姜佩賀，周志權(quán),，趙占鋒

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，電子與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)，信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209)

先進(jìn)的科學(xué)儀器設(shè)備是技術(shù)創(chuàng)新和知識(shí)創(chuàng)新的前提，也是創(chuàng)新研究的主體內(nèi)容之一。質(zhì)譜儀(mass spectrometer, MS)作為最重要的分析儀器之一，在生命科學(xué)、環(huán)境資源、新型材料、質(zhì)量監(jiān)測(cè)、食品安全、公共安全以及航天和軍事技術(shù)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

質(zhì)量分析器是質(zhì)譜儀的核心，隨著質(zhì)譜儀的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型的質(zhì)量分析器。圓柱形離子阱(cylindrical ion trap, CIT)是繼Paul阱后開發(fā)的一種新型離子阱質(zhì)量分析器[2]。相比于雙曲線型Paul阱，CIT具有以下3個(gè)特點(diǎn)：1) 具有圓柱形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工；2) 其尺寸對(duì)儀器的性能沒有影響，適合儀器的小型化；3) 相比于四極桿等其他質(zhì)量分析器，CIT適用于較高的壓強(qiáng)環(huán)境。鑒于此，近年來CIT得到了廣泛的應(yīng)用。CIT屬于四極離子阱，Cooks等[3-5]國(guó)外研究者在四極桿質(zhì)譜研制方面已經(jīng)取得了巨大成就，但國(guó)內(nèi)的研究大多局限于應(yīng)用層面，如利用質(zhì)譜儀分析蛋白組學(xué)[6-7]、研究中藥成分[6,8]等。由于研制質(zhì)譜儀需要化學(xué)、電學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉融合，因此，國(guó)內(nèi)從事質(zhì)譜儀器研制的機(jī)構(gòu)較少，特別是CIT質(zhì)譜儀的研制，更是鮮有報(bào)道。

在深入研究CIT工作原理的基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)自行設(shè)計(jì)并加工了CIT質(zhì)量分析器，設(shè)計(jì)并組合離子源、電學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和真空系統(tǒng)，研究不同的燈絲電流、推斥極電壓、背景氣體壓強(qiáng)、質(zhì)量掃描速度等工作參數(shù)下的譜圖變化規(guī)律，并使用最優(yōu)化的工作參數(shù)對(duì)部分有機(jī)物進(jìn)行分析，希望搭建能滿足實(shí)際分析要求的CIT質(zhì)譜平臺(tái)。

1 質(zhì)譜儀關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 真空系統(tǒng)

真空腔為本項(xiàng)目組自行設(shè)計(jì)并加工，其整體采用不銹鋼材料，上蓋使用有機(jī)玻璃板，以便隨時(shí)觀察腔內(nèi)的實(shí)驗(yàn)情況，尤其是觀察EI源燈絲的點(diǎn)亮程度。使用機(jī)械泵和分子泵級(jí)聯(lián)的方式獲取真空環(huán)境，其中機(jī)械泵為Pascal 2005SD(抽速1.67 L/s)，分子泵為HiPace 700(抽速685 L/s)。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用電阻規(guī)和電離規(guī)配合真空計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境的真空度。電阻規(guī)采用云捷ZJ-52，測(cè)量壓強(qiáng)范圍為105～0.1 Pa；電離規(guī)采用云捷ZJ-27B，測(cè)量壓強(qiáng)范圍為5～10-6Pa；采用云捷ZDF-1A復(fù)合真空儀，根據(jù)環(huán)境壓強(qiáng)情況自動(dòng)切換電阻規(guī)和電離規(guī)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，泵在長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下，該系統(tǒng)的真空度可達(dá)到10-5Pa量級(jí)。

