一种应用于质谱仪的离子传输效率测量技术

【核心介绍】质谱仪在食品安全、环境安全及临床制药等领域的应用越来越广泛与深入，对其检测的灵敏度要求也越来越高，提升灵敏度也成为质谱仪发展的一个重要方向。提升灵敏度关键在于设计高传输效率的离子光学系统，而如何测量离子光学系统的传输效率，即确定离子在离子光路系统中的哪个环节损失是一项至关重要的一项研究。因此设计一种精确测量离子光学系统离子流传输效率的测量技术，对开发质谱仪具有重要的指导意义。本文利用带电荷离子定向流动形成电流的原理，设计一种收集并测量离子流的测量系统从而得到离子数量，并使用该测量系统实际测试了三重四极杆串 　

一种应用于质谱仪的离子传输效率测量技术

张建 李纲 邓丰涛

（聚光科技（杭州）股份有限公司 杭州 310052）

摘要 质谱仪在食品安全、环境安全及临床制药等领域的应用越来越广泛与深入，对其检测的灵敏度要求也越来越高，提升灵敏度也成为质谱仪发展的一个重要方向。提升灵敏度关键在于设计高传输效率的离子光学系统，而如何测量离子光学系统的传输效率，即确定离子在离子光路系统中的哪个环节损失是一项至关重要的一项研究。因此设计一种精确测量离子光学系统离子流传输效率的测量技术，对开发质谱仪具有重要的指导意义。本文利用带电荷离子定向流动形成电流的原理，设计一种收集并测量离子流的测量系统从而得到离子数量，并使用该测量系统实际测试了三重四极杆串联质谱仪离子光学系统的传输效率，测试结果与理论结果符合。

关键词 质谱；离子传输效率；离子流测量；

中图分类号 TH843

Measurement Technology of Ion Transport Efficiency for Mass Spectrometry

Zhang Jian，Li Gang，Deng Fengtao

（Focused Photonics(Hangzhou), Inc., Hangzhou 310052, China）

Abstract Mass spectrometry has been employed more and more widely and deeply in the field of food safety, environmental safety and clinical pharmacy, and the higher sensitivity will play an important role in some application cases in the future, as a result, to achieve higher sensitivity has become an important focal point in the development of mass spectrometers. In order to enhance the sensitivity it is needed to design an ion optical system with better transmission efficiency, the research that how to measure the ion transmission efficiency, or how to determine where the ion loss in the ion optics, has become more and more important. So it is quite necessary to design an accurate measurement method for measuring the ion transmission efficiency when developing mass spectrometers. A method to determine the ion pupulations in the ion optics has been developed, and in the method, the current that formed by the ions collected on the probe was measured and thus ion populations could be calculated according to the relationship between ion populations and current. The method was utilized to determine the ion transmission efficiency in the ion optics of triple quadrupole mass spectrometer, and the results were in line with the theoretically calculated results.

Key words Mass Spectrometer；ion transmission efficiency；Ion current measurement

三重四极杆串联质谱仪离子光学系统包括大气压离子源模块，离轴双锥真空接口模块，六极传输杆模块，Q1及Q2四极杆质量分析器模块，四极杆射频电源模块，碰撞反应池模块，检测器模块等。

在进行质谱分析时，带电离子依靠气流和电场引力进行离子传输，但在气流和电场作用下离子会发生碰撞导致传输速率和传输方向发生变化使离子损失而降低传输效率。传统上会利用软件来仿真离子传输的效率，但在高气压对流体和电场同时仿真且达到好的效果很难。因此设计离子光学系统不但通过软件模拟还需要实际测量，从而精确定位每一级离子光学系统的离子传输效率。本文提出了一种能精确测量离子流强度的电路测量系统，测试离子光学传输系统的离子传输效率，成为验证和测试离子光学系统设计的重要手段。在自主研发的三重四极杆质谱仪平台上对离子光学传输系统的每一级进行离子传输效率测试，实验结果与理论符合。

