Đang tải...
Hệ dẫn Ion mới cải thiện hiệu suất truyền Ion từ khu vực áp suất khí quyển đến chân không thiết bị khối phổ
Tác giả: Hassan Javaheri và Bradley B. Schneider*
Người biên tập: TS. Lê Sĩ Hưng
Lời giới thiệu: Bài viết này, dịch và tóm tắt phần lớn nội dung chính trong nghiên cứu: "Ion Guide for Improved Atmosphere to Mass Spectrometer Vacuum Ion Transfer, DOI: https://dx.doi.org/10.1021/jasms.0c00394", cung cấp một 1 số kiến thức cơ bản liên quan tới công nghệ truyền dẫn ion mới từ nguồn ion hoá áp suất khí quyển vào trong hệ thống chân không của máy khối phổ, nhằm tăng cường hiệu suất truyền dẫn ion thêm vào đó thảo luận về các thách thức liên quan. Về người biên tập, TS. Lê Sĩ Hưng, tốt nghiệp tiến sĩ tại đại học BOKU Vienna (Cộng hoà Áo) ngành hoá phân tích, đã có trên 10 năm kinh nghiệm làm việc với các thiết bị khối phổ, tập trung vào ứng dụng các kỹ thuật khối phổ trong phân tích các chất chuyển hoá (metabolites) và protein trong các đối tượng mẫu sinh học, ORCID: 0000-0002-0762-3492.
Tóm tắt: Trong phân tích khối phổ, việc quan trọng là phải truyền ion từ khu vực áp suất khí quyển vào khu vực chân không sâu bên trong các thiết bị khối phổ. Nhiều cách tiếp cận khác nhau đã được phát triển với mục tiêu tăng tỷ lệ ion trên khí (ion to gas ration) đồng thời duy trì hiệu suất truyền ion cao (ion tranmission efficiency). Vì phần lớn hao hụt ion xảy ra trong nguồn ion áp suất khí quyển, một cách hiệu quả để cải thiện việc thu được các ion sinh ra từ nguồn là tăng đường kính lỗ thu ion từ khu vực khí quyển đến khu vực chân không (lỗ orifice). Tuy nhiên, khi đường kính lỗ này tăng lên, sự giãn nở mạnh của luồng khí tự do (free jet gas expansion) và chùm khí tiếp theo (subsequence gas beam) có thể làm tán xạ các ion trong vùng chân không đầu tiên. Giao diện thu ion được mô tả trong nghiên cứu này cung cấp một trường dòng chảy (flow field) tối ưu cho dòng khí tiến vào giai đoạn chân không thứ hai, nhờ việc sử dụng một thiết kế hình học độc đáo để ngăn mất ion do va chạm tán xạ với khí. Theo sau là giao diện dẫn ion tứ cực (quadrupole ion guide) với 2 vùng chân không biệt lập được sử dụng để tăng cường hơn nữa tỷ lệ ion trên khí, với hiệu suất truyền ion gấp 5-6 lần. Giao diện này cũng chứng minh khả năng loại cụm ion (ion cluster) và phân mảnh hiệu quả có lợi cho việc giảm nhiễu nền hóa học.
1. Giới thiệu
Hiệu suất lấy ion đề cập đến tỷ lệ phần trăm các phân tử đi vào nguồn ion được chuyển thành ion và được vận chuyển thành công vào hệ chân không.1-3 Tổn thất ion thường xảy ra do hiệu quả truyền ion thấp từ khu vực khí quyển vào chân không, do các ion bị tán xạ bởi các dòng khí trong nguồn ion. Một cách hiệu quả để cải thiện hiệu suất truyền ion là sử dụng tải lượng khí hơn nhờ cách mở rộng đường kính lỗ lấy ion từ khu vực áp suất khí quyển đến chân không (lỗ orifice). Nhiều cách tiếp cận khác nhau đã được phát triển trong những năm qua để tăng lượng khí tải vào hệ thống và do đó tăng lượng ion được truyền vào hệ thống chân không, thêm vào đó việc phát triển các thiết bị giúp tăng tỷ lệ ion trên khí trước khi chùm ion đi vào bộ phân tích khối, bao gồm việc sử dụng các bộ dẫn kiểu thanh tứ cực (quadrupole rod), phễu ion (ion funnel) và bộ dẫn dạng vòng.4-8 Khi dòng khí tăng lên, thách thức là duy trì khả năng kiểm soát quỹ đạo của chùm ion trong các giai đoạn ban đầu, nơi các va chạm với khí nền sẽ làm tán xạ các ion trong sóng xung kích (shock waves) hình thành trong quá trình thu ion từ chùm khí ở vận tốc Mach (vận tốc âm thanh).
