新型离子阱质量分析器和气相离子解离方法的研究

摘要

在众多的分析测试方法中，质谱被认为是一种同时具备高选择性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。在过去的二、三十年内，质谱已经变成分析化学领域最为核心的分析技术，尤其是对生物大分子的分析。质谱的应用领域极为广泛，遍及航天、地质、冶金、制药、法医、生命科学、食品安全、环境污染、国土安全等领域。
　　质谱技术的产生和不断进步是伴随着近代电磁学理论的建立和完善而发展的。从1897年J.J.Thomson发明的第一个阴极射线真空管测量电子的质荷比开始，到今天一百多年的时间内，质谱的发展日新月异。二十多种离子源可以实现对不同种类、不同状态的样品，在不同的工作条件下进行检测，结合不同的质量分析器，得到丰富的样品化学和结构信息。质谱仪在进入到二十一世纪后，一个最主要的发展方向是小型化和便携化，摆脱质谱仪体积、重量上的限制，让质谱分析走出实验室，实现样品的实时、实地的检测。众多的质量分析器中，四极离子阱质量分析器因其结构简单、体积小、工作气压高、串级质谱性能、造价便宜等优点成为质谱仪小型化和便携化的首选。四极离子阱质谱再次成为质谱界的研究热点。
　　离子阱的发展过程中，1953年Paul提出四极离子阱的理论，1987年商业化的离子阱质谱仪面世，此时的离子阱为三维离子阱，由两个端盖电极和一个环电极组成，电极的工作面均为双曲面。阱中的离子受到三维方向上的电压作用，被束缚在一个点上，离子的存储空间和存储效率受限。此外，双曲面电极的加工和组装一直是三维离子阱的难题。2002年Thermo公司提出了直线型离子阱，仅在径向上的两个方向采用双曲面电极，轴向上改用平板电极，将阱中离子的运动轨迹束缚在一条线上，离子存储空间和存储效率显著提高。2004年作为双曲面直线形离子阱的简化版本，矩形离子阱的出现使得离子阱的结构进一步简化，保证性能的同时，对阱电极的加工和组装的要求降低，一系列基于矩形离子阱的便携式质谱仪被开发和研究，但是矩形离子阱仍然存在诸多问题，包括电极的组装精度、对称性等因素，均有待进一步的提高，这也限制了其商业化推广。
　　离子阱质量分析器的一个最大优势是串级质谱能力，可以在单一质量分析器内实现多级串级质谱分析。串级质谱在生物蛋白和肽段的测序以及研究分子的化学结构方面是强有力的分析手段，也一直是质谱界的研究热点。目前已经发展的离子阱中进行的串级质谱分析方法主要有碰撞诱导解离、电子捕获解离和电子转移解离技术，其中以碰撞诱导解离技术使用最为普遍。
　　本论文的主要研究方向为新型的离子阱质量分析器和气相离子解离方法。具体内容分为两部分，第一部分是新型的离子阱质量分析器的研究，主要针对若干具有自主知识产权的新型线形离子阱的设计，制作和性能进行讨论。第二部分是采用偶极直流驱动的碰撞诱导解离方法进行离子阱中串级质谱分析。主要研究成果如下:
　　1.无论是传统的三维离子阱，还是近期发展的线形离子阱，电极均采用金属材料一般为不锈钢制作。电极的固定以及相互之间保持电绝缘需要额外的非金属、绝缘材料来实现，普遍采用的是陶瓷材料。一个离子阱的加工和组装精度，不仅需要高精度的不锈钢电极，还需要高精度的陶瓷材料。我们采用陶瓷材料直接作为离子阱的电极，电极的表面镀上一层金属膜，用于电压的施加。x、y电极的两端不镀金，且各开有一小孔，用于电极的组装同时保持径向上x、y电极对与端盖电极的绝缘，通过8个螺丝将x、y方向电极与端盖电极固定，即得到陶瓷电极矩形离子阱。整个阱的组装完全手动完成，并保持组装精度为±10微米。实验结果表明，陶瓷电极矩形离子阱具有与金属电极的离子阱相当的性能。
　　2.离子阱中的电场主要是四极电场，物理上讲，完美的四极电场具有最佳的分析性能，而完美的四极电场要求电极为双曲面结构，而高精度的双曲面电极的加工难度非常大。矩形离子阱的优点是结构简单，易于加工和组装。但是过于简单的结构也导致阱内的电场成分较为复杂，离子引入小孔和离子引出槽均会增加阱内的高阶场成分。离子阱的几何结构将直接决定阱中的电场分布，在众多几何结构参数中，场半径比即(x0/y0)一直是最为主要的因素。我们设计加工了一系列不同场半径比例的陶瓷电极矩形离子阱，通过理论模拟和实验相结合的方法，并对其性能进行比较，完成了矩形离子阱几何结构的优化。
