小型化線性離子阱質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能探究.pdf

1、質(zhì)譜儀是一種具有較高分辨率與靈敏度的現(xiàn)代分析儀器。它通過獲得物質(zhì)的分子量、分子式和分子結(jié)構(gòu)等信息從而對分析物進行鑒別。憑借其優(yōu)秀的分析性能，質(zhì)譜儀已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品安全、生命科學(xué)、藥物、化工、軍事和國防等各個領(lǐng)域。如今的質(zhì)譜儀發(fā)展趨勢有主要有兩方面：一是發(fā)展高精度、高通量、大分子的高性能儀器，這類儀器通常較為龐大，不便于攜帶，大多在特定實驗室中使用；二是發(fā)展便攜式的小型化儀器，這類儀器體積小、質(zhì)量輕、功耗低，在實效性和成本方面較傳統(tǒng)質(zhì)

2、譜儀具有明顯的優(yōu)勢。在眾多的質(zhì)譜儀中，離子阱質(zhì)譜儀憑借其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小巧、靈敏度高、真空度要求相對較低和能夠獨立實現(xiàn)多級質(zhì)譜分析等特點，成為發(fā)展小型化質(zhì)譜儀器的首選。然而傳統(tǒng)三維離子阱（Paul Trap）的高精度的雙曲面結(jié)構(gòu)對加工組裝的要求過于嚴苛，同時還受限于自身較低的離子儲存容量和離子捕獲效率。為了克服這些弱點，國內(nèi)外學(xué)者對離子阱結(jié)構(gòu)的改進投入了大量精力，先后報道了圓柱形離子阱（CIT）、線性離子阱（LIT）和多種簡化電極結(jié)構(gòu)的

3、線性離子阱，如矩形離子阱（RIT）、三角形電極離子阱（TeLIT）等。這些簡化電極結(jié)構(gòu)的線性離子阱更加契合小型化質(zhì)譜儀的發(fā)展要求，但過于簡單的電極結(jié)構(gòu)對離子阱本身的分析性能的犧牲也較大，需要設(shè)計一種兼顧簡化結(jié)構(gòu)與分析性能的新型線性離子阱結(jié)構(gòu)。另一方面，質(zhì)譜儀器的小型化不僅僅局限于質(zhì)量分析器的小型化，包括離子源、真空系統(tǒng)、電路系統(tǒng)在內(nèi)的其他所有部件都需要進行小型化處理，這樣才能設(shè)計出真正的小型化質(zhì)譜儀。本研究課題正是基于這樣的考慮，對簡化

4、結(jié)構(gòu)的線性離子阱質(zhì)量分析器進行了設(shè)計與優(yōu)化，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了小型化線性離子阱質(zhì)譜儀。
　　本文首先從計算機建模和理論模擬角度出發(fā)，系統(tǒng)研究了簡化結(jié)構(gòu)的線性離子阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理。然后利用電場模擬軟件SIMION和離子運動軌跡模擬軟件AXSIM對新型半圓柱形電極線性離子阱進行了電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電壓施加方式改進等計算機仿真研究，分析了其內(nèi)部電場與離子在離子阱內(nèi)部的運動軌跡并模擬出質(zhì)譜峰圖。接著設(shè)計了基于電子轟擊電離源的小型化線性離

5、子阱質(zhì)譜儀分析平臺。搭載了實驗室自主設(shè)計的小型化半圓柱形電極線性離子阱，同時對包括真空系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、離子檢測系統(tǒng)和整機電路系統(tǒng)在內(nèi)的各個子系統(tǒng)都作了小型化的處理。最終，成功完成了小型化線性離子阱質(zhì)譜儀分析系統(tǒng)的搭建。并對此平臺進行了性能評估。整機重量不超過10kg，穩(wěn)定工作時的電路共功耗大約為110W。從大氣壓抽氣到能夠順利進行質(zhì)譜實驗的真空系統(tǒng)所需時間不超過5分鐘。進樣方式簡單，而且進樣響應(yīng)時間達到秒級。此外還對其質(zhì)譜分析性能進行了