Trong nghiên cứu này, một bộ dẫn ion với cấu trúc hình học mới được mô tả nhằm mục đích bắt giữ (confine) các ion trong luồng khí giãn nở nhanh ban đầu từ áp suất khí quyển, nơi tải lượng khí > 16 L/phút. Bộ dẫn ion dodecapole (12 cực) này bao gồm các thanh có hình dạng tùy chỉnh với một đầu lấy ion (sampling inlet) hiệu quả cao để thu các ion phân tán trên toàn bộ sự giãn nở của khí và cung cấp một trường dòng khí (gas flow field) ổn định, thuận lợi vào giai đoạn chân không thứ hai (Hình 1a). Tiếp theo vùng chân không đầu tiên chứa bộ dodecapole (buồng DJet) là 2 vùng chân không nối tiếp có được bơm chân không riêng rẽ trang bị các bộ dẫn ion tứ cực (Qjet và Q0) để tiếp tục giảm áp suất khí đồng thời duy trì chùm ion tập trung bằng nguyên tắc tập trung va chạm (collisional focusing). Việc loại các cụm ion (ion cluster) và các giọt chất lỏng mang điện (charged droplet) có thể đạt được bằng cách gia tốc các ion vào giai đoạn chân không thứ ba sử dụng điện thế lệch DC nhằm giảm nhiễu hóa học liên quan đến các cụm ion. Với hệ thống dẫn ion mới này, hiệu suất truyền ion được cải thiện gấp 5–6 lần so với hệ thống dẫn ion kiểu tứ cực chỉ sử dụng hai giai đoạn chân không.10 Ngoài ra, giao diện mới này đã chứng minh khả năng chống lại sự nhiễm bẩn từ các mẫu sinh học.
2. Thí nghiệm
2.1. Thiết bị khối phổ
Các thí nghiệm được thực hiện trên một máy khối phổ 3 tứ cực lai bẫy ion tuyến tính tiêu chuẩn (hệ thống QTRAP 6500+, SCIEX). Hệ thống này bao gồm giao diện tiêu chuẩn (SI) với một lỗ lấy ion đầu vào (lỗ orifice) đường kính 0,72 mm với 2 khu vực chân không nối tiếp được bơm độc lập trang bị các bộ dẫn ion tứ cực như đã được mô tả trước đây.11 Đối với một số thí nghiệm, hệ thống ba tứ cực đã được sửa đổi theo Hình 1b, trong đó lỗ orifice được tăng đường kính, trang bị các bộ dẫn ion mới với giao diện gồm 3 khu vực chân không nối tiếp được bơm độc lập. Thiết bị lấy ion từ khu vực khí quyển vào khu vực chân không và cấu hình chân không như trong Hình 1b, sau đây gọi là giao diện hiệu suất cao - HPI. Một đĩa chụp ngoài (CUR – đĩa curtain) với lỗ có đường kính 5 mm đóng vai trò che chắn bảo vệ lỗ orifice (nằm trên đĩa orificie) vừa là điện cực đối diện (counter electrode) trong quá trình ion hoá ESI.
Hình 1a. Bộ dẫn ion dodecapole với cấu trúc 12 thanh cực với tiết diện được làm hẹp liên tục từ phía đầu vào tới đầu ion thoát ra.
Hình 1b. Sơ đồ của ba giai đoạn chân không ở phía đầu khí vào của giao diện HPI. Sơ đồ cho thấy đĩa chụp ngoài (CUR), đĩa chứa lỗ lấy ion (OR – Orifice plate), bộ dẫn ion dodecapole đầu tiên (DJET), bộ dẫn ion tứ cực đầu tiên (QJET) và bộ dẫn ion tứ cực thứ hai (Q0). Các thấu kính IQ00, IQ0 và IQ1 phân tách các giai đoạn chân không khác biệt.
Hình 1c. So sánh giao diện HPI trang bị trên các dòng SCIEX 7500 (hình trên) và giao diện SI trang bị trên dòng SCIEX 6500+.
Khu vực nằm giữa đĩa chụp ngoài (CUR) và đĩa chứa lỗ orifice (OR - đĩa orifice , lỗ orifice là lỗ mở để lấy ion từ khu vực áp suất khí quyển vào khu vực chân không) tạo thành một buồng che chắn (curtain chamber - thiết kế độc quyền của SCIEX), trong khu vực này khí màn che gồm nitơ sạch (curtain gas) được cấp liên tục tạo thành 1 màn khí che chắn giúp ngăn chặn các giọt chất lỏng trung hoà, phân tử trung hoà, chất bẩn tiến vào lỗ orifice giúp giữ sạch lỗ này. Lỗ orifice trên giao diện HPI được mở rộng đến 1,5 mm (gấp hơn 2 lần so với lỗ orifice trên giao diện SI) cho phép tăng thông lượng khí gấp ~4,3 lần so với giao diện SI. Bộ phận tiếp nhận khí từ khu vực áp suất khí quyển vào khu vực chân không tiêu chuẩn gồm 2 giai đoạn (Dual Qjet và Q0) được sửa đổi thành 3 giai đoạn kèm theo các bộ dẫn ion tùy chỉnh cho giai đoạn chân không đầu tiên và thứ hai. Một dòng "khí màn che" gồm nitơ sạch 12 được cấp cho curtain chamber, với lưu lượng 16 L/phút qua lỗ orifice và thêm 2 L/phút trở lên qua lỗ mở của đĩa curtain theo hướng ngược chiều với chuyển động ion. Hỗn hợp khí nitơ, ion và các giọt chất lỏng mang điện được lấy qua lỗ orifice vào giai đoạn chân không đầu tiên chứa bộ dẫn ion dodecapole (DJet). Sau khi đi khỏi bộ DJet, các ion được tập trung qua một thấu kính ion với đường kính lỗ 2,5 mm (IQ00) tiến vào giai đoạn chân không thứ hai chứa bộ dẫn ion tứ cực (QJet). Các ion và chất tích điện tiếp tục được tập trung vào một thấu kính ion có đường kính 1,8 mm (IQ0), trước khi đi vào giai đoạn chân không thứ ba với một bộ dẫn ion tứ cực bổ sung (Q0). Tải lượng khí bổ sung được loại bỏ bằng cách tăng tốc độ của bơm thô (roughing pump) ở giai đoạn chân không đầu tiên sử dụng bơm thô SOGEVAC SV 120 BIFC (Leybold, Mississauga, ON) và một bơm thô MS 40 bổ sung (Agilent Technologies, Mississauga, ON) được sử dụng để hút giai đoạn chân không thứ hai và hỗ trợ bơm turbo. So sánh chân không tại các khu vực chân không được bơm độc lập trong giao diện HPI và SI được thể hiện ở Hình 1c. Trừ các trường hợp cụ thể, dữ liệu đều được thu thập ở chế độ giám sát phản ứng đa (MRM).
