数字化矩形离子阱质谱仪的设计及性能

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1、数字化矩形离子阱质谱仪的设计及性能作者：李晓旭蒋公羽丁力汪源源丁传凡【摘要】将数字化离子阱技术和矩形离子阱(RIT)技术相结合，建立了数字化矩形离子阱质谱仪。此技术和装置既具有数字化电源的结构简单、输出稳定和易精确控制等特点,又结合了矩形离子阱的高离子存储效率、结构简单以及加工和装配容易等优点。构建了基于电喷雾(ESI)电离源的数字化矩形离子阱质谱仪系统，并使用Fenfluramine和PPG2000分别对此系统的质量分辨率和质量范围进行了测试。研究结果表明：一个用印刷线路板(PCB)制作的简单矩形离子阱，在20

2、0V(半峰值)的数字束缚电压的驱动下，获得了大于500的质量分辨率和超过2600Th的质量范围。实验证明，数字化离子阱技术的应用可以显著提高矩形离子阱的性能，特别是质量范围等关键的质谱仪指标。【关键词】数字化离子阱，矩形离子阱，质量范围，质量分辨率，质谱仪　　1引言14　　矩形离子阱是在线型离子阱(LIT)[1,2]和圆柱形离子阱(CIT)[3,4]的基础上发展而来的一种离子阱质量分析器，它既具有线型离子阱离子存储效率高、容量大的优点[5]，又具有圆柱形离子阱结构简单、容易加工和装配的优点[5]。近年来，利用矩形

3、离子阱建造了小型质谱仪[6]、气相色谱离子阱质谱联用仪[7]和手提式质谱仪[8]等，这些研究工作使得矩形离子阱技术不断完善。目前，对矩形离子阱的研究都是基于传统的正弦波电压扫幅模式，即由射频电源产生的正弦波射频电压加载在矩形离子阱的电极上，从而产生以四极电场为主的离子阱工作电场。在正弦波的频率保持不变的情况下，通过对正弦波电压的幅度进行线性扫描实现对离子的质量分析。在该工作模式下，对高质荷比(m/z)离子的分析需要高达上万伏电压，它不仅使得射频电源的造价昂贵，而且还很可能导致电极之间的放电，进而损坏仪器部件。因此

4、，工作在传统模式下的矩形离子阱的质量范围受到了很大的限制。已报道的实验结果中，矩形离子阱的最大质量范围约为2000Th[9,10]。而在手提式质谱仪中，由于工作气压较高，更容易发生放电现象，其质量范围只有500Th[8]。比较狭窄的质量范围限制了矩形离子阱的应用领域。　　数字化离子阱[11～13]是一种新型的离子阱工作模式。与传统的正弦波电压扫幅模式不同，它利用频率可精确控制的矩形波(数字束缚电压，Digitaltrappingwaveform)驱动离子阱，并通过对矩形波的频率进行扫描从而实现质量分析。工作在数字

5、化离子阱模式下的离子阱质量分析器具有分辨率高、质量范围宽等优点。在数字化离子阱中，使用仅1000V(半峰值)的数字束缚电压获得了1700014Th的质量范围[13]。到目前为止，数字化离子阱技术仅被应用于三维(3D)离子阱[14]。本研究将数字化离子阱技术与矩形离子阱(RIT)技术结合，建立了一种新型的数字化矩形离子阱质谱仪。实验结果表明，利用数字化矩形离子阱质谱仪可以获得较高的质量分辨率，以及更宽的质量范围，具有良好的潜在应用价值。　　2数字化离子阱基本理论　　传统的离子阱工作原理建立在马修方程(Mathieu

6、equation)的基础上[14]，但在数字化离子阱中，由于使用了矩形波替代传统的正弦波驱动离子阱，马修方程已不适用于描述离子在离子阱中的运动情况。关于数字化离子阱的理论在文献[11～13]中已有详细论述，这里只简要列出其中的一些基本原理。　　采用与马修方程中类似的参数(a,q)来描述离子在数字化离子阱中的稳定情况。当一个质量为m、电荷为e的离子在纯四极场中运动时，参数(a,q)可表示为如下形式[11]：az=8eUmr20Ω2，qz=4eVmr20Ω2(1)分析化学第37卷第9期李晓旭等:数字化矩形离子阱质谱仪

7、的设计及性能其中，r0是离子阱的场半径，U是矩形波的直流分量，V是矩形波的交流分量，Ω是矩形波的频率。本研究中使用的矩形波的占空比均为50%(方波)，且不含直流分量。因此，U=0，14V等于方波高电平和低电平的差值的一半(半峰值)。数字化离子阱的第一稳定区如图1所示，当az=0时，qz存在一个最大值q0，即只有qz值处于0～q0之间的离子是稳定的。通过计算，在数字化离子阱中，q0=0.7125[11]，而在传统的正弦波模式下，q0=0.908[14]。　　上述q0值是在不加载任何激发电压的情况下计算得到的。而在实

8、际应用中，为了提高离子阱的质量分辨率和检测灵敏度，通常使用共振激发方式。在传统的离子阱中，共振激发信号的频率保持不变，其幅度随着射频电压的幅度升高而升高。而在数字化离子阱中，质量分析是通过对数字束缚电压的频率进行扫描而实现的，为保证所有的离子都在同一个qz值上被共振激发出离子阱外，共振激发信号的频率也随着数字束缚电压的频率一起扫描。共振激发信号可由数字束缚电压的分频产生，