印刷線路板分壓離子阱的離子單向出射性能研究

張?jiān)谠健≡瑥V洲　何洋　錢潔　張曙光　姚如嬌　丁傳凡　李曉旭

摘要印刷線路板（PrintedCircuitBoard， PCB）分壓離子阱是一種新型質(zhì)量分析器， 其突出優(yōu)點(diǎn)在于內(nèi)部電場(chǎng)可通過(guò)調(diào)節(jié)射頻分壓比進(jìn)行優(yōu)化。本實(shí)驗(yàn)在PCB分壓離子阱離子出射方向的兩組離散電極上配置了非對(duì)稱的射頻分壓， 以引入奇次階場(chǎng)成分， 使得射頻電場(chǎng)的場(chǎng)中心（即離子運(yùn)動(dòng)中心）發(fā)生偏移， 從而實(shí)現(xiàn)離子單向出射。通過(guò)數(shù)值計(jì)算軟件SIMION和AXSIM分析了射頻分壓比差值與其內(nèi)部電場(chǎng)分布的關(guān)系， 并模擬離子運(yùn)動(dòng)軌跡， 得到離子出射情況和模擬質(zhì)譜峰。模擬結(jié)果表明， 當(dāng)兩組離散電極的射頻分壓比差值為20%時(shí)， 在合適的AC頻率條件下， 對(duì)于m/z=609 h的離子， PCB分壓離子阱的離子單向出射率可達(dá)90%以上， 且質(zhì)量分辨率大于2500。本研究可使PCB分壓離子阱在基本不損失質(zhì)量分辨率和使用單檢測(cè)器模式下， 大幅提高離子檢測(cè)效率， 因而在小型化質(zhì)譜儀應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞印刷線路板分壓離子阱； 理論模擬； 離子單向出射； 奇次階場(chǎng)

1引 言

離子阱質(zhì)譜儀憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小巧、靈敏度高、真空要求相對(duì)較低[1]以及能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)多級(jí)質(zhì)譜分析[2，3]等優(yōu)點(diǎn)， 成為質(zhì)譜分析領(lǐng)域的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)[4，5]之一。相比三維離子阱， 線性離子阱（Linear ion trap， LI）具有更高的離子儲(chǔ)存容量和離子捕獲效率[6]。近年來(lái)， 新型結(jié)構(gòu)（或稱簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)）的線性離子阱頗受相關(guān)研究人員的關(guān)注， 因其具有易于加工裝配和成本低廉等特點(diǎn)， 從而被作為開發(fā)小型化質(zhì)譜儀的首選[7，8]。

在矩形離子阱（Rectilinear ion trap， RI）中， 電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平板電極， 但平板電極不可避免地會(huì)引入大量有害的非線性場(chǎng)成分， 從而降低了其分析性能[7，9]。 三角離子阱（riangular electrodes LI， eLI）將RI中的平板電極替換成三角形柱狀電極， 減少了由于RI的電極結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)化而引入的非線性場(chǎng)成分， 分析性能優(yōu)于RI[10，11]。 半圓柱電極線性離子阱采用了半圓柱電極結(jié)構(gòu)， 相比于eLI， 非線性場(chǎng)成分被進(jìn)一步降低， 分析性能進(jìn)一步提高[12]。

Jiang等[13]提出了PCB分壓離子阱， 每組PCB離散電極都被絕緣材料截?cái)喑蓭锥为?dú)立導(dǎo)電條（中央導(dǎo)電條， 邊導(dǎo)電條和角導(dǎo)電條）， 電場(chǎng)分布可以通過(guò)調(diào)節(jié)施加在邊導(dǎo)電條與中央導(dǎo)電條上的射頻電壓的比值（即射頻分壓比）優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 最優(yōu)射頻分壓比為67%， 分析性能遠(yuǎn)優(yōu)于RI。為進(jìn)一步優(yōu)化PCB分壓離子阱的分析性能， 何洋等[14]改變了原共振激發(fā)（AC）電壓配置方式和撤除角導(dǎo)電條。理論模擬結(jié)果表明， 這兩種改進(jìn)方式使得質(zhì)量分辨率分別提升25%和16%。

