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四极场质量分析器的理论研究

罗婵  
【摘要】:质谱仪是一种用于检测和分析各种物质成分的科学分析仪器,是目前进行化学和生物成份分析的最主要科学仪器,国际公认的许多分析标准都明确规定要有质谱数据。目前,质谱仪已经成为许多领域的必备分析仪器,被广泛地用于物理,化学,地质,天文等科研领域,以及环境保护,生命科学,国土安全,食品卫生,药物开发与生产,医疗诊断等。由于人们对环境保护,食品卫生,国土安全等的日益重视,进一步促进了质谱科学与技术的进步,同时使得质谱仪器的应用范围越来越广泛,需求越来越迫切。 由于质谱仪的广泛应用领域和深远的发展前景,研究和开发新型质谱仪和质谱仪性能成为质谱领域内科学家们近年来追求的主要目标。四极质谱和四极离子阱质谱是目前应用最广泛的两种质谱仪,因此,从理论和实践上研究和探讨新型的四极质量分析器,改善和提高它们的工作性能近年来一直受到广泛重视。 四极滤质器和四极离子阱是两种重要的质量分析器。它们都是利用四极电场中不同质荷比离子稳定条件的不同使离子分离。这两种质量分析器可以满足大部分的分析需要。 由于质量分析器的加工和组装及其复杂,需要投入大量的时间和资金,因此对于质量分析器的模拟工作显得极为重要。对其结构参数和工作条件的模拟,对实验和生产具有及其重要的参考价值。 自从Dawson第一次计算了离子在四极场中的运动以来,大家一直采用各种方法求出离子在电场中的运动轨迹,包括计算非线性场中的离子运动,以及共振激发下的离子运动。这些模拟一直对质量分析器的加工和发展有指导意义,如加入八极场成分的线性离子阱和数字离子阱的加工制造,就和之前的模拟计算有很紧密的联系。同时,根据模拟结果,也能对离子阱的性能进行优化。 近年国际上对于四极质量分析器的模拟研究,尤其是对于四极离子阱的模拟,主要集中在研究质量分析器的结构对于多级场参数的影响,或是对于离子运动频率的影响,极少有涉及质量分析器的结构对于四极质量分析器性能直接关联的研究。但提高质量分析器的性能是对其进行模拟分析的最终目标。 本博士论文的主要研究内容和成果为,从理论研究的角度,结合本实验室的实验研究,对利用交变二维四极场束缚和分离离子的两种质量分析器,即四极杆滤质器和矩形线形离子阱质量分析器,通过建立相关的理论物理模型,利用电脑模拟计算方法,进行了这两种质量分析器的几何结构与电场分布,离子运动轨迹以及它们的质谱分析性能,如离子质量分辨能力,分析灵敏度等的研究,获得了一系列对应于最佳质谱分析状态的仪器结构,以及质谱工作方法。其研究结果对开发新的质谱仪器系统,获得具有史高仪器性能,和更好工作状态的四极杆滤质器和矩形线形离子阱质量分析器有重要的价值和理论意义。 本论文的主要研究成果为: (1)首先,通过改变圆杆四极滤质器的电极结构的方法,改变其中进行质量分析的四极场的场型。以这样的方法,通过对不同场型下质谱峰的模拟,找到在特定工作条件之下使得分辨率最佳圆杆四极滤质器的电极结构。 (2)其次,通过四极激发的方法,即在四极滤质器工作RF射频之上,加一个微弱的,低频RF电压。以这样的方式,可以增加稳定区边缘的尖锐程度,从而改善质谱峰。 同时,四极激发的方法,也使得稳定区的底部被分成不同的稳定岛。利用这些稳定岛,也可以得到较高质量分辨的质谱峰。 (3)对于矩形离子阱质量分析器,首先,本文通过把电极切分为不同小电极,并在其上加载不同幅度的RF电压的方法,改变其中的电场。通过改变边缘电极和中心电极上加载电压比值的大小,模拟计算出了可以得到最佳质量分辨率的质谱峰。 对于另一个矩形离子阱,离子阱阵列,本文中,通过改变其场半径,电极宽度,狭缝宽度等几何尺寸的大小,用同样的方法,模拟计算,得出了最佳质量分辨率的质谱峰。 (4)本文提出了两种串级四极质谱分析的新方法。首先,利用两组四极杆,通过四极激发的方法,使得第一组四极杆,去除高质荷比的离子,降低第二组四极杆,质量分辨的噪声。而第二组四极杆,也同样通过极极激发的力法,获得较高质量分辨率的质谱。 (5)另外一个串级四极质谱的新方法,是通过两个等同的矩形离子阱。通过对储存在其中的离子,一段时间的激发,使得它们因质荷比的不同,在空间上获得分离。此时,在矩形离子阱的一片电极上加载一个脉冲电压,可以使得某特定质荷比的离子,从离子引出槽中弹出,到达另一个矩形离子阱中。同时,在另一个矩形离子阱的一片电极上加载另一个脉冲电压,可以使这部分被弹出的离子,保留在第二个矩形离子阱中。而其余的离子,仍然留在第一个离子阱内。