用于小分子物质的转弯型无损离子操纵结构的研究

关键词 无损离子操纵结构；行波结构；离子迁移谱；小分子

离子迁移谱技术（Ion mobility spectrometry， IMS）是指在电场和支持气体环境中，根据物质群（定义为气态离子团）的速度表征物质的技术，是复杂化学分析中强大的分离手段[1-3]。离子迁移谱的性能受多种因素影响，其中迁移管尤为重要[4-5]。为了提高离子迁移谱的分辨率，可以加长迁移管的长度或者提高电场强度，但传统迁移管受其结构与成本的限制，这些改进都将带来较大的挑战。为增加离子迁移路径以及传输效率， Webb 等[6-7]于2014 年提出了无损离子操纵结构（Structures for lossless ion manipulations，SLIM）。根据驱动电场的不同， SLIM 分为直流（Direct current， DC）电场驱动的DC-SLIM[6，8]以及行波（Travelling wave， TW）驱动的TW-SLIM[7，9-10]。其中， DC-SLIM 的直流驱动电压随着SLIM 长度的增加而升高，限制了迁移长度的进一步增加；TW-SLIM 的驱动电压为行波，增加SLIM 的长度并不需要提高行波的电压强度，并且射频电极与行波电极方向平行地间隔分布，保证了射频/行波隔离，具有简单且高效的离子束缚性，应用价值更高。

目前，行波无损离子操纵结构的研究多集中在与质谱联用方面，通过开关、转弯[11]和多层离子电梯结构[12-14]实现离子多通道传输[15-17]，有效延长离子迁移路径。通过不同的结构及功能设计，能够对大分子物质进行高效捕获、积累及释放，并通过无损传输实现超高分辨率分析。现有研究主要聚焦于蛋白质等大分子的同分异构体的分离和检测[18-25]，对相对分子质量低于200 amu 的小分子物质关注较少，未见对其在TW-SLIM 中的传输性能进行探究的报道。

TW-SLIM 的优势之一是其长度在理论上可以无限增加， 90°转弯结构的设计能够使SLIM 迁移长度在二维平面上有效扩展，实现超长迁移路径，对提高迁移谱分辨率具有重要意义。本研究通过仿真及实验首次探究了小分子物质在TW-SLIM 转弯结构中的传输性能。通过COMSOL 软件平台进行仿真，分析小分子物质在TW-SLIM 中的传输条件，并在实验室自制的TW-SLIM 迁移谱平台上进行实验验证。探究了不同束缚电场因素对小分子物质在TW-SLIM 转弯结构中传输效率的影响，获得了无损传输的最优值范围。本研究为基于TW-SLIM 的迁移谱仪检测毒品和爆炸物的研究提供了参考。

1 实验部分

1.1 TW-SLIM仿真实验

采用COMSOL Multiphysic软件对TW-SLIM中的电场分布及带电粒子运动轨迹进行仿真，探究小分子物质无损传输的电压条件。COMSOL是一款多物理场仿真软件，利用有限元法求解偏微分方程（组），实现真实物理现象仿真。相比于其它粒子轨迹仿真软件（如Axsim、SIMION和ISIS）， COMSOL 的操作界面更加简洁，对简单结构的计算精度较高[26]。因此，本研究选择COMSOL 软件进行仿真。

图1A所示为由两组平行电极板组成的90°转弯TW-LIM 的三维仿真模型。每组电极板的电极分布如图1B所示，包含位于中间的平行的6 组射频电极和5 组行波电极，以及位于两侧的2 组保护（Guard）电极，各电极尺寸参数详见表1。由于仿真软件限制，为减少仿真时间及所需存储空间，设置总迁移长度为32 mm。

在TW-SLIM 上施加的电压包括驱动离子运动的行波电压、束缚离子的射频电压和直流偏置电压，直流偏置电压施加在两侧保护电极上，形成从两侧到中心的电场，避免离子运动到两侧；射频电场将离子束缚在上下极板之间，避免其打到上下极板而造成损失。

仿真使用相对分子质量为124amu的正离子，设置总释放数为100，记录传输至终点处的粒子数量，传输效率为终点处粒子数与总释放数的比值。行波电压设置为18V，频率为10 kHz，分别探究保护电场、射频电场对小分子离子传输效率的影响。当射频电压信号频率为1.0 MHz、峰-峰值为320V时，TW-SLIM 传输效率随保护电极电压值（U_Guard）的变化情况见图2A。结果表明，随着U_Guard值增加，离子传输效率先增大后减小，当U_Guard=6V时，传输效率最大。设置U_Guard=6V，测试射频电压幅值及峰-峰值对离子传输效率的影响，如图2B 与2C 所示，离子传输效率随着射频电压峰-峰值和频率的增加而增大，当射频电压峰-峰值为440 V、频率为1.5 MHz时，传输效率达到100%。

