基于三重四极杆串联线性离子阱质谱仪结构分析的故障解决方案

杜智洋 陈楚群 郭向辉

质谱分析仪的工作原理是将样品通过进样系统进入离子源，由于结构性质不同而电离为各种不同质荷比(m/z)的分子离子和碎片离子，而后带有样品信息的离子被加速进入质量分析器，不同的离子在质量分析器中被分离，并根据带电粒子在电场中能够偏转的原理，按质荷比大小依次抵达检测器，经记录即得到按不同质荷比排列的离子质量谱，即按离子质荷比的大小依次排列形成的图谱。串联质谱仪具有快速、灵敏、特异以及化学计量的独到之处，可对化合物的结构定性、对混合物的成分定量。串联质谱仪不仅能够分析小分子，也可分析蛋白质等大分子，其应用广泛，目前主要进行氨基酸类代谢病、脂肪类代谢病和有机酸类代谢病等新生儿遗传代谢病筛查[1]。

1 三重四极杆串联线性离子阱质谱仪结构与原理

API3200MD三重四极杆串联线性离子阱质谱仪(美国AB SCIEX公司)主机由Turbo V离子源、三重四极杆串联线性离子阱、分析器、分子泵、检测器、控制和处理电路板、整机供电以及分子泵驱动器组成(图1)。通过LC系统优化离子源和化合物参数，提供精确低流速的(2～1000 μl/min)进样。进样到达主机Turbo V离子源加热至750 ℃，在电晕针作用下被非均匀破裂，当破裂液滴在半径≤10 nm时，电荷量积累互排斥产生库伦爆炸，使得进样液滴脱离出气相离子，传输至质量分析器中进行筛选和分析(图2)。

图1 API3200MD 三重四极杆串联线性离子阱质谱仪系统

图2 API3200MD三重四极杆串联线性离子阱质谱仪工作流程

质量分析器主要由离子传输、串联线性三重四极杆、探测器和分子泵组成。在质量分析器中，气相离子到达一级四极杆Q1时，可通过调整电场强度对不同质荷比离子进行筛选，以此可将不需要的气相离子过滤。到达LINAC线性加速碰撞室Q2后，通过高气压使离子连续加速，由Q3内四极杆摆放位置而形成梯度电场，使快速通过的离子形成螺旋前进轨迹，最终由检测器捕获离子进行检测。由于不同质荷比，不同的离子在电场中运动的线路会有差异，到达检测器的时间也不同，形成不同质荷比的到达时间差异测定图谱，质量分析器结构见图3。

图3 质量分析器结构

2 故障案例分析

2.1 故障一

(1)故障现象。探测样品所得数据值明显偏低，使用质控品再次测量仍未能得出有效质谱。

(2)故障分析。样品经LC系统优化后，使用针泵提供准确流速到离子源进行离子化，在离子源中，样品被喷雾到加热室中，使用加热辅助气，保证高流速。加热到750 ℃后的样品通过高压的电喷雾针喷射出带电荷的液滴，在电晕针帮助下使化合物在气相中离子化，最终使化合物演变成气态离子进入质量分析器。根据故障现象可推断为实际检测到的样品量不足，可能由于进样针、LC系统(内部管路)以及离子源堵塞所造成。

(3)故障处理。使用甲醇对进样针、LC系统(内部管路)以及离子源进行清洁，其中进样针需要超声清洗。离子源在拆卸后发现离子传输孔有焦化物堵塞，需甲醇清洗通孔。由于样品中加热到750 ℃就会有结焦物质，因此需要定期清洁设备内部的针、管路以及离子源等。清洁后安装使用，经质控品测试，可正常得出质谱，故障排除。

2.2 故障二

(1)故障现象。开机“READY”灯不亮，四极杆串联离子阱负压未达到工作要求，无法启动。

(2)故障分析。由于三重四极杆串联线性离子阱使用分子泵作为洁净抽真空，分子泵的后级则由常规负压泵进行抽真空。分子泵利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流速而抽气的真空泵。涡轮分子泵优点：①启动快，循环的时间短，可连续长时间工作；②能使用各种射线照射，耐大气冲击；③无气体存储、返流和解吸效应，油蒸气无污染或污染较少，能获得清洁超高真空；④使用方便，无需要阀门、管道、阱、以及阀门控制器等真空元件。但对沉积物敏感的缺点，会影响叶片和轴承不平衡而造成磨损，所以其后级需要连接常规负压泵进行抽真空。

由于四极杆串联离子阱负压没未达到工作要求，则需要检查2个泵是否正常工作。检查发现分子泵未启动工作，驱动变频器PWR黄灯未亮，检查其供电电源与驱动变频器。测量供电电源时发现24 Vdc引脚只输出4 Vdc，断开驱动变频器后供电电源空载输出24 Vdc。由于该电源输出负载电流可达14.6 A，使用24 V 150 W小灯泡和电流表测试其负载，小灯泡可正常亮起，电压稳定24 Vdc、6 A输出。接电开机后，该24 Vdc开关电源一直工作，分子泵是否启动工作由主板信号控制，因此怀疑驱动变频器故障。

(3)故障处理。该驱动变频器型号为LEYBOLD TD300(德国Oerlikon公司)，其参数为0～24 V，160 W，0～1500 Hz。经检修发现该变频器内部输入初级滤波电容鼓起变形，更换电容后接电试机，“PWR”黄灯正常亮起，接收到抽真空信号后“STS”绿灯亮起，质量分析器开始抽真空，当负压达到设备要求后，主机的“STADY”灯亮起，可开始正常工作，故障排除。

2.3 故障三

(1)故障现象。工作时显示的质谱只有一条“0”直线。

(2)故障分析。导致此故障现象为质量分析器中无高压产生或探测器故障。质量分析器中高压产生板无高压输出，导致气相离子未能被吸引到离子传输路径，从而无离子进入三重四极杆，而气相离子需要经过质量分析器后才能到达探测器，因此需要明确高压产生板HVPS板工作是否正常。

(3)故障处理。经检测高压产生板在输入24 Vdc正常情况下无高压输出，同时该高压输出线绝缘良好，因此判断为该高压产生板故障。该高压产生板输入24 Vdc后经LM340T15稳压15 Vdc输出到各电路工作，高压产生部分采用三路相同的震荡高压电路，由MC34072AP震荡信号产生后，经过BA11三极管功率驱动使得变压器工作，再由多组二极管和电容进行升压进而产生高压输出。当板上探测高压产生正常后，闭合继电器进行外部输出，由于产生高压仅用于气相离子在真空中的吸引，所以功率负载低。经检查LM340T15输出异常，更换后高压产生板高压工作输出正常，故障排除。

3 小结

质谱是一种测量离子荷质比(电荷-质量比)的分析方法，可用来分析同位素成分、有机物构造及元素成分等。质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息，将分离技术与质谱法相结合是分离科学方法中的一项突破性进展。在众多分析测试方法中，质谱法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到广泛应用的普适性方法，在高分子化学、有机化学及药学等领域中显示出独特潜力和应用前景，已成为广大科技工作者研究分析大分子质量、纯度及结构的理想工具。

随着质谱仪的使用推广，临床工程技术人员综合分析故障现象和总结维修方法，保障测量的精准度，降低故障的发生率，以保证设备良好运行。