2.2. Thiết bị LC
Các thí nghiệm LC/MS được thực hiện trên hệ thống LC Shimadzu LC20ADXR sử dụng nước và 0,1% axit formic cho pha động A và acetonitrile với 0,1% axit formic cho pha động B. Tách sắc ký được thực hiện trên cột Millipore Ascentis Express C18 (5 cm × 2,1 mm, với kích thước hạt 2,7 µm). Tốc độ dòng dung môi là 500 μL/phút và gradient từ 97 đến 20% dung dịch nước trong 6 phút.
2.3. Mô hình động lực học chất lỏng tính toán (CFD)
Mô hình hóa CFD được thực hiện bằng phần mềm thương mại CFD++ (Metacomp Technologies). Các phép đo nhiệt độ và áp suất được thực hiện trên bảng mạch tại các vị trí khác nhau trên và xung quanh lỗ orifice, buồng DJet và buồng Qjet, các giá trị này được sử dụng trong các phép tính CFD. Một loạt các mô phỏng CFD ba chiều của các phương trình Navier-Stokes được thực hiện với giả định một loại khí hoàn hảo đơn và với mô hình nhiễu loạn k-ε-Rt. Một mô hình nửa hình học được mô phỏng với điều kiện mặt phẳng đối xứng. Các mô phỏng được thực hiện trên hai lưới: một lưới thô hơn gồm 19 triệu ô và một lưới mịn hơn gồm 44 triệu ô. Trong lưới mịn hơn, các tinh chỉnh lưới đã được thực hiện trong dòng chảy lõi (core flow) để cải thiện độ chính xác của các khu vực quan trọng nơi các đĩa Mach và sóng xung kích hình thành.
2.4. Hóa chất và thuốc thử
Đối với các thí nghiệm phun trực tiếp, các chất chuẩn reserpine đã được pha loãng đến 1 pg/μL trong hỗn hợp dung môi chứa ethanol, methanol, nước, isopropanol và axit formic với tỷ lệ thể tích là 20,6: 47,7: 30,8: 0,9: 0,1 (Fisher Scientific, Nepean, ON, Canada). Các chất chuẩn axit taurocholic được pha ở 1 pg/μL trong nước với 0,1% axit formic. Đối với các thí nghiệm LC, hỗn hợp 12 hợp chất đã được pha trong nước với 0,1% axit formic. Hỗn hợp 12 hợp chất bao gồm carbamazepine, desoxypipradol, propranolol, tramadol, desipramine, sulfamethazine, imipramine, penbutolol, cocaine, methadone, vilazodone và verapamil. Một mẫu prazepam đã được pha loãng trong huyết tương ngựa đã loại protein cho một số thí nghiệm. Đối với các thí nghiệm LC ở chế độ ion âm, hỗn hợp axit taurocholic và bentazon đã được pha trong nước với 0,1% axit formic. Một nền mẫu phức tạp để kiểm tra nhiễm bẩn được chuẩn bị bằng cách sử dụng dịch chiết QuEChERS cho mẫu trà đen và mẫu arugula. Dung dịch gốc chiết của mẫu trà được chuẩn bị bằng cách thêm 10 mL nước khử ion cấp LC/MS vào 4 g trà đen. Mẫu được đồng nhất bằng cách lắc trong 30 giây, sau đó thêm 10 mL acetonitrile cấp LC/MS. Mẫu được lắc mạnh trong 10 phút, sau đó thêm hỗn hợp muối gồm 4 g magie sulfat, 1 g natri clorua, 1 g trisodium citrate ngậm nước và 0,5 g disodium hydrogen citrate sesquihydrate. Tiếp tục lắc mạnh mẫu trong 10 phút, sau đó ly tâm trong 5 phút ở tốc độ 3500 vòng/phút. Lớp acetonitrile được rút ra và gộp lại cho các mẫu song song được chuẩn bị theo cách này. Một quy trình tương tự được sử dụng để chuẩn bị dung dịch gốc arugula, sử dụng 10 g vật liệu ban đầu. Một dung dịch hỗn hợp đã được pha bằng cách kết hợp 56 mL chiết xuất trà với 56 mL chiết xuất arugula và thêm 28 mL nước và 0,14 mL axit formic. Dung dịch hỗn hợp được pha loãng 50 lần bằng 1:1 acetonitrile/nước với 0,1% axit formic và lọc qua bộ lọc sợi thủy tinh Whatman (cấp 696).
