液相色譜-離子阱質譜聯用技術原理

1）離子阱的構成和操作

離子阱為一個離子存儲裝置，主要由一個環形電極和置于電極上下兩端的兩個端蓋電極構成。三個電極的內表面呈近似雙曲線型。處在端蓋電極中心的小孔允許離子進出該阱。一定固有頻率的射頻電壓施加于環（電極）上，電壓(0～12 000V）回路接地點為端蓋電極(0～20V)，這樣就在環電極和端蓋電極之間建立了一個高頻（電）勢差，形成了一個四級場。依靠這個具有不同射頻電壓（VRf）值的四級場，離子阱可以在一個特定的質量范圍內俘獲并穩定一定數量的離子。四級場可以看作一個三維的“槽”或是一個偽勢阱（離子阱由此而得名）。這個勢阱的“深度”與粒子質量、射頻電壓有關，在儀器實際設計中，勢場要能在足夠寬的質量范圍內對離子產生作用力，這樣儀器才可以進行質譜的全掃描并同時兼顧足夠的靈敏度。

另一路射頻輔助電壓被施加在離子阱的出口端蓋電極上，這個附加電壓在掃描的不同階段，即前體離子的分離、碎片化和質量分析階段，可用于不同的目的。

由于LC-離子阱質譜的離子不是產生于阱內而是來自于阱外，這樣就需要一個機制來解釋為什么它們可以被離子阱產生的偽勢阱所俘獲。實際上離子阱的設計無需其他手段，被聚焦的外部離子可以容易地通過第一個端蓋“滾入”另一個阱內四級場產生的偽勢阱中，并且由于能量守恒規定它們要持續“上下滾動”或由另一個端蓋逸出離子阱。由于這個原因和其他原因，阱內設計了碰撞氣體(He)，碰撞氣體（也稱為阻尼氣體）分子的存在是非常有必要的，因為它可以吸收離子束的能量，并導致一定份額進入阱內的離子駐留。其他影響阱俘獲效率的參數有進入阱內的離子束的能量、離子的質量及其m／z、勢阱的深度以及Rf在離子注入點上的實際位相。各種離子的俘獲率可以不相同，對于m/z 500(單電荷）的離子，當阱內的操作壓力為0.1Pa(10-6 bar）時，其俘獲率應為5％左右。

由于離子阱是一個（離子）存儲裝置，因此它可以在一個希望的時間范圍內積累信號。如果進入阱內的離子信號較強，累積時間可以短到lms，但在痕量物質的注入實驗中，它可以增加到1s。質譜和質譜一質譜測定中，典型的累積時間設置為0.01～200ms。通過變化累積時間，離子阱分析器的動態質量范圍可以獲得很大的發展。

2）離子阱質譜的產生

1～4個分立事件被連接成為一個連續事件時就構成了一個掃描連續過程。這個連續過程的示意圖總結了主射頻（Rf)電壓（primary Rf電壓，施加在環電極和兩個端蓋電極之間）和輔助Rf電壓施加的時間協同（圖中采樣錐孔含有開啟和關閉兩個動作），表明了振動和清除)以及質譜的最終產生。

離子阱的質譜過程發生時，首先是離子被充入離子阱，這是通過降低施加在采樣錐孔上的排斥電壓，讓離子束通過來實現；進入阱內的離子被施加了低于四級振幅的射頻場俘獲。經一定設置時間的累積后，采樣錐孔的排斥電壓升高，以阻止后續離子進入阱內。累積的離子被阱內浴氣（He)通過碰撞而“冷卻”，以確保離子“云”定位（駐留）于阱中心一定的空間范圍內。掃描開始后，四級和二級的勢場增加，離子按質量增加的順序通過出口端蓋被“逐出”離子阱。掃描結束，四級場將低到零以清除殘留在阱內的離子。然后，阱回到初始狀態，采樣錐孔設置為允許離子進入并累積的開啟狀態，新的循環（cycle）開始。

3）Mathieu穩定圖

描述的離子穩定區域可以用一個簡單的方程來表達，方程式中，q的穩定性與射頻頻率（W）、射頻電壓（VRf)、離子質量（m)、離子電荷（z)及離子阱的曲率半徑（ro）有關。通常儀器操作中ro為常數，因此由此方程可以看出，穩定性因離子的質量、電荷及所施加的射頻頻率和電壓而變化。

