新型四極質(zhì)量分析器的研制.pdf

1、作為少數(shù)可以檢測單分子信息的分析技術(shù)，高靈敏度的質(zhì)譜分析方法是世界上應(yīng)用最廣泛的分析技術(shù)之一。目前，質(zhì)譜儀已經(jīng)成為許多領(lǐng)域的必備分析儀器，其應(yīng)用領(lǐng)域上天入地，在航天、地質(zhì)、制藥、生命科學(xué)等尖端領(lǐng)域以及關(guān)系國計民生的環(huán)境保護(hù)、食品安全、法證以及國防技術(shù)等諸多熱點領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。作為四大譜學(xué)之一，質(zhì)譜分析法是國際公認(rèn)的許多分析標(biāo)準(zhǔn)中的重要一環(huán)。雖然質(zhì)譜儀在很多的分析領(lǐng)域內(nèi)都取得了巨大的成功，但是它的廣泛推廣仍存在一些困難。首先，

2、現(xiàn)有的商業(yè)質(zhì)譜儀尤其是高分辨類儀器大多體積龐大、價格昂貴且維護(hù)費用高，而即使是低端單四極桿質(zhì)譜儀價格也在幾十萬元以上。如此高昂的價格使得質(zhì)譜儀無法在更大范圍內(nèi)推廣。其次，一些大規(guī)模的分析領(lǐng)域，特別是制藥和生物學(xué)領(lǐng)域，需要分析的樣品數(shù)量非常龐大，現(xiàn)有儀器的常規(guī)分析通量限制使得許多這種高科技企業(yè)都要配置幾十臺完全相同的質(zhì)譜儀來滿足國標(biāo)要求，增加了科技研發(fā)的成本?？紤]到國內(nèi)目前加工技術(shù)的限制，目前研發(fā)商用高分辨率質(zhì)譜儀的條件尚不成熟。因此，在

3、與國際廠商競爭時，目前國內(nèi)質(zhì)譜儀的發(fā)展方向應(yīng)以下列兩個方面發(fā)展：(1)小型化與便攜化；(2)降低實現(xiàn)相同指標(biāo)時的成本耗費。
　　 隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各個行業(yè)對質(zhì)譜儀的需求將越來越大。然而由于改革開放初期的無奈選擇，國家在80年代后放棄了自主研發(fā)質(zhì)譜儀的支持，這導(dǎo)致目前，除少數(shù)質(zhì)譜檢漏儀之外，中國的質(zhì)譜儀市場幾乎全部被進(jìn)口產(chǎn)品占領(lǐng)。到2010年左右，中國進(jìn)口質(zhì)譜儀的交易額已超過50億元人民幣，而作為2011年的預(yù)期，質(zhì)譜儀的

4、進(jìn)口臺數(shù)及總量又在以每年近30％的速率提升。因此，研究和開發(fā)我國自己的質(zhì)譜儀已刻不容緩。在政策上，在“十五”、“十一五”期間，科技部在科技攻關(guān)重大項目“科學(xué)儀器的研制與開發(fā)”中設(shè)立了“質(zhì)譜聯(lián)用儀器的研制與開發(fā)”，“二次離子質(zhì)譜儀的研制與開發(fā)”等重大課題。國內(nèi)科學(xué)工作者也開始積極投入到質(zhì)譜儀的研發(fā)工作中。目前，在四極桿質(zhì)譜儀、離子阱質(zhì)譜儀及其色譜聯(lián)用儀等技術(shù)的研究已經(jīng)取得了部分成果。但是，核心技術(shù)不足以及沒有自主知識產(chǎn)權(quán)等問題依然限制了國

5、內(nèi)質(zhì)譜儀器的發(fā)展，盡管以天瑞、普析通用和聚光科技等公司都推出了自己的質(zhì)譜聯(lián)用儀，但在總體指標(biāo)上，這些國產(chǎn)儀器仍舊與國際先進(jìn)水平存在一定差距。
　　 目前國內(nèi)主流質(zhì)譜技術(shù)的研發(fā)主要還以學(xué)習(xí)和改進(jìn)國外類似技術(shù)為主，作為研發(fā)目標(biāo)的主流，四極桿和離子阱這兩種射頻四極質(zhì)量分析器是目前國內(nèi)研發(fā)的重要目標(biāo)。為了進(jìn)一步改善這一發(fā)展現(xiàn)狀，就需要我們在四極質(zhì)譜的基礎(chǔ)理論上深入學(xué)習(xí)，從而發(fā)明出一系列新穎的質(zhì)譜分析方法與核心器件。本文的主要研究方向是以

