碰撞气体的种类和压力对离子阱质谱性能的影响

徐福兴��党乾坤 丁航宇 黄正旭 汪源源 周振 丁传凡

摘要基于数字离子阱技术，研究了离子阱质谱分析实验过程使用的碰撞气体种类及压力对离子阱质谱性能，如质量分辨能力、信号强度、串级质谱分析，以及低质量截止效应等的影响。实验过程中，在离子的激发和碰撞诱导解离阶段，分别采用质量数不等的氦气（质量数=4amu）、氮气（质量数=28amu）、氩气（质量数=40amu）等作为碰撞气体，以及不同的气体压力，研究了它们对质谱性能的影响。结果表明，当采用质量数较大的氩气作为碰撞气体时，可以有效改善低质量数截止效应和提高离子碰撞过程中的能量转移效率，同时提高离子捕获和解离效率，但是质量分辨率会明显降低。在获得较高质量分辨率方面，氦气作为碰撞气体时效果最好。在气压相同的情况下，质量数大的碰撞气体有利于提高串级质谱分析效率，即获得更多碎片离子峰和更多有关母体离子结构的信息。

关键词离子阱；碰撞气体；气压；碰撞诱导解离；低质量截止值

1引言

质谱分析仪器是目前分析测试领域中最重要的科学仪器之一，广泛应用于现代科学研究、食品安全、环境保护、国防、航空航天、医疗卫生等领域，成为社会发展和科技活动中不可缺少的科学工具[1～4]。

离子阱质谱仪是一种近年来被广泛应用的质谱仪。它除了具有其它质谱仪所共有的快速分析、高灵敏度、高质量分辨能力外，还具有结构简、体积小、使用方便等优点[5～7]。特别是离子阱质谱所具有的离子存储和串级质谱分析功能，是其它质谱仪器无法实现的，它使得研究者可以在一种单一的质谱仪上同时实现质量分析和串级质谱分析，可同时获得有关样品组成和分子结构的多重信息[8～10]。

在离子阱质谱分析过程中，碰撞气体是实验过程中的重要组成部分[11～13]。它的主要作用包括两个方面：第一，当离子由离子源引入离子阱中时，常具有较大的动能，如几十或上百电子伏特的动能，这些高能量的离子必须与碰撞气体分子发生碰撞，实现离子动能的碰撞转移，即所谓的碰撞冷却（Collisioncooling），才能降低离子的动能，从而被离子阱内的射频电场束缚在离子阱的中心，提高分析仪器的灵敏度和质量分辨能力；第二，在串级质谱分析过程中，被电场加速的高能离子必须与碰撞气体分子发生碰撞，才可以将离子的动能转化成离子的内部能量，如电子、振动或转动能量，即获得具有较高内能的离子。高内能的离子将进一步发生化学键断裂生成碎片离子，整个过程被称为“碰撞诱导解离”（Collisioninduceddissociation，CID）[14～16]。因此，离子的内部能量是离子发生解离的必要条件。

理论上，离子与碰撞气体分子的一个单次碰撞中可以转换到离子的内部能量的最大值，可通过以下公式（1）计算：

ECom=ELab〖JB（（〖SX（Mn〖Mp+Mn〖SX）〖JB））〖FH（1）

其中，ECom表示质心坐标系中的动能，Mn表示碰撞气体分子或原子的质量，Mp表示离子的质量，ELab表示离子实验室坐标系中的动能。

目前，在离子阱质谱仪器中，最常用的碰撞气体是质量数为4的氦气。实验结果表明，一定压力的氦气对各种样品离子具有显著的碰撞冷却效果，可获得较好的质谱分辨率和灵敏度[17～19]。但是通过公式（1）可知，当Mn增加，Ecom也会增大，可以使更多的离子动能通过碰撞转换成内能，即通过使用质量数较大的中性气体作为碰撞气体，提高离子碰撞冷却效果，增加碰撞能量转移。因此，在离子阱质谱仪器中，采用其它中性气体作为碰撞气体是否会改善质谱性能，是离子阱质谱研究关注的焦点之一。

