小型離子阱質譜技術研究進展

楊寶坤，姜 婷，向 玉，徐 偉，翟雁冰

（1.北京理工大學 生命學院，北京 100081；2.北京理工大學 醫學技術學院，北京 100081）

0 引言

質譜儀是利用樣品離子質荷比差異實現物質分離及檢測的分析儀器，具有靈敏度高、特異性強、分析速度快、能快速同時分析多組樣品等優點，已經成為現代物理、化學、生物學等諸多領域不可替代的分析工具。作為質譜儀的核心組成部件，質量分析器利用特定的電場或磁場操控離子的運動，實現不同樣品離子的質量分析，其工作原理與質譜儀的分析性能（如分辨率、質量范圍等）息息相關。根據工作原理的不同，目前的質量分析器主要有磁偏轉（Magnetic sector）、四極桿（Quadrupole，Q）、飛行時間（Time of Flight，TOF）、離子阱（Ion Trap，IT）、傅立葉變換離子回旋共振（Fourier transform ion cyclotron resonance，FTICR）以及軌道離子阱等多種類型。其中，離子阱質量分析器具有結構簡單、對真空度要求低、靈敏度高、可多個串聯進行質譜分析等諸多獨特優勢，在質譜分析中得到了廣泛的應用，成為小型化質譜儀質量分析器的首選。為了滿足不同的分析需求，小型離子阱質譜儀已經實現與大多數敞開式電離方法的結合[1-2]，包括解吸電噴霧電離[3]、直接實時分析[4]、低溫等離子體電離[5]、紙噴霧電離[6]和光電離[7]等。

離子阱是在四極桿的基礎上發展而來的一種小型無磁質量分析器，1953年由Paul等[8]提出。由于在環電極上施加U+Vcos（Ωt）（其中，U為直流信號幅度，V為交流信號幅度，Ω為交流信號角頻率，t為時間）電壓產生了理想的四極電場，因此早期的離子阱也被稱為三維（3D）離子阱或四極離子阱（Quadrupole Ion Trap，QIT）。這種離子阱主要由雙曲面環形電極組成，精度要求高、加工難度大，離子容量較低。為了解決上述問題，在過去的幾十年里，人們開展了大量離子阱關鍵技術的探索研究，開發了多種不同電極形狀的離子阱，如圓柱形離子阱[9]、直線離子阱[10]、網狀電極離子阱[11]、PCB離子阱[12]、三角電極離子阱[13]等。在這些離子阱中，離子被線形束縛在軸向而不是阱中心，因而離子阱的容量大幅增加，被稱為二維離子阱或線性離子阱。以矩形離子阱為例，該離子阱有兩個相互垂直的對稱面，并且在二維平面形成四極場。當外部產生的離子通過端蓋電極孔進入線性離子阱后，射頻四極場對離子形成徑向束縛，兩端蓋電極上的直流場對離子形成軸向束縛。在離子分析階段，通過調節直流場和射頻四極場，可以實現離子的孤立、激發，最終經由端蓋上的小孔或徑向電極上的狹縫被彈射出去。為了提升離子阱的質量分辨率，通常會在x方向電極上施加與離子長期運動頻率相當的偶極交流（AC）信號。除此以外，人們對離子阱中各種電極的結構也進行了不斷的優化，包括補償各種電極，如網格縫隙電極[11]、平面電極[14-15]、半圓棒電極[16]以及不對稱（如不同半徑）圓弧電極[17]等的邊緣場，優化電極的幾何形狀，簡化了加工工藝，同時通過添加高階場成分有效增加了阱的容量和離子束縛效率，因此離子阱受到從事各類儀器，尤其是小型化質譜儀研究人員的青睞[18]。