6、四極質(zhì)譜理論為基礎(chǔ)，結(jié)合本實驗室的研究課題，分別對四極桿質(zhì)量分析和基于印刷線路板技術(shù)的平面離子阱器件建立相關(guān)的物理模型，利用數(shù)值計算的方法研究其電場組成及離子軌跡，以其為指導(dǎo)獲得了幾種新穎的質(zhì)譜分析方法，并以此為基礎(chǔ)完成了相關(guān)的新型四極質(zhì)量分析器測試系統(tǒng)及其測試。具體成果包括(1)建立了對圓桿系四極濾質(zhì)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算程序，研究其高階電場成分對四極系統(tǒng)濾質(zhì)器的影響。其次，通過引入四極激發(fā)的方法，對不同頻率微弱交流激發(fā)的作用做了基礎(chǔ)分析，

7、并首次利用四極激發(fā)產(chǎn)生的低q值穩(wěn)定島發(fā)展了一種利用一長一短兩組四極桿先后去除高質(zhì)荷比與低質(zhì)荷比離子的方法，并獲得了初步的實驗結(jié)果。
　　 (2)從零開始發(fā)展了利用普通的印刷線路板(PCB)材料和加工技術(shù)用于制造離子阱質(zhì)譜儀，大大降低了質(zhì)譜儀的制造成本，并結(jié)合把近年來發(fā)展的數(shù)字化離子阱技術(shù)應(yīng)用到矩形離子阱質(zhì)譜儀上，提高了矩形離子阱的質(zhì)量范圍等分析指標(biāo)。并在此基礎(chǔ)上從電場理論出發(fā)分析建立了由雙平面周期條狀電極陣列組成的離子阱陣列“I

8、on Trap Array”并用其組建了大氣壓接口的高通量質(zhì)譜分析測試裝置。
　　 (3)利用印刷線路板可以方便地構(gòu)建各種形式平面電極圖案的特點，發(fā)展了一種新型的正方柱形場可調(diào)節(jié)直線離子阱，并建立起如何利用平面電極圖案及分電極的電壓分布特性獲得擁有低高階場成分的場可調(diào)節(jié)直線離子阱結(jié)構(gòu)，并在實驗上獲取到了超出傳統(tǒng)平面矩形離子阱的分析性能。
　　 全文共分四章，主要內(nèi)容概述如下：
　　 第一章緒論。本章概述了質(zhì)譜分析

9、技術(shù)的原理和發(fā)展歷程，對目前質(zhì)譜儀器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀作出了評述，并指出了國內(nèi)質(zhì)譜儀器發(fā)展的合理方向。并著重介紹了以四極桿和離子阱為代表的射頻四極質(zhì)量分析器的特點及基本工作原理。基于這些評述和總結(jié)，提出了本文的研究方向和研究思路。
　　 第二章四極桿質(zhì)量分析器的基礎(chǔ)研究及其新串級分析方法。本部分首先在閱讀前人相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上編寫了任意四極桿系統(tǒng)的精密電場求解器，并利用該求解器研究了具有不同場結(jié)構(gòu)的四極桿質(zhì)量分析器系統(tǒng)的高階場成分及

10、其分辨性能。并針對對稱四極桿結(jié)構(gòu)中最重要的12和20極場成分對四極桿質(zhì)量分析器性能的影響做了單獨分析。該部分的另一工作是用自己編寫的數(shù)值求解器研究了經(jīng)典R/R0=1.14四極桿在不同四極激發(fā)電壓下的穩(wěn)定島結(jié)構(gòu)變化情況。并首次提出一種只有RF射頻工作電壓的串級四級濾質(zhì)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由窄帶低通濾質(zhì)器Q1和高通或窄帶通四極調(diào)制濾質(zhì)器Q2組成。模擬結(jié)果展示該系統(tǒng)在40～50個RF周期下即可有效的獲取1000以上的分辨率，并在改造的實驗系統(tǒng)上獲得

11、了類似結(jié)果。
　　 第三章PCB離子阱及其陣列為核心的質(zhì)譜儀的開發(fā)。矩形離子阱是04年歐陽證等人提出的一種結(jié)構(gòu)簡單，性能良好的直線離子阱質(zhì)量分析器。為了進(jìn)一步降低離子阱器件的制作成本，提出了利用PCB制作離子阱器件的方案。此外為提高PCB離子阱的串級質(zhì)譜性能，我們引入近年來發(fā)展起來的數(shù)字化離子阱技術(shù)，并建造了PCB陣列離子阱分析器以解決傳統(tǒng)單通道質(zhì)譜儀的通量問題。陣列離子阱僅由1對PCB電極和2對不銹鋼平板端蓋電極構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