1 系统设计部分

仪器的系统架构包括5个子系统：离子光学系统，真空系统，气路及温度控制系统，电路控制系统，信号采集及处理系统。

离子光学系统包括如下几个模块：大气压离子源模块，离轴双锥真空接口模块，六极杆传输模块，质量分析器模块，碰撞反应池模块。离子光学系统示意如图1所示，图中标示了各级离子流强度，可以直观看出每一级的传输效率，在下文实验中具体介绍测试条件和方法得到每一级的离子流强度。整个离子光学系统分为3级真空：1、采样锥及萃取锥构成的真空接口；2、六极传输杆区域；3、四极杆质量分析器（Q1、Q2）及碰撞池。

图1离子光学系统示意图

离子光学的电势分布图如图2所示，离子在电势差影响下，正离子从高电势往低电势的点运动，电势差代表离子的离子能量，电势差越大，离子能量越大，动能就会越大，从而使离子聚焦效果变差。离子在传输过程中，电势并没有单方向递减，而是会有起伏，其目的使离子传输聚焦效果更好。

离子源将样品离子化后需要经过离子光学系统到达检测器。为了提高灵敏度需要尽量多的把离子传输到检测器，而离子从大气压传输到真空腔受到多种因素影响，比如离子能量、进样口大小、真空度等等^[3]。系统的真空度越高传输效率也就越高，所以提高离子传输效率关键是提高传输杆前级（低真空级）的离子传输效率^[5]。同时离子在穿越静电场和射频电场的连接处会有边缘场效应，也会导致离子传输效率下降，因此在仪器开发过程中测量离子光学系统每个模块间的离子传输效率具有重要意义。

图2 离子光学系统电势趋势图

2 电路系统设计

传输过程中传输的离子实际上就是电荷，电荷在导体中的定向运动可以形成电流。基于这个原理，本文设计了一种成本低、测量简单、测量误差小和测量实时性好的离子流在线检测装置。此检测装置实现离子光学系统的各级传输效率诊断并快速定位系统故障，从而提高了仪器的可制造性和可维护性。同时也是离子光学系统设计的有效验证手段，成为三重四极杆质谱仪研发过程中的关键装置。

离子源电流检测控制方案框图如图3，该方案主要包括：离子流切换控制开关、隔离脉冲电源、微电流信号检测电路、24位ADC、MCU控制器和人机交互界面组成。

该电路设计成两种工作模式。

第一种工作模式是离子传输模式，离子透镜电压由低噪声可调稳压电源供电。在该模式下，离子撞击在离子透镜上立刻通过公共接地端返回离子源发生器。

第二种工作模式是离子流测量模式，离子透镜电压由脉冲隔离稳压电源提供。在该模式下，离子撞击在离子透镜上，离子流通过离子透镜电极流入测量电路。

这两种控制模式由MCU程序控制，如果选择离子流测量模式，则通过离子流切换开关选择离子流测量模式。MCU控制器驱动隔离脉冲电源产生离子透镜电压。控制器调节脉冲产生电路的输出占空比，离子透镜电压随着占空比而改变。隔离脉冲电源是该检测控制方案的核心部件。电源运用浮地技术，要求离子透镜电极能正常工作又能让离子流输入到测量电路，需要注意其隔离电压足够高和漏电流足够小。离子流经过隔离脉冲电源被I/V（电流电压转换）电路转换为模拟电压。电流信号受到四极杆射频电场的辐射干扰，需要在前级加射频滤波处理，敏感电路做屏蔽措施，同时防止外部漏电流的干扰，需要把信号输入线进行双层屏蔽。微电流检测电路把pA级微电流转换成电压信号，通过电压放大、滤波和电平移位技术最终转化成差分电压输入到24位ADC（模拟数字转换器）转化成数字量，MCU转换成离子数显示在人机交互界面上。人机界面可以实时显示撞击到离子透镜上的离子数，可以计算出每级离子透镜的离子数，从而得到每级离子光学系统的传输效率。

