spectra of Gly-phe-leu

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  5.   结 论

  本研究通过理论模拟构建了不同几何参数的阶梯电极离子阱,通过调整阶梯电极的宽度、高度、场半径比例,获得了阶梯电极离子阱的优化结构,模拟分辨率达到10150,分辨能力相比矩形离子阱有了明显提高,同时初步的实验也说明了阶梯电极离子阱具有较好的串级质谱分析性能,可以获得除母离子外更多的分子结构信息。阶梯电极离子阱结构简单,通过调整阶梯的高度和宽度就可以调节离子阱内电场分布从而优化离子阱的性能,便于实现高精度加工和日常维护。进一步的研究工作包括阶梯电极离子阱模拟最优结构的加工测试以及多级阶梯电极离子阱的研制。

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  Figure 1  Schematic diagram of cross section and geometry of the ladder electrode linear ion trap

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  Figure 2  Mass resolution in simulation for different LeLITs with different dimensions

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  Figure 3  Mass resolution in simulation for different LeLITs with different field radius dimensions

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  Figure 4  Mass resolution in simulation for LeLIT at different scan rates

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  Figure 5  Relative high-order multipoles (An/A2 for n=4,6,8 and 10) as a function of the width and height of the LeLIT with A,b=2 mm; B,b=4 mm; C,b=6 mm; D,b=8 mm

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  Figure 6  Schematic diagram of the assembly method for the LeLIT

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  Figure 7  Mass spectrum of protonated Gly-Phe-Leu molecular ion in TeLIT

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  Figure 8  Tandem mass spectra of Gly-phe-leu

  (A)m/z 336 离子质量隔离谱图(B) m/z 336 离子的碰撞诱导解离质谱图

  (A) Isolation of m/z 336. (B) Fragment ions spectrum after collision induced dissociation (CID)

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  Table 1.  Multipole expansion coefficients for different LeLIT geometries

  Geometry (mm)	A2	A4 (%,A4/A2)	A6 (%,A6/A2)	A8 (%,A8/A2)	A10 (%,A10/A2)
  X0/Y0=6/5,b/a=2/10,h1=0.5	0.8107	0.0321(3.97)	-0.0135(-1.669)	-0.0070(-0.865)	0.0053(0.65)
  X0/Y0=6/5,b/a=6/10,h1=0.5	0.8678	0.0478(5.51)	-0.05223(-6.024)	0.0037(0.42)	-0.0034 (-0.39)
  X0/Y0=6/5,b/a=8/10,h1= 2	0.8767	0.0512(5.84)	-0.0630(-7.19)	0.00027(0.03)	0.0022(0.25)
  X0/Y0=6/5,b/a=4/10,h1=1.5	0.8347	0.0050(0.6)	-0.0083(-0.99)	0.0134(1.6)	-0.0177(-2.12)
  X0/Y0=7/5,b/a=4/10,h1=1.5	0.6822	0.0019(0.28)	-0.0060(-0.886)	0.0132(1.94)	-0.0127(-1.86)
  X0/Y0=8/5,b/a=4/10,h1=1.5	0.5644	-0.0005(-0.087)	-0.0055(-0.97)	0.0112(1.99)	-0.0102(-1.81)
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