為了將離子阱的尺寸進一步小型化，微機電系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS）技術[19]受到人們的廣泛關注。基于不同的MEMS技術，研究人員已加工出毫米甚至微米尺度水平的離子阱。例如，Yu等[20]采用立體光刻技術逐層加工光敏樹脂，快速制備出整體化的離子阱骨架。Maas等[21]在聚合物基矩形離子阱的基礎上提出了一種微型矩形離子阱的環形陣列，結合印刷電路和立體光刻技術，無需手工組裝即制備出較高精度的陣列離子阱整體結構，其中單個阱的場半徑僅為1.33 mm。Austin等[22]制造了一種場半徑為0.5 mm的Halo離子阱。他們以陶瓷板為基底，用激光在陶瓷上打出通孔并以金填充，在陶瓷板表面蒸發沉積鉻層，最后用光刻圖形化形成金屬電極柱。Clare等[23]將數字光處理（Digital Light Processing，DLP）技術用于線性離子阱加工，通過DLP的動態掩膜技術選擇性地固化光敏聚合物樹脂制作電極骨架，然后用熱蒸發沉積形成電極并完成電極組裝。Zhang等[24]利用MEMS和激光刻蝕技術制造了微型四通道離子阱陣列（Miniature Four-channel Ion Trap Array，MFITI），獲得了較高的加工精度和較薄的電極厚度，并減少了由加工誤差引起的電場畸變，保證了四個通道在誤差范圍內的一致性。盡管MEMS技術大幅減小了離子阱的尺寸，降低了射頻電壓幅度和電路功耗，但同時也降低了離子阱勢阱深度，導致MEMS微型離子阱的分辨率、離子容量、質量范圍等性能降低。因此，基于MEMS的微型離子阱目前主要局限于有機小分子分析，在生物化學分析領域尚未得到廣泛應用。

本文聚焦近5年來的離子阱技術革新，從離子阱操作新模式、新結構設計與功能新拓展三個方面，綜述離子阱技術的最新研究進展。

1 離子阱操作模式

1.1 離子間相互作用

空間電荷效應是離子阱中普遍存在的一種離子間相互作用，通常會改變單個離子的運動軌跡[25]，降低離子阱的分析性能。正因為空間電荷效應的存在，離子阱的定量能力不如四極桿。為了降低離子阱中的空間電荷效應，一方面通過自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）實現離子引入總量的控制；另一方面也可以通過施加存儲波形反傅立葉變換（Stored Waveform Inverse Fourier Transform，SWIFT）[26]、濾波噪聲場（Filtered Noise Field，FNF）信號[27]、計算機設計波形（Computer Designed-Waveform，CD-WF）[28]等寬帶離子激發信號來孤立目標離子，使空間電荷效應最小化。為了降低線性離子阱中的空間電荷效應對質量分辨率的影響，Zhang等[29]于2016年開發了菱形離子激發彈射技術，通過在線對離子阱x和y方向電極同時施加兩對偶極AC信號，使離子阱內的離子按照質量被選擇性地激發到一個近似于菱形的軌道上。不同于傳統激發模式下離子穿過離子云的情況，菱形激發中被激發離子圍繞囚禁于離子阱中心的離子云運動，因此離子和離子云之間的庫倫作用力減小，離子阱的質量分辨率提高。

盡管空間電荷效應通常會削弱離子阱的分析能力，但它也為開發離子操控方法提供了新思路。近期，Zhou等[30]提出了離子集體相互作用（Collective Interaction）質量分析技術，實現了目標離子的無損檢測。他們首先將分析物離子和信號離子同時束縛在阱內，通過調節射頻電壓使信號離子的q值（馬修方程參量之一，決定離子在阱內運動穩定性的關鍵參數）位于穩定區邊界。此時，射頻電場對處于穩定區邊緣的信號離子的作用急劇減小，然后用一個較小的輔助AC信號激發分析物離子，利用空間電荷效應彈射信號離子，進而得到對應的分析物離子的質荷比信息，如圖1所示[30]。該方法對分析物離子是無損的，而且對于某些質譜分析應用有著提升性能、分辨率和靈敏度等方面的潛力。

圖1 離子阱中離子集體相互作用質量分析原理Fig.1 Schematic illustrations for mass analysis using collective interaction