1.2 離子源與電子門

電子轟擊電離源(EI)是最常見的氣相離子源之一，其原理為燈絲受熱發(fā)射電子，具有一定能量的電子與樣品碰撞，使樣品離子化。

本實(shí)驗(yàn)使用的自制EI源由燈絲、推斥極、燈絲室3部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖與加工后的實(shí)際結(jié)構(gòu)示于圖1。燈絲采用直徑0.15 mm的鎢錸絲(SIS W410)，鎢錸絲較傳統(tǒng)的鎢絲更不易斷裂、壽命長(zhǎng)、發(fā)射效率高。推斥極附著在燈絲的一端，其上施加一定的偏置電壓，用以加速燈絲產(chǎn)生的電子，被加速的電子穿過離子阱端蓋電極上的小孔入射到CIT，與樣品分子發(fā)生碰撞，使樣品離子化。燈絲和推斥極固定在燈絲室內(nèi)，使用外電離方式時(shí)，可以在燈絲室內(nèi)施加一定的電壓，以調(diào)節(jié)電子的聚焦程度；而在內(nèi)電離方式下，可直接將燈絲室接地。本實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)電離方式，不需離子導(dǎo)向裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，儀器易于調(diào)試。電離源的電學(xué)系統(tǒng)由1個(gè)電流源、1個(gè)電壓源和1個(gè)電流表構(gòu)成。電流源用于提供燈絲電流；電壓源用于提供推斥極的偏置電壓；電流表串聯(lián)于電壓源和推斥極之間，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燈絲發(fā)射電流。

電子門是位于離子源與離子阱之間的金屬圓環(huán)，其直徑略大于離子阱端蓋上的小孔。在電離階段，電子門的金屬圓環(huán)電勢(shì)為0或?yàn)檎妷?，電子門“開啟”，電子可以透過小孔進(jìn)入離子阱，樣品被電離；當(dāng)在金屬圓環(huán)上施加負(fù)電壓(如-100 V)，且負(fù)壓電場(chǎng)對(duì)離子做功大于離子動(dòng)能時(shí)，電子門“關(guān)閉”，電子被束縛在燈絲室中。通過電子門周期性的“開啟”與“關(guān)閉”，可控制樣品電離。

由于電子門需要迅速地開啟與關(guān)閉，因此需要相應(yīng)的電壓控制電路，示于圖2。圖中Q是三級(jí)管2N5401，R1和R2分別是阻值為30 kΩ和1 kΩ的電阻。當(dāng)脈沖輸入為低電平0 V時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，電子門電勢(shì)為較小的正電壓，電子門“開啟”；當(dāng)脈沖輸入為高電平+5 V時(shí)，三極管Q1截止，電子門電勢(shì)為-100 V，電子門“關(guān)閉”。經(jīng)測(cè)試，這種方式可以實(shí)現(xiàn)微秒量級(jí)上電子門通斷的控制，能夠滿足電子門的工作需求。

圖1 EI電離源的結(jié)構(gòu)示意圖(a)與加工實(shí)物圖(b)Fig.1 Schematic diagram (a) and the photograph (b) of EI

圖2 電子門電壓控制電路Fig.2 Circuit for gate electrode

1.3 圓柱形離子阱

CIT屬于四極桿離子阱，不同質(zhì)荷比的離子在質(zhì)量分析器中實(shí)現(xiàn)分離。四極場(chǎng)中的離子運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)用馬修方程計(jì)算，示于式(1)；根據(jù)離子的穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行質(zhì)量掃描，示于圖3[9]。

(1)

采用邊界不穩(wěn)定掃描方式實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分析，即保持馬修參數(shù)a值為0(U=0)，通過改變q值(V值)實(shí)現(xiàn)不同質(zhì)量離子的掃描。

CIT由本項(xiàng)目組自行設(shè)計(jì)并加工，離子阱由1個(gè)環(huán)電極和2個(gè)端電極構(gòu)成，端電極中心開有小孔，其結(jié)構(gòu)示意圖示于圖4。環(huán)電極和端電極均為不銹鋼材料，環(huán)電極內(nèi)徑20 mm，高度15.94 mm，端電極厚度1 mm，中心小孔直徑2 mm。環(huán)電極和端電極上均設(shè)有接線柱，方便連接導(dǎo)線；兩電極之間采用聚醚醚酮材質(zhì)的圓環(huán)形絕緣墊片隔離，其內(nèi)徑20 mm，厚度1 mm。裝配后的離子阱r0=10 mm，z0=8.97mm，該比例可獲得優(yōu)異的質(zhì)量分析性能。為將樣品導(dǎo)入到離子阱中，實(shí)現(xiàn)樣品的內(nèi)電離，在環(huán)電極上開有導(dǎo)流孔，進(jìn)樣導(dǎo)管插入導(dǎo)流孔中。加工完成的各個(gè)部件圖片示于圖5。