3. Kết quả và thảo luận
Bộ dẫn ion trong giai đoạn chân không đầu tiên hoạt động ở áp suất tương đối cao và được thiết kế để hạn chế dòng khí đi qua khu vực chân không đầu tiên. Trước đây, các bộ dẫn ion kiểu tứ cực hoặc kiểu phễu dùng vòng điện cực (funnels based upon ring guide) đã được sử dụng cho mục đích này. Liên quan tới việc phát triển bộ dẫn ion được mô tả trong nghiên cứu này, một loạt các bộ dẫn ion khác nhau đã được thiết kế và thử nghiệm, bao gồm các bộ tứ cực và bộ đa cực bậc cao hơn. Các kết quả nghiên cứu dẫn đến thiết kế DJet hiện tại, cho thấy hiệu suất truyền dẫn vượt trội so với các cấu hình trước đây. Các bộ tứ cực tập trung các ion vào trục trung tâm của bộ dẫn ion; tuy nhiên, chúng có xu hướng kém hiệu quả khi hoạt động ở áp suất cao hơn. Ngược lại, các bộ đa cực bậc cao hơn như dodecapole và octapole có giếng thế rộng hơn và phẳng hơn cho phép các ion chiếm một vùng không gian có khoảng cách lớn hơn từ trục chính tâm,13,14 do đó giúp giảm thiểu các hiệu ứng điện tích không gian (space charge) có thể xảy ra trong bộ dẫn ion. Ngoài ra, đầu vào chấp nhận (inlet acceptance) cho các bộ đa cực bậc cao (high order multipole) có thể hiệu quả hơn trong việc thu giữ các ion từ một chùm phân kỳ (diverging beam), dẫn tới bộ dodecapole (12 cực) vô cùng lý tưởng để sử dụng với các lỗ orifice đường kính lớn. Tuy nhiên thế hiệu dụng phẳng (flat effective potential) cho các bộ đa cực bậc cao hơn có thể làm cho chúng kém hiệu quả hơn tứ cực trong việc tập trung các ion ở lối ra của bộ dẫn ion. Vì lý do này, bộ dẫn ion DJET được cấu tạo với các bề mặt điện cực hẹp dần và nghiêng vào trong để cung cấp bán kính lối ra nhỏ hơn, như thể hiện trong Hình 2.
Hình 2. Sơ đồ bố trí các thanh cực cho bộ dẫn ion dodecapole, thu khí giãn nở đi vào khu vực chân không đầu tiên.
Bên trong bộ dodecapole được thiết kế bóp lại liên tục từ phía đầu đến phía cuối theo hình nón (internal taper) và bán kính của vị trí thoát ion (exit radius) được giới hạn tương tự với đường kính của lỗ mở trên thấu kính IQ00 để tập trung 1 cách dần dần phân bố ion và để đảm bảo hiệu suất truyền ion rất cao vào khu vực chân không thứ 2. Sức cản sẽ lớn hơn đối với dòng chảy xuyên tâm của khí từ bên trong DJet ra bên ngoài DJet ở đầu ra so với ở đầu vào, do đó việc kiểm soát cấu trúc hình nón và hình dạng điện cực cho phép bắt giữ chùm ion 1 cách tối ưu, đồng thời giảm thiểu sự xuất hiện của các sóng xung kích không mong muốn (unwanted shock wave). Đối với cấu hình HPI được mô tả trong bài báo này, đường kính đầu vào của bộ DJet là khoảng 7,5 mm và đầu ra là khoảng 3 mm (Hình 2). Đường kính đầu vào của DJet được chọn phải lớn hơn đường kính sóng xung kích dạng thùng tính toán 15 (calculated barrel shock diameter) hình thành ở phía đầu vào giao diện HPI và để tối đa hóa sự truyền ion trong vùng giãn nở của khí tự do (free jet gas expansion) ở đầu khu vực DJet (vùng màu cam và đỏ trong Hình 4). Một nguồn điện RF được sử dụng để cung cấp tối đa 300 V p-p (giữa các thanh cực) cho bộ DJet giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền một ion nhất định. Dưới các điều kiện thiết lập như trên, kết quả chỉ ra rằng không có sự gia tăng hiệu suất truyền ion khi tăng đường kính thấu kính IQ00 lên > 2,5 mm, có nghĩa là sự kết hợp giữa thế RF và dạng thiết kế hình nón bên trong của bộ dodecapole đã đủ để tập trung phần lớn chùm ion vào bên trong đường kính của thấu kính IQ00 (mà không cần mở rộng đường kính lỗ IQ00 lên quá 2,5 mm). Một bộ dẫn ion kiểu tứ cực bổ sung (QJet) được đặt trong buồng chân không thứ hai để tập trung thêm các ion trước khi truyền đến vùng Q0.
Áp suất tối ưu cho 3 giai đoạn chân không được xác định bằng thực nghiệm. Dòng khí khi đi qua lỗ orifice vào trong buồng DJET có thể tương tác với các thanh của bộ dẫn ion để tạo ra sóng xung kích, thể hiện qua mối quan hệ phi tuyến tính giữa áp suất đo được trong buồng DJET và QJET, có thể thấy trong một số điều kiện trong Hình 3.
