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macor离子阱陶瓷部件及离子阱的发展

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时间:2022-03-17

一、macor离子阱陶瓷部件

离子阱对于很多人来说是相当陌生的一个概念,它的英文名称为:Ion trap。它通常被分为三类:轨道离子阱(Orbitrap)、线性离子阱(Linear Ion Trap)三维离子阱(3D Ion Trap)。后两种离子阱都是利用电磁场将离子限定在特定的空间内,离子阱使用电磁场将离子限定在特定的空间内,通过改变电场的参数,使特定的离子进入不稳定状态,最终导致离子从预留的孔或窄缝中射出到达检测器。离子阱质量选择器因为其特有的空间限定特点,使其在多级质谱分析(MS-MS)中占据了重要的地位。

macor离子阱.jpg

离子阱的运行环境一般都是在超高真空环境中,一般真空度都达到或超高10-10pa。因此对于应该在离子阱上的各类部件的材料要求都非常苛刻,其中有一个重要陶瓷部件是离子阱不可或缺少(可参看图一)。图中的这一陶瓷构件目前最常用的材料是一种叫作macor的可加工微晶玻璃陶瓷,这种陶瓷的最大特点就是具有“0孔隙率”、“0吸水率”、“0放气率”。特别适合应用在超高真空环境中。而且这一材料的可加工性优异,因此可以加工出高精密度的零件。

离子阱陶瓷部件的精度目前都要求达到微米级,这对于机械加工提出了更高要求。目前国内能够生产此类部件的厂商较少,仅有东莞钧杰陶瓷等少数几家企业能够制造。这主要还是因其加工精度要求太高的原因。据钧杰陶瓷的技术部负责人李工表示,该陶瓷部件的关键处精度均要求控制是0.001mm。除此之外,macor材料在国内采购并不是十分便利,而且价格高昂,这一系列的因素也使得很多国内厂商不愿意涉足这一领域。

macor离子阱陶瓷部件的加工一般会用到磨床、陶瓷CNC(可选鑫腾辉陶瓷精雕机)、以及高精密坐标磨(瑞士进口最佳)等设备。通过几种设备的配合,才能最终制造出一件合格的产品。目前包括清华大学、中国科大等多个科研单位均采用了东莞钧杰陶瓷生产的这款macor离子阱配件。

二、离子阱的发展

四极离子阱是常见的质量分析仪,因为它们能够执行串联质谱和低真空要求。这些仪器作为质量分析仪的兴起是由质量选择不稳定性的实施引起的。这是通过提高射频 (rf) 捕获电压来完成的,以便离子以增加的 m/z 顺序喷射。四极杆中的离子运动由 Mathieu 方程决定。捕集参数 a 和 q 通常用于定义捕集阱内离子的稳定性。这些捕获参数的方程如下所示:

mathieu.jpg

Mathieu 稳定性图

图 1. Mathieu 参数

其中 z 是电荷数,e 是基本电荷,U 是棒上的直流电势,V rf 是零到峰值的 rf 电势,Ω,是角频率(2πf 是 rf 频率),r ○是棒之间的一半距离,m 是离子的质量,以千克为单位。四极离子阱通常在不向棒施加直流电势的情况下运行 (a = 0),这意味着所有离子只能在 q 轴上表示。从这些方程可以看出,捕获电压的线性时间扫描如何提供 m/z 的线性时间扫描。被困在四极场中的离子将以特定频率振荡。该基频与另一个参数 β 有关。β 由特定的 a 和 q 值近似。结果表明,离子将与与其基频相匹配的外加交流共振,从而增加离子轨迹的幅度,直到它变得不稳定并被弹出。这与 rf 斜坡耦合,以便离子将连续提高到特定的 q 值并与喷射频率共振。我们的实验室已经在恒定的捕获电压下实施了频率扫描,以允许离子以它们的长期频率喷射。扫描的创建方式使得激发的 m/z 与时间线性相关。这使得 m/z 校准更容易。射频电压扫描与频率扫描的比较如下所示:

离子阱喷射方法

ejection.jpg

图 2.离子阱的共振喷射可以通过 RF 电压斜坡或喷射频率扫描将离子扫描到单一频率来完成

虽然固定频率共振弹射已经被广泛实施,但频率扫描版本并没有受到太多关注。使用频率扫描版本的优点是离子将在整个扫描过程中具有相同的基频。这允许在整个扫描过程中进行质量选择性激活。这在串联质谱实验中更为重要,在该实验中,前体离子被碎片化以产生子离子。有四种常见的串联质谱实验。它们是扫描和固定母离子或子离子 m/z 的排列组合。它们概述如下:

MS/MS 数据域

scans.jpg

图 3. 串联质谱的扫描模式

在固定频率共振喷射的情况下,仅实施了产物离子扫描。这是因为除了感兴趣的单个 m/z 之外的所有前体离子都需要排出,以便检测器上的信号代表产物离子,而不是未反应的前体离子和产物离子的组合。扫描频率共振实验只允许激活/喷射感兴趣的离子,因为它们将被包含其基频的波形单独激活。上述串联质谱扫描模式通过在正交维度上应用两个波形在扫描频率共振仪器上实现。激活前体离子的波形被施加到与检测器不在同一平面的电极组。这允许前体离子获得动能并与中性浴气碰撞以建立内部能量,直到前体离子分裂成产物离子和中性离子。将第二个波形施加到与检测器处于同一平面的电极上,以便将由该波形激活的任何产物离子喷射到检测器中。波形可以由固定的单个频率或前面提到的频率扫描组成,以便 m/z 增加的离子将随时间线性地被激发。最近的发展允许波形在同一波形中激活多个离子。这允许同时检测两种不同的产物离子。这允许同时执行两种扫描模式。这个实验的问题是在检测器上无法区分被检测到的两种不同的产物离子。通过将拍频编码到喷射波形克服了这一挑战,以便喷射事件由特定的节拍调制。各个峰的傅里叶分析允许区分同时扫描模式。实验的视觉描述如下所示:

拍频编码

beat.jpg

图 4. 拍频编码方法示意图

区分同时扫描模式的能力如下所示: 


数据

beat-data.jpg

图 5.  (a) m/z 119 和 163 的双母体扫描 (b) 得到的 m/z 150 和 m/z 180 的 FFT,(c) 双母体扫描,两个不同的频率标签应用于两个喷射波形,(d)得到的 m/z 150 和 180 的 FFT。







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