非对称三角形电极离子阱的单向出射性能模拟研究

三角形电极离子阱（triangular-electrode linear ion trap, TeLIT）是一种新型结构的线性离子阱,具有简单的电极结构和良好的分析性能。为进一步提高TeLIT的离子探测效率,本实验将离子出射方向的2个电极设置为不同角度,建立非对称结构的TeLIT,通过引入非对称场实现离子单向出射。通过分析电极角度差与其内部电场分布的关系,并模拟离子运动轨迹,获得离子出射情况和模拟质谱峰。理论模拟结果显示：当离子出射方向三角电极的角度差Δα=15°时,在优化的AC频率条件下,三角形电极离子阱的m/z 610离子单向出射率可达95%以上,且质量分辨率达到2647。经优化几何参数后的非对称三角形电极离子阱可在几乎不损失分辨率的情况下实现离子单向出射,大幅提高了单检测器模式下TeLIT的离子探测效率和仪器的灵敏度,使其在小型化质谱仪的开发中具有显著优势。     

利用直流偏置电压提高矩形离子阱质谱的灵敏度

线性离子阱质谱是近年来被广泛应用的一种性能优良的质谱仪。线性离子阱质量分析器通常是由四根柱状电极合围而成。由于四根电极的几何对称性,在线性离子阱中产生的电场在离子检测方向上也是高度对称的,也就是说,当离子从x方向被逐出离子阱时,将各有50%的离子从＋x和－x方向被分别逐出。因此,如果只在线性离子阱的一侧安装离子探测器,则离子的检测效率只有50%。本工作以矩形线性离子阱为研究对象,通过在离子阱中离子逐出方向的一根电极上施加一定的直流偏置电压,利用此直流电压在离子阱中产生的直流电场,使离子阱中存储的离子偏离中心轴分布。这样,离子将在后续离子逐出电场的作用下,被非对称地逐出离子阱。如,可使多数离子从＋x方向出射,少数离子从－x方向出射。此时,如果在＋x方向安置离子探测器,将获得高于50%的离子探测效率。实验结果表明,直流偏置电压可以明显地提高离子检测效率,例如,在与检测器对侧电极施加正的直流偏置电压时,离子强度在一定电压范围内皆有显著提高。实验所测得的4种不同质荷比的离子提高比例分别是20%、38%、31%、44%。该方法的实验原理简单、实验技术方便易行,可以显著提高线性离子阱检测灵敏度,具有一定的实用价值和应用前景。     

PCB分压离子阱性能优化的理论模拟研究

印刷线路板（Printed-Circuit-Board,以下简称PCB）分压离子阱是一种主要由印刷线路板围成的新型简单电极结构的质量分析器。PCB分压离子阱的尺寸小巧、加工装配容易且成本较低,适于用作小型化离子阱质谱仪的质量分析器。为进一步提高PCB分压离子阱的分析性能,本研究对原有的PCB分压离子阱的电压施加方式与几何结构进行改进。利用计算机模拟软件SIMION和AXSIM,分析了分压离子阱的内部电场、离子运动轨迹及模拟质谱峰图。模拟中分别采用m/z 4 000、4 001和4 002离子,结果显示在射频信号（RF）分压比不变的情况下,不同的共振激光信号（AC）分压比对质量分辨率有显著的影响。随着该分压比的减小,质量分辨率得到相应的提高。当仅在中央电极施加AC信号时,可将质量分辨率提高约25%。另一方面,撤除角接地电极的新型PCB分压离子阱结构的性能较原有PCB分压离子阱的性能更优,对于m/z 4 001离子,其质量分辨率可以达到10 325。该结果可为进一步的实验提供理论基础。     

圆弧形电极离子阱质量分析器的理论模拟

为了给圆弧形电极离子阱质量分析器的实验研究提供可靠的科学依据,本工作从理论上研究了一种由不同半径的圆弧形电极所组成的线性离子阱。使用SIMION和AXSIM软件对设计的线性离子阱进行计算模拟。通过分析电极半径及其比例与离子阱内的电场分布关系,各种多极场成分分布、离子阱内离子运动轨迹、质谱峰形状、分辨率及离子逐出效率等,得到了圆弧形电极所组成的线性离子阱的优化结构。     

基于微机电系统加工技术的微小型矩形离子阱的研制

矩形离子阱（RIT）不仅具有线性离子阱（LIT）捕获效率高和存储容量大等特点,还兼具圆柱形离子阱（CIT）易加工和装配的优点,具有小型化的优势。为了使RIT进一步微小型化,本研究采用微机电系统（MEMS）和激光切割技术加工微小型RIT,并通过模拟仿真分析RIT的各项参数与其内部电场成分的关系。结果表明：固定离子阱非出射方向的场半径为1.4 mm,拉伸离子出射方向的场半径为1.60 mm,在电极厚度为50 μm时,分析m/z 119离子的质量分辨率可达到452。使用MEMS工艺可制备高精度、微米级的微小型RIT。质谱分析表明,制备的微小型RIT对m/z 391的邻苯二甲酸二辛酯具有高于500的质量分辨能力,该结果验证了其结构设计的正确性以及MEMS工艺制备的可行性,为矩形离子阱的进一步微小型化奠定了良好基础。     