Hình 3. Đồ thị về sự thay đổi áp suất trong giai đoạn chân không thứ hai (áp suất trong buồng QJet) so với áp suất trong giai đoạn chân không đầu tiên (áp suất trong buồng DJet) tương ứng với đường kính lỗ orifice.
Để đánh giá ảnh hưởng của áp suất giai đoạn đầu lên giai đoạn tiếp theo, áp suất của buồng DJet được tăng lên theo các bước nhỏ trong khi áp suất trong buồng QJet được theo dõi đồng thời. Hình 3 thể hiện mối tương quan tuyến tính rõ ràng khi áp suất buồng DJet được điều chỉnh tăng dần từ 2 – 9 Torr với các đường kính lỗ orifice lên đến ~1,5 mm. Khi áp suất DJet cao hơn 9 Torr, những thay đổi nhỏ về áp suất trong buồng DJet dẫn đến những thay đổi áp suất lớn hơn và tương quan phi tuyến tính áp suất rõ ràng hơn trong vùng QJet, nhiều khả năng gây ra do các sóng xung kích. Điều kiện áp suất để xảy ra mối tương quan phi tuyến tính này ở các giá trị áp suất của buồng DJet sẽ hơi khác nhau đối với các kích thước lỗ orifice khác nhau. Do đó để đảm bảo có đủ biên độ áp suất, buồng DJet được duy trì áp suất ở mức ≤ 8 Torr, với áp suất hoạt động điển hình xấp xỉ 6 Torr để dải áp suất trong vùng QJet nằm trong khoảng 1,8–2,5 Torr.
Dòng khí từ khu vực áp suất khí quyển tiến vào giai đoạn chân không đầu tiên qua lỗ orifice sẽ bị nghẹt lại (The gas flow from atmospheric pressure into the first vacuum stage is choked); Và khí đạt đến tốc độ âm thanh tại lỗ orifice, do tỷ lệ áp suất ở cả hai phía của lỗ orifice lớn hơn 2 lần. Kết quả là áp suất trong vùng DJet không ảnh hưởng đến tốc độ dòng khí đi qua lỗ orifice. Vì quãng đường tự do trung bình (mean free path) nhỏ hơn nhiều so với đường kính lỗ orifice, thông lượng khí (G) có thể được tính xấp xỉ bằng phương trình 1:
G (mol/s) = 0,445 * n0 * a0 * D2 (1)
Trong đó n0 là mật độ số khí ở phía áp suất cao của lỗ (2,5 × 1019 phân tử/cm3 ở STP), a0 là tốc độ âm thanh cục bộ của khí (3,47 × 104 cm/s ở STP) và D là đường kính lỗ orifice.15,16 Phương trình này áp dụng cho một lỗ orifice lý tưởng nơi đường kính tối thiểu của luồng khí tương đương với đường kính lỗ orifice và vận tốc tối đa xảy ra ở mặt phẳng của lỗ. Trong thực tế, hệ số hiệu chỉnh 0,78 cần được áp cho thông lượng khí tính toán để phù hợp với thiết bị nguyên mẫu này, như được hiển thị trong Bảng 1. Sự khác biệt này có thể gây ra là do độ lệch từ một lỗ lý tưởng và độ không đảm bảo đo của nhiệt độ khí chính xác.
Bảng 1. So sánh dòng chảy được tính toán và đo với các kích thước lỗ khác nhau trên thiết bị khối phổ ba tứ cực với giao diện HPI
Mô hình động lực học chất lỏng tính toán (CFD) được tiến hành để nghiên cứu về các đặc tính của dòng khí đi qua buồng DJet. Mô phỏng CFD được thực hiện bằng bộ phần mềm thương mại CFD++ (Metacomp Technologies). Các phép đo nhiệt độ và áp suất đã được thực hiện trên bảng mạch tại các vị trí khác nhau trên và xung quanh lỗ orifice, buồng DJet và buồng QJet và các giá trị này đã được sử dụng trong các phép tính CFD. Hình 4 cho thấy số Mach (tỉ lệ vận tốc của dòng khí so với vận tốc âm thanh) được tính toán cho dòng khí đi qua giai đoạn chân không đầu tiên (cấu trúc bộ dẫn ion DJet được hiển thị bằng màu trắng). Dòng khí tăng tốc lên Mach tối đa khoảng 6,73 (tốc độ dòng khí gấp 6,73 lần vận tốc âm thanh) và tạo thành một đĩa Mach (là hiện tượng quan sát của dạng sóng xung kính đứng được hình thành khi dòng khí di chuyển với tốc độ cao bị nén đột ngột để điều chỉnh với áp suất môi trường xung quanh) gần phía trước của các thanh dodecapole. Đường kính đầu vào của DJet tương tự như đường kính của sóng xung kích dạng thùng hình thành khi dòng khí đi qua lỗ orifice đường kính 1,5 mm, để đảm bảo rằng phần lớn các ion được mang bởi sự giãn nở khí tự do sẽ được thu giữ cấu trúc dẫn ion dodecapole. Sau đĩa Mach, dòng khí trải qua một loạt các sóng giãn nở và nén khi đi dọc theo chiều dài của DJet. Có một số dấu hiệu liên quan tới sự bất đối xứng nhẹ trong dòng chảy khí và có thể gây ra do sự hiện diện của cổng cho bơm thô ở một phía của bộ dẫn ion. Hình nón bên trong của bộ dẫn ion dodecapole giúp tập trung khí và chùm ion vào lỗ thoát. Những kết quả này cho thấy không có dấu hiệu gia tăng áp suất trong vùng lân cận của thấu kính IQ00, và điều này cho thấy rằng áp suất tác động là tối thiểu (do chùm khí được tập trung hiệu quả vào bên trong đường kính của IQ00 và tiến sang bên khu vực chân không giai đoạn 2 nên không xảy ra các nhiễu loạn về áp suất).