根据以上的仿真结果配置电压参数，设置行波电压为18 V，频率为10 kHz；设置保护电极电压幅值为6V，射频电压峰-峰值设置为440 V，频率设置为1.5 MHz。分别探究相对分子质量为75、100、150、175和200amu 的粒子在转弯TW-SLIM中的离子传输效率。仿真结果如图2D 所示，以上不同离子均能在TW-SLIM 中达到100%的传输效率，离子运动轨迹仿真如图3 所示。结果表明，相对分子质量在200 amu以内的小分子物质可以在TW-SLIM转弯结构中实现无损传输。

1.2 仪器测试平台及试剂

实验装置主要包括电晕针电离源、毛细管、连续进样装置、离子漏斗、TW-SLIM 漂移管和法拉第杯。本平台采用连续进样系统，通过对待测样品加热蒸发后，并利用气泵抽出。进样产生装置（图4）主要包括样品气体的产生装置和电晕针电离源（实验室自制）2个部分，其中，样品气体的产生装置包括气体存储腔体、气泵、分子筛和存储样品的渗透管。通过加热装有样品的渗透管使样品挥发，在气泵的带动下，随着气流进入气体存储腔体。

在气体存储腔中，样品被电离，然后通过不锈钢毛细管进入真空腔体，在自制的离子漏斗处聚焦，再进入TW-SLIM 漂移管区，真空腔实验装置如图5A 所示。TW-SLIM 漂移管采用印刷电路板制成（图5B），离子路径为90°转弯型，总迁移长度170 mm，电极尺寸及分布与仿真条件一致。射频电极、行波电极的电压信号分别由实验室自制射频电源和行波脉冲电源提供。离子流经漂移管后，电流信号通过出口处自制的法拉第杯接收，经电流放大器将微弱电流信号转化为电压信号并进行放大后，采用普源示波器（MSO5204）采集波形数据。

为了便于测试，样品采用易挥发的甲基膦酸二甲酯溶液（DMMP，分析纯，麦克林生化科技有限公司），分子式为C₃H₉O₃P，相对分子质量为124 amu。TW-SLIM测试时的主要工作参数见表2。

2 结果与讨论

2.1 保护电极电压对离子传输效率的影响

实验中，法拉第杯连接微流放大器的放大倍数为10⁸倍，测量离子漏斗后即TW-SLIM漂移管前的总离子流为20 pA，传输效率为TW-SLIM 漂移管后的离子流与总离子流的比值。设置射频电压峰-峰值为200V、频率为1.0MHz，考察了保护电极电压幅值对离子传输效率的影响（图6）。随着保护电极电压幅值增加，离子传输效率呈现先增大后减小的趋势，最优值为V_Guard=5V，此时离子传输效率达到43%。

2.2 射频电极电压对离子传输效率的影响

将保护电极电压设置为5 V，探究射频电压对离子传输效率的影响。将射频电压信号频率设定为1.0 MHz，改变射频电压峰-峰值，观察离子传输效率的变化。如图7A 所示，随着射频电压峰-峰值增加，离子传输效率逐渐增大。设置U_RFp-p为440V，考察离子传输效率随射频电压信号频率增加的变化趋势。结果如图7B 所示，随着信号频率增加，离子传输效率持续增大，当f_RF=1.5 MHz 时，离子传输效率达到最大（100%）。

将实验结果与仿真结果进行对比，可见离子传输效率受保护电极电压、射频电压频率及峰-峰值的影响趋势一致，但具体数值存在差异。这主要是由于仿真实验的离子传输路径较短（32 mm），环境条件理想，离子的运动轨迹相对简单；实际实验中的离子传输路径长（170 mm），环境复杂，存在干扰因素，如电磁干扰、气压波动等。

仿真及实验结果显示，在TW-SLIM 转弯结构中，小分子物质能够实现无损传输。将本研究与以往TW-SLIM 的相关研究的部分参数进行比较，由表3 可见，本研究首次实现了相对分子质量小于200 amu的小分子物质在TW-SLIM 中的无损传输。与大分子物质传输的束缚电场条件相比，小分子物质传输时，保护电极实现有效传输所需的电压值低（5～7 V）；RF 电极需要更高的电压峰-峰值及频率才能实现较好的束缚效果，当电压峰-峰值达到440 V、频率达到1.5 MHz 时，才能实现无损传输。

3 结论

针对小分子物质在TW-SLIM 传输性能研究较少的情况，采用COMSOL 软件进行仿真，探究了保护电场和射频电场对相对分子质量小于200 amu的小分子物质在TW-SLIM 转弯结构中传输性能的影响，并在实验平台上进行了验证。结果表明，当保护电极电压幅值为5 V、射频电极电压峰-峰值为440 V、频率为1.5 MHz 时，小分子物质的离子传输效率达到最高（100%），实现了无损传输。与大分子物质在TW-SLIM 中进行无损传输的条件相比，小分子物质对射频束缚电场的要求更高，进一步提高了对射频源的要求。本研究结果为TW-SLIM 转弯结构中的小分子离子传输机制研究提供了重要参考，为在二维平面上增加离子迁移路径奠定了实验基础，对用于毒品、爆炸物等物质的迁移谱仪器的研发具有重要意义。