通过这样的方法,可以提高离子的使用效率。 本文的部分模拟结果,得到了实验的验证。说明本文所用方法可以有效地指导实验。 本文的第一章为四极质谱基本原理和背景知识的介绍,第二,三,四章是利用四极激发对四极滤质器的性能进行改进,第五,六,七章是对矩形离子阱的进 一步研究,包括性能改进和新方法。而第八章为总结和展望。 概括来说,本文对利用2D四极电场的两种质量分析器——四极滤质器和矩形离子阱,都进行了场型和性能的优化。而具体地来说,本文分为以下八个部分: 第一章:绪论。本章概述了四极杆质量分析器和四极离子阱的工作原理和前人的计算模拟工作,指出了模拟工作对四极质谱的实验和发展的重要性,并提出了本文的研究方向和研究思路。 第二章:方波四极滤质器质谱峰形的改进。用数值计算的方法,对工作在方波电压下的圆杆四极滤质器进行了模拟研究。通过对不同q值下离子通过率的计算,可以得出质谱分辨率。对于第一稳定区而言,最佳圆杆尺寸为r/r0=1.110-1.115,对于第二稳定区,r/r0=1.128-1.130。用低频四极激发电压对DC电压进行调制,在参数m=0.04-0.16和v=ω/O=1/8-1/14的条件下,对r/r0=1.130的圆杆四极滤质器进行谱峰优化,可以达到提高分辨率的效果。然而,对方波电压的振幅直接进行调制,却不能改善质谱峰。 第三章:四极激发产生的q=0.902附近的两个稳定岛的研究。通过数值方法模拟在主RF射频电压上加四极激发电压,可以把稳定区分割为不同的稳定岛。其中四极激发电压的频率较低v=1/10可以得到比四极激发频率高v=9/10更好的结果。DC+RF的工作模式可以得到高质量分辨率R0.1=2000,但离子分离所需要时间较长n=250。在RF工作模式下,不管四极激发的频率参数v=1/10还是v=9/10,质量分辨率R0.1=500-600,所需分离时间也很短n=50。在RF工作模式下,杆长大约只需要5cm。四极激发相位和主RF相位之间的相位差对于优化离子通过率有很重要的作用。对于不同的工作模式,RF和RF+DC,前者离子通过率以π/2为周期变化,后者离子周期以π为周期变化。离子的通过率和离子初始空间,速度分布也有紧密的联系。如果要使得最高通过率为15%,离子了质量M=3000 Th,单位质量分辨率,离子的初始空间分布参数为σx=0.015速度分布参数为σx=0.004。 第四章:串级四极质量分析器。本章讨论了一种只有RF射频工作电压的串级四极滤质器系统。该系统由两组四极杆组成。本章对该系统进行了模拟研究。对于去除高质荷比离子的四极杆Q1,用低幅低频四极激发电压,可以使q=0-0.2之间的高质荷比离子都被去除。根据模拟结果,Q1在40-50个RF周期下就可以有效去除低q值离子。Q1作为去除高质荷比离子的四极滤质器,被放置在Q2之前。四极激发和调制主RF射频电压这两种方法也可以在q=0.908附近产生小稳定岛。在40个RF周期的分离时间以内,利用这个小稳定岛,Q2可以产生R0.1=1150的质谱峰。 第五章:对可调节电场的离子阱的模拟研究。本章对于一种全新的矩形离子阱——可调节电场离子阱进行了模拟研究,这样的离子阱可以通过改变电极上的电压分布,改变其中电场性质,从而改变离子阱的性能。针对某一几何尺寸的可调节电场离子阱,通过改变这些参数,模拟质谱峰,可以得到最优化的场型和质谱峰。 第六章:离子阱阵列(Ion trap Array, ITA)的模拟优化。为了对一种新型的离子阱阵列(ITA)的结构进行优化,我们变化了该离子阱阵列的不同的结构参数,并找到这些参数和离子阱整列性能之间的关系。我们找到了使得ITA性能较好的结构参数,包括分辨率较高,和离子引出效率更大。有部分模拟结果已经被实验结果验证。 第七章:一种全新的质量选择离子选择传输方式。本章提出了一种全新的离子传输模式。首先,离子储存在一个线性离子阱里;然后,用低能量的三分频或者其他分频AC(激发电压);最后,用一个脉冲把特定质荷比的离子逐出并用另一个脉冲使其储存在另一个离子阱中。而其他的离子仍然留在原来的离子阱里。用这样的方式,实现了特定质荷比离子的传输和储存。这样的方法在模拟中可以获得最高55%的离子储存效率。并且可以在不同的离子q值条件下应用。通过这样的方法,可以充分利用离子阱里储存的所有离子,大幅度提高离子利用率和分析效率。 第八章:总结与展望,对全文的研究成果进行了总结和分析,指出了不足指出,改进方向和发展前景。


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