半圆弧面线性离子阱性能优化

摘要

在质谱仪系统中，质量分析器影响着整个系统的分析性能。在众多质量分析器中，离子阱质量分析器凭借其结构简单、对真空要求低、可实现多级串联质谱分析等优点而得到广泛的应用。但是，传统双曲面结构的线性离子阱加工难度大、精度低、不易安装等缺点也在一定程度上制约了其发展。因此，本实验室提出了一种半圆弧面线性离子阱（Half round rod electrodes linear ion trap,HreLIT），但是与传统的双曲面线性离子阱相比，其分析性能有较大降低。
　　离子阱的分析性能主要受其内部电场的影响，而内部电场主要由离子阱的电极结构和几何尺寸决定。因此，为了提升HreLIT的分析性能，本文将在前人的研究基础上采用两种电极结构优化方法：（1）优化离子阱电极半径和场半径的比值（r/r0）；（2）优化离子阱出射方向上电极的“拉伸”距离。其实质也是通过优化几何尺寸来改变其内部电场，进而提升其分析性能。
　　在研究途径上，本文采用理论模拟、仿真和实验验证相结合的方法。首先，通过几何建模、电场分析以及离子运动轨迹模拟等方法，对不同尺寸的HreLIT进行分析和性能评估。具体的模拟过程为：运用SIMION软件建立不同电极半径和场半径的比值（r/r0）和“拉伸”距离的HreLIT模型，并分析其内部电场分布；然后用AXISM软件对不同尺寸离子阱内部离子运动轨迹进行模拟，得到模拟质谱图，通过比较质谱峰的峰形和质量分辨率来比较不同几何结构HreLIT的分析性能。最后，在理论模拟的基础上，选取仿真结果较好的几何模型，进行HreLIT的实物加工制造，并搭建质谱仪系统进行实际的分析实验，以验证本文的模拟结果。
　　通过软件模拟可知，电极半径和场半径的比值（r/r0）在1.08（5/4.6）到1.25（5/4）之间，通过调节“拉伸”距离均可以得到较好的质量分辨率，当扫描速率为1600amu/s时，质量分辨率可以达到3000以上。最后，根据模拟结果再结合实际经验，本文选取r/r0=5/4，“拉伸”距离分别为1.0mm和1.4mm进行实验验证。实验结果表明：在扫描速率为1800amu/s时，质荷比为609Da的离子质量分辨率可以达到1603，当扫描速率为323amu/s时，可以达到4060。与原有尺寸相比，优化后的HreLIT在质量分辨率等关键性能指标上有了较大提升，对基于HreLIT的质谱仪系统的设计和使用有重大的指导意义。最终本文的研究成果，即优化后的四面开槽的半圆弧面线性离子阱，已经应用于实验室最新一代小型质谱仪中。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 离子源

1.3 质量分析器

1.4 本文的主要研究内容、创新点及意义

第二章 HreLIT建模及内部电场分析

2.1 引言

2.2 建立离子阱模型

2.3 内部电场分析

2.4 本章小结

第三章 离子运动轨迹模拟分析

3.1 离子在离子阱中的运动

3.2 模拟结果分析

3.3 扫描速率对HreLIT分析性能的影响

3.4 本章小结

第四章 实验结果及讨论

4.1 引言

4.2 实验平台简介

4.3 实验过程中的时序控制

4.4 实验过程及参数配置

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2不足和改进

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