离子阱类质谱仪的基本工作原理

离子阱类质谱仪的基本工作原理齐孟文中国农业大学离子阱类质谱是一类极其重要和应用广泛的质谱方法，是化学及生物学分析的基本工具，了解其工作的基本原理，对于深入了解阱类质谱的设计构造，性能指标，操作模式，参数优化和合理使用都是基本的和必须的，其基本原理主要涉及离子在四级场中对的运动规律的描述。1.仪器类型1.1三维离子阱三维离子阱是较早出现的一种离子阱，由一对环形电极和两个呈双曲面形的端盖电极组成，两个端盖电极顶端开有小孔，作为离子出入的通道。一般在环形电极上施加射频交流电压或再加直流电压，以提供一个捕获离子的四级场，上下两个端盖电极一般接地。三维离子阱的主要缺陷是双曲面电极加工组装困难，且离子捕获在阱中心的一个空间点上，捕获效率受到限制，另外存在着空间电荷效应，质谱的分辨率很难提高。图1.3D离子阱的结构示意图1.2线性离子阱线性离子阱，是在四级杆质谱基础上发展起来的，由两组双曲线形级杆和两端的两极板组成，在其中一组级杆上开有窄缝。两组极杆上施以位相相反的射频电压，且开有狭缝的一组施加一激励交变电压，以驱动离子从窄缝中共振弹射检出。相对于三维离子阱，离子在线性阱中被囚禁在极杆轴向的线段内而不是聚集在一个点上，有效地避免了三维离子阱的固有缺陷，因此捕获效率得以提高，空间电荷效应减弱，质谱的特异性和灵敏性得到了极大提高，该类型的离子阱为目前离子阱的主流产品。图２.附图示线性离子阱的结构1.３轨道离子阱轨道离子阱的工作原理类似于电子围绕原子核旋转，具有一定初速度的离子，进入离子阱后受到来自中心纺锤形电极的吸引，会围绕中心电极做旋进运动，即：围绕中心电极（径向）和沿中心电极（轴向）的运动。因为离子质量不同，当达到谐振时，不同离子的轴向往复速度不同，通过离子阱中内置的检测器检，测定离子通过时产生的感应电流，可以得到多种离子的时序信号，然后通过傅立叶变换成为频谱，而共振频率直接与离子质量有关，由此可以得到质谱图。轨道离子阱质谱的分辨率极高，本身的体积很小，但对工作环境的要求极高，支持系统庞大，购置及维护费用高，使用受到一定限制。图３.ｂ示轨道离子阱结构1.４矩形离子阱矩形离子阱是通过对线性离子阱的简化而来的，关键是用平行板取代了曲面极杆，容易加工和组装，不过其离子活动的主要空间处的电场仍然可以近似为电四极场。一般在x,y电极之间施加的射频电压，使x-y平面内形成谐振场，而在z方向加一直流电压形成捕集势阱,限制并调节离子在z方向的运动。图4.矩形离子阱结构示意图及外加电压2.理论背景2.1在捕获场的自由振荡所有离子阱的工作机制具有共同的理论基础，即离子在电四极场中的运动规律，在单纯施加一个射频电压的情况下，其运动可以用马修齐次二阶微分方程描述，即（1）其中，在柱坐标系中，u表示径向r(x，y)和轴向z坐标，这是简谐方程，各坐标可独立求解；是一个无量纲参数，=t/2，是射频电压的角品率（rad/s）；au和qu是一对有关马修方程解的约化参数，对理想的四极场，要求离子阱的电极结构满足r0=2z0，r0和z0分别是环形电极和端盖电极顶点的到原点的距离，则有以下关系：（2）其中，m是离子的质量，e是单位电荷，U和V是所施加的射频的直流电压及交流电压波幅。图5.离子阱结构示意图对离子运动的马修方程求解，可以得到离子在电四极场的本征振荡频率的频谱为：（3）其中，下角标u表示空间坐标，n是高阶振荡级次，n为零时为基频，此处（4）单位为rad/s。模拟研究表明，在基频时，离子在电四极场中的振荡轨迹为处于中心的李萨茹运动，对于一个给定的离子，若要其在运动轨道稳定，则必须在径向r和轴向z同时落在马修方程的解空间，一般应用选取第一稳定区域，以（r，z）等位线划分，结果见下图。公式（2）是理想四极场情况下的结果，由于实际的双曲面电极只是一个截断，并且端盖电极开有小孔，致使有高阶场的成分存在，为了消除其影响，更好地逼近理想的四极场，商业仪器一般将端盖电极间距离拉长，z0增加10.6%，此时r02≠2z02，公式（2）需要用更一般的形式取代：（5）图6.离子阱的马修方程解的稳定区根据马修方程，a和q与离子的质荷比m/z、离子阱的结构参数（r0，z0），所加射频的频率、及其交流幅度V和直流成分U有关。