圖3 CIT穩(wěn)定區(qū)圖Fig.3 Mathieu stability region of CIT

圖4 CIT結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of CIT

根據(jù)四極場(chǎng)基本理論，為達(dá)到質(zhì)量分析的目的，需要在環(huán)電極上施加高壓射頻信號(hào)，信號(hào)頻率約為1 MHz。CIT的電學(xué)系統(tǒng)示于圖6。信號(hào)發(fā)生器(Agilent 33250A)經(jīng)正弦波調(diào)幅產(chǎn)生低壓射頻信號(hào)，使用功率放大器(E&I, 1040L)放大其功率，然后經(jīng)由電壓放大模塊得到可以用于質(zhì)量掃描的高壓射頻信號(hào)。

圖5 設(shè)計(jì)并加工的CIT部件Fig.5 Custom components of CIT

電壓放大模塊為本項(xiàng)目組自制，主體為線圈，初級(jí)線圈與次級(jí)線圈均纏繞在外徑8 cm的空心塑料骨架上。纏繞在空心骨架上的線圈為感性負(fù)載，而CIT是一個(gè)容性負(fù)載，當(dāng)感性和容性負(fù)載發(fā)生諧振時(shí)，可以得到最大的電壓放大倍數(shù)。確定初級(jí)線圈匝數(shù)為2，調(diào)整次級(jí)線圈匝數(shù)，當(dāng)次級(jí)線圈匝數(shù)為130時(shí)，得到970 kHz的諧振頻率，該頻率與預(yù)設(shè)的1 MHz頻率接近，符合實(shí)驗(yàn)要求。在質(zhì)量分析過程中，使用安裝了高壓探頭(安泰信，P5104)的數(shù)字示波器(Rigol，DS2102A)實(shí)時(shí)觀察該射頻信號(hào)。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的低電壓射頻信號(hào)零峰值為350 mV時(shí)，放大的射頻電壓零峰值為3 kV，線性度良好。此外，由于采用邊界不穩(wěn)定掃描方式進(jìn)行質(zhì)量掃描，因此兩個(gè)端電極均接地。

圖6 CIT的電學(xué)連接示意圖Fig.6 Schematic diagram of RF amplifier and CIT

1.4 信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)采集

信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)由電子倍增管、電流放大器和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成，其連接示意圖示于圖7。電子倍增管是依據(jù)二次電子倍增原理實(shí)現(xiàn)微弱離子檢測(cè)的部件，在質(zhì)譜領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)選用Detech 2069型電子倍增管，該電子倍增管的體積小、增益高，其最大工作電壓1.9 kV，最大增益8.5×107。將電子倍增管輸出的微弱電流信號(hào)連接到電流放大器，由于電流信號(hào)微弱，極易受到射頻高壓的影響，因此需使用屏蔽線。電流放大器采用Keithley 428，該電流放大器可以將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，最大增益1011V/A。放大后得到的電壓信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡(NI，PCIe-6259，1.25 MS/s)數(shù)字化采樣，得到隨時(shí)間變化的譜圖信息，經(jīng)質(zhì)量校準(zhǔn)即可將時(shí)間轉(zhuǎn)化為質(zhì)荷比。數(shù)據(jù)采集卡使用LabVIEW控制，用多次測(cè)量求平均值的方式降低噪聲。

圖7 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)電學(xué)連接示意圖Fig.7 Schematic diagram of ion detection

1.5 部件的裝配與時(shí)序控制

將離子源、CIT和電子倍增管安裝于滑軌上，三者之間的距離由自行設(shè)計(jì)的絕緣墊片精確控制，滑軌兩端設(shè)有堵頭，裝配完成的部件圖片示于圖8，該部件固定于真空腔中。此外，由于電子倍增管易受高壓射頻信號(hào)的影響，因此使用接地的金屬片對(duì)其進(jìn)行屏蔽處理。