1.2 射頻頻率掃描

根據穩定區理論及馬修方程，四極場中離子的q值與射頻幅度成正比，與頻率的平方成反比。因此，理論上可以通過射頻幅度掃描（掃幅模式）和頻率掃描（掃頻模式）兩種方式來實現離子的質量分析。其中，掃幅模式最早應用于離子阱，相關技術也最為成熟。在該模式下，離子阱的質量分析是通過線性掃描射頻信號的幅度完成的，分析物離子的質量數越大，需要的射頻電壓值也越高，因此離子阱的質量范圍擴展受到射頻電壓幅度的限制。此外，幅度掃描模式下離子阱存在的“低質量截止效應”會降低低質量數離子的分析效率。為了解決上述問題，Ding等[31-32]于2006年提出了數字離子阱（Digital Ion Trap，DIT）技術，采用方波信號驅動離子阱，通過線性掃描方波周期（頻率）實現離子質量分析。由于DIT采用了幅度較小且恒定的射頻幅度，因此在突破電壓幅度對質量范圍限制的同時，降低了傳統掃幅離子阱的低質量截止效應。基于DIT技術，Reece等[33]通過調整數字波形的占空比和離子阱軸向穩定區，使盡可能多的離子從質量分析器的一端彈射，實現了線性離子阱中無輔助波形數字分析，提高了數字離子阱的質量分辨率。Xu等[34]將方波頻率掃描技術用于非對稱離子阱有效場半徑的測量，該技術對非雙曲型離子阱的有效場半徑模型和測量具有較好的預測能力。

盡管DIT克服了傳統離子阱掃幅模式的部分缺陷，但其頻率掃描是通過方波信號的高頻開關實現，系統的功耗較大。相比于方波頻率掃描，Jiang等[35]提出了正弦波頻率掃描離子阱技術，大幅降低了射頻頻率掃描的功耗，簡化了驅動電路。基于該技術，他們開發了小型正弦波頻率掃描離子阱質譜儀。在離子阱進樣和離子冷卻階段，射頻波形的幅度和頻率均保持不變；在掃描階段，射頻幅度保持不變，頻率由高到低進行掃描（圖2（a）[35]），并結合AC偶極激發實現離子的分析。在正弦波頻率線性掃描模式下，質荷比與彈射時間呈非線性關系，因此通常須利用二者的關系校正質量軸，如圖2（b）[35]所示。

與傳統的射頻幅度掃描模式相比，掃頻模式通常使用的射頻電壓幅度相對較低，因此會降低質量分辨率和靈敏度。為此，Jiang等[36]進一步提出了四極增強偶極共振彈射方法。該方法結合了偶極共振激發與四極共振激發兩種經典的離子激發方式[37]，利用一個四極激發信號和一個偶極激發信號共同實現離子的激發和彈射。如圖3[36]所示，四極激發信號與射頻激發信號耦合，并施加在一對雙曲線電極上，偶極激發信號被施加在另外一對雙曲線電極上。該方法有效降低了離子阱內的空間電荷效應，將小型質譜儀的質量分辨率和靈敏度提高了2倍以上。

圖2 小型正弦波頻率掃描離子阱質譜儀正弦掃描波形與質量校準曲線Fig.2 Positive sweep waveform and mass calibration curve of small sine wave frequency sweep ion trap mass spectrometer

