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EI源LIT-TOF研究一瞥

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

總體而言，EI源質譜領域比較成熟，新的儀器技術研究也比較少。近年來也只有安捷倫做了新的7000系列QTOF給GCMS（BRUKE也有類似的源和APCI源），其他大都是做三重的改進三重，離子阱改離子阱，四極桿改進四極桿，磁質譜繼續做高端。一般的檢測傾向于盡量價廉物美；而代謝組要求性能就高得多。

EI源的串聯質譜技術，常見的即QTOF、IT-TOF、三重。QTOF安捷倫做的性能太好了，價格在20萬USD以上我們就當作風箏看看。Syagen的IT-TOF在國內很少很少，可以做車載，多級串級中分辨。三重定量比較好，但也是比較貴。

我們自己實驗室的EI源的質譜也有一些，進口的Q、IT的。以前也做過EI源的TOF，但是總感覺特色少了一些，能用、前途不大，特別是定量不如四極桿和離子阱。后來這個線索就分成改成四極桿-離子阱的質譜來追求定量能力以及這里要講的LIT-TOF——追求定性能力。

作為單獨的TOF模塊而言我們現有技術已經比較成熟，分成很多種模塊可以使用，互相之間也有通用接口標準進行互換。822系列里面，從最小的822S 500~2000FWHM（再小對于TOF就沒有意義了，不如換離子阱）到822XL的4萬FWHM，現在怎么玩兒都行了。關鍵部件記錄儀、分析器、軟件都有門路生產制作。只是MCP非常不幸，有家供應商倒閉了，讓我們的定制MCP斷了來源，Photonis又對中國禁運。這次在EI源的LIT-TOF中采用的是822M型TOFMS模塊，分辨力在3000~7000之間，可以躺在桌面上使用，不會特別大，方便以后做各種改進和應用。對于高質量數1200u來說，有5000的分辨力就可以保證質譜峰在10%谷底的位置徹底分開，822M已經足夠了。

模擬軟件預測的822M分辨力

LIT-TOF串聯的靈感來源其實很簡單，就是盡量在原有的EI-TOF儀器上少改動，直接形成多級串級和中分辨的能力。當然最簡單的方法就是在EI-TOF上直接加個離子阱，如同Syagen做的。但這種IT-TOF會導致占空比比較小，靈敏度x速度一般。而且從真空系統的角度而言，TOF至少要5x10^-4Pa，直接接EI源，真空不好處理，要么真空變差，要么EI進樣量上不去。70升的分子泵是一定要裝上去的，索性就把原先純靜電的透鏡變成射頻的IG吧！這就給線型離子阱提供了便利條件：即可以做四極的IG，也可以做LIT，而且不干擾TOF的工作頻率。LIT-TOF工作流程中90%是TOF模式，只有10%是LIT-TOF模式，所以基本的全掃描做好是很重要的。

EI源LIT-TOF結構示意圖

LIT-TOF的線型離子阱有些門道，總體而言還好做。四根電極基本上不需要很高精度，射頻電壓由于質量數只有1200u以下，即不需要很高的功率，但是頻率高一點對靈敏度還是有好處的。EI的接收使用了類似安捷倫的靜電透鏡三件套，而輸出使用的是典型的EINZEL lens透鏡聚焦。當然我們的Einzel lens分成4片，可以進行上下左右的聚焦和離子束方向的調整，以便離子盡可能高效的輸入TOF分析器。

EI源LIT-TOF的3D模型圖

EI LIT-TOF的主射頻自動調謝在1205kHz

新儀器的調試總是會消耗大量的時間，甚至是加工制作時間的數倍。由于前述的原因，MCP算是栽了，822M的分辨力打了8折，以后有機會再提高吧！LIT部分出了很多bug：噪音、干擾、協同干擾、軟件的bug等等。往往是作為模塊在線下測試沒問題，上了整機測試，就引起幾路模塊都有問題。非得把這些模塊作為一個整體來考慮才能消除這些不和諧的東西。其實在之前的ESI源的LIT-TOF基礎上，我們已經解決了有沒有的問題，在這個項目上就要解決好不好的問題。從模塊調試OK，到整機調試OK，再返回到模塊調試OK就保證整機組合OK；我們需要把模塊從內而外的影響和從外而內的影響都消除到最小，保證后續模塊從設計開始就能確保裝在其他儀器上盡量減少協同干擾。這才是門道所在，需要特別保密的技術細節。

作為世界唯一一臺EI源的LIT-TOF，其測試樣機有很多不確定性

EI源的LIT-TOF作為TOF工作的時候，靈敏度還是非常高的。在確保檢測器不爆表的情況下，比ESI可以降低200V電壓，仍然可以保證PFTBA標樣的調諧信號接近飽和（5e5cps）。由于射頻傳輸的影響，會出現低質量數的cut-off，傳輸范圍是最低質量數到8倍的最低質量數，比如80~640u，可以在同一張TOFMS譜圖中體現。

PFTBA標樣的TOFMS質譜圖

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LIT-TOF模式，需要先把離子儲存在線型離子阱中，冷卻到2eV以下才能完成后續的離子阱操作。這樣會把連續的離子流切斷，前后兩個離子門一高一低就如同兩把菜刀躲餃子餡兒一樣的，把離子束剁下來——這就是Chop模式——僅把離子trap在線型離子阱中而不進行任何操作，可以用來測試離子阱的捕捉能力。一般離子進入離子阱能抓住幾十個eV能量以下的離子，如果離子能量太大，就會沖入TOF分析器，干擾譜圖——這點挺不好的。效率呀！就在這剁餃子餡的過程中浪費了；或者說TOF模式比較賴皮，它不需要離子在離子阱中間冷卻，只需要離子在飛出LIT之前被冷卻到2eV以下就可以。同樣是PFTBA，TOF模式離子能量開到30eV達到最大強度飽和，而Chop模式只能開到20eV，再大就沖過離子門抓不住了（或者時間太長）。Chop模式的最大強度大概是TOF模式的五分之一。

Chop模式的PFTBA質譜圖

離子阱中母離子的選擇比四極桿選質量數、離子阱掃描質量數都花哨一點。一方面由于波形采用反傅立葉變換挺亂的，一方面其他離子的干擾比較多，特別是總離子流強度比較大，而目標母離子比較少的時候。一般我們都使用的是2u的窗口。如下圖所示，這個還是很容易做的。

LIT-TOF分離PFTBA的264母離子

對應的Isolation波形如下：

分離使用的SWIFT波形

離子阱難做的就是逮小蟲子。比如這個131、132同位素峰組。131的強度是35k，而132的強度是200。如果使用一般的想法來分離132，131會有很多殘留，而每進行一次131激發，都會誤傷到132，如果激發性能不好，就得不到單純的132峰。

分離131和132同位素峰由于強度差異存在難以分離干凈的囧況

這還只是131u，要是264、414、426、502、614等高質量數就更麻煩了。反復雕琢LIT-TOF，用了大概1年的時間，做的電路板可以裝下一個洗衣機那么大的箱子。做好了反過頭來看，其實也沒什么神秘的，小心細節陷阱，頗有點HI-FI的境界。

LIT-TOF分離502的同位素峰503，原始強度比是3600:100

502和503的強度比是3600:100。干干凈凈的分離出503u，譜圖還是挺漂亮的；然而很多人說這不一定是503u，說不定502u加質譜沒校準——有一定道理。證明可以502稍微激發的弱一點，體現出502、503同位素峰。從下圖中可以觀察到503的強度基本上是不變的，相對原始強度，503分離效率大概是60%朝上一點。