新型离子阱质量分析器的研发

发布时间：2020-02-25 06:51

【摘要】：在众多的分析测试方法中,质谱分析方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度的普适性分析方法,是世界上应用最广泛的分析技术之一。目前,质谱仪器不仅在许多科学研究领域中得到了广泛的关注和应用,也在诸如环境监测、食品安全等社会民生方面发挥着越来越重要的作用。不幸的是,虽然质谱分析方法在分析领域中有着举足轻重的地位,但是质谱仪器庞大的体积、高昂的价格以及巨额的后期维护费用都限制了质谱仪器的大规模普及和推广应用。目前,在很多的分析过程中,人们更倾向于现场实时分析,而不是取样再送往实验室进行检测,比如现场环境监测、紧急情况下的危险物爆炸物的检测、工业生产过程监测等。在分析过程中难免会遇到一些重复分析的过程,如平行检测大量的药物或者生物样品,现有仪器的常规分析通量大大限制了分析速度,让不同的样品逐个进入质谱仪器完成分析非常繁琐,而增加仪器数量则必然会带来成本的增加。所以,质谱仪器的小型便捷化和高通量质谱分析已经成为了现代质谱仪器发展的两个重要方向。随着中国经济的快速发展,越来越多的行业开始接触到质谱分析方法并对质谱仪的需求越来越大,据相关资料报道,2003年我国进口了300台质谱类仪器,2005年进口了950台,2007年达到了1700台,2009年和2010年则分别为3600台和4000台。目前,每年进口质谱仪器已超过5000台,而且数量仍有上升的趋势。但是由于中国质谱仪器行业起步晚,而且在起步初期支持较少,直接导致了中国的质谱市场几乎全部被进口产品垄断。因此,研究和开发属于我们中国自己的质谱仪器已经是个刻不容缓的课题。近十年来,中国政府在质谱仪器的研发上也给予了相当大的重视,“十五”国家科技攻关重大项目《科学仪器研制与开发》与“十一五”国家科技支撑计划重大项目《科学仪器设备研制与开发》中均设有质谱核心技术及关键部件研究的子项。目前,国内的质谱仪器市场已经取得了一些可喜的成果,但总体来说由于核心技术以及自主知识产权等问题,这些国产仪器与国际先进仪器仍然存在着较大的差距。鉴于目前质谱仪器研发的现状以及对于小型化、便携化、高通量分析方法和自主知识产权的需求,我们选择了线性离子阱作为研究的方向。在目前众多的质谱仪器中,离子阱质量分析器拥有其独特的优势：体积较小、结构简单、真空要求低(可以在较高的气压下工作)以及单一质量分析器即可完成串级质谱分析的功能,这些特点对于实现质谱仪器的小型化以及高通量分析均有着重要的意义。早在上个世纪50年代德国波恩大学的Paul等人就提出了一种被后人称为Paul阱的三维离子阱,这个装置是由3个电极组成,包括2个端盖电极和1个环电极,这些电极的工作面均为双曲面。但由于三维离子阱本身三维存储的特性,离子阱的离子都会向着中心点靠拢,导致离子的中心聚集,离子之间存在巨大的库仑力相互作用,这直接导致了三维离子阱的离子存储容量以及存储效率的下降。为了解决三维离子阱的这个问题,人们提出了线性离子阱的概念。线性离子阱是一种二维离子阱,其电压的施加方式为在阱的径向电极上施加射频电压,实现二维径向的射频束缚,轴向上施加直流电压,形成直流束缚势阱。这种二维的射频施加方式在径向上束缚了粒子运动,使得离子在阱内的聚集方式从中心的点排列变成了轴向的线排列,显著的提高电子云的储存体积,也就是提高了离子存储量和存储效率,极大的减小了空间电荷效应。在线性离子阱中,电极两侧具有一个开放式的进样入口,而通常来说这个进样入口位于阱电极两端的中心位置,这个位置是离子阱内部四极电场强度最弱的位置,这就使得离子在进入阱中完全不受到影响,所以线性离子阱可以达到近100%的外部进入离子的存储效率。现在很多的商用离子阱都已经采用了双曲面的线性离子阱,但是对于这线性离子阱,其电极系统依旧相当复杂的并且需要较高的加工以及组装精度。现今的研究中对于线性离子阱电极结构的简化已经成为了一个重要的研究方向。