　　3.矩形离子阱内除四极电场外，多种成份的其它各种高阶场直接影响离子在阱内的运动轨迹和离子阱的性能。目前从理论上还无法预测高阶场成分对质谱性能的影响。我们通过测定不同几何结构的矩形离子阱的稳定图，并根据得到的不同情况下的稳定图结构分析了离子阱的质谱性能。研究结果表明:可以通过比较实验测得的稳定图结构来判断其离子阱质谱仪的性能如质量分辨能力等。此外，对于y-方向拉伸结构的矩形离子阱，其实验绘制得到的是不完整的稳定图。通过采用四极直流电压调制的方法，可以对y方向拉伸结构的矩形离子阱的性能进行改善，提高阱的质量分辨能力。
　　4.相对于传统离子阱中正弦波电压驱动技术，数字离子阱是一种全新的离子阱工作模式，采用数字方波电压驱动离子阱，方波的幅度固定，通过扫描方波的频率完成质量扫描，具有独特的优势。本论文研究了方波驱动电压下矩形离子阱的几何结构优化，针对数字方波驱动电压下矩形离子阱的性能，以及针对数字方波电压的幅度、扫速等因素对阱性能的影响进行了较深入的研究。
　　5.直线型离子阱中离子从轴向上经过端盖电极上的小孔进入离子阱中被束缚，最后通过x-电极上的引出槽从阱中弹出被检测。引入小孔和引出槽均会破坏离子阱内的电场。在线形离子阱中，引出槽的影响尤为明显，直接决定离子阱的分析性能。在现有的线形离子阱包括矩形离子阱中，均采用宽度小于1毫米的引出槽结构，对电极的加工以及高精度组装提出很高的要求。本论文提出一种栅网电极线形离子阱，在x-电极上中间开有大面积的孔洞并装载栅网。栅网电极的使用既能弥补电极孔洞部分的电场，同时保证了离子的通过率。我们设计了一种简易的栅网电极制作方法并完成了不同结构的栅网电极线形离子阱的组装，并通过实验对其性能进行了检测。
　　6.离子阱是唯一可以在单一设备中进行多级串级质谱分析的质量分析器，因此，离子阱中进行的串级质谱分析方法倍受关注。目前，最为主流的方法是碰撞诱导解离技术。通过施加一对低幅度的交流电压，使阱中特定质量数的离子在交流电压条件下发生共振，与中性分子发生碰撞后实现解离。本论文提出一种偶极直流电压驱动下的碰撞诱导解离方法，该解离方法新颖且易于实现，通过改变偶极激发电压的占空比产生一对偶极直流电压，实现气相化学和生物分子离子的解离，证实了该解离方法的普适性。
　　全文共分六章，主要内容概述如下:
　　第一章:绪论。本章概述了质谱分析技术的原理和发展历程，并针对四极离子阱质量分析器的研究现状进行了着重介绍和详细论述。基于这些评述和总结，提出了本文的研究方向和研究思路。
　　第二章:陶瓷电极矩形离子阱的研究。本章对陶瓷电极矩形离子阱的设计和组装、性能进行了阐述，完成了矩形离子阱的几何结构优化工作，确定了最佳的场半径比例和对称性，同时介绍了稳定图的绘制方法及其与离子阱性能的关系。最后对实验的结果进行了总结和讨论。
　　第三章:数字波驱动下陶瓷电极矩形离子阱的研究。本章首先对数字离子阱的原理及研究现状进行介绍。进行了数字离子阱模式下的矩形离子阱的几何结构优化。针对数字方波电压驱动下离子阱的分辨率的影响因素进行详细讨论。最后对实验结果进行了总结和讨论。
　　第四章:栅网电极离子阱的开发与研究。本章论述了一种全新的离子阱质量分析器栅网电极线性离子阱的设计、加工并对其性能包括分辨率和串级质谱等进行了研究。最后实验结果进行了总结和讨论。
　　第五章:偶极直流电压驱动的碰撞诱导解离方法。首先介绍了离子阱中常用的串级质谱解离方法，对DDC驱动的CID方法的原理和装置进行了阐述，并展示了该方法对有机药物分子和多肽分子上的应用，以及解离时间对最终结果的影响。此外，初步研究发现，该解离方法对脑啡肽样品可以实现主要碎裂片段a4和b4离子的选择性解离。最后对实验结果进行了总结和讨论。
　　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，同时也指出了目前研究工作中存在的不足之处，并提出了可能的下一步的改进方案。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 质谱的发展历史