圖3 四極增強偶極共振彈射裝置原理圖Fig.3 Schematic diagram of QE-dipole resonant ejection device

2 離子阱結構設計

2.1 高階場成分優化

線性離子阱雖然提高了質譜分析的靈敏度，拓寬了質量范圍，但是離子阱本身還存在分辨率較低以及低質量截止等問題。為了解決這些問題，人們在離子阱的結構改進方面做了很多努力。Guna等[38]發現，引入少量的正向高階場就可以有效地提高信號強度。Douglas等[39]發現，四極濾質器的質量分辨率很大程度上依賴于八極場的極性。后期[40]研究進一步證實，高階場（如六極場、八極場）成分會極大地影響四極質譜的分析性能，例如六級場主要對離子運動中心位移產生影響，八級場會改變離子的長期運動頻率。高階場成分的疊加主要通過改變離子阱的結構實現，例如經典的Finnigan離子阱質譜儀[41]通過拉伸幾何結構的方法將離子阱電極的相對距離增大了10.8%，從而引入正的高階場。Wu等[42]的研究表明，線性離子阱可以通過被拉伸引入一個正的八級場來補償負的十二極場。然而，由于該研究同時引入了十二極場和八極場，因此很難確定八極場的獨立影響程度，以及十二極場或八極場的最佳組成。Sudakov等[43]證明，使用不同直徑的桿電極也可以添加八極場成分，而其他高階場成分仍然很小。基于此，Xu等[44]近期設計了一種新型的非對稱半圓形線性離子阱質量分析器，采用不同直徑的半圓形電極，引入了不同數量的高階場成分，研究結果表明，正八極場可以顯著提高離子阱的質量分辨率、離子信號強度和碰撞誘導解離（Collision-induced Dissociation，CID）效率，而任何數量的負八級場都會降低質量分辨以及信號強度。

2.2 離子阱陣列

為了增加離子阱的分析功能和性能，離子阱陣列一直是人們研究的離子阱熱點技術之一。2014年，Wang等[45]將兩個線性離子阱串聯，實現了離子的質量選擇性傳輸和富集，提升了質譜分析的靈敏度和分辨率。同期，Li等[46]將雙離子阱陣列與非連續大氣壓接口質譜系統結合，也實現了離子的選擇性傳輸和串聯質譜分析。Liu等[47]于2018年開發出了具有雙線性離子阱的非連續大氣壓接口小型質譜儀，該質譜計整機結構及內部雙離子阱陣列結構如圖4（a）（b）[47]所示，實現了多掃描模式下的串聯質譜分析，這對于提升小型質譜儀的高準確定性及定量分析意義重大。該雙離子阱系統采用脈沖閥控制氣體泄漏（圖4（c）～（e）[47]），具備連續漏氣和脈沖式漏氣兩種模式，實現了真空度控制和離子高效傳輸，離子在兩個阱中2次間的傳輸效率達到75%，最多可以完成7次傳輸，如圖4（e）[47]所示。在此基礎上，為了進一步提升串聯質譜的分析性能，該團隊[48]對系統氣壓的調節方式進行了新的優化設計，通過連接在分子泵和隔膜泵之間的兩個氣體泄漏入口實現了0.001～1.3 Pa壓力范圍內的任意實時調節。此外，該團隊[49]還利用統計算法從離子的統計數據中提取有效電場，取代耗時的離子-離子庫侖相互作用計算，進一步壓縮樣本量并提升運算速度，實現了空間電荷效應的快速計算以及譜圖的校正。隨后，他們[50]結合毛細管墨盒紙噴霧以及活塞流微萃取法（Slug-flow Microextraction），用雙離子阱小型質譜儀檢測了多種飲料樣品中芬太尼類化合物，檢測限達到10-9質量分數，對塑料袋表面的芬太尼類化合物也實現了1 ng/cm2的高靈敏度檢測。

圖4 雙線性離子阱非連續大氣壓接口小型質譜儀結構及性能Fig.4 Structure and performance of dual-LIT configuration discontinuous atmospheric pressure interface the miniature mass spectrometer

3 離子阱功能拓展

3.1 寬頻離子激發

選擇性反應監測（Selected Reaction Monitoring，SRM）和多反應監測（Multiple Reaction Monitoring，MRM）是定量分析中使用最廣泛的質譜操作模式。分析物離子的選擇性孤立是實現上述兩種模式的關鍵。然而，傳統離子阱的離子孤立過程依賴于存儲波形反傅立葉變換（SWIFT）[51]，即在時頻域的任何特定時間只有一個頻率分量，因此只能孤立捕獲后的離子，不能實現離子進入過程中的實時孤立。為了提升離子阱質譜的定量分析能力，Xu等[52]在時域和頻域上設計了一種新的寬頻激發波形，即Grid-SWIFT波形，如圖5[52]所示。Grid-SWIFT波形擁有多條頻域掃描線，可以在離子注入階段有效孤立目標離子，降低空間電荷效應和其他離子的干擾，實現分析物離子在離子阱中更高效地富集。通過使用該波形，在小型離子阱質譜儀上實現了偽MRM分析模式，如圖6[52]所示，不僅提高了分析的靈敏度，而且可以在較寬的濃度范圍內提高定量分析的準確度。相比于傳統的SWIFT波形，Grid-SWIFT波形對分析物離子的檢測靈敏度提升約4倍，在相對較寬的濃度范圍內，目標定量分析的相對標準偏差（RSD）小于14%。

