線性離子阱單向出射的方法研究

線性離子阱向出射的方研究質(zhì)譜儀是一種具有高靈敏度、低檢測(cè)限、定性和定量準(zhǔn)確的現(xiàn)代分析儀器。它通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)將離子化后的被測(cè)物質(zhì)按質(zhì)荷比m/z)的不同進(jìn)行空間、時(shí)間或頻譜上的分離,從而得到質(zhì)譜圖,并對(duì)其分析后可獲得被檢測(cè)物質(zhì)的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)以及含量等信息。目前,質(zhì)譜儀已廣泛應(yīng)用于食品安全、環(huán)境檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、蛋白組學(xué)、基因組學(xué)研究和航天、軍事技術(shù)等領(lǐng)域。在眾多種類的質(zhì)譜儀中離子阱質(zhì)譜儀由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小和工作氣壓低等優(yōu)勢(shì)是小型化質(zhì)譜儀的最佳選擇。然而傳統(tǒng)的三維離子阱的高精度雙曲面電極結(jié)構(gòu)對(duì)加工和組裝的要求過(guò)于嚴(yán)苛,同時(shí)其也受限于自身低離子儲(chǔ)存容量和離子捕獲效率。為了克服這些弱點(diǎn)和使得離子阱更加適用于小型化、廉價(jià)化的質(zhì)譜儀近年來(lái)多種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的線性離子阱(二維離子阱)已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)。其中最為典型的是,Cooks等開發(fā)的矩形離子阱(RectilinearIon它采用了二維的電極結(jié)構(gòu),并采用了平板電極取代了傳統(tǒng)線性離子阱中的雙曲面電極。但與傳統(tǒng)線性離子阱的雙曲面電極相比平板電極不可避免地會(huì)向離子阱內(nèi)引入有害的高階場(chǎng)成分,降低其分析性能。對(duì)此,Jiang等發(fā)明了印刷電路板PCB)分壓離子阱質(zhì)量分析器(下簡(jiǎn)稱PCB分壓離子阱)。這種新型線性離子阱上的電極被絕緣材料peek)分成了不同的區(qū)域?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)不同區(qū)域的面積比以及各區(qū)域上所加射頻(RadioFrequency,RF)電壓比來(lái)優(yōu)化離子阱內(nèi)的電場(chǎng)從而顯著地改善其分析性能。本實(shí)驗(yàn)室也自主研發(fā)了一種分析性能較優(yōu)的新型簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的線性離子阱半

圓柱電極線性離子阱(LinearIonTrapfeaturingHalfroundrodelectrodes,HreLIT)。HreLIT采用半圓面的電極結(jié)構(gòu)因此相較于雙曲面電極結(jié)構(gòu),其加工難度有所降低,加工精度也有所提高;同時(shí),與平板電極結(jié)構(gòu)的離子阱相比,其分析性能進(jìn)一步地提高而,在現(xiàn)有的線性離子阱結(jié)構(gòu)和工作方式下離子在共振出射時(shí)沿著兩個(gè)相反的方向出射即雙向離子出射),且沿著每個(gè)方向出射的概率為50%因此,在商業(yè)化的臺(tái)式線性離子阱質(zhì)譜儀中在兩個(gè)出射方向上各設(shè)置了一個(gè)離子檢測(cè)器,用于同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)方向上出射的離子是這種離子檢測(cè)方式不適用于小型化質(zhì)譜儀中,因?yàn)檫@將大幅增加質(zhì)譜儀的體積和功耗,檢測(cè)電路也將成倍增加,同時(shí)也提高了制造成本。因此,現(xiàn)有已報(bào)道的所有簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的線性離子阱質(zhì)譜儀中均只使用了一個(gè)離子檢測(cè)器進(jìn)行離子檢測(cè),該檢測(cè)方式的理論最高離子檢測(cè)效率僅為50%,實(shí)際上的離子檢測(cè)效率必然小于該數(shù)值,這嚴(yán)重影響小型化離子阱質(zhì)譜儀的最終檢測(cè)的靈敏度和動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍解決小型化線性離子阱質(zhì)譜儀的離子檢測(cè)效率問(wèn)題,本文提出了兩種基于線性離子阱實(shí)現(xiàn)離子單向出射的方法構(gòu)建非對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)的線性離子阱和配置非對(duì)稱的射頻電壓。該方法可以向離子阱內(nèi)引入奇次階場(chǎng)成分,從而使得離子阱內(nèi)射頻電場(chǎng)的場(chǎng)中心發(fā)生偏移,進(jìn)而使得束縛在場(chǎng)中心的離子距離其中一端的離子出射槽更近最終誘導(dǎo)了離子的單向出射。理想情況下,該方法可以在僅使用一個(gè)離子檢測(cè)器和不損失質(zhì)量分辨率的條件下成倍地提高離子的檢測(cè)效率。因此,這一方法不僅可以提高質(zhì)譜儀的靈敏度這一關(guān)鍵性能指標(biāo)也有利于離子阱質(zhì)譜儀的小型化。本研究課題正是基于這樣的方法和考慮以分析性能較

優(yōu)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的線性離子阱(PCB分壓離子阱作為研究對(duì)象,進(jìn)行了這一方法的嘗試,并給出了三種具體的實(shí)現(xiàn)方法(1)構(gòu)建了兩種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)半圓柱電極線性離子阱(asymmetricHreLIT,A-HreLIT);(2)在PCB分壓離子阱的離子出射方向的兩組離散電極上配置不同的射頻分壓比而另一方向的兩組離散電極上的射頻分壓比則保持不變;(3)直接在HreLIT離子出射方向上的一對(duì)電極上配置不同比例射頻電壓。對(duì)于這三種具體的實(shí)現(xiàn)方法,本文分別采用模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)它們的分析性能進(jìn)行了測(cè)試。本文給出了具體的實(shí)驗(yàn)方法和過(guò)程模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:這三種具體的實(shí)現(xiàn)方法下的線性離子阱均具