图3 电路测量系统原理框图

3 实验设计与测试

实验在自制的三重四极杆串联质谱上开展的，实验测试离子光学系统各个节点的离子束电流强度用于评估离子传输效率，具体包括包括采样锥入口水平面的ESI喷雾电流强度，采样锥出口处的离子流强度，萃取锥出口处的离子流强度，传输杆出口处的离子流强度。

3.1 实验条件

样品：利血平标准溶液，浓度1μg/mL；进样方式：注射泵进样；流速：20μL/min；喷雾电压：3.2kV；雾化气流速：1.3L/min；去溶剂气流速：5L/min；去溶剂气温度：200℃。

从理论上分析，在此进样条件下每秒待电离的利血平为5.5e-13 mol，假设所有利血平分子均被电离，那么大气压源处的离子数有3.3e11离子数，可以认为一个分子产生一个离子，也就是一个单位电荷；根据公式 I = Q/t，理论计算得到电流约53nA，理论上每一级的入口处的离子电流可以参考下表1：

表1 ：理论各级离子传输效率与强度^[1]

离子光学系统	理论传输效率	理论测得的电流
采样锥入口	-	50nA
萃取锥入口	2%	1nA
传输杆入口	2%	20pA
四极杆入口	40%~70%	10pA

注：溶剂分子的电离没有考虑，因为溶剂的电离效率无法估算，可能会与实际测出的电流值有误差。

3.2采样锥入口水平面的ESI喷雾电流强度

采用大气压ESI离子源，离轴双锥采样真空接口如下图4所示，图中的金属平板和金属棒用于收集接口处的离子流。

将一块金属板放置在采样锥入口的水平面上如图5所示，采集喷雾中的离子，测量离子流产生的电流强度，使用离子流测量电路测得电流强度约为300nA。

图4 双锥采样真空接口示意图

图5 测试ESI喷雾离子化电流

3.3采样锥出口处的离子流强度

采用一根直径为3mm的自制金属棒，金属块插入真空接口并与真空接口保持绝缘，使金属棒一端位于采样锥出口处即传输入口处，距出口约2mm，另一端连接导线将离子束产生的电流导出。使用自制的微电流测量板测得电流约为6nA。所以可以算得采样效率约为2%。

3.4萃取锥出口处的离子流强度

采用自制的铜制金属块放置在六极传输杆的入口处如图6所示，用于采集萃取锥出口处的离子束，然后将产生的电流利用穿板接头导出真空腔以测量电流强度，采样锥电压50V，萃取锥电压0V，使用自制的微电流测量板测得电流约为90pA，可以计算得到萃取锥的萃取效率约1.5%（90pA/6nA）。

图6 测量铜块安装示意图

3.5传输杆出口处的离子流强度

本实验分别测试了六极杆，圆柱四极杆两种传输杆，以评估不同传输杆的传输效率。

3.5.1六极传输杆

采用自制的铜制金属块放置在Q1四极杆的入口处如下图8所示，用于采集传输杆出口处的离子束，然后将产生的电流利用穿板接头导出真空腔以测量电流强度，通过调节采样锥电压，测量板测得电流值记录如下图7所示。

图 7基于六极传输杆模式的不同采样锥电压下离子流强度

图8  Q1四极杆的入口处铜块

根据上图7的实验结果及传输杆入口处的电流强度，六极传输杆的传输效率约为50%，另外上图中，传输杆出口处的电流强度随采样锥的电压改变表现出一个最优值，这与真空接口的设计原理也是相符的，所以这种测电流评估传输效率的方法是可行的。

3.5.2 圆柱四极杆

采用自制的铜制金属块放置在Q1四极杆的入口处，用于采集传输杆出口处的离子束，然后将产生的电流利用穿板接头导出真空腔以测量电流强度，通过调节采样锥电压，测量板测得电流值记录如下图9所示。

