大气压接口-单四极杆质谱仪的研制

　　具有大气压接口的质谱仪可以连接电喷雾离子源、大气压化学源等,在药物分析等传统领域应用广泛,同时还可以稍加改造,以便连接近年来快速发展的原位分析离子源[1-3],用于生化领域的前沿研究。

　　大气压接口质谱仪在大气压和第一级真空之间接口的结构主要分为三类:一是基于加热的不锈钢管[4],管上施加零至几十伏的电压,此方式接口较简单;二是基于加热的玻璃管[5],两端有金属套,大气压一端的金属套施加几千伏高电压,此方式下的电喷雾离子源结构较简单,但接口设计较复杂;三是使用小孔直接进离子,此方式灵敏度高,但接口容易污染。

　　大气压接口质谱仪的质量分析器多种多样,其中单四极杆结构和控制较简单,定量性能好,但不能做多级质谱分析,定性性能受到限制。本工作基于加热不锈钢管的技术,研制大气压接口-单四极杆质谱仪(API-QMS),连接电喷雾离子源(ESI)和介质阻挡放电离子源(DB-DI)[3]进行实验,并通过大气压接口内的源内碰撞诱导解离方法[6]获得二级质谱,以增强该仪器的定性能力。

　　1　机械和真空系统的设计

　　1.1　机械结构

　　API-QMS的真空腔及其内部结构示于图1,设计了三级差动真空腔,从大气逐级抽到质量分析器所需的真空。第一级腔和大气之间使用加热不锈钢毛细管的接口设计,不锈钢管的内径约0.5 mm,外径约1.59 mm,不锈钢管的末端同轴装配一个管状透镜(tube lens),用于聚焦离子和源内碰撞诱导解离。第一级和第二级真空腔之间用不锈钢skimmer隔离,孔径约1 mm;第二级和第三级真空腔各使用一只方四极离子导引杆(square quadrupole)[7],用于远距离传输和聚焦离子,两者之间用一片不锈钢电极隔离,孔径约1.8 mm;第三级真空腔体的方形四极杆后端1 mm处,同轴放置单四极杆质量分析器,其末端用电子倍增器探测离子。

　　1.2　真空系统

　　前级泵使用一台SV40BI型(德国Leybold公司产品)单级旋片泵,抽速11 L·s-1;第二级真空腔体使用一台TMH071型(德国pfeiffer公司产品)涡轮泵,抽速60 L·s-1;第三级真空腔体使用一台TMH262型(德国pfeiffer公司产品)涡轮分子泵,抽速210 L·s-1。第一级和第二级真空测量各使用一只925C型(美国MKS公司产品)皮拉尼规,通过其RS232接口读取真空值;第三级真空测量采用一只PKR251型(德国pfeiffer公司)复合规,通过模拟/数字转换(ADC)其输出的模拟量来获取真空值。实测第一级真空160 Pa,第二级真空1.2 Pa,第三级真空2.8×10-3Pa。

　　1.3　离子光学部件和四极杆质量分析器

　　自制的离子光学部件及正离子检测时的电压参数:不锈钢管电压10 V,管状透镜电压70V,skimmer电压2 V。方四极杆的4片电极是平板形,加工和装配较双曲和圆杆形电极的四极离子导引杆简单,相对电极间距约5.8 mm,电极长约80.0 mm,相邻电极夹角90°,装配在一个尼龙材料的底座上,通过此底座固定在腔体中;第二级腔体中的方四极射频电压幅度400Vp-p,直流电压0 V;第三级腔体中的方四极射频电压幅度400 Vp-p,直流电压-12 V,用作单四极杆质量分析器的预四极。二、三级真空腔之间的隔离透镜电压为-8 V。