目前，在离子阱质谱中，常用的缓冲气体是氦气。实验结果表明，氦气可以很好地冷却离子，提高离子阱的离子束缚能力，有助于提高仪器的灵敏度和质量分辨率[17～19]。但由公式（1）可知，因为氦气的质量数为4amu，则Ecom较小，一些研究者曾采用更大的中性氣体作为碰撞气体，如氩气、氙气、甲烷等[17，20～22]；也有一些研究者采用混合气体作为碰撞气体，将质量更重的气体与氦气按照1%50%的比例混合，但是这种混合气体在某种程度上会降低仪器的灵敏度[22～26]。在早期研究报告中，还有研究者采用氩气作为碰撞气体，但在高气压情况下，未检测到离子信号[22]。

本研究基于数字离子阱技术，进一步研究了碰撞气体种类和压力对离子质谱性能的影响。研究过程中，在离子的激发和碰撞诱导解离阶段分别采用不同质量数的中性碰撞气体，如氦气、氮气、氩气等，以及不同的气体压力，观测它们对离子阱质谱性能的影响。结果表明，当采用质量数较大的氩气作为碰撞气体时，可以有效改善低质量数截止效

应，提高离子碰撞过程中的能量转移效率，同时提高离子捕获和解离效率，但是质量分辨能力会明显降低。在获得较高质量分辨率方面，氦气的效果最好；在相同气体压力情况下，质量数大的碰撞气体有利于提高串级质谱分析效率，即可以获得更多的碎片离子，因此可以获得更多有关母体离子结构的信息。

2实验部分

2.1试剂

利血平（Reserpine，m/z609，上海阿拉丁试剂有限公司）；亮氨酸脑啡肽（LeuEnk）TyrGlyGlyPheLeu（YGGFL，m/z556，吉尔生化上海有限公司），在本实验过程中，溶剂采用甲醇水（50〖KG-3∶〖KG-550，V/V，其中含有0.05%醋酸），配制成1×10

5mol/L的溶液。

2.2仪器结构

质谱系统：自主加工的电喷雾离子源离子阱质谱仪系统[27～29]。整个质谱仪真空系统主要由三级差分抽气真空组成，第一级差分真空选用机械泵（抽速8L/s）抽气，真空度可达到66.66Pa。在第二级差分真空和第三级真空均使用机械泵（抽速8L/S）和涡轮分子泵（600L/s）组合抽气，选用CPG600真空测量仪（日本Tamagawa公司）测量仪器真空度，离子阱质量分析器所在的第三级真空可达到1.33×10

3Pa，在实验过程中，在离子阱质量分析器內通入中性气体作为碰撞气体，对离子进行碰撞冷却，或碰撞激发。根据不同的实验需求，通入氦气气体后的第三级真空在2.66×10

3～8.65×10

3Pa范围，由于常用的真空计对不同气体的反应不同，在进行气体压力的实验中，每次在通入不同的碰撞气体前，先对真空进行重新校准，然后通入相应的碰撞气体，使得每种碰撞气体气压在实验中保持一致。

离子阱质量分析器：采用氧化锆陶瓷，表面镀金加工制作的矩形离子阱[27]。

电路系统：采用数字方波驱动离子阱工作模式[30～32]，主要由数字方波测控系统、共振激发模块、射频方波放大电路系统、数据采集系统、多路直流放大电路系统组成。

3结果与讨论

3.1碰撞诱导解离效率

本研究基于数字离子阱技术，在碰撞解离过程中，采用改变方波频率的方式实现离子解离[30]，选用脑啡肽离子（m/z556）作为碰撞解离的测试样品，在离子解离阶段，碰撞解离时间为20ms，数字束缚电压为200V0p，激发电压为1.5V0p，分别选用氦气、氮气、氩气作为碰撞气体，实验中，通入碰撞气体后的气压均为2.66×10