图9基于圆柱四极杆模式的不同采样锥电压下离子流强度

根据图9的实验结果及传输杆入口处的电流强度，圆柱四极传输杆的传输效率约为50%。

测试结果表明，圆柱四极杆及六极杆的传输性能相差不大，在仪器的稳定范围内，两者的表现可以认为是一样的。整个离子光学系统中离子的损失主要在真空接口部分，即采样锥的采样效率，以及萃取锥的萃取效率，两者的数值约1~2%。

实际测试得到的传输效率如下表2所示。

表2 实测系统各级离子流强度

离子光学系统	传输效率	测得的电流
采样锥入口	-	300nA
萃取锥入口	2%	6nA
传输杆入口	1.5%	90pA
四极杆入口	50%	45.5pA

3.6 实验结论

实际测得的电流见表2与理论电流见表1有一定差距，但是量级上保持一致，差别可能是由于部分溶剂分子电离带来的，测试结果符合预期，该测量系统的准确性能够满足系统测试需求。

4 总结

通过测量离子光学系统各节点的离子束电流强度以评估离子光学系统的离子传输效率，可以直观快速的找到系统设计中的缺陷，从定性的角度分析离子在传输过程中损失在哪个环节，为离子光学系统的设计提供了实际测量手段，提高了仪器的可制造性和可维护性。

实际测试结果表明，本离子效率测量系统能够精确测量每级离子透镜的离子传输效率，满足实际使用需求。同时通过此种测试方法，明确了提高离子传输效率的方向，对仪器的升级具有重要意义。

参考文献

[1] Jason S.Page，Ryan T.kelly，Keqi Tang，and Richard D.Smith，Ionization and Transmission Efficiency in an Electrospray Ionization–Mass Spectrometry Interface，Journal of the American Society for Mass Spectrometry, (1044-0305), Volume 18, Issue 9, 2007, Pages 1582-1590

[2] Kim.T；Udseth，H.R；Smith，R.D. Improved Ion Transmission from Atmospheric Pressure to High Vacuum Using a Multi-Capillary Inlet and Electro dynamic Ion Funnel Interface Anal.Chem.200,72,5014-5019;

[3] Taeman Kim , Harold R. Udseth , and Richard D. Smith，Improved Ion Transmission from Atmospheric Pressure to High Vacuum Using a Multicapillary Inlet and Electrodynamic Ion Funnel Interface，Anal. Chem., 2000, 72 (20), pp 5014–5019

[4] AN Krutchinsky，JC Padovan，H Cohen，BT Chait，Maximizing ion transmission from atmospheric pressure into the vacuum of mass spectrometers with a novel electrospray interface，Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 2015, 26(4):649-658

[5] How do we eliminate ion losses at AP: Keeping the barn doors open, Feature Article at www.LCMS.com VOL.1,No.1,(2006)；

[6] John B.Fenn,Mass spectrometric implications of high-pressure ion source, International Journal of Mass Spectrometry 200(2000)459-478；

[7] A.V. Tolmachev , I.V. Chernushevich，A collisional focusing ion guide for coupling an atmospheric pressure ion source to a mass spectrometer，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，124 ( 1997) 1121- 19

[8] Busman.M; Sunner,J.Vogel.C.R. Space-Charge-Dominated Mass-Spectrometry Ion Sources-Modeling and Sensitivity  J.AM.Soc.Mass Spectrom.1991,2,1-10;

[9] Rui Wang,1 Pitt Allmendinger,1 Liang Zhu，The Role of Nebulizer Gas Flow in Electrosonic Spray Ionization (ESSI)，J. Am. Soc. Mass Spectrom. (2011) 22:1234Y1241

[10] 费强，金伟，姜杰，周建光，郇延富，范茜 ，金钦汉，电喷雾矩形离子阱质谱仪的初步研制，现代科学仪器， 2008 (4)