线性离子阱质谱仪的设计与性能探究

摘要

质谱仪作为现代分析仪器的代表，其应用领域随着时代的进步而不断扩展，已经涉及到医学、地质、化学、环境生物分析和载人航天等众多领域。质量分析器是质谱仪的核心部件，决定质谱仪的分析性能。线性离子阱是质量分析器的一种，具有较高的离子捕获效率和离子存储效率。然而传统线性离子阱的双曲面结构对加工和装配的精度要求过高，使得对其电极结构简化的研究工作成为研究领域的热点。因此诞生了较多简化电极结构的线性离子阱，如矩形离子阱、三角形电极线性离子阱等。但是由于电极的简化，其内部电场中存在较多的高阶电场成分，使其分析性能如质量分辨率等受到较为严重的影响。
　　本文提出了制造结构简单且具有较优分辨率线性离子阱的设计方案，研发了线性离子阱质谱仪平台并全面测试其分析性能。具体内容如下:
　　(1)本文设想将易于加工的圆弧形电极结构代替原来的双曲面结构去构建线性离子阱，并通过理论分析来验证这个方案的可行性。理论研究的具体方法为:利用计算机软件SIMION对半圆弧形电极线性离子阱进行建模，采用模拟软件AXSIM分析离子运动轨迹并生成模拟质谱峰。模拟研究结果表明:半圆弧形电极线性离子阱的理论分析性能较优，扫描速率为1500Th/s时，质量分辨率可达到2858，证实了采用圆弧形电极构建性能优良的线性离子阱方案的可行性。
　　(2)搭建了电喷雾电离源—半圆弧形电极线性离子阱质谱仪(ESI-HreLIT)实验平台以验证半圆弧形电极线性离子阱的分析性能。设计并搭建了整个仪器系统，完成了半圆弧形电极线性离子阱(HreLIT)的结构设计、加工及装配，三级真空系统的建立、电喷雾电离源的设计与制作、离子导引系统的建立与电路系统的搭建等。
　　(3)在离子径向出射模式下，通过改变质量扫描速率，测试质量分析范围以及进行多级质谱分析，分析并评估ESI-HreLIT质谱系统的各项性能指标。实验结果表明:ESI-HreLIT质谱仪可检测的质量范围超过2800Th，最高质量分辨率可达4350，并可以成功进行三级串联质谱分析，一级CID效率可达78％，二级CID效率可达59％。
　　(4)在离子轴向出射模式下，测试并评估ESI-HreLIT质谱系统的分析性能，同时探究了电压配置参数，如后端盖电压、共振激发频率和质量扫描速率等对轴向出射效率的影响。实验结果表明:ESI-HreLIT质谱仪成功地完成了离子轴向出射，且分辨率与径向出射模式下的基本相同，并根据实验结果总结了电压配置参数对轴向出射效率的影响规律。
　　研究结果最终表明:本文设计的新型线性离子阱HreLIT结构简单，在径向出射模式和轴向出射模式下，都获得了较优的质量分辨率，表现出良好的分析性能。同时也表明在众多简化电极结构的线性离子阱中，HreLIT具有更优良的分析性能和广阔的发展前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 质谱仪的发展现状

1．3 离子阱质量分析器

1．3．1 三维离子阱质量分析器

1．3．2 线性离子阱质量分析器

1．4 本文的主要研究内容、创新点及意义

第二章 线性离子阱的理论模拟

2．1 引言

2．2 半圆弧形电极离子阱模型的建立

2．3 离子运动轨迹与质谱峰的模拟

2．4 本章小结

第三章 电喷雾电离源线性离子阱质谱仪的研发

3．1 引言

3．2 半圆弧形电极离子阱质量分析器的设计

3．2．1 半圆弧形电极离子阱质量分析器的加工和装配

3．2．2 电场分析

3．3 仪器结构的搭建

3．3．1 仪器系统整机设计

3．3．2 真空系统

3．3．3 电喷雾电离源

3．3．4 离子导引系统

3．4 电路系统

3．4．1 测控系统

3．4．2 直流高压电源

3．4．3 射频电源

3．4．4 共振激发模块

3．4．5 数据采集模块

3．5 本章小结

第四章 离子径向出射性能研究

4．1 引言

4．2 离子径向出射原理

4．3 质量分析过程及工作时序

4．4 质量分辨率与质量范围

4．5 串级质谱分析

4．6 本章小结

第五章 离子轴向出射性能研究

5．1 引言

5．2 离子轴向出射原理

5．3 质量分析过程及工作时序

5．4 质量分辨率与轴向出射效率

5．5 电压配置参数对轴向出射效率的影响

5．5．1 后端盖电压对轴向出射效率的影响

5．5．2 出射q值对轴向出射效率的影响

5．5．3 扫描速率对轴向出射效率的影响

5．6 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者在读研期间科研成果简介

致谢