然而， 在現(xiàn)有的LI中， 離子都是沿著兩個(gè)相反的方向同時(shí)出射（即雙向出射）， 且兩個(gè)方向的出射概率均為50%。因此， 在商業(yè)化的線性離子阱質(zhì)譜儀中， 兩個(gè)帶有出射槽的電極附近各安裝了一個(gè)離子檢測(cè)器， 用于同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)方向出射的離子。但這種離子檢測(cè)方式并不適用于小型化質(zhì)譜儀， 因?yàn)檫@將大幅增加質(zhì)譜儀的體積、功耗、檢測(cè)電路和制造成本。因此， 現(xiàn)有已報(bào)道的所有簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的線性離子阱質(zhì)譜儀中， 均只使用了一個(gè)離子檢測(cè)器進(jìn)行離子檢測(cè)[7，11～13]， 該檢測(cè)方式的理論最高離子檢測(cè)效率僅50%， 實(shí)際上的離子檢測(cè)效率必然小于該數(shù)值。

實(shí)現(xiàn)離子單向出射是提高LI在單檢測(cè)模式下離子檢測(cè)效率的有效方法。Wang等[15]通過(guò)理論模擬論證了在LI中添加適當(dāng)比例的六極場(chǎng)（A3）可實(shí)現(xiàn)離子單向出射。Splendore等[16]提出在三維離子阱的端蓋電極上添加幅值較小、相位相反的射頻電壓以引入奇次階場(chǎng)， 從而使得離子運(yùn)動(dòng)中心發(fā)生偏移， 實(shí)現(xiàn)離子單向出射。Remes等[17]設(shè)計(jì)了多種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙曲面型線性離子阱， 并通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬驗(yàn)證了其具有一定程度的離子單向出射性能， 且能獲得與在理想四極場(chǎng)條件下相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分辨率。

本研究在PCB分壓離子阱的離子出射方向（即X軸方向）的兩組離散電極上配置了非對(duì)稱的射頻分壓， 以引入成分合理的奇次階場(chǎng)和偶次高階場(chǎng)。在此電壓配置下， 離子在X軸方向上的運(yùn)動(dòng)中心發(fā)生偏移， 從而實(shí)現(xiàn)離子單向出射， 提高了離子的檢測(cè)效率。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1PCB分壓離子阱的結(jié)構(gòu)

采用文獻(xiàn)[14]優(yōu)化后的PCB分壓離子阱結(jié)構(gòu)， 其截面模型如圖1A所示。相比于文獻(xiàn)[13]提出PCB分壓離子阱原型， 其每組PCB離散電極去掉了角導(dǎo)電條， 同時(shí)適當(dāng)增加了中央導(dǎo)電條和邊導(dǎo)電條的長(zhǎng)度。具體參數(shù)如下： 中央導(dǎo)電條長(zhǎng)度C=3 mm， 邊導(dǎo)電條長(zhǎng)度S=2.8 mm， 電場(chǎng)半徑r=x0=y0=5 mm， 離子出射槽寬度d=0.8 mm， 導(dǎo)電條之間間距l(xiāng)=0.2 mm。

2.2多極場(chǎng)計(jì)算和離子軌跡計(jì)算模擬

本研究的射頻（RF）電壓和AC電壓的配置方式如圖1A所示 [14]。圖1B為射頻分壓比差值ΔV=γ-α=α-β=15%時(shí)的阱內(nèi)RF電場(chǎng)的等勢(shì)線圖。由圖1B可知， RF電場(chǎng)的場(chǎng)中心并不在PCB分壓離子阱的幾何中心， 而是向x負(fù)半軸（即射頻分壓比更小的一側(cè)）偏移。

PCB分壓離子阱內(nèi)任意一點(diǎn)的電勢(shì)都必須滿足Laplace方程， 其電勢(shì)可表示為：

Φ（x，y）=VRe∞N=0AN（x+iy）NrN0（1）

其中， V是電極上配置的射頻電壓， Re為多項(xiàng)式的實(shí)部， AN是相應(yīng)多極場(chǎng)成分的大小， x和y為笛卡爾坐標(biāo)， r0為場(chǎng)半徑。本研究中RF電場(chǎng)的各極電場(chǎng)成分均由軟件Pan33[18]計(jì)算得到。