Hình 4. Mô hình CFD về dòng khí qua bộ dẫn ion DJET trong buồng chân không đầu tiên của HPI. Thang đo ở phía bên trái tương quan số Mach được tính toán với các màu được trình bày trong hình.
Các mô phỏng được thực hiện bằng cách kết hợp giải pháp CFD với mô hình trường tĩnh điện bằng cách sử dụng một cách tiếp cận đã được mô tả trước đó17 để ước lượng hiệu suất truyền ion với cấu hình HPI. Trong đó, các mô phỏng bao gồm hai thành phần chính, bộ giải Laplace (Rx) và bộ tính toán quỹ đạo (Sx). Bộ giải Rx tính toán điện thế tại các điểm lưới cách đều nhau và bộ tính toán Sx kết hợp giải pháp CFD ngoài mô hình tĩnh điện. Thông tin chi tiết bổ sung về bộ giải Rx và bộ tính toán quỹ đạo Sx có thể được tìm thấy trong Phụ lục 2 của tài liệu tham khảo17. Kết quả chỉ ra rằng dòng khí rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu trong bộ dẫn ion áp suất cao. Các trường dòng chảy thuận lợi có được nhờ hình dạng nón của bộ dẫn ion DJet và sự bắt giữ điện từ sinh ra do trường RF được áp lên dodecapole dẫn đến khả năng truyền > 90% các ion m/z 195 và 609 từ lỗ mở trên IQ00 đến vùng Q0.
Đối với thiết bị khối phổ sử dụng kĩ thuật ion hóa phun điện tử với giao diện gồm nhiều khu vực chân không riêng biệt, một thông lệ phổ biến là cần tăng hiệu điện thế giữa lỗ (ống) đầu vào và thấu kính chân không đầu tiên (first vacuum lens element) 18 để loại cụm hoặc phân mảnh các ion (Thế DP trên các hệ của SCIEX hoặc Framentor Voltage của Agilent). Đối với giao diện HPI mới nhờ sự kết hợp của lỗ orifice rất lớn và áp suất tương đối cao ở khu vực chân không đầu tiên nên không cần sử dụng thế DP. Để duy trì khả năng phân mảnh gây ra do va chạm ở phía trước Q0 (upfront CID), một độ lệch điện thế DC có thể điều chỉnh đã (adjustable DC potential offset) được đặt vào giữa thấu kính IQO và cụm Q0. Cách tiếp cận này làm tăng động năng dọc trục của ion (ion axial kinetic energy) khi tiến vào giai đoạn chân không thứ 3 và thể hiện hiệu suất để khử cụm và phân mảnh ion. Hình 5 thể hiện dữ liệu phân mảnh cho các ion axit taurocholic (dạng M-H-). Các ion axit taurocholic không dễ bị phân mảnh; thường cần tới khoảng 125 eV năng lượng ion để phân mảnh hiệu quả các ion tiền chất và tạo ra ion con m/z 80 (phổ TIC phía trên).
Hình 5. Dữ liệu phân mảnh cho các ion axit taurocholic được đo ở chế độ ion âm. Cường độ tín hiệu Q1 cho các ion axit taurocholic dạng M-H- (m/z 514) là 2,2 x 10e7 cps. Phổ TIC trên là dữ liệu ghi bằng một thí nghiệm MS/MS thông thường trong đó m/z 514 được truyền qua Q1 và năng lượng va chạm (125 eV) được tối ưu hóa cho việc tạo ra ion con m/z 80. Phổ TIC dưới cho thấy sự phân mảnh của các ion axit taurocholic trong vùng Q0 bằng cách tối ưu hóa thế DC offset (độ lệch 190 V) để tối đa hóa lượng ion ion con m/z 80.
