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EI源LIT-TOF研究一瞥

上一篇 / 下一篇 2013-03-25 10:48:38/ 个人分类：R&D

总体而言，EI源质谱领域比较成熟，新的仪器技术研究也比较少。近年来也只有安捷伦做了新的7000系列QTOF给GCMS（BRUKE也有类似的源和APCI源），其他大都是做三重的改进三重，离子阱改离子阱，四极杆改进四极杆，磁质谱继续做高端。一般的检测倾向于尽量价廉物美；而代谢组要求性能就高得多。

EI源的串联质谱技术，常见的即QTOF、IT-TOF、三重。QTOF安捷伦做的性能太好了，价格在20万USD以上我们就当作风筝看看。Syagen的IT-TOF在国内很少很少，可以做车载，多级串级中分辨。三重定量比较好，但也是比较贵。

我们自己实验室的EI源的质谱也有一些，进口的Q、IT的。以前也做过EI源的TOF，但是总感觉特色少了一些，能用、前途不大，特别是定量不如四极杆和离子阱。后来这个线索就分成改成四极杆-离子阱的质谱来追求定量能力以及这里要讲的LIT-TOF——追求定性能力。

作为单独的TOF模块而言我们现有技术已经比较成熟，分成很多种模块可以使用，互相之间也有通用接口标准进行互换。822系列里面，从最小的822S 500~2000FWHM（再小对于TOF就没有意义了，不如换离子阱）到822XL的4万FWHM，现在怎么玩儿都行了。关键部件记录仪、分析器、软件都有门路生产制作。只是MCP非常不幸，有家供应商倒闭了，让我们的定制MCP断了来源，Photonis又对中国禁运。这次在EI源的LIT-TOF中采用的是822M型TOFMS模块，分辨力在3000~7000之间，可以躺在桌面上使用，不会特别大，方便以后做各种改进和应用。对于高质量数1200u来说，有5000的分辨力就可以保证质谱峰在10%谷底的位置彻底分开，822M已经足够了。

模拟软件预测的822M分辨力

LIT-TOF串联的灵感来源其实很简单，就是尽量在原有的EI-TOF仪器上少改动，直接形成多级串级和中分辨的能力。当然最简单的方法就是在EI-TOF上直接加个离子阱，如同Syagen做的。但这种IT-TOF会导致占空比比较小，灵敏度x速度一般。而且从真空系统的角度而言，TOF至少要5x10^-4Pa，直接接EI源，真空不好处理，要么真空变差，要么EI进样量上不去。70升的分子泵是一定要装上去的，索性就把原先纯静电的透镜变成射频的IG吧！这就给线型离子阱提供了便利条件：即可以做四极的IG，也可以做LIT，而且不干扰TOF的工作频率。LIT-TOF工作流程中90%是TOF模式，只有10%是LIT-TOF模式，所以基本的全扫描做好是很重要的。

EI源LIT-TOF结构示意图

LIT-TOF的线型离子阱有些门道，总体而言还好做。四根电极基本上不需要很高精度，射频电压由于质量数只有1200u以下，即不需要很高的功率，但是频率高一点对灵敏度还是有好处的。EI的接收使用了类似安捷伦的静电透镜三件套，而输出使用的是典型的EINZEL lens透镜聚焦。当然我们的Einzel lens分成4片，可以进行上下左右的聚焦和离子束方向的调整，以便离子尽可能高效的输入TOF分析器。

EI源LIT-TOF的3D模型图

EI LIT-TOF的主射频自动调谢在1205kHz

新仪器的调试总是会消耗大量的时间，甚至是加工制作时间的数倍。由于前述的原因，MCP算是栽了，822M的分辨力打了8折，以后有机会再提高吧！LIT部分出了很多bug：噪音、干扰、协同干扰、软件的bug等等。往往是作为模块在线下测试没问题，上了整机测试，就引起几路模块都有问题。非得把这些模块作为一个整体来考虑才能消除这些不和谐的东西。其实在之前的ESI源的LIT-TOF基础上，我们已经解决了有没有的问题，在这个项目上就要解决好不好的问题。从模块调试OK，到整机调试OK，再返回到模块调试OK就保证整机组合OK；我们需要把模块从内而外的影响和从外而内的影响都消除到最小，保证后续模块从设计开始就能确保装在其他仪器上尽量减少协同干扰。这才是门道所在，需要特别保密的技术细节。

作为世界唯一一台EI源的LIT-TOF，其测试样机有很多不确定性

EI源的LIT-TOF作为TOF工作的时候，灵敏度还是非常高的。在确保检测器不爆表的情况下，比ESI可以降低200V电压，仍然可以保证PFTBA标样的调谐信号接近饱和（5e5cps）。由于射频传输的影响，会出现低质量数的cut-off，传输范围是最低质量数到8倍的最低质量数，比如80~640u，可以在同一张TOFMS谱图中体现。

PFTBA标样的TOFMS质谱图

分析测试百科网P$yGHs"K.\ b

LIT-TOF模式，需要先把离子储存在线型离子阱中，冷却到2eV以下才能完成后续的离子阱操作。这样会把连续的离子流切断，前后两个离子门一高一低就如同两把菜刀躲饺子馅儿一样的，把离子束剁下来——这就是Chop模式——仅把离子trap在线型离子阱中而不进行任何操作，可以用来测试离子阱的捕捉能力。一般离子进入离子阱能抓住几十个eV能量以下的离子，如果离子能量太大，就会冲入TOF分析器，干扰谱图——这点挺不好的。效率呀！就在这剁饺子馅的过程中浪费了；或者说TOF模式比较赖皮，它不需要离子在离子阱中间冷却，只需要离子在飞出LIT之前被冷却到2eV以下就可以。同样是PFTBA，TOF模式离子能量开到30eV达到最大强度饱和，而Chop模式只能开到20eV，再大就冲过离子门抓不住了（或者时间太长）。Chop模式的最大强度大概是TOF模式的五分之一。

Chop模式的PFTBA质谱图

离子阱中母离子的选择比四极杆选质量数、离子阱扫描质量数都花哨一点。一方面由于波形采用反傅立叶变换挺乱的，一方面其他离子的干扰比较多，特别是总离子流强度比较大，而目标母离子比较少的时候。一般我们都使用的是2u的窗口。如下图所示，这个还是很容易做的。

LIT-TOF分离PFTBA的264母离子

对应的Isolation波形如下：

分离使用的SWIFT波形

离子阱难做的就是逮小虫子。比如这个131、132同位素峰组。131的强度是35k，而132的强度是200。如果使用一般的想法来分离132，131会有很多残留，而每进行一次131激发，都会误伤到132，如果激发性能不好，就得不到单纯的132峰。

分离131和132同位素峰由于强度差异存在难以分离干净的囧况

这还只是131u，要是264、414、426、502、614等高质量数就更麻烦了。反复雕琢LIT-TOF，用了大概1年的时间，做的电路板可以装下一个洗衣机那么大的箱子。做好了反过头来看，其实也没什么神秘的，小心细节陷阱，颇有点HI-FI的境界。

LIT-TOF分离502的同位素峰503，原始强度比是3600:100

502和503的强度比是3600:100。干干净净的分离出503u，谱图还是挺漂亮的；然而很多人说这不一定是503u，说不定502u加质谱没校准——有一定道理。证明可以502稍微激发的弱一点，体现出502、503同位素峰。从下图中可以观察到503的强度基本上是不变的，相对原始强度，503分离效率大概是60%朝上一点。