本研究使用AXSIM軟件計(jì)算仿真離子運(yùn)動(dòng)軌跡[10，18]， 同時(shí)記錄離子的終止位置和時(shí)間， 由此得出模擬質(zhì)譜峰和離子出射情況。模擬測(cè)試樣品的質(zhì)荷比（m/z）分別為609， 610和611 h， 每種離子各100個(gè)， 其初始位置正態(tài)分布于離子阱的幾何中心。

在仿真實(shí)驗(yàn)中， 本研究采用“模擬射頻掃描”[19]工作模式。在此模式下， RF的頻率固定為1.0 Mz， RF線性掃描的速度約為1500 h/s。在本工作中， AC的頻率和幅值被視為優(yōu)化PCB分壓離子阱分析性能的關(guān)鍵參數(shù)。離子單向出射率等于從x負(fù)半軸出射的離子數(shù)除以總離子數(shù)（即300）。質(zhì)量分辨率由式（2）計(jì)算所得：

R=（m/z）/ΔM（2）

其中， m/z為測(cè)試樣品的質(zhì)荷比； ΔM為模擬所得質(zhì)譜峰的半峰寬。

3結(jié)果與討論

3.1射頻分壓比差值ΔV對(duì)離子單向出射率的影響

本模擬實(shí)驗(yàn)中， AC頻率固定為0.327 Mz， AC幅值為能夠使PCB分壓離子阱中所有離子完全出射的最小電壓值。ΔV在5%～30%范圍內(nèi)， 每2.5%取一組數(shù)據(jù)， 共計(jì)11組。

不同ΔV條件下的RF電場(chǎng)分布情況見表1， 四極場(chǎng)A2=0.9767， 且保持不變， 相比于其它電場(chǎng)成分， A2占有絕對(duì)的比重。隨著ΔV增大， 奇次階場(chǎng)（A1， A3和A5）的數(shù)值顯著增大， 而偶次高階場(chǎng)（A4和A6）的數(shù)值保持不變。因此， 可以通過(guò)調(diào)節(jié)ΔV優(yōu)化奇次階場(chǎng)成分所占比例。

4結(jié) 論

通過(guò)在PCB分壓離子阱的離子出射方向的兩組離散電極上配置了非對(duì)稱的射頻分壓方式向阱內(nèi)引入合理的奇次階場(chǎng)成分和偶次高階場(chǎng)成分， 使得離子運(yùn)動(dòng)中心發(fā)生偏移， 從而實(shí)現(xiàn)離子單向出射。同時(shí)， 探究了射頻分壓比差值ΔV和AC頻率對(duì)其分析性能的影響。模擬結(jié)果得出， 當(dāng)ΔV=20%時(shí)， AC頻率取0.326 Mz， PCB分壓離子阱的離子單向出射率可達(dá)90%以上， 且質(zhì)量分辨率達(dá)到2500。結(jié)果表明， 此電壓配置下的PCB分壓離子阱可以在基本不損失質(zhì)量分辨率和使用單檢測(cè)器條件下， 大幅提高離子檢測(cè)效率， 使其在小型化質(zhì)譜儀應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

AbstractPrintedcircuitboard ion trap （PCBI） is a novel ion trap mass analyzer， which is capable of optimizing its internal electric field distributions by adjusting the radio frequency （RF） voltagedivided ratio to improve its analytical performance. his work introduced odd electric field components into the trapping volume to achieve unidirectional ion ejection by applying asymmetric RF voltages to x electrode pairs of PCBI. In this case， the center of ion vibration was displaced away from the geometrical center of PCBI and ions were ejected predominantly through one of x electrode pairs. he relationship between asymmetric voltagedivided ratio （ΔV） and internal electric field distributions was investigated by simulation software SIMION and AXSIM. At the same time， the ion trajectories and simulated mass spectrum peaks were calculated. he results showed that， for ions with m/z 609 h， a mass resolution over 2500 and an ion unidirectional ejection efficiency of over 90% were achieved in PCBI with ΔV=20% at an appropriate frequency of AC. Using this method， ion unidirectional ejection efficiency of PCBI can be significantly improved while maintaining a high mass resolution， which makes the PCBI more suitable for developing miniaturized mass spectrometer.

KeywordsPrintedcircuitboard ion trap； Simulation； Unidirectional ion ejection； Oddorder electric field