离子阱质谱仪小型化的最新研究进展

　　1　引　　言

　　随着航天科技的发展,太空探险活动逐渐频繁,在这些活动中必须用到质谱仪的场合越来越多,在航天飞机、太空站以及其他太空探测器上配备质谱仪已经是势在必行。美国宇航局认为适合在航天活动中应用的质谱仪必须满足重不过1 kg、体积不到2 L、功率不超过5W的要求。另外,在化学和生物武器的检测与防护、各种野外生态环境的现场实时监测、人们健康和食品安全的现场诊断和检测等均需使质谱仪小型化[1]。精密仪器小型化、微型化、功能上的专门化以及成本上的低价化是目前分析仪器发展的一个重要趋势,这是时代的需要,也是科学　　技术发展的必然结果。

　　在理论上任何一种质量分析器都可被小型化,而四极杆[2-3]、扇形磁场[4-5]、飞行时间(TOF)[6-7]、四极离子阱以及傅里叶变换离子回旋共振(FT-ICR)[8-9]等质量分析器是比较容易小型化的,其中离子阱尽管在分辨率和质量准确度方面比FT-ICR和TOF差,但小型化方面有很多优点:具有较高的灵敏度[10];工作时只需较低的射频电压;使用小型离子阱作为质量分析器时,离子轨迹较短,在较低真空下仍可获得足够的质量分析所需的自由程;可实现时间串联,即使在复杂混合物中也可利用离子/分子反应来识别特殊的化合物,具有较高的选择性[11-12]。所有这些优点使它在现场和在线化学分析市场中具有很高的竞争力。

　　2　离子阱质量分析器的工作原理及小型化的理论依据

　　20世纪50年代, Paul等人[13]在德国波恩大学发明了四极质量过滤器(quadrupolemass filter),同时也讨论了四极离子阱,此装置由3个电极组成, 2个端盖电极(end-cap)和1个环电极(ring electrode),如图1所示。

　　离子阱质谱工作的基本理论采用了Mathieu二次线性微分方程,这一方程描述了离子在四极场中的运动轨迹及运动的稳定区等。

　　Mathieu方程的形式为:

　　式中:az是与直流电压成正比的阱参数;qz是与射频电压成正比的阱参数。UDC为直流电压;VRF为射频电压; r0为环电极半径。可以看出:射频电压与离子阱电极半径的平方成正比,商业的离子阱需用7 000 V的射频电压,消耗大量电能,并需要很大的空间用于绝缘,随着阱尺寸的减小,质量扫描所需射频电压减小,使用小型化质量分析器只需要较低的射频电压扫描相同的质量范围,这是离子阱小型化的一个重要优势。真空系统通常是最笨重、最昂贵、最消耗能源的部分,与其他质量检测器相比,离子阱可在较低真空下(高于10-1Torr)操作,对于仪器小型化这又是个优势,可以大幅度简化真空系统、减轻质谱仪重量和电源消耗。