3Pa，对其脑啡肽母离子进行碰撞，氦气、氮气、氩气分别在射频频率566.5，564.33和563.38kHz下获得最高解离效率，其解离效率分别为76.6%，81.2%和85.4%。实验所获得的质谱图如图1所示，不同的质量数的碰撞气体，在同一气压下，由于受其碰撞解离的能量影响，得到的碎片离子峰强度不同。从图1可见，当分别使用氦气、氮气、氩气作为碰撞气体时，氩气所得到的碰撞解离效率最高，但谱峰的质量分辨最低；其次是氮气；氦气作为缓冲气体得到的质量分辨为最高。

3.2碰撞能量转移效率

对于串级质谱分析，除了母体离子解离效率之外，解离的碎片离子类型也很重要，而碎片离子类型的形成由母体离子内部能量决定[21，23]。一般通过脑啡肽碎片离子中a4（m/z397）和b4（m/z425）碎片离子的强度比值研究能量转移过程。在前人研究工作中，已通过四极质谱证明a4/b4比值可以用于验证脑啡肽在CID过程中的能量转移[33～36]。由于形成a4离子需要更多的内能[21，23，34]，因此，a4、b4离子强度比值越大，表明在母体离子解离时具有较大的内部能量，反之亦然。在CID过程中，碰撞气体的气压、质量数及碰撞速率会影响母体离子的解离，在研究中，采用不同的碰撞气体及不同气压下对脑啡肽离子进行碰撞解离，通过测量a4/b4比值来观察这些因素对脑啡肽母体离子的内能转移。在同一气压（3.99×10

3Pa）下，a4/b4离子强度比值随频率变化的结果如图2所示，随着频率增加，离子强度比值增大，达到最大值后，再缓慢降低，其中氩气、氮气、氦气的射频工作电压频率分别为564.97，565.57和568.18kHz时，得到的a4/b4比值最大，说明在相同气体压力下，碰撞气体的质量数在CID过程中对母体离子的内能以及解离时的频率有影响，碰撞气体越重，形成的母体离子内能越大，解离时射频电压频率越低。

在不同气压下，a4/b4离子强度比值测量结果如图3所示。可以看出，当采用氦气作为碰撞气体时，随着气体压力的增加，其a4/b4比值越来越小，这是因为在解离过程中，要同时考虑到离子碰撞冷却和解离速率时，

这两个因素会影响到a4/b4离子强度比值[17，37]，在低气压下，由于氦气质量低且是单原子，比氩气和氮气的碰撞冷却速率常数要慢。因此在解离中，离子与氦气碰撞产生更多的a4离子。而〖CM（44氮气和氩气随着气压增加到3.99×10

3Pa时，a4/b4比值达到最大值，由于在较高的碰撞气体压力下，〖CM）

离子间将发生更多的碰撞。因此，在离子解离过程中，母离子的内部能量可以提高到更高水平。综上可知，质量数大的氩气和氮气显然比氦气具有更有效的碰撞能量转移，使得母体离子有更大的内部能量沉积，即具有更高的Ecom值。但随着气压的继续增加，a4/b4比值会减小，这是由于气体压力的进一步升高，分子离子间的碰撞频率不断提高。根据前面的论述，碰撞气体的作用包括两个方面，即它既可以使高能量的离子发生碰撞冷却，也可以经碰撞将离子动能转化成离子的内能。这两个截然相反的过程在碰撞过程中相互竞争。当碰撞冷却效应为主时，即离子在碰撞过程中损失的动能大于转换成离子的内能时，离子会越来越“冷”。反之，若离子的内能升高速度大于能量损失速度，则离子会变得越来越“热”，最终解离成碎片离子。这两个相互竞争的过程与单位时间内的碰撞次数有关，当离子的碰撞频率逐渐升高时，能量转换效率也逐渐升高，此时离子的内能会不断升高。但如果离子碰撞频率太高，则碰撞冷却的速度大于内能升高的速度，此时离子在碰撞过程中所能达到的最大能量反而降低，因此使得反映母体离子内能的a4/b4比值减小。