基于电喷雾电离源质谱仪系统的八电极线性离子阱性能研究

八电极线性离子阱在前期的理论模拟研究中取得了较好的质量分析性能,为验证理论模拟结果,选择其中最优的结构参数,设计、加工并组装了八电极线性离子阱实物,以此为基础搭建电喷雾电离源质谱测试系统。在传统射频电压施加模式下,测试八电极线性离子阱的分析性能。当扫描速度为765 u/s时,八电极线性离子阱获得离子峰的半峰宽可达0.3 u,对应利血平（m/z 609）的质量分辨率为2 030。当分析浓度为10 mg/m3的利血平样品时,对应的质谱峰信噪比可达45.8。本文进一步研究了扫描速度对质量分辨率和灵敏度的影响,实现了离子碰撞诱导解离,分析了不同浓度的25羟基维生素D2标准样品,线性动态范围可达4个数量级。结果表明,八电极线性离子阱具有良好的分析性能,可为结构简化线性离子阱的研究提供全新思路,推动小型化离子阱质谱仪的研究进展。     

含高阶场成分的四极杆电极系统及其性质

由4根柱状电极组成的四极杆电极系统在射频电源的作用下主要产生以四极电场为主的电场分布。四极电场可以用于离子质量分析、离子存储和离子传输等。理论分析表明,只有用4根双曲面电极组成四极杆电极系统时,才会产生纯四极场分布;在其他情况下,除四极电场外,还可能会产生六极、八极、十二极、二十极等高阶电场成分。本研究用数值计算的方法,分析了用4根不同直径的圆柱形电极组成的四极杆电极系统的电场分布情况和作为质量分析器时的性能。结果表明：当用3根相等直径和1根较大直径的圆柱形电极组成四极杆电极系统时,可以产生除四极电场外的高阶电场分布,其高阶场成分主要有六极场（A₃）、八极场（A₄）、十极场（A₅）、十二极场（A₆）、二十极电场（A₁₀）等;各种高阶场的含量可以通过改变圆柱形电极的直径,或使具有较大直径的圆柱形电极偏转一定的角度加以调节;当四极电场中含有一定量的高阶电场时,仍可获得较好的质量分辨。含高阶场的四极杆电极系统具有较高的离子传输效率和更好的离子串联质谱分析能力,具有潜在的实用价值。     

四极杆电极系统的应用与研究进展

四极杆电极系统是一种可产生四极电场分布的仪器装置。由于离子在四极电场中的特殊运动性质,四极杆电极系统已被用于制造多种科学仪器,如四极杆质量分析器、三重四极杆质谱仪、四极线性离子阱、四极杆离子导引, 以及包含四极杆离子导引或四极杆质量分析器等四极杆电极系统的各种串联质谱仪等。这些仪器已被广泛应用于对化学和生物成分的质量分析,环境保护,食品安全等领域。 本工作首先简单介绍四极杆电极系统的理论基础,离子在四极电场中的运动规律与电场分布的关系,四极杆电极系统的几何结构与质谱性能的关系,高阶场的产生及其对质谱分析性能的影响等;然后分别介绍了国内外在四极杆质量分析器和四极离子阱质谱领域内的最新研究成果;最后对四极杆电极系统的研究方向作简要的展望。     

理论模拟和实验对照研究幅值扫描ac对离子阱质谱性能的影响

随着离子阱质谱分析技术的广泛应用,离子阱共振激发过程的理论模拟和实验验证对于深入研究离子阱质谱性能具有重要的意义。常见的线性离子阱所使用的共振激发弹出电压ac(alternating current)的设置有两种方式：一种是设定1个很小的恒定值（如1 V_0-p）,另一种是设定为1个幅值扫描范围。然而,鲜有人对比研究这两种设定方式对离子阱质谱分辨率等相关性能的影响,也尚未有人将该实验结果用理论模拟的方式进行验证。本工作基于自行搭建的小型连续进样接口离子阱质谱平台,利用纳升电喷雾电离源,以利血平为研究对象,通过理论模拟和实验对照研究扫描共振激发对离子阱质谱性能的影响。首先,通过实验研究了恒定ac共振激发和扫描ac共振激发对离子阱质谱分辨率和灵敏度的影响,实验结果表明,ac电压的初始设定应高于一定的阈值,并且使用扫描共振ac激发有利于提高离子阱质谱的分辨率和灵敏度。随后,利用Simion离子光学证明了扫描共振激发ac相比于恒定共振激发ac可以防止阱中离子的提前激发。最后,对100 mg/L芬太尼和那可汀标准样品进行检测,结果表明,利用扫描ac共振激发相比于恒定ac共振激发可将分辨率提高2倍以上。本研究通过理论模拟和实验对照研究幅值扫描ac对离子阱质谱性能的影响,建立了离子阱质谱共振激发过程的理论模拟方法和相关程序,为进一步研究离子阱中更复杂的非线性共振等高阶运动奠定了基础,在一定程度上提升了离子阱质谱的分析性能,加速了离子阱质谱的仪器调试过程。     