圖5 Grid-SWIFT波形及其生成過程Fig.5 Grid-SWIFT waveform and its generation process

圖6 基于Grid-SWIFT波形的偽MRM分析與定量分析Fig.6 MRM analysis and quantification based on Grid-SWIFT waveform

3.2 離子阱遷移分離

離子遷移譜（Ion Mobility，IM）利用離子在氣相中的遷移率差異，通過遷移時間的不同進行離子的分析。近些年來，越來越多的離子遷移譜-質譜聯用技術用于不同的化學和生物分析。但是，由于離子阱分析時間（一般為幾十甚至幾百毫秒）遠遠大于離子遷移譜分析時間（一般為幾毫秒），所以一直無法將離子遷移譜與離子阱質譜串聯進行分析。最近，Li等[53]將離子遷移譜與離子阱質譜并聯，快速精準地檢測了化學品的泄漏，避免了瞬時泄漏化學品的無效檢測。此外，Fan等[54]探索了將雙線性離子阱用在非連續大氣壓接口（Discontinuous Atmospheric Pressure Interface，DAPI）質譜系統中進行IM分析的潛力，通過調節動態氣流和電場的相互作用，實現了離子在離子阱間的遷移分離。離子阱間的離子遷移有兩種模式：在第一種模式中，離子在氣流作用下克服電場阻礙作用，從1號阱遷移到2號阱，具有較大碰撞截面積（CCS）的離子獲得較高的傳輸效率；在第二種模式中，離子在電場作用下克服氣流作用，從2號阱遷移至1號阱，擁有較小CCS的離子獲得較高的傳輸效率，如圖7[54]所示。他們利用該方法實現了小分子有機化合物和大蛋白同分異構體的分離分析。類似地，Xiong等[55]將離子遷移分析模式用于四極離子阱顆粒質譜（QIT-PMS），如圖8（a）[55]所示，通過調節四極離子阱中電場和氣體的流體動力學場，切換質譜（MS）分析模式和碰撞截面積（CCS）模式，如圖8（b）[55]所示。在MS模式下，射頻頻率向下掃描，顆粒物離子的q值依次增大，并在達到0.908時被彈射出阱；切換到CCS模式后，射頻頻率逐漸增大，離子的q值隨之變小，贗勢阱深度減小，離子在引入氣流的作用下按照自身碰撞截面積的不同依次被吹出離子阱，從而實現了顆粒平均大小、質量和密度的同時測定。

圖7 雙線性離子阱用于非連續大氣壓接口質譜系統中進行IM分析Fig.7 Dual-LIT configuration are used for IM analysis in discontinuous atmospheric pressure interface mass spectrometer systems

圖8 離子遷移分析模式用于四極離子阱顆粒質譜Fig.8 Ion migration analysis mode is used in QIT-PMS instrumentation

4 總結與展望

隨著不同領域對于質譜儀功能及性能分析需求的不斷多樣化，離子阱技術也在不斷發生變革。無論是新的機械結構或是新的離子掃描方法，都賦予了離子阱更加強大的分析功能。小型化質譜儀的發展需求為離子阱賦予了新的分析使命，離子阱已經成為目前大多數小型質譜儀質量分析器的理想選擇。

相信在不久的將來，離子阱技術的高速發展必將使得小型質譜儀能夠適應不斷出現的各種分析需求，同時也必將與各種新興技術結合，成為現代科學研究與日常生活不可缺少的重要分析工具。