基于印刷線路板(PCB)的矩形離子阱及陣列離子阱質譜儀的研發(fā).pdf

1、質譜分析方法在物質分析和檢測中具有很高的靈敏度,是世界上應用最廣泛的分析技術之一。國際公認的許多分析標準都明確規(guī)定要有質譜數(shù)據(jù)。目前,質譜儀已經成為許多領域的必備分析儀器,并在制藥、生命科學、環(huán)境監(jiān)測和保護、食品安全、興奮劑檢測、邊防安檢、航天和軍事技術等諸多熱點領域發(fā)揮著越來越重要的作用。雖然質譜儀在很多的分析領域內都取得了巨大的成功,但是它也存在一些局限性。首先,現(xiàn)有的商業(yè)質譜儀大多體積龐大、價格昂貴且維護費用高,一臺大型的質譜儀需

2、要幾十萬甚至幾百萬美元。如此高昂的價格使得質譜儀無法在更大范圍內推廣。其次,在很多領域,特別是制藥和生物學領域,需要分析的樣品數(shù)量非常龐大,現(xiàn)有質譜儀的分析效率無法滿足其需求。很多制藥廠都配備幾十臺甚至幾百臺質譜儀,使得制藥的成本居高不下。因此,當今質譜儀的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在以下兩個方面:(1)價格低廉化和小型化;(2)高通量質譜分析。隨著中國經濟的快速發(fā)展,各個行業(yè)對質譜儀的需求將越來越大。但是,除少數(shù)質譜檢漏儀之外,中國的質譜儀市場

3、幾乎全部被進口產品占領。據(jù)有關專家估計,到2010年,中國進口質譜儀的交易額將超過50億元人民幣,而這些進口質譜儀還遠遠不能滿足國內的需求。因此,研究和開發(fā)我國自己的質譜儀已刻不容緩。近年來,中國政府也積極鼓勵質譜儀的研發(fā),“十五”期間,科技部在科技攻關重大項目“科學儀器的研制與開發(fā)”中設立了課題“質譜聯(lián)用儀器的研制與開發(fā)”,國內科學工作者也開始積極投入到質譜儀的研發(fā)工作中。目前,在四極桿質譜儀、矩形離子阱質譜儀以及氣相色譜質譜聯(lián)用儀等

4、技術的研究已經取得了部分成果。但是,核心技術不足以及沒有自主知識產權等問題依然突出,針對目前質譜儀的發(fā)展趨勢和國內質譜儀的發(fā)展現(xiàn)狀,我們提出了制造低成本質譜儀和高通量質譜儀的方法。本文的主要貢獻和創(chuàng)新點為:(1)設計了一種具有自主知識產權的、可用于高通量質譜分析的陣列離子阱質量分析器;(2)將普通的印刷線路板(PCB)材料和加工技術用于制造離子阱質譜儀,大大降低了質譜儀的制造成本;(3)把近年來剛剛發(fā)展起來的數(shù)字化離子阱技術應用到矩形離

5、子阱質譜儀上,提高了矩形離子阱的質量范圍等分析指標。全文共分六章,主要內容概述如下:第一章:緒論。本章概述了質譜分析技術的原理和發(fā)展歷程,對目前質譜儀器的國內外發(fā)展現(xiàn)狀作出了評述,并指出價格低廉化、小型化以及高通量分析是未來質譜儀的發(fā)展方向。文中著重介紹了離子阱的特點、種類和工作原理,并闡述了離子阱在質譜儀小型化和價格低廉化方面的特有優(yōu)勢?；谶@些評述和總結,提出了本文的研究方向和研究思路。第二章:電子轟擊電離源—PCB離子阱質譜儀的開

6、發(fā)。矩形離子阱是一種簡化結構的線型離子阱。目前,矩形離子阱一般都采用不銹鋼通過精密機械加工而成,其加工成本仍然比較高。我們將PCB材料及加工技術用于制造矩形離子阱,使用這種方法制造出的PCB離子阱具有非常低廉的價格。本章介紹了利用普通PCB材料及加工技術制造矩形離子阱的過程,并對PCB離子阱內部的電場進行了計算和分析。我們還建造基于電子轟擊電離源的PCB離子阱質譜儀系統(tǒng),并通過實驗對該儀器系統(tǒng)的性能進行了測試和評估。實驗證明,該PCB離

7、子阱質譜儀具有大于400的質量分辨率和大于300Th的質量范圍,并且具有離子質量隔離和離子質量選擇激發(fā)等功能。第三章:電噴霧電離源—PCB離子阱質譜儀的開發(fā)。為提高PCB離子阱的性能,我們引入了電噴霧電離源和近年來發(fā)展起來的數(shù)字化離子阱技術,建造了基于電噴霧電離源的數(shù)字化PCB離子阱質譜儀器系統(tǒng)。本章介紹了該儀器系統(tǒng)的設計過程,包括三級差分真空系統(tǒng)的建立、數(shù)字化離子阱的電路系統(tǒng)的設計以及電噴霧電離源的設計等,并通過實驗對該質譜儀器的性能

8、進行了測試和評估。實驗證明,其質量范圍大于2600Th、質量分辨率大于500。在實驗中,我們只使用了幅度為200V(半峰值)的數(shù)字束縛電壓信號來驅動PCB離子阱,因此,其質量范圍仍有很大的提升空間,這使得PCB離子阱應用在生命科學、蛋白質組學等需要對高質荷比離子進行分析的領域成為可能。第四章:PCB陣列離子阱質譜儀的開發(fā)。本章介紹了一種新型的質量分析器一陣列離子阱的設計過程和工作原理。陣列離子阱僅由1對PCB電極和2對不銹鋼平板電極構成

9、,具有非常簡單的結構和低廉的造價。但是,這種結構簡單且造價低廉的陣列離子阱卻具有強大的功能,每個陣列離子阱中含有多個質量分析通道,每個通道都具有傳統(tǒng)離子阱的功能,如離子儲存、質量分析、離子質量隔離和離子質量選擇激發(fā)等。我們建造了基于電子轟擊電離源的PCB陣列離子阱質譜儀器系統(tǒng),并通過實驗對其性能進行了測試和評估。實驗證明,該儀器系統(tǒng)取得了大于1300的質量分辨率和超過500Th的質量范圍。另外,我們從PCB陣列離子阱的兩個不同的通道中都

10、得到了質譜圖,從實驗上證明了它具有高通量質譜分析的能力。第五章:PCB陣列離子阱的幾何尺寸優(yōu)化。離子阱的分析性能是由離子阱內部產生的電場決定的,而離子阱內部的電場則直接受到離子阱的幾何結構和尺寸的影響。本章通過計算機模擬和實驗相結合的方法對PCB陣列離子阱的幾何尺寸進行了優(yōu)化。我們首先建立了一個3通道的陣列離子阱的計算機模型,通過修改相應的幾何參數(shù),研究了不同幾何尺寸的陣列離子阱內部的高階電場分布情況。我們還通過計算機模擬得到了離子在不