macor離子阱陶瓷部件及離子阱的發(fā)展

一、macor離子阱陶瓷部件

離子阱對于很多人來(lái)說(shuō)是相當陌生的一個(gè)概念，它的英文名稱(chēng)為：Ion trap。它通常被分為三類(lèi)：軌道離子阱（Orbitrap）、線(xiàn)性離子阱（Linear Ion Trap）三維離子阱（3D Ion Trap）。后兩種離子阱都是利用電磁場(chǎng)將離子限定在特定的空間內，離子阱使用電磁場(chǎng)將離子限定在特定的空間內，通過(guò)改變電場(chǎng)的參數，使特定的離子進(jìn)入不穩定狀態(tài)，最終導致離子從預留的孔或窄縫中射出到達檢測器。離子阱質(zhì)量選擇器因為其特有的空間限定特點(diǎn)，使其在多級質(zhì)譜分析(MS-MS)中占據了重要的地位。

離子阱的運行環(huán)境一般都是在超高真空環(huán)境中，一般真空度都達到或超高10-10pa。因此對于應該在離子阱上的各類(lèi)部件的材料要求都非?？量?，其中有一個(gè)重要陶瓷部件是離子阱不可或缺少（可參看圖一）。圖中的這一陶瓷構件目前最常用的材料是一種叫作macor的可加工微晶玻璃陶瓷，這種陶瓷的最大特點(diǎn)就是具有“0孔隙率”、“0吸水率”、“0放氣率”。特別適合應用在超高真空環(huán)境中。而且這一材料的可加工性?xún)?yōu)異，因此可以加工出高精密度的零件。

離子阱陶瓷部件的精度目前都要求達到微米級，這對于機械加工提出了更高要求。目前國內能夠生產(chǎn)此類(lèi)部件的廠(chǎng)商較少，僅有東莞鈞杰陶瓷等少數幾家企業(yè)能夠制造。這主要還是因其加工精度要求太高的原因。據鈞杰陶瓷的技術(shù)部負責人李工表示，該陶瓷部件的關(guān)鍵處精度均要求控制是0.001mm。除此之外，macor材料在國內采購并不是十分便利，而且價(jià)格高昂，這一系列的因素也使得很多國內廠(chǎng)商不愿意涉足這一領(lǐng)域。

macor離子阱陶瓷部件的加工一般會(huì )用到磨床、陶瓷CNC（可選鑫騰輝陶瓷精雕機）、以及高精密坐標磨（瑞士進(jìn)口最佳）等設備。通過(guò)幾種設備的配合，才能最終制造出一件合格的產(chǎn)品。目前包括清華大學(xué)、中國科大等多個(gè)科研單位均采用了東莞鈞杰陶瓷生產(chǎn)的這款macor離子阱配件。

二、離子阱的發(fā)展

四極離子阱是常見(jiàn)的質(zhì)量分析儀，因為它們能夠執行串聯(lián)質(zhì)譜和低真空要求。這些儀器作為質(zhì)量分析儀的興起是由質(zhì)量選擇不穩定性的實(shí)施引起的。這是通過(guò)提高射頻 (rf) 捕獲電壓來(lái)完成的，以便離子以增加的 m/z 順序噴射。四極桿中的離子運動(dòng)由 Mathieu 方程決定。捕集參數 a 和 q 通常用于定義捕集阱內離子的穩定性。這些捕獲參數的方程如下所示：