3.3低质量截止效应的改善

图4为不同碰撞气体在碰撞解离过程中对低质量数截止（Lowmasscutoff）的影响图。气体气压为3.99×10

3Pa时，解离时间为2ms。在本实验中，隔离后的母体离子通过改变激发电压频率方法实现碰撞解离[30]。图4A是氦气作为缓冲气体和碰撞气体，得到脑啡肽（YGGFL）的碎片离子最低质量数为m/z323，其它低质荷比的离子基本上看不到，图4B和4C的碰撞气体分别是氮气氩气，得到脑啡肽（YGGFL）最小碎片离子峰m/z=120。可能是增加碰撞气体的质量可以提高离子在碰撞过程中获得的总能量，有助于母离子在解离过程中获取更大内能。在解离过程中，母离子碎片产物在解离阶段不再与共振信号发生共振时，产物离子动能在没有完全转移之前可能会与碰撞气体再次发生碰撞解离[20，21]，虽然在解离后，Elab的减少而导致Ecom降低，但在碎片离子中，这种能量的碰撞，足够将内部能量传递给产物离子导致进一步解离，得到更多的低质量数碎片离子。

图5为利血平与氮气和氩气碰撞解離的质谱图，实验条件及解离方法与上述实验参数一致，从图5可见，碰撞解离后得到最低质量数m/z=174碎片子离子峰，在早期报道的矩形离子阱在氦气条件下发生碰撞解离获取的碎片离子峰只能检测到m/z=365[27，29，38]，用氮气和氩气作为碰撞气体后，获取了更多的低质量数离子，丰富了母体离子分析信息。

4总结

本研究考察了氦气、氮气和氩气作为缓冲气体对离子阱质谱性能的影响。结果表明，在同一气压下，当使用氩气时，质谱分析灵敏度和CID效率比氦气和氮气高，但质量分辨率明显降低。因此，使用氩气有利于样品离子捕获和串级质谱分析过程，但对质量分析不利。此外也可以使用氮气作为缓冲气体。使用氮气得到的灵敏度和CID效率略高于氮气，虽然分辨率也降低，但仍高于氩气。

在碰撞解离期间，不同缓冲气体产生不同的碰撞冷却速率。较重的缓冲气体比氦气所冷却的激发产物离子更快，离子碰撞冷却中获取更大的动能转换为离子的内部能量。因此，在母离子的共振激发期间可以获取较高的内部能量实现解离。同时，在这些碎片离子形成后，在碰撞冷却期间，可进一步与碰撞气体发生碰撞，产物碎片离子的内部能量继续增加，使得产物离子得到进一步碰撞解离，得到更多的低质量数碎片离子信息，可以提高碰撞解离效率和低质量数检测，有利于在生物大分子分析中获取更多的结构信息。

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AbstractIontrapperformancesareinvestigatedbasedondigitaliontraptechniquewithdifferentcollisiongasesatdifferentpressures.Collisiongasesofhelium（4amu），nitrogen（28amu）andargon（40amu）withvariouspressuresareadoptedinionexcitationanddissociationstagestoinvestigatetheiontrapperformances，includingmassresolution，signalintensity，tandemmassspectrometricanalysisabilityandlowmasscutoff（LMCO）effect.Itisfoundthatwhenheavygasofargonisused，energycanbeefficientlytransferredandLMCOeffectisdecreasedwithhigherioncaptureanddissociationefficienciesbutwithlowmassresolution.Highermassresolutionisrealizedwithheliumascollisiongas.Furthermore，atthesamegaspressure，heavygasisbeneficialtoabundantfragmentionsandstructuralinformationofprecursorion.

KeywordsIontrap；Collisiongas；Pressure；Collisioninduceddissociation；Lowmasscutoffeffect

（Received11November2016；accepted12January2017）

ThisworkwassupportedbytheNationalMinistryofScienceandTechnologyofChina（No.2011YQ14015006）