1．3 质谱仪的结构和组成

1．3．1 离子源

1．3．2 质量分析器

1．4 四极离子阱质量分析器的原理

1．5 四极离子阱质量分析器的研究现状‘

1．5．1 三维离子阱质量分析器

1．5．2 线形离子阱质量分析器

1．5．3 离子阱中进行的串级质谱分析方法

1．6 本文的主要研究内容、创新点及意义

参考文献

第二章 陶瓷电极矩形离子阱的研究

2．1 引言

2．2 陶瓷电极矩形离子阱的设计与制作

2．3 实验条件

2．3．1 实验试剂

2．3．2 实验装置

2．4 陶瓷电极矩形离子阱的性能及几何结构优化

2．4．1 陶瓷电极矩形离子阱的理论模拟

2．4．2 稳定图的绘制

2．4．3 质量分辨

2．4．4 串级质谱

2．5 稳定图的绘制与离子阱的性能的关系

2．5．1 实验条件

2．5．2 不同场半径比例的离子阱的稳定图

2．5．3 直流电压调制对离子阱性能的改善

2．6 本章小结

参考文献

第三章 数字离子阱模式下陶瓷电极矩形离子阱的研究

3．1 引言

3．2 数字离子阱的原理

3．3 实验条件

3．3．1 实验试剂

3．3．2 实验装置

3．4 数字离子阱模式下陶瓷电极矩形离子阱的性能

3．4．1 稳定图的绘制

3．4．2 陶瓷电极矩形离子阱的几何结构优化

3．4．3 数字方波扫描速率对质量分辨的影响

3．4．4 数字方波电压幅值对质量分辨的影响

3．4．4 轴向电位对质量分辨的影响

3．5 本章小结

参考文献

第四章 栅网电极线形离子阱的研究

4．1 引言

4．2 栅网电极线形离子阱的设计与制作

4．3 实验条件

4．3．1 实验试剂

4．3．1 实验装置

4．4 栅网电极线形离子阱的性能

4．4．1 稳定图的绘制

4．4．2 质量分辨

4．4．3 选择性隔离

4．4．4 串级质谱分析

4．5 本章小结

参考文献

第五章 数字离子阱模式下偶极直流电压驱动的碰撞诱导解离方法

5．1 引言

5．2 数字离子阱模式下DDC驱动的CID方法的原理

5．3 实验条件

5．3．1 实验试剂

5．3．2 实验装置

5．4 实验结果

5．4．1 气相药物离子的解离

5．4．2 气相多肽离子的解离

5．4．3 气相脑啡肽离子的选择性解离

5．4．4 解离阶段持续时间的影响

5．5 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 取得的主要成果

6．2 不足和改进

博士期间发表的研究成果

致谢

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