Phổ TIC phía dưới Hình 5 thể hiện phổ phân mảnh sử dụng kỹ thuật phá mảnh CID phía trước (upfront CID, do thiết kế mới của bộ dẫn ion, việc phá mảnh có kiểm soát có thể được thực hiện ngay cả trước khi ion tiến vào Q0) cho các ion axit taurocholic với giá trị thế DC offset giữa thấu kính IQO và cụm Q0 khoảng 190 V. Ngoài các ion con của axit taurocholic dự kiến, một số tín hiệu ion bổ sung khác cũng được quan sát thấy do khả năng chọn lọc khối kém hơn của kỹ thuật upfront CID. Cường độ tín hiệu các ion axit taurocholic được đo trong thí nghiệm Q1 với điện thế khử cụm được tối ưu hóa để loại bỏ sự phân mảnh là ~2,2 × 10e7 cps. Hiệu suất phá mảnh tính toán được cho thí nghiệm MS/MS và upfront CID lần lượt là 29% và 27%. Những kết quả này chứng tỏ khả năng giao diện HPI mới cho phép thực hiệp kĩ thuật pseudo-MS3, là kĩ thuật trong đó các ion con sinh ra từ upfront CID được lựa chọn trong Q1 và phân mảnh 1 lần nữa trong Q2. Giao diện HPI ngoài việc cho phép phân mảnh ion phía trước Q0, có thể sử dụng các độ lệch điện thế DC nhỏ hơn (impart smaller DC offset potentials) giữa thấu kính IQ0 và cụm Q0 để khử cụm ion, việc này rất hữu ích khi đo các mẫu có nền mẫu phức tạp. Hình 6 thể hiện ví dụ phân tích prazepam được chuẩn bị trong mẫu huyết tương ngựa đã loại protein (crashed horse plasma), hình 6A là phổ XIC khi không sử dụng thế khử cụm và hình 6B là phổ XIC của prazepam khi sử dụng thế DC offset 15 V (giữa IQ0 và Q0) để khử cụm ion.
Hình 6. Dữ liệu LC/MS cho mẫu prazepam được điều chế trong huyết tương đã loại protein với độ lệch 0 V giữa thấu kính IQ0 và Q0 (A) và độ lệch 15 V giữa thấu kính IQ0 và Q0 (B), (C) thể hiện phổ MRM của cả 2 điều kiện được đặt chồng lên nhau, trong đó đường màu đậm là khi DC offset = 15 V được sử dụng.
Tuy việc sử dụng thế khử cụm DC offset này làm giảm tín hiệu của ion prazepam xuống ~23%, nhưng nhiễu nền quan sát được ở chế độ MRM lại giảm đáng kể (Hình 6C), và làm tăng tỷ lệ S/N lên 2,4 lần (S/N 1276 khi tắt vs 3021 khi dùng DC offset). Khi sử dụng thế DC offset với một mẫu thử gồm 30 hợp chất được chuẩn bị trong huyết tương đã loại protein, kết quả thể hiện S/N tăng >10% với 20 hợp chất. Giá trị S/N của nhiều MRM có nhiễu nền cao do ảnh hưởng của huyết tương nội sinh (endogenous plasma interferences) cũng được cải thiện đáng kể. Kết quả cũng chỉ ra không có mối tương quan giữa m/z của chất phân tích và độ tăng S/N khi áp dụng việc khử cụm phía trước (upfront declustering) cho phân tích các mẫu được chuẩn bị trong huyết tương đã loại protein. Với 10 hợp chất còn lại có giá trị S/N nằm trong phạm vi ± 10% với độ tăng S/N trung bình là không đáng kể (0,04%) so với khi không có điện thế khử cụm.
Các thí nghiệm LC/MS đã được tiến hành để xác định hiệu suất tương đối với SI và HPI. Thiết bị được kiểm tra đều có cấu hình giống nhau từ bộ dẫn ion Q0 đến đầu dò cho cả hai cấu hình giao diện. Sự cải thiện độ nhạy được đánh giá bằng cách so sánh cường độ tín hiệu tuyệt đối đối với các lần bơm mẫu lên cột của một số lượng lớn các hợp chất gồm nhiều ion tiền chất và ion sản phẩm, ở cả chế độ ion hoá âm và dương. Hình 7 thể hiện kết quả tín hiệu LC/MS thu được trên hai thiết bị cho hỗn hợp 12 chất của các mẫu ở chế độ ion hoá dương. Hình 7A phổ EIC của các chất phân tích thu được với giao diện SI, Hình 7B là phổ EIC của các chất thu được với giao diện HPI. Diện tích píc thu được với giao diện HPI tăng lên từ 4,6–6,6 lần, với mức tăng trung bình ~5,5 lần. Tỷ lệ S/N thu được với giao diện HPI tăng từ 2–2,5 lần. Hình 8 thể hiện cường độ tín hiệu và mức tăng tỷ lệ S/N tương tự quan sát được khi sử dụng giao diện HPI với hỗn hợp axit taurocholic và bentazon ở chế độ ion hoá âm (Hình 8A tín hiệu thu được với SI, Hình 8B tín hiệu thu được với HPI). Mức tăng tín hiệu khi sử dụng giao diện HPI so với giao diện SI là 5,9 lần đối với bentazon và 4,7 lần đối với axit taurocholic, mức tăng trung bình là 5,3 lần.
Hình 7. Cường độ tín hiệu cho LC/MS của hỗn hợp 12 chất. (A) Dữ liệu thu được với SI. (B) Dữ liệu thu được với HPI.
Hình 8. Cường độ tín hiệu LC/MS của hỗn hợp axit taurocholic và bentazon ở chế độ ion hoá âm. (A) Dữ liệu thu bằng SI. (B) Dữ liệu thu bằng HPI. Việc tách sắc ký được thực hiện với cùng hệ thống LC.
