The Study on Transmission Efficiency of Atmospheric Nanoelectrospray Ionization Source

摘要

在分析化学当中，电喷雾电离质谱仪(ESI-MS)是一种广泛应用并十分有效的仪器设备。电喷雾电离质谱仪可在大质量范围内检测各种化合物的质量。同时拥有极低的检测限、出色的分辨率和高质量准确度。但是，样品离子由大气环境进入到质谱仪内部高真空区域的输运效率却非常低。主要原因在于质谱仪极小的取样口界面对离子的通过性造成了限制，因此只有很小一部分待分析气态离子能够通过采样界面进入质谱仪内部。
　　为了提高大气压环境下样品离子在喷针与质谱仪入口之间的输运效率，本文设计了一种新型SU-8材料离子聚焦环并应用于纳升电喷雾电离(nano-ESI)系统。通过微机电系统(MEMS)工艺加工的SU-8聚焦环有三层微孔结构。加工过程包括三次紫外曝光和一次显影。测试结果表明，在一定的操作条件下，SU-8聚焦环在纳升电喷雾系统中可实现对大气压环境中气态离子的聚集，提高电喷雾离子电流约10倍。
　　已经证明工业化空气放大器可以有效提高离子化效率和气态离子输运效率。但通常工业空气放大器体积较大，不利于在纳升电喷雾系统下使用。本文采用流体动力学模拟和MEMS工艺设计并加工制作了聚二甲硅氧烷(PDMS)材料MEMS微型空气放大器。MEMS微型空气放大器同样基于伯努利原理和科恩达效应，实现对电喷雾液滴和气态样品离子的聚集。器件结构参数经过数值模拟优化，为器件制造提供设计依据。测试结果表明，在一定的操作条件下，PDMS微型空气放大器在纳升电喷雾系统中可实现对大气压环境中气态离子的聚集，提高电喷雾离子输运效率约30倍。与工业空气放大器相比，PDMS微型空气放大器具有制造工艺简单、制造成本低和高输运效率优点。
　　同时，我们提出了一种皮升电喷雾电离系统的微纳加工工艺。外凸式硅微喷针在皮升电喷雾系统中具有高效电离离子的重要作用。同样，由PET、PMMA或SU-8等聚合物制作的平面喷针在皮升电喷雾系统当也具有低流量和高效电离离子的作用。这项皮升电喷雾芯片可以在ESI-MS系统以极低流量工作(pL/min)，可进一步提高离子输运效率。该系统还可应用于微电子和生物技术领域，例如电液力驱动(EHD)悬浮纳米颗粒在基板上直接打印纳米线和纳米点阵列。
　　为进一步提高电喷雾离子输运效率，本文提出了一种将气动力学和电动力学相结合的新方法，在空气放大器中加入了电动力学离子漏斗，从而在大气压纳升电喷雾电离系统中更有效地聚集和输运气相样品离子。采用ANSYS FLUENT有限元软件，模拟了器件的流体动力学过程，优化了器件的结构和控制参数。气流场分布、电场分布及拉格朗日离子运动过程均可通过自编写程序和用户自定义函数求解完成。测试结果表明:在氮气气压40kPa，无直流和交流电压条件下，提高利血平电喷雾离子输运效率约5倍;更重要的是，在气压条件不变，同时加载DC和RF电压后，输运效率又有3倍的提高，总的输运效率提高13倍以上。由此证明了空气放大器气动力学和离子漏斗电动力学相结合聚集离子的效果。
　　ANSYS FLUENT主要模拟了纳升电喷雾喷针和质谱仪进样毛细管之间区域的离子输运效率。该区域是空气放大器结合RF射频离子漏斗对样品离子的作用区域。模型中计算气流场、电场和离子轨迹分不同步骤进行。用户自定义C/C++函数部分的编写是依据样品离子与气体分子蒙特卡洛碰撞模型要求。离子的传输效率的评价是通过追踪250个不同利血平离子的轨迹来实现。通过模拟发现，气流速度越高，外部电场越强，越有利于减小离子间的空间电荷作用和离子束的离散。通过测量在空气放大器出口处水平方向和垂直方向的总气体压力，评价了科恩达狭缝加工轴对称性的误差程度。在空气放大器轴向气压测量的结果与计算机流体动力学模拟结果一致。

