小型化線(xiàn)性離子阱質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)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(duì)分析物進(jìn)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(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域。如今的質(zhì)譜儀發(fā)展趨勢(shì)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(lèi)儀器通常較為龐大，不便于攜帶，大多在特定實(shí)驗(yàn)室中使用；二是發(fā)展便攜式的小型化儀器，這類(lèi)儀器體積小、質(zhì)量輕、功耗低，在實(shí)效性和成本方面較傳統(tǒng)質(zhì)

2、譜儀具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在眾多的質(zhì)譜儀中，離子阱質(zhì)譜儀憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小巧、靈敏度高、真空度要求相對(duì)較低和能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)多級(jí)質(zhì)譜分析等特點(diǎn)，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(duì)加工組裝的要求過(guò)于嚴(yán)苛，同時(shí)還受限于自身較低的離子儲(chǔ)存容量和離子捕獲效率。為了克服這些弱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)離子阱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)投入了大量精力，先后報(bào)道了圓柱形離子阱（CIT）、線(xiàn)性離子阱（LIT）和多種簡(jiǎn)化電極結(jié)構(gòu)的

3、線(xiàn)性離子阱，如矩形離子阱（RIT）、三角形電極離子阱（TeLIT）等。這些簡(jiǎn)化電極結(jié)構(gòu)的線(xiàn)性離子阱更加契合小型化質(zhì)譜儀的發(fā)展要求，但過(guò)于簡(jiǎn)單的電極結(jié)構(gòu)對(duì)離子阱本身的分析性能的犧牲也較大，需要設(shè)計(jì)一種兼顧簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)與分析性能的新型線(xiàn)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(jìn)行小型化處理，這樣才能設(shè)計(jì)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(duì)簡(jiǎn)化

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

5、子阱質(zhì)譜儀分析平臺(tái)。搭載了實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的小型化半圓柱形電極線(xiàn)性離子阱，同時(shí)對(duì)包括真空系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、離子檢測(cè)系統(tǒng)和整機(jī)電路系統(tǒng)在內(nèi)的各個(gè)子系統(tǒng)都作了小型化的處理。最終，成功完成了小型化線(xiàn)性離子阱質(zhì)譜儀分析系統(tǒng)的搭建。并對(duì)此平臺(tái)進(jìn)行了性能評(píng)估。整機(jī)重量不超過(guò)10kg，穩(wěn)定工作時(shí)的電路共功耗大約為110W。從大氣壓抽氣到能夠順利進(jìn)行質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)的真空系統(tǒng)所需時(shí)間不超過(guò)5分鐘。進(jìn)樣方式簡(jiǎn)單，而且進(jìn)樣響應(yīng)時(shí)間達(dá)到秒級(jí)。此外還對(duì)其質(zhì)譜分析性能進(jìn)行了