小型质谱双线形离子阱间离子传输

多级质谱串联在各个领域都有广泛应用。双线形离子阱的小型质谱可以实现类似传统三重四极杆质谱仪的串联质谱分析功能，而在此过程中，双阱间的离子传输为重要的仪器功能。在已发表的双线形离子阱工作中，对阱间离子传输，尤其是质量选择性传输鲜有系统的研究。本工作研究了离子阱q值、阱内气压、辅助性交流电（AC）的强度、辅助性AC的作用时长等因素对传输的目标离子强度的影响，优化了离子传输条件，如q1=q2=0.3，阱内气压为0.37 Pa，AC强度为350 mV，离子传输时长大于10 ms等。该结果对小型质谱双线形离子阱的自主研发和提升阱间离子传输效率具有指导作用。     

电压不稳定性对离子阱中离子运动特征的影响

在离子阱共振激发过程中,电压的微小变化可能导致离子的运动特征发生显著改变。本工作基于赝势理论,建立了电压不稳定时3D离子阱中离子运动的理论模型,并以辅助交流电压AC的毛刺和端盖电极施加的直流电压为例,揭示端盖电极上辅助交流电压AC的稳定性对离子阱性能的影响。结果表明,当辅助交流电压存在毛刺时,离子的运动速度和振幅将发生突变,扰乱离子阱内离子的冷却状态,致使部分离子在激发阶段打在阱壁上而无法被检测,从而降低了离子阱质谱仪的灵敏度。同时,该模型表明,对于处于冷却状态的离子,可以通过测量其在脉冲激励作用下的响应来测量离子运动的久期频率。若在端盖电极上施加直流电压,离子运动的平衡位置将发生明显的偏移,通过将离子检测器置于偏移的一侧,可以明显地提高离子的检测效率,从而提高离子阱质谱仪的灵敏度。     

A hyperboloid mass spectrometer with a monopolar ion trap

A hyperboloid mass spectrometer with an analyzer utilizing a three-dimensional ion trap bounded by the planez=0 is described. Potential distribution in a monopolar trap is numerically simulated and the influence of distortion function ΔU(z, r) on the trajectories of charged particles is investigated. Mass peaks for various operating modes of the analyzer are calculated. An experimental mass spectrometer with a monopolar ion trap has been investigated. Spectra of the residual atmosphere and of that with tetrachloromethane CCI₄ puffed into the vacuum chamber have been measured. The resolution obtained isR _0.5=1.2×10³.     

电过滤纸喷雾离子源的性能优化及应用研究

常压离子源是质谱技术在生命科学、环境保护、医药卫生、食品安全等领域的研究热点之一。随着质谱分析技术的应用范围越来越广,直接快速分析复杂体系的化合物组成和含量越发重要。本工作基于已研制的小型化离子阱质谱和电过滤纸喷雾离子源,对其分析性能和应用进行深入研究。以提高质谱信号强度和检测灵敏度为目标,对所用滤纸的孔径、离子源尖端与水平面的角度、离子源与质谱进样毛细管之间的距离等条件进行系统分析。实验结果表明,选择孔径为20~25 μm的滤纸、离子源尖端与水平面角度为15°~60°、离子源距质谱进样毛细管7.5 mm时,信号强度最优。在优化后的实验条件下检测蔗糖、肯普肽、维生素B₂、罗库溴铵、精氨酸和芬太尼,表明本方法可检测的物质种类较广泛。选择实际样品氨加黄敏胶囊进行检测,得到对乙酰氨基酚分子离子峰（m/z 152）,并可在活鱼体内快速检测到孔雀石绿分子离子峰（m/z 329）。使用电过滤纸喷雾离子源简化了样品复杂的前处理过程,进一步提高了样品分析速度,扩展了离子阱质谱技术的应用领域。     

基于离子阱原理的空间小型质谱仪理论模拟研究

当前空间探测活动日益频繁,其中对空间有机分子的探测是空间探测的一项重要任务。由于太空中特殊的工作条件,一般商品质谱仪的体积、功耗和分析能力等都不能满足要求,因此需要研发小体积、低功耗、高稳定性的质谱仪。本研究基于离子阱原理,提出了由多个环形电极构成的新型平方离子阱,这种多环高压结构能有效减小离子阱的体积,从而实现质谱仪器的小型化。通过采用成比例的直流电压分时段供电,成功扩展了该质谱仪的离子检测范围。经仿真计算,拟合出了离子振荡频率与其质量数的关系。该质谱仪对质量数在1~2000 u 范围内的分子,质量分辨大于1400,能够满足空间大分子质量分辨的基本要求。