Mathieu 穩定性圖

圖 1. Mathieu 參數

其中 z 是電荷數，e 是基本電荷，U 是棒上的直流電勢，V rf 是零到峰值的 rf 電勢，Ω，是角頻率（2πf 是 rf 頻率），r ○是棒之間的一半距離，m 是離子的質(zhì)量，以千克為單位。四極離子阱通常在不向棒施加直流電勢的情況下運行 (a = 0)，這意味著(zhù)所有離子只能在 q 軸上表示。從這些方程可以看出，捕獲電壓的線(xiàn)性時(shí)間掃描如何提供 m/z 的線(xiàn)性時(shí)間掃描。被困在四極場(chǎng)中的離子將以特定頻率振蕩。該基頻與另一個(gè)參數 β 有關(guān)。β 由特定的 a 和 q 值近似。結果表明，離子將與與其基頻相匹配的外加交流共振，從而增加離子軌跡的幅度，直到它變得不穩定并被彈出。這與 rf 斜坡耦合，以便離子將連續提高到特定的 q 值并與噴射頻率共振。我們的實(shí)驗室已經(jīng)在恒定的捕獲電壓下實(shí)施了頻率掃描，以允許離子以它們的長(cháng)期頻率噴射。掃描的創(chuàng )建方式使得激發(fā)的 m/z 與時(shí)間線(xiàn)性相關(guān)。這使得 m/z 校準更容易。射頻電壓掃描與頻率掃描的比較如下所示：

離子阱噴射方法

圖 2.離子阱的共振噴射可以通過(guò) RF 電壓斜坡或噴射頻率掃描將離子掃描到單一頻率來(lái)完成

雖然固定頻率共振彈射已經(jīng)被廣泛實(shí)施，但頻率掃描版本并沒(méi)有受到太多關(guān)注。使用頻率掃描版本的優(yōu)點(diǎn)是離子將在整個(gè)掃描過(guò)程中具有相同的基頻。這允許在整個(gè)掃描過(guò)程中進(jìn)行質(zhì)量選擇性激活。這在串聯(lián)質(zhì)譜實(shí)驗中更為重要，在該實(shí)驗中，前體離子被碎片化以產(chǎn)生子離子。有四種常見(jiàn)的串聯(lián)質(zhì)譜實(shí)驗。它們是掃描和固定母離子或子離子 m/z 的排列組合。它們概述如下：

MS/MS 數據域

圖 3. 串聯(lián)質(zhì)譜的掃描模式

在固定頻率共振噴射的情況下，僅實(shí)施了產(chǎn)物離子掃描。這是因為除了感興趣的單個(gè) m/z 之外的所有前體離子都需要排出，以便檢測器上的信號代表產(chǎn)物離子，而不是未反應的前體離子和產(chǎn)物離子的組合。掃描頻率共振實(shí)驗只允許激活/噴射感興趣的離子，因為它們將被包含其基頻的波形單獨激活。上述串聯(lián)質(zhì)譜掃描模式通過(guò)在正交維度上應用兩個(gè)波形在掃描頻率共振儀器上實(shí)現。激活前體離子的波形被施加到與檢測器不在同一平面的電極組。這允許前體離子獲得動(dòng)能并與中性浴氣碰撞以建立內部能量，直到前體離子分裂成產(chǎn)物離子和中性離子。將第二個(gè)波形施加到與檢測器處于同一平面的電極上，以便將由該波形激活的任何產(chǎn)物離子噴射到檢測器中。波形可以由固定的單個(gè)頻率或前面提到的頻率掃描組成，以便 m/z 增加的離子將隨時(shí)間線(xiàn)性地被激發(fā)。最近的發(fā)展允許波形在同一波形中激活多個(gè)離子。這允許同時(shí)檢測兩種不同的產(chǎn)物離子。這允許同時(shí)執行兩種掃描模式。這個(gè)實(shí)驗的問(wèn)題是在檢測器上無(wú)法區分被檢測到的兩種不同的產(chǎn)物離子。通過(guò)將拍頻編碼到噴射波形克服了這一挑戰，以便噴射事件由特定的節拍調制。各個(gè)峰的傅里葉分析允許區分同時(shí)掃描模式。實(shí)驗的視覺(jué)描述如下所示：

拍頻編碼

圖 4. 拍頻編碼方法示意圖

區分同時(shí)掃描模式的能力如下所示： 

數據

圖 5.  (a) m/z 119 和 163 的雙母體掃描 (b) 得到的 m/z 150 和 m/z 180 的 FFT，(c) 雙母體掃描，兩個(gè)不同的頻率標簽應用于兩個(gè)噴射波形，（d）得到的 m/z 150 和 180 的 FFT。