新型共轭八极-四极离子导向器（8-4 Pole Ion Guide）实现高传输效率的技术突破及其在质谱灵敏度提升中的应用研究

本文推荐一项创新性质谱技术研究，团队成功开发了一种新型共轭八极-四极离子导向器（8-4 pole ion guide），通过独特的结构设计在5 L/min高进气流量下仍保持56%的离子传输效率。研究表明该装置在100-200 Pa压力范围内可实现高效离子传输，使睾酮检测灵敏度达到0.12 pg/mL（CV=2.9%），为高灵敏度质谱（MS）分析提供了重要技术支撑。

　　

引言

在大气压离子源质谱（MS）系统中，离子从大气压区传输至真空系统的效率对仪器灵敏度具有决定性影响。进口部件的设计显著影响离子传输性能，增大进口内径虽可提高引入离子数量，但会同步增加进入系统的气流量。高气流会导致离子散射现象，在连接进口与下游真空区域的粗真空阶段降低传输效率。为改善粗真空区域的传输效率，多种离子光学装置应运而生，包括多极离子引导器、离子漏斗和堆叠环离子引导器等。

本研究成功研制出共轭八极-四极离子引导器（8-4 pole ion guide），该装置即使在强气流条件下仍能保持高离子传输效率。其核心设计包含三个关键区域：八极区域、四极区域以及连接两部分的过渡区域。通过向相邻杆电极施加射频（RF）电压实现离子约束装置，其创新理念是通过直流（DC）电压将离子从主气流中分离并导向四极区域，由于四极区域位于主气流之外，电场能实现更有效的离子聚焦。

实验方法

实验采用定制构建的三重四极杆质谱仪系统，通过电喷雾离子源（ESI）产生的离子经内径0.9 mm的进样孔引入仪器，进气流量设定为5 L/min。离子经中间压力室去除液滴后，被引导至8-4极离子引导器或传统四极离子引导器（内半径5 mm，长度120 mm）。真空系统采用干泵维持离子引导器腔室压力，并通过空气导入实现压力精确调节。

8-4极离子引导器的组装采用特殊结构设计，八极区域内半径为7 mm，四极区域内半径为2.64 mm，八极中心与中间压力室出口存在3 mm偏移量。RF电压采用600 kHz频率施加于相邻杆电极，DC电压设置采用V₀基准电压配合ΔV₁和ΔV₂电压偏移的复杂配置方案。

通过SIMION 8.1软件进行电势场模拟，采用硬球碰撞模型计算m/z 600离子的运动轨迹。计算流体动力学（CFD）模拟使用ANSYS CFX 17.2软件，基于Navier-Stokes方程和剪切应力传输（SST）湍流模型分析气体流动特性。

液相色谱平台采用两种系统配置：Hitachi Chromaster Ultra RS系统用于灵敏度对比实验，Shimadzu Nexera X2系统用于检测限测定。离子电流测量在三个关键位置进行：（i）8-4极离子引导器入口，（ii）引导器出口，以及（iii）下游孔径2后方，通过精确设置偏置电压实现电流数据采集。

结果与讨论

电势场计算显示，八极区域内的电势分布形成明显的势能最小值点，ΔV₁和ΔV₂参数可建立引导离子向上运动的电势梯度。离子轨迹模拟表明，注入八极区域的离子能够有效传输并在势能最小值点聚焦。连接区域的伪势能计算呈现漏斗状分布，成功将离子从八极区域引导至四极区域。

CFD模拟结果显示，在5 L/min进气流量和150 Pa压力条件下，中间孔径中心轴线上出现明显的激波细胞结构。主气流通道宽度约6 mm，流速超过600 m/s，而四极区域中心轴偏移8.14 mm，该区域流速低于300 m/s且不存在激波结构，这种特性为离子聚焦创造了有利条件。

RF振幅依赖性实验表明，对乙酰氨基酚（m/z 152.1）、利血平（m/z 609.3）和环孢素（m/z 1202.8）的[M+H]⁺离子信号强度在特定RF振幅下达到80%最大值，且在所有分析物中都观察到宽泛的RF电压稳定区间。ΔV₁和ΔV₂参数优化实验显示，较高m/z的离子需要更大的ΔV值才能实现最佳传输，这与将大质量离子传输至势能最小值点的物理需求相符。

压力依赖性研究表明，睾酮（m/z 289.2）、利血平（m/z 609.3）和环孢素（m/z 1202.8）的信号强度在100-200 Pa压力范围内保持最大值的75%以上，证实8-4极离子引导器在此压力区间具有优异的传输稳定性。

离子电流传输测量显示，三丁胺样品[M+H]⁺离子（m/z 186.4）在引导器入口处电流为1.8 nA，出口和下游孔径处均为1.0 nA，传输效率达到56%。对比实验表明，传统四极离子引导器在2.2 L/min和5.0 L/min进气流量下的传输效率分别为47%和25%，证实8-4极离子引导器在高进气流量条件下的显著优势。

灵敏度对比实验显示，8-4极离子引导器对睾酮和利血平的信号强度分别达到传统引导器的3.5倍和4.4倍。同时，传统引导器观察到的带电液滴噪声峰在8-4极装置中显著减少，证明其具备优异的噪声抑制能力。睾酮检测性能测定表明，在1 pg/mL浓度下m/z 289.2→109.1转换的峰高达到3.6×10³ cps，五次重复测定的变异系数（CV）为2.9%。在0-10 pg/mL浓度范围内建立的标准曲线线性度优异（R²=0.9999），检测限达到0.12 pg/mL。

结论

本研究成功开发的新型8-4极离子引导器在强气流条件下仍能保持高水平离子传输效率。实验证实该装置在100-200 Pa压力范围内具有稳定的高性能传输特性，传输效率达到56%，对睾酮的检测灵敏度达到0.12 pg/mL。这些特性表明该技术能够有效支持5 L/min高进气流量条件下的质谱分析，为高灵敏度质谱检测提供了重要技术突破。

作者贡献

Masuyuki Sugiyama负责实验研究、概念设计和初稿撰写；Hideki Hasegawa参与实验研究和概念设计；Yuichiro Hashimoto负责概念设计、文稿审阅和项目 supervision。