圖8 裝配完成的質(zhì)譜儀核心部件Fig.8 Main component of the custom CIT mass spectrometer

離子源、離子阱和檢測(cè)器需在統(tǒng)一的時(shí)序控制下工作，使用延時(shí)脈沖發(fā)生器(SRS， DG535)產(chǎn)生時(shí)序控制脈沖，質(zhì)量掃描時(shí)序圖示于圖9。每次質(zhì)量分析分為捕獲、冷卻和掃描3個(gè)步驟。在捕獲階段，電子門打開，具有一定能量的電子入射到離子阱，樣品被離子化，此時(shí)，RF輸入一個(gè)確定幅度的正弦信號(hào)，滿足捕獲條件的離子被捕獲在離子阱中；在冷卻階段，電子門關(guān)閉，已進(jìn)入離子阱的離子與背景氣體發(fā)生碰撞，離子運(yùn)動(dòng)軌跡不斷縮小并聚焦在離子阱中心區(qū)域，離子的冷卻有助于提高質(zhì)譜儀的性能；在掃描階段，RF電壓逐漸升高，不同質(zhì)荷比的離子依次被掃出離子阱，射向電子倍增管，產(chǎn)生譜圖信息。

圖9 質(zhì)量掃描時(shí)序圖Fig.9 Timing diagram used for a representative MS experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 燈絲電流與發(fā)射電流

EI源電離樣品所需的電子由燈絲提供，當(dāng)電流通過燈絲，熾熱的燈絲內(nèi)電子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇，當(dāng)電子的動(dòng)能大于金屬表面逸出功時(shí)，電子逸出金屬表面，在電場(chǎng)的作用下形成發(fā)射電流。

燈絲由電流源驅(qū)動(dòng)，燈絲電流的大小影響電子的發(fā)射效率，繼而影響離子的電離程度和儀器的靈敏度。保持真空腔壓強(qiáng)為1.5×10-4Pa，推斥極電壓為-70 V，測(cè)試不同燈絲電流下燈絲的狀態(tài)和發(fā)射電流的大小。當(dāng)燈絲電流大于2 A時(shí)，燈絲被點(diǎn)亮；當(dāng)燈絲電流大于3 A時(shí)，發(fā)射電流達(dá)到μA量級(jí)。燈絲電流與發(fā)射電流的關(guān)系示于圖10，隨著燈絲電流的增大，發(fā)射電流不斷增大，當(dāng)燈絲電流為3.7 A時(shí)，發(fā)射電流達(dá)到107 μA，而后隨著燈絲電流的增大，發(fā)射電流基本保持不變。權(quán)衡發(fā)射電流的大小與燈絲壽命，設(shè)定燈絲電流為3.6 A。

圖10 燈絲電流與發(fā)射電流的關(guān)系Fig.10 Relationship between filament current and electron current

2.2 推斥極電壓與離子豐度

EI源推斥極電壓的大小決定了電子能量的高低。電子能量過低，樣品不能被完全電離，離子豐度低；電子能量過高，樣品碎片增加，譜峰增多，譜圖解析難度增大。針對(duì)空氣和氬氣的混合氣體，測(cè)試了不同推斥極電壓下N2(m/z28)和Ar(m/z40)的離子豐度，結(jié)果示于圖11。當(dāng)推斥極電壓為-10 V時(shí)，離子豐度很低；隨著推斥極電壓絕對(duì)值的增大，離子豐度整體呈上升趨勢(shì)；當(dāng)推斥極電壓絕對(duì)值超過一定大小后，豐度變化不明顯。目前，商用儀器以及標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)一般采用-70 V作為推斥極的標(biāo)準(zhǔn)電壓。因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置推斥極電壓為-70 V。

圖11 推斥極電壓與離子豐度的關(guān)系Fig.11 Relationship between signal intensity and biax voltage of EI

2.3 背景氣體壓強(qiáng)與離子豐度

在離子阱的工作過程中，需要在真空腔內(nèi)充入一定量的背景氣體，離子與背景氣體不斷碰撞，運(yùn)動(dòng)軌跡不斷縮小并聚焦于離子阱的中心區(qū)域。一定壓強(qiáng)范圍內(nèi)的背景氣體有助于提高離子阱的捕獲效率，提高離子豐度。本實(shí)驗(yàn)選擇質(zhì)量較小的氦氣作為背景氣體，設(shè)定樣品進(jìn)樣分壓為1×10-4Pa，改變背景氣體分壓，得到了N2(m/z28)和Ar(m/z40)的離子豐度變化情況，示于圖12。在一定范圍內(nèi)，隨著背景氣體壓強(qiáng)的升高，離子豐度呈上升趨勢(shì)；但當(dāng)壓強(qiáng)進(jìn)一步升高，離子豐度開始下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定背景氣體壓強(qiáng)為6×10-4Pa。