Độ ổn định (robustness) của thiết bị chống lại ô nhiễm là 1 trong các tính chất quan trọng của thiết bị khối phổ 3 tứ cực. Trong bối cảnh hiện tại, độ ổn định đề cập đến khả năng máy khối phổ có thể duy trì hiệu suất lâu dài trong điều kiện tiếp xúc với khối lượng lớn các nền mẫu phức tạp. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng các chất mang điện tích là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự nhiễm bẩn các phần tử trong hệ thống dẫn ion trong máy khối phổ.19 Giao diện HPI được mô tả trong bài báo này cho phép tăng độ nhạy nhờ tăng cường khả năng truyền một phần lớn hơn dòng phun tích điện (charged spray) vào máy khối phổ. Do đó, các mối lo ngại liên quan đến việc giảm độ ổn định cần phải được quan tâm. Một giao thức gây nhiễm bẩn nhanh đã được chuẩn bị và chạy thử trên giao diện HPI, kết quả được so sánh với kết quả thu được bằng SI. Giao thức gây nhiễm bẩn này bao gồm phun trực tiếp 10 mL chất lỏng của một nền mẫu đậm đặc của hỗn hợp dịch chiết của trà và arugula, sau đó khôi phục lại hiệu suất hoạt động của thiết bị. Quy trình này được lặp lại cho đến khi tổng cộng 80 mL mẫu nhiễm bẩn được phun vào thiết bị; lượng vật liệu tương đương với 16.000 lần tiêm mẫu thực cho một phương pháp đo LC/MS điển hình. Hình 9 thể hiện phổ MRM của reserpine sử dụng giao diện HPI trước khi truyền bất kỳ nền mẫu gây nhiễm bẩn nào (màu đen) và sau khi truyền 80 mL mẫu (màu xám). Sự suy giảm tín hiệu là ~28% cho toàn bộ quá trình đánh giá độ ổn định của thiết bị với nền mẫu bẩn trên cấu hình HPI và giảm 34% với cấu hình SI. Kết quả này cho thấy giao diện HPI có thể cải thiện hiệu suất làm việc mà không cần đánh đổi về độ ổn định ngay cả với lượng lớn nền mẫu bẩn, phức tạp. Khi kết thúc thử nghiệm kiểm tra độ ổn định với nền mẫu ô nhiễm, hệ thống được vệ sinh từ đĩa chụp ngoài đến Q1, không bao gồm DJet, thấu kính IQ00, QJET và thấu kính IQ0 (tức là chỉ vệ sinh đĩa curtain, đĩa orifice và Q0 và thấu kính). Kết quả thể hiện hiệu suất phân tích đã được khôi phục hoàn toàn trên hệ thống và điều này cho thấy rằng sự ô nhiễm của các thành phần quang học trong hai giai đoạn chân không đầu tiên không làm suy giảm tín hiệu quan sát được, mặc dù vẫn có thể quan sát được 1 vài vệt bẩn (debris) trên các thành phần của bộ dẫn ion. Giai đoạn chân không bổ sung làm tăng khoảng cách từ nguồn ion hoá ESI đến bộ phân tích khối và có vẻ như DJet đủ ổn định để hoạt động như một bộ phận chặn và lắng đọng các chất bẩn và không làm ảnh nhiễm bẩn tới các bộ phân tích khối phía sau và giúp duy trì .
Hình 9. Sự suy giảm cường độ tín hiệu MRM được đo trong quá trình kiểm tra với giao thức nhiễm bẩn nhanh bằng cách sử dụng hỗn hợp dịch chiết trà và arugula. Đường màu đen tương ứng với tín hiệu trước khi bơm mẫu nhiễm bẩn (4,5 x 10e6 ± 74 cps) và đường màu xám tương ứng với tín hiệu được đo sau khi truyền 80 mL nền mẫu bẩn đậm đặc (3,2 x 10e6 ± 43 cps).
4. Kết luận
Một bộ dẫn ion kiểu dodecapole mới đã được thiết kế để thu giữ các ion 1 cách hiệu quả hơn từ nguồn ion ở khu vực áp suất khí quyển vào buồng chân không. Kết hợp với hai bộ dẫn ion tứ cực đặt trong 2 khu vực chân không độc lập (Qjet và Q0), bộ dẫn ion DJet ở phía trước cho phép tăng hiệu suất truyền ion so với giao diện chân không hai giai đoạn tiêu chuẩn. Một lượng lớn hơn các ion có thể được truyền từ nguồn ion nhờ sử dụng một lỗ orifice đầu vào lớn hơn và thiết kế tối ưu để giảm thiểu các tổn thất ion gây ra bởi sự tán xạ do các sóng xung kích của chùm khí và cho phép tăng tín hiệu lên gấp 5,5 lần. Việc khử cụm hoặc phân mảnh ion hiệu quả trong vùng chân không độc lập thứ ba cho phép giảm nhiễu hóa học từ các cụm ion nền. Thêm vào đó thiết kế này cho phép tạo ra các ion phân mảnh thứ cấp có thể được dùng để phân mảnh thêm trong buồng va chạm Q2 cho các thí nghiệm pseudo-MS3. Bộ dẫn ion dodecapole đã thể hiện khả năng chống suy giảm hiệu suất hoạt động hiệu quả ngay cả khi được thử nghiệm khắc nghiệt với nền mẫu bẩn và tương đương với 16.000 lần bơm mẫu trực tiếp lên hệ.
5. Tài liệu tham khảo
