小型化线性离子阱质谱仪的结构设计及性能探究

摘要

质谱仪是一种具有较高分辨率与灵敏度的现代分析仪器。它通过获得物质的分子量、分子式和分子结构等信息从而对分析物进行鉴别。凭借其优秀的分析性能，质谱仪已经被广泛应用于食品安全、生命科学、药物、化工、军事和国防等各个领域。如今的质谱仪发展趋势有主要有两方面：一是发展高精度、高通量、大分子的高性能仪器，这类仪器通常较为庞大，不便于携带，大多在特定实验室中使用；二是发展便携式的小型化仪器，这类仪器体积小、质量轻、功耗低，在实效性和成本方面较传统质谱仪具有明显的优势。在众多的质谱仪中，离子阱质谱仪凭借其结构简单、尺寸小巧、灵敏度高、真空度要求相对较低和能够独立实现多级质谱分析等特点，成为发展小型化质谱仪器的首选。然而传统三维离子阱（Paul Trap）的高精度的双曲面结构对加工组装的要求过于严苛，同时还受限于自身较低的离子储存容量和离子捕获效率。为了克服这些弱点，国内外学者对离子阱结构的改进投入了大量精力，先后报道了圆柱形离子阱（CIT）、线性离子阱（LIT）和多种简化电极结构的线性离子阱，如矩形离子阱（RIT）、三角形电极离子阱（TeLIT）等。这些简化电极结构的线性离子阱更加契合小型化质谱仪的发展要求，但过于简单的电极结构对离子阱本身的分析性能的牺牲也较大，需要设计一种兼顾简化结构与分析性能的新型线性离子阱结构。另一方面，质谱仪器的小型化不仅仅局限于质量分析器的小型化，包括离子源、真空系统、电路系统在内的其他所有部件都需要进行小型化处理，这样才能设计出真正的小型化质谱仪。本研究课题正是基于这样的考虑，对简化结构的线性离子阱质量分析器进行了设计与优化，并以此为基础开发了小型化线性离子阱质谱仪。
　　本文首先从计算机建模和理论模拟角度出发，系统研究了简化结构的线性离子阱的结构设计与工作原理。然后利用电场模拟软件SIMION和离子运动轨迹模拟软件AXSIM对新型半圆柱形电极线性离子阱进行了电极结构优化、电压施加方式改进等计算机仿真研究，分析了其内部电场与离子在离子阱内部的运动轨迹并模拟出质谱峰图。接着设计了基于电子轰击电离源的小型化线性离子阱质谱仪分析平台。搭载了实验室自主设计的小型化半圆柱形电极线性离子阱，同时对包括真空系统、进样系统、离子检测系统和整机电路系统在内的各个子系统都作了小型化的处理。最终，成功完成了小型化线性离子阱质谱仪分析系统的搭建。并对此平台进行了性能评估。整机重量不超过10kg，稳定工作时的电路共功耗大约为110W。从大气压抽气到能够顺利进行质谱实验的真空系统所需时间不超过5分钟。进样方式简单，而且进样响应时间达到秒级。此外还对其质谱分析性能进行了测试，多种测试样品都能快速出峰。最后还在此平台上验证了射频信号扫描速率及离子引入时间对质谱分析性能的影响。上述实验测试结果表明，这是一台性能优异的小型化质谱仪。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 小型化质谱仪的研究现状

1.3 课题研究的主要内容

第二章 小型化线性离子阱质量分析器的理论研究

2.1 引言

2.2 线性离子阱质量分析器

2.3 简化电极结构的线性离子阱质量分析器

2.4半圆柱形电极线性离子阱质量分析器仿真模拟

2.5 本章小结

第三章 小型化线性离子阱质谱仪系统搭建

3.1 系统的整机结构

3.2 真空系统

3.3 膜进样系统

3.4 电子轰击电离源

3.5 半圆柱形电极线性离子阱质量分析器

3.6 离子检测装置

3.7 电路系统

3.8 本章小结

第四章 小型化线性离子阱质谱仪性能评估

4.1 整机性能

4.2 抽真空时间

4.3 进样响应时间

4.4 质谱分析性能

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

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