商用仪器一般不加直流成分（U=0），因此仪器工作在qz轴，又射频的频率一般是固定的，当进行离子捕获（离子化阶段）操作时，此时固定射频电压V，因qz∝1/（m/e），则离子按照质荷比从大到小顺序而由左到右对应地分布在qz轴上。在进行质量不稳定性扫描时，因qz∝V/（m/e），随着扫描电压的增大，相应质荷比离子的qz持续增大，当其到达稳定域的边界点qz=0.908时，就会被顺序扫出而为外置的探测器所检测。2.2辅助激励下的共振若除了射频外，同时在端盖电极施加一个幅度较小的交流激励信号V’，幅度一般为1V，则离子做相应于经典力学的胁迫运动，此时马修方程可以修改如下，若激励施加在离子出射的z轴方向，则有（6）其中，通过对方程求解可知，在激励为偶极场时，共振发生在其频率w和离子的自由振荡频率一致时，即（7）当激励为四极场时，频率满足一下条件时，离子做所谓的参数共振，要求（8）在共振状态下，离子从激励场中吸收能量而被加速，若激励电压幅度足够大或作用时间足够长，离子可以克服离子阱的势阱束缚，而被弹射出离子阱，若激励电压幅度不是很大，通过离子与引入的冷却气体分子（如氩气或氮气）碰撞，最终动能会转化为内能沉积到离子，引起离子的解离，称为激发解离。共振激发被用于1）弹射不需要的离子；2）促进离子的热解反应；3）对离子进行选择性扫描检查。图7.共振激发和弹射示意图3.参数计算对离子阱进行某种操作，首先需要对相关参数进行计算和设置，为了便于理解，下面以示例进行说明。假设：离子为丁基苯（m/z=134），离子阱的结构r0=1.00cm,z0=0.783cm，射频U=0，V=757V0-p，f=1.05MHz，换算有：3.1qz和最小截止质量最小截止质量LMCO，为设定条件下，离子阱捕获离子质量的下限，对商业仪器而言，因为不加直流a=0，则离子阱仅工作在qz轴,而qz∝1/m，因此稳定的边界点qz=0.908对应于LMCO由于在其他条件恒定时，qzm=常数，则有射频电压正比于离子的质量，即V∝m，由已知点的相关数据，可求得已知LMCO时应施加的射频电压，有该公式在激发解离过程，可用于确定为保留最小碎片离子应施加的电压。3.2稳定参数z当az=0时,z≈qz/21/2=0.450/1.2142=0.318，利用近似公式计算的结果比实际值要大约5%。由相应计算，对于m=1340，有qz=0.0450，而z=0.0318。3.3本征频率由公式（7），离子的轴向基频为当，则转变成因即w∝1/m，离子质量越大，惯性越大，本征频率越低，因此对于质量为1340的离子，其本征频率为16.7MHZ。3.4质谱范围质谱范围由关系式mqz/V=常数确定，根据以上数据：m=134，qz=0.450，V=757V0-p，计算得常数=0.797。离子共振弹射质量扫描由小到大，若工作点设定在qz=0.450处，射频扫描电压的最大幅值到达V=7340V0-p，则质量扫描检测上限为若设定qz为0.0450，则质谱的扫描范围为（LMCO—13000Da）。3.5质谱的分辨率质谱的分辨率定义为质量对质量峰的半宽度的比，即R=m/m，因与具体的质量有关，更有实际意义的是峰的半宽度，其随质谱扫描速率减慢而减小，商业仪器对m=2000的离子，窄峰半宽度可达m=0.2Da，因此分辨率可达R=2000/0.2=100003.6势阱的深度Dz势阱的深度决定着离子被共振弹射所需要的最小动能，以及在激发解离过程，形成的碎片要被捕获所不能超过的最大动能。z方向上的势阱深度近似为D=qzV/8，对该例子的情况，m=134，qz=0.450和V=757V0-p，则4.基本操作基本操作主要包括离子选择隔离，激发裂解和质谱扫描，各个操作可以分别或连续组合进行。1）选择隔离目的是把其它离子弹出离子阱，仅保留母离子进一步碎裂而进行MS/MS分析，或用于质量反应监测扫描；2）共振激发主要用于进行激发弹射和激发解离，激发弹射时选用较大激励电压，使离子获得足够的动能被弹射出势阱，而在激发解离时要选择适度较小的激励电压，使得能够驱动离子碎裂但所获的动能不足以使离子被弹射；3）质谱扫描为离子阱质谱的基本操作，目的使离子按照质荷比顺序先后扫出离子阱，并被外置的检测器所检测。4.1选择隔离1）带通扫描隔离图8.在（a,q）空间通过改变扫描线的斜率，质量过滤的窗口随之改变，位于稳定区窗口内的离子被保留，其它的因为不稳定被逐出离子阱，该方法可选出单位离子。