The Study on Transmission Efficiency of Atmospheric Nanoelectrospray Ionization Source.pdf

1、在分析化學當中，電噴霧電離質(zhì)譜儀(ESI-MS)是一種廣泛應用并十分有效的儀器設備。電噴霧電離質(zhì)譜儀可在大質(zhì)量范圍內(nèi)檢測各種化合物的質(zhì)量。同時擁有極低的檢測限、出色的分辨率和高質(zhì)量準確度。但是，樣品離子由大氣環(huán)境進入到質(zhì)譜儀內(nèi)部高真空區(qū)域的輸運效率卻非常低。主要原因在于質(zhì)譜儀極小的取樣口界面對離子的通過性造成了限制，因此只有很小一部分待分析氣態(tài)離子能夠通過采樣界面進入質(zhì)譜儀內(nèi)部。
　　為了提高大氣壓環(huán)境下樣品離子在噴針與質(zhì)譜儀入口

2、之間的輸運效率，本文設計了一種新型SU-8材料離子聚焦環(huán)并應用于納升電噴霧電離(nano-ESI)系統(tǒng)。通過微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝加工的SU-8聚焦環(huán)有三層微孔結(jié)構(gòu)。加工過程包括三次紫外曝光和一次顯影。測試結(jié)果表明，在一定的操作條件下，SU-8聚焦環(huán)在納升電噴霧系統(tǒng)中可實現(xiàn)對大氣壓環(huán)境中氣態(tài)離子的聚集，提高電噴霧離子電流約10倍。
　　已經(jīng)證明工業(yè)化空氣放大器可以有效提高離子化效率和氣態(tài)離子輸運效率。但通常工業(yè)空氣放大器體積較

3、大，不利于在納升電噴霧系統(tǒng)下使用。本文采用流體動力學模擬和MEMS工藝設計并加工制作了聚二甲硅氧烷(PDMS)材料MEMS微型空氣放大器。MEMS微型空氣放大器同樣基于伯努利原理和科恩達效應，實現(xiàn)對電噴霧液滴和氣態(tài)樣品離子的聚集。器件結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)過數(shù)值模擬優(yōu)化，為器件制造提供設計依據(jù)。測試結(jié)果表明，在一定的操作條件下，PDMS微型空氣放大器在納升電噴霧系統(tǒng)中可實現(xiàn)對大氣壓環(huán)境中氣態(tài)離子的聚集，提高電噴霧離子輸運效率約30倍。與工業(yè)空氣放大

4、器相比，PDMS微型空氣放大器具有制造工藝簡單、制造成本低和高輸運效率優(yōu)點。
　　同時，我們提出了一種皮升電噴霧電離系統(tǒng)的微納加工工藝。外凸式硅微噴針在皮升電噴霧系統(tǒng)中具有高效電離離子的重要作用。同樣，由PET、PMMA或SU-8等聚合物制作的平面噴針在皮升電噴霧系統(tǒng)當也具有低流量和高效電離離子的作用。這項皮升電噴霧芯片可以在ESI-MS系統(tǒng)以極低流量工作(pL/min)，可進一步提高離子輸運效率。該系統(tǒng)還可應用于微電子和生物技術(shù)

5、領域，例如電液力驅(qū)動(EHD)懸浮納米顆粒在基板上直接打印納米線和納米點陣列。
　　為進一步提高電噴霧離子輸運效率，本文提出了一種將氣動力學和電動力學相結(jié)合的新方法，在空氣放大器中加入了電動力學離子漏斗，從而在大氣壓納升電噴霧電離系統(tǒng)中更有效地聚集和輸運氣相樣品離子。采用ANSYS FLUENT有限元軟件，模擬了器件的流體動力學過程，優(yōu)化了器件的結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)。氣流場分布、電場分布及拉格朗日離子運動過程均可通過自編寫程序和用戶自定

6、義函數(shù)求解完成。測試結(jié)果表明:在氮氣氣壓40kPa，無直流和交流電壓條件下，提高利血平電噴霧離子輸運效率約5倍;更重要的是，在氣壓條件不變，同時加載DC和RF電壓后，輸運效率又有3倍的提高，總的輸運效率提高13倍以上。由此證明了空氣放大器氣動力學和離子漏斗電動力學相結(jié)合聚集離子的效果。
　　ANSYS FLUENT主要模擬了納升電噴霧噴針和質(zhì)譜儀進樣毛細管之間區(qū)域的離子輸運效率。該區(qū)域是空氣放大器結(jié)合RF射頻離子漏斗對樣品離子的作

7、用區(qū)域。模型中計算氣流場、電場和離子軌跡分不同步驟進行。用戶自定義C/C++函數(shù)部分的編寫是依據(jù)樣品離子與氣體分子蒙特卡洛碰撞模型要求。離子的傳輸效率的評價是通過追蹤250個不同利血平離子的軌跡來實現(xiàn)。通過模擬發(fā)現(xiàn)，氣流速度越高，外部電場越強，越有利于減小離子間的空間電荷作用和離子束的離散。通過測量在空氣放大器出口處水平方向和垂直方向的總氣體壓力，評價了科恩達狹縫加工軸對稱性的誤差程度。在空氣放大器軸向氣壓測量的結(jié)果與計算機流體動力學模