因此有四種途徑擴展阱的質量范圍，如升高環電極上的Rf電壓，降低射頻頻率W，減小阱的尺寸ro。

被俘獲于阱內的離子會在徑向（radial)和軸向（axial）上經歷周期性的運動。沿端蓋方向的運動是第一位重要的，因為它是離子進入阱內和逸出阱外的方向。產生勢阱的四級場會使離子產生諧振，這一主要的勢場分量可以被認為是離子的“長期頻率”（也可以認為是在特定條件下特定離子的固有頻率）。離子諧振的實際頻率將主要由離子的m/z和Rf的驅動水平決定。

較低的M／二值產生較高的長期頻率；可以同時被勢阱俘獲的離子質量范圍可由一個穩定圖來說明。穩定圖是一個二維圖，它表明了在什么樣的特定勢場內（包括Rf分量和施加在環電極和端蓋之間的直流分量），一個特定m／z的離子的穩定與否。如圖中的直線所標明的，如果以單一Rf模式工作，隨著Rf驅動水平的增加，給定質量的離子在圖上的相應穩定點將向右移動。較大質荷比（m/z)的離子位于較小質量離子的左邊，即M2>M1。對于穩定區域內的任何一個給定點，某一離子會處在一個不同深度的勢阱中，因而有一個特定的長期頻率（動態固有頻率）。

從穩定圖可以得出一個重要的推論，即截止質量的存在。圖示表明沿著曲線q=1為一個離子能量穩定區域邊界。如果一個離子接近了穩定區域的邊界（q=0或q=1)，離子的運動軌跡將變得不穩定，因而會沿軸向離開離子阱。這意味著有一個最低的穩定質量和所有較低的不穩定質量共存于場內，于是同時存儲于阱內離子的質量范圍就有一個下限，即截止（cut-off)質量。截止質量取決于環電極上的Rf電壓水平，同時也發現截止質量就是長期頻率接近Rf驅動頻率的一半時該離子的質量。

理論上，可被存儲的離子質量范圍沒有上限，但由于熱力學的原因，對于實際使用是存在一個上限，這個上限是截止質量的20～30倍；超過此上限的離子不能被Rf場俘獲。

4）離子阱中分辨率、質量范圍和掃描速度的關系

離子阱的分辨率取決于掃描范圍和掃描速度，當掃描速度為每秒幾百個質量單位時，分辨率將小于四極桿質譜。但是如果以低掃描速度對很小的質量范圍進行掃描時，分辨率可以增加。比如掃描范圍為10Da時，分辨率可以達到5000，這個分辨率足以測定一個小分子肽的多電荷峰。與四極桿質譜相比，由于在一定的分辨率要求下其掃描速度較慢，離子阱在相同時間下、相同的掃描質量范圍內可采集到的數據點較少，因此它的定量精度比串級四極桿要差。這就是在定量測定為主的工作中優先考慮采用串級四極桿質譜的原因。

5）用離子阱完成質譜／質譜測定

用離子阱隔離一個感興趣的特定離子的方法是，增加Rf電壓以消除較低的質量數，調整端蓋電極的電壓以消除較高的質量數，這樣就在一定質量范圍內把特定一個或一些質量的離子駐留在阱中。

駐留于阱中的離子在增加Rf電壓的作用下，以一種搖動的方式分裂，然后被掃描得到它的二級質譜。由于每一個離子都有其自身的共振頻率，所以產物離子不會被進一步分裂，導致有限但簡明的質譜信息。為了得到更為豐富的質譜信息，發展了寬帶活化技術，此技術可用于離子阱質譜庫的建立，但應用此技術得到的質譜與四極桿和三級四極桿所得到的質譜有所不同。

6）阱中電荷密度

離子阱的分辨率和狀態取決于阱內離子的電荷密度，如果同一時間內阱內的離子過多，阱內的電場會扭曲，同時離子之間的碰撞會發生，導致不希望有的離子分裂或發生化學反應。在這種情況下會出現分辨率下降、質量精度下降和動態范圍的下降，此時意味著阱內已經接近或達到了空間電荷極限。因此在實際儀器設計中，一般都有累積時間和阱內清除的編程功能。