本文主要研究方向为高通量分析以及小型化线性离子阱,具体成果包括：(1)设计加工了具有自主知识产权的阵列离子阱质量分析器,搭建了具有大气压接口的高通量分析平台,并成功利用了其中的两个相邻通道完成了对于不同样品的同步分析,也即高通量分析。在进行高通量分析的同时,对阵列离子阱质量分析器中的不同通道同步分析不同样品时的离子运动行为进行了详细的研究。(2)从理论模拟以及实验两个方面对一种电极结构简化的线性离子阱-三角形电极离子阱进行了详细的研究。从理论模拟角度分析了不同的结构的三角形电极离子阱的性能并进行了详细的电场含量分析,选择其中理论模拟相对较优的加工成阱并利用电喷雾离子源三角电极离子阱分析平台从实验的角度详细分析了其作为离子阱质量分析器的各方面性能。(3)对三角形电极离子阱进行了进一步的优化,提出了一种五边形电极线性离子阱,从理论模拟的角度分析了其作为离子阱质量分析器的可能性,并对其进行了详细的结构优化及场分析,并加工了成品进行实验测试。全文共分为五章,主要内容概述如下：第一章：绪论。本章主要简述了质谱技术的发展历程,质谱仪器的分类,分析了目前国内外质谱仪器发展的现状,并指出了质谱仪器研发的方向。文中着重阐述了离子阱的原理、分类、特点以及离子阱的演化过程。同时介绍了线性离子阱的发展及特点,并阐述了线性离子阱在质谱仪器小型化和高通量分析中的特有优势。基于这些分析,提出了本文的研究方向和研究思路。第二章：PCB阵列离子阱质谱仪的研发。本章介绍了一种新型的质量分析器-阵列离子阱,该离子阱使用了表面镀金的印刷线路板做为离子阱工作电极。阵列离子阱仅由1对PCB电极和2对不锈钢平板电极构成,具有非常简单的结构和低廉的造价。但是,这种结构简单且造价低廉的阵列离子阱却具有强大的功能,每个阵列离子阱中含有多个质量分析通道,每个通道都具有传统离子阱的功能,可作为一个独立的质量分析器使用。我们建造了基于电喷雾电离源的PCB阵列离子阱质谱仪器系统,并通过实验对其性能进行了测试和评估。利用该仪器系统完成了离子储存、质量分析、离子质量隔离和离子质量选择激发等工作。第三章：陶瓷电极阵列离子阱质谱仪的研发。本章介绍了一种使用了表面镀金陶瓷平板电极以及不锈钢平板电极,具有高通量质量分析能力的阵列离子阱质量分析器。该阵列离子阱中存在六个质量分析通道,每个质量分析通道均可以作为一个独立的离子阱使用,两侧通道由两片陶瓷电极和一个边界地电极组成,中间通道由两片陶瓷电极构成,所有通道公用端盖电极,不同通道间不存在实体电极,利用特定电压施加方法形成的零势能面来完成离子束缚。相比于矩形离子阱来说,该阵列离子阱具有更简单的结构。利用自主搭建的电喷雾离子源和大气压接口二级差分真空腔组成的分析平台对阵列离子阱的性能进行了测试,实验证明了该阵列离子阱可以完成高通量质谱分析；同时针对不同通道同时分析不同样品时离子在通道内的运动行为进行了研究。第四章：三角形电极线性离子阱的研发。本章介绍了一种三角形电极线性离子阱。和矩形离子阱类似,它也是一种电极结构简化的线性离子阱,但是和矩形离子阱不同,其由于电极简化引入的内部高阶场成分含量大大的下降。通过理论模拟对不同结构的三角阱进行了电场分析和性能模拟,选出理论上最优的结构设计加工并进行了实际的测试,从实验的角度验证了三角阱作为离子阱质量分析器的可行性。第五章：三角形电极离子阱和五边形电极离子阱的模拟研究。本章中对不同结构的三角形电极线性离子阱进行了详细的理论研究,主要包括电场分析和质量分辨率。并从三角形电极离子阱出发,提出了一种全新的五边形电极线性离子阱,从理论模拟的角度分析了其作为离子阱质量分析器的可能性,并对其进行了结构优化及电场分析,理论角度表明它具有比三角形电极离子阱更优秀的质量分辨能力。第六章：总结与展望。对全文取得的研究成果进行了总结和分析,同时也指出了面前研究工作中存在不足之处,并提出了相应的改进方案。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O657.63;TH843

【相似文献】