目录

声明

Abstract

摘要

CONTENTS

List of figures

List of tables

List of symbols and abbreviations

1 Introduction

1．1 Electrospray ionization (ESI)

1．1．1 Mechanism of the ESI

1．1．2 The fundamental process of ion formation

1．1．3 Electric current carried by the jet stream

1．2 Nanoelectrospray ionization (nano-ESI)

1．2．1 Nano-ESI operation

1．2．2 Application area

1．3 Electrospray emitters

1．3．1 Glass and fused silica emitters

1．3．2 Micromachined polymer electrospray emitters

1．3．3 Micromachined silicon-based electrospray emitters

1．3．4 Emitters for pico-ESI and controlled sample deposition

1．4 Mass spectrometry

1．4．1 Overview of mass spectrometry

1．4．2 Miniaturization of mass spectrometry

1．4．3 Limitations in ESI-MS

1．5 Ion transmission in ESI-MS

1．5．1 Electrostatic focusing

1．5．2 Electrodynamic focusing

1．5．3 Aerodynamic focusing

1．6 Research objectives

1．7 Thesis organization and overview

2 Microfabrication of a multilayer SU-8 focusing electrode

2．1 Introduction

2．2 Design and simulation

2．3 Fabrication

2．4 Results and discussion

2．4．1 The shape of the multilayer SU-8 structure

2．4．2 Cracks removal

2．4．3 Device evaluation

2．5 Summary

3 Design，simulation，and fabrication of a MEMS-based air amplifier

3．1 Introduction

3．2 Design

3．3 Simulation

3．3．1 2D air amplifier simulation

3．3．2 3D air amplifier simulation

3．4 Fabrication

3．4．1 SU-8 mold micromachining

3．4．2 PDMS molding process

3．4．3 Glass-PDMS bonding

3．5 Experiment setup

3．6 Results and Discussion

3．6．1 Probe position and the nitrogen pressure

3．6．2 ES emitter offset

3．6．3 Sample solution flow rate

3．7 Design and fabrication of pico-ESI

3．7．1 Introduction

3．7．2 Silicon-based out-of-plane emitter array

3．7．3 Polymer-based in-plane emitter array

3．8 Summary

4 Design，simulation and evaluation of improved air amplifier incorporating an ion funnel for nano-ESI MS

4．1 Introduction

4．2 Experimental section

4．2．1 Device structure and fabrication

4．2．2 Materials

4．2．3 Mass spectrometer and data acquisition

4．2．4 Experimental Setup

4．3 Numerical simulations

4．3．1 CFD

4．3．2 DC and RF electric fields

4．3．3 Collision model

4．4 Results and discussion

4．4．1 Computer simulations

4．4．2 Experiments with DC-only potentials applied to the ion funnel

4．4．3 Experiments wim DC and RF potentials applied to the ion funnel

4．5 Summary

5 Design，optimization and numerical simulation of a second prototype of the air amplifier

5．1 Introduction

5．2 Computational methods

5．2．1 Flow field calculation

5．2．2 Electric field calculation

5．2．3 Ion trajectory calculations

5．3 Results and discussion

5．3．1 Computational model

5．3．2 Taguchi design of experiment optimization

5．3．3 CFD calculations

5．3．4 Electric potential calculations

5．3．5 Ion trajectory calculations

5．4 Experimental

5．4．1 Device structure and fabrication

5．4．2 Preliminary experimental measurements of the pressure profiles

5．5 Summary

6 Conclusions and recommendations for future work

Abstract of Innovation Points

References

Appendix

Published Academic Papers during PhD Period

Acknowledgements

About the Author