2.4 電子倍增管電壓與離子豐度

隨著工作電壓的增加，電子倍增管增益不斷增大，本實(shí)驗(yàn)所選用的電子倍增管最大工作電壓為1.9 kV，最大增益為8.5×107。改變電子倍增管工作電壓，得到了不同電壓值下的離子豐度，示于圖13。隨著電子倍增管電壓的增加，離子豐度不斷增大，但綜合權(quán)衡電子倍增管壽命與離子豐度，設(shè)定電子倍增管工作電壓為1.75 kV。

圖12 背景氣體壓強(qiáng)與離子豐度的關(guān)系Fig.12 Relationship between signal intensity and background gas pressure

圖13 電子倍增管電壓與離子豐度的關(guān)系Fig.13 Relationship between signal intensity and electron multiplier voltage

2.5 掃描速度與儀器性能

質(zhì)量掃描速度是指單位時(shí)間內(nèi)掃描的質(zhì)量數(shù)，該參數(shù)影響儀器的靈敏度與分辨率。在不同掃描速度下對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果示于圖14。為對(duì)比不同掃描速度下的譜圖變化，在縱向上對(duì)譜圖進(jìn)行了平移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著掃描速度的降低，譜峰總體呈向右偏移的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)掃描速度減慢，同一種離子需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到所需的掃出電壓。當(dāng)掃描速度為16 000 u/s時(shí)，圖中虛線框內(nèi)可以明顯分辨2個(gè)譜峰；而當(dāng)掃描速度為3 200 u/s時(shí)，可以分辨4個(gè)譜峰。因此，減小掃描速度可以提高儀器的分辨率。此外，對(duì)比不同掃描速度下的譜圖變化，可以發(fā)現(xiàn)，隨著掃描速度的降低，離子信號(hào)強(qiáng)度逐漸降低。權(quán)衡靈敏度與分辨率，設(shè)定質(zhì)量掃描速度為4 000 u/s。

圖14 掃描速度與譜峰的關(guān)系Fig.14 Relationship between the mass scan rate and peaks

2.6 樣品測(cè)試

對(duì)自制的CIT質(zhì)譜儀進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到的最優(yōu)化儀器操作參數(shù)列于表1。使用該參數(shù)測(cè)定水楊酸甲酯(純度≥98.0%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品)，譜圖示于圖15a，為方便對(duì)比，水楊酸甲酯的NIST標(biāo)準(zhǔn)譜圖示于圖15b。經(jīng)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)所得的譜峰位置準(zhǔn)確，分辨率約為300。

表1 自制的CIT質(zhì)譜儀的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Table 1 Optimization results of the custom CIT mass spectrometer

注：a.本實(shí)驗(yàn)質(zhì)譜儀獲取的譜圖；b.NIST 標(biāo)準(zhǔn)譜圖圖15 水楊酸甲酯的譜圖Fig.15 Mass spectra of methyl salicylate

3 結(jié)論

本研究基于CIT工作原理，自行設(shè)計(jì)并加工了CIT質(zhì)量分析器，完成了離子源、電學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和組合，優(yōu)化了燈絲電流、推斥極電壓、背景氣體壓強(qiáng)、電子倍增管電壓、質(zhì)量掃描速度等工作參數(shù)。使用該質(zhì)譜儀對(duì)水楊酸甲酯進(jìn)行測(cè)試，獲得了準(zhǔn)確的有機(jī)物譜圖信息，其分辨率約為300，性能較好。本工作可為研究頻譜儀操作模式和性能優(yōu)化提供平臺(tái)基礎(chǔ)，下一步工作將使用共振出射方式進(jìn)行質(zhì)量掃描，以進(jìn)一步提高儀器性能，并在此基礎(chǔ)上研究低真空度下質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析方法。

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