2）共振弹射隔离该方法是通过共振将不需要的离子弹出离子阱，而仅保留下来预先选定的离子。其操作方法是，在与射频电极正交的另一电极，以偶极或四极场的方式，施加一称为Swift波的辅助交流信号，Swift波由波形发生器通过正弦波叠加而成，包含有除要隔离离子外所有离子的频率，而隔离离子的频率缺失，其对应于Swift波的凹槽，这样当施加上Swift时，其他离子就会在相应的协调频率处发生共振，从辅助交流信号吸收能量，最终克服势阱的约束被弹出离子阱，而要隔离的离子未发生共振弹射因而被保留。图9.swift信号（a）频域波形；（b）时域波形4.2激发裂解该操作是对隔离出来的离子，通过共振激发进行裂解，以产生碎片离子用于进行母离子的结构分析MS/MS。操作过程是，加一可以是任意频率的辅助交流信号，当频率确定后，工作位点便（qz=221/2wz/）随之确定，此时用射频进行电压扫描，母离子的本征振荡频率持续变化，当与辅助交流信号的频率一致时便发生共振激发，在驰像过程激发能转变为内能使其解离，当然若已知母离子的振荡频率时，也可直接施加相同频率的辅助交流信号进行激发解离。4.3质谱扫描1）质量不稳扫描通过射频电压扫描，使捕获离子对应的qz均连续增加，顺序达到qz=0.908的稳定区域的边界点后，扫出离子阱而被检查，进行质量校正后形成对时间的质谱图。2）共振激发扫描在此操作模式下，施加一正交的辅助交流信号，信号幅值应足以使离子发生共振弹射，但频率是单一固定的，选定特定的工作位点qz，这时对射频进行电压扫描，在扫描过程中捕获离子的频率顺序变化，当与辅助交流信号频率一致时，就被激发弹出电极的出射孔，而被顺序检测。 4.4.工作时序仪器工作完全是由一列时序信号驱动和控制的，对于质谱过程整个时序信号如下图所示。图10.整个质谱过程的扫描时序图首先,加一电压恒定的射频,则不同的离子对应的值就确定了。这时给电子门透镜上施加一个离子导入电压，持续时间约几百，将离子引入离子阱，当达到一定离子浓度后关闭透镜，使引入的离子囚禁在离子阱，这时缓冲（通常）气体氦气进行冷却，使其动能被碰撞释放而离子趋于稳定的自由振荡，其后加一swift信号，波形上的凹槽即欲选择母离子的振荡频率，进行共振激发隔离操作把母离子选摘保留下来，并在随后对其冷却一段时间，加一特定的已知频率（等于母离子的特征频率），通过共振激发将母离子打碎，最后对碎片离子进行射频电压扫描，碎片离子就从大到小顺次被扫描和检测出来。参考文献1.RaymondE.March.AnIntroductiontoQuadrupoleIonTrapMassSpectrometry.JournalofMassSpectrometry.1997,32,351-3692.DaltonT.Snyder,Wen-PingPeng,R.GrahamCooks.Resonancemethodsinquadrupoleiontraps.ChemicalPhysicsLetters.2017,668,69–893.DouglasE.Goeringeretal.TheoryofHigh-ResolutionMassSpectrometryAchievedviaResonanceEjectionintheQuadrupoleIonTrap.Anal.Chem.1992,64,1434-14394.AlexanderA.Makarov.ResonanceEjectionfromthePaulTrap:ATheoreticalTreatmentIncorporatingaWeakOctapoleField.Anal.Chem.1996,68,4257-42635.PhilipE.MillerandM.BonnerDenton.TheQuadrupoleMassFilter:BasicOperatingConcepts.JournalofChemicalEducation,1986,67(7),6176.M.SudakovandN.Konenkov.ExcitationFrequenciesofIonsConfinedinaQuadrupoleFieldWithQuadrupoleExcitation.JAmSocMassSpectrom2000,11,10–18