在串联质谱分析中，碰撞池是离子发生碰撞冷却、聚焦和裂解反应的关键部件。对于四极杆-飞行时间质谱（Q-TOFMS）而言，碰撞池既要让离子与气体充分碰撞以改善聚焦效果，又要尽快把离子送往后端飞行时间质量分析器。难点在于，碰撞冷却虽然能收窄离子能量和空间分布，却也可能让离子在碰撞池中“慢下来”，导致漂移时间变长、时间分布变宽，进而影响MS/MS分析速度、灵敏度和质量分辨率。

近日，大连化物所质谱与快速检测研究中心（102组群）在四极杆飞行时间质谱仪关键部件研究方面取得新进展。团队基于印刷电路板（PCB）技术设计了一种带辅助轴向电场的四极杆碰撞池，通过在四极杆主电极之间布置PCB辅助电极链，在碰撞池轴向方向建立可控电势梯度，有效缩短离子漂移时间并收窄时间分布。实验结果表明，当轴向场由0.05 V/cm增加至0.18 V/cm时，离子漂移时间分布峰值由1972 μs缩短至540 μs，半峰宽由4377 μs降至403 μs；在0.10 V/cm条件下，Q-TOFMS的灵敏度和分辨率均得到提升。

图1  Q-TOF-SIMS平台及带辅助电极的四极杆碰撞池结构

问题：碰撞冷却有利于聚焦，也会拖慢离子通过

四极杆在串联质谱仪器中应用广泛，可作为离子传输、冷却和碰撞诱导解离单元。碰撞池中的缓冲气体能够通过碰撞聚焦效应收窄离子的动能分布和空间分布，使离子更集中地沿轴线传输。然而，如果缺少有效的轴向推动力，离子在碰撞池中可能接近“停滞”，只能依赖扩散或空间电荷效应逐步离开。这样的过程会带来明显时间延迟，也会增加离子到达后端分析器时的时间展宽，限制Q-TOFMS在高速MS/MS分析中的性能。

引入轴向电场是解决这一问题的重要思路。已有方法包括分段多极杆、外部同轴环电极、纵向辅助电极、锥形多极杆或偏轴结构等，但往往存在机械结构复杂、加工装配要求高，或难以进行分区精细调控等问题。PCB技术则具有加工灵活、成本低、易于快速迭代和集成电阻链等优势，为轴向场碰撞池设计提供了更简洁可控的实现路径。

设计：用PCB辅助电极在四极杆中建立轴向梯度

团队设计的Q3碰撞池由前端隔板电极、四根主四极杆、四组PCB辅助电极和后端隔板电极组成。四组PCB辅助电极布置在相邻主四极杆之间的45°角平分面上，每组包含36个指状电极，电极之间通过电阻和电容连接，以形成沿轴向逐级变化的电势梯度。通过调节辅助电极端点电压，可在碰撞池内部建立不同强度的轴向电场。

本工作利用PCB技术构建了带辅助轴向电场的四极杆碰撞池，系统阐明了几何结构、轴向场强、气压与离子传输行为及Q-TOFMS性能之间的关系。结果表明，轴向场能够有效抵消缓冲气体碰撞带来的传输延迟，缩短离子漂移时间、收窄时间分布，并在适当场强下提升Q-TOFMS灵敏度和质量分辨率。为高性能四极杆碰撞池设计提供了可快速加工、易于调控的工程化方案，也为提升MS/MS分析速度和仪器整体性能提供了重要参考。

相关研究以“Design and characteristics of a collision cell with axial field for quadrupole time-of-flight mass spectrometer”为题，发表在《International Journal of Mass Spectrometry》上。该工作的第一作者为大连化物所曹艺雪博士，通讯作者为大连化物所陈平研究员、李海洋研究员。该工作得到国家自然科学基金（22403092、22474139、22304173）、辽宁省自然科学基金（2025-BS-0129）、中国科学院科研仪器研制项目（PTYQ2024TD0012）和国家重点研发计划（2022YFC3401201）等项目资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijms.2026.117618