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。     

小型空间同位素质谱仪器的搭建

空间同位素探测对人类进一步探索太空有着重要意义。磁质谱具有分辨率高、动态范围宽、丰度灵敏度高等优点,主要用于同位素定量分析。然而,传统的磁质谱仪体积庞大、能耗高、造价及维护费用昂贵,使其在空间探测领域的应用面临着较大挑战。本研究设计并搭建了一套小型化的马赫型磁电双聚焦质谱仪,主要结构包括电子轰击电离源、静电分析器、磁分析器以及荧光屏检测器。质谱仪的物理部分尺寸24 cm×12 cm×9 cm,磁分析器场强0.85 T,采用荧光屏检测离子信号。实验采用标准氮气(m/z28)测试仪器性能,经离子成像处理软件计算可得m/z 28处的分辨率为65,灵敏度为3.28×10⁴ V/Pa,可检测质量范围达70 u。通过对仪器的关键部件进行小型化设计,可满足空间同位素探测任务的需求。     

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。     

小型飞行时间质谱装置的构建

飞行时间质谱仪（TOF MS）在准确度、分辨率、灵敏度、质量上限、分析速度等方面具有优势,在生命科学等领域发挥着重要作用。目前商用飞行时间质谱仪已经比较成熟,但仪器尺寸普遍较大,且价格昂贵,维护困难;而小型仪器则面临分辨率较低等问题。提高小型飞行时间质谱仪的分辨率,降低购置成本和维护成本,对于飞行时间质谱仪的大范围推广有着重要意义。本工作构建了一套分辨率较高的小型飞行时间质谱装置,包括真空系统、离子源、锥孔、引出加速及偏转模块、离子反射镜模块、探测器模块、电路系统等。该仪器主体尺寸较小（0.5 m×0.5 m×0.7 m）,飞行管长度仅0.25 m。由于采用了模块化设计思路,各个模块之间独立封装,仪器的维护、升级工作简单易行。该仪器的关键模块采用创新设计,使得在m/z 2 000处分辨率可达4 200。     

离子阱颗粒物质谱

离子阱颗粒质谱装置结合了激光诱导声波脱附离子化方法、四极离子阱或圆柱型离子阱质量分析器及电荷感应探测器,能够对微米量级的颗粒进行快速质量分析。目前已成功地测定了聚苯乙烯球、色谱填料、红细胞等颗粒。本文综述了离子阱颗粒质谱仪的构造、工作原理及最近的研究成果,并对颗粒质谱仪的未来提出了展望。     

质谱仪在深空探测中的应用

深空探测是对太阳系、银河系乃至宇宙空间的探测活动。质谱仪在深空探测活动中起着重要的作用。本研究首先介绍了各国探测器的探测任务,以及有效载荷中质谱仪的质量、体积、功耗、质量探测范围和分辨率等主要参数;然后,进一步分析了每种质谱仪的离子源类型、质量分析器类型和针对特殊任务做的改进;最后,通过比较各种类型质谱仪的性能,对质谱仪在今后深空探测任务中的应用前景进行了展望。     

质谱仪

质谱仪又称质谱计(Mass spectrometer),是一种进行质谱分析的仪器,即根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理,按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。     

双聚焦质谱仪的联动扫描技术简介

双聚焦质谱仪(尼尔-约翰逊型)由于质量分辨能力高,能够快速准确地测定离子的元素组成,是一种重要的有机结构分析工具.然而,它给出的常规质谱,只能说明分子离子可以生成哪些碎片离子,而不能说明离子间的起源关系.质量分离离子动能谱仪(反尼尔-约翰逊型)能够得到离子的裂解途径,为测定离     

串联飞行时间—付里叶变换离子回旋共振质谱仪

本文介绍一台串联飞行时间-付里叶变换离子回旋共振质谱仪的构造和主要技术参数。其中的离子回旋共振质谱仪用于分析与研究分子-离子反应,而其前级的飞行时间质谱计则用于对注入磁场前的离子进行质量选择。     

高压模块性能对数字离子阱质谱仪性能的影响

数字线性离子阱质谱仪的供电高压模块的稳定度、负载变化率等参数对数字离子阱的性能有很大影响。为了研究供电高压模块对仪器性能的影响,本工作基于正在研制的便携式数字线性离子阱质谱仪,以1 mg/L苯、甲苯、二甲苯、氯苯混合标准气体为检测对象,研究高压模块性能改进后仪器性能的变化情况。结果表明：通过增加稳压模块的方法,使离子阱质谱仪一级质谱的质量稳定性、离子响应,二级质谱的隔离效率都有较大幅度的提高;一级质谱中,离子的质量轴波动减小到之前的一半,响应值提高了10%以上,二级质谱离子的隔离效率提高了1.6倍。     

离子阱质谱计的研究现状及其进展

离子阱质量分析器中离子的运动在数学上可用二阶线性微分方程——Mathieu方程的解来描述，利用离子在Mathieu方程解的稳定性图中所具有的特性，可实现离子的质谱扫描。离子阱质谱计的小型化主要集中在对离子阱质谱计各组成部分（离子源、质量分析器、离子检测、真空系统）的小型化上。随着科技的不断发展，离子阱质谱计体积的小型化，分析对象的不断扩大，仪器性能上实现大质量范围、高分辨率和高灵敏度，以及成本的有效降低等，将是离子阱质谱计相关研究的主要趋势。     

非对称双曲面线形离子阱的设计及性能研究

为提升离子阱质量分析器的分析性能,本文提出一种非对称双曲面线形离子阱结构,通过优化离子出射方向上x电极的单向拉伸距离Δr_a,引入合理的非对称射频电场,从而提高离子单向出射效率。利用SIMION和AXSIM模拟软件分析非对称双曲面线形离子阱的内部电场分布、离子运动轨迹及模拟质谱图。结果表明,在性能优化的对称双曲面线形离子阱结构的基础上,其中1个x电极单向拉伸Δr_a=0.8 mm时,通过优化AC频率和扫描速率等参数,非对称双曲面线形离子阱的离子单向出射率可达90%以上,同时m/z 609离子的质量分辨率超过5 100。经优化几何结构后的非对称双曲面线形离子阱可在保证高质量分辨率的情况下,大幅提高离子检测效率,这在小型化质谱仪的开发中具有显著的优势。     

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。     

面向海洋应用的低真空质谱仪操作模式研究

为使质谱仪能够在低真空环境下进行质量分析,扩展其在海洋科学领域的应用,研究了适用于低真空环境的质量分析操作模式。针对圆柱形离子阱质量分析器,在COMSOL Multiphysics中基于Langevin碰撞理论搭建了低真空环境离子运动仿真平台。利用该平台模拟了不同低真空条件下,射频电压频率、射频电压零峰值、离子阱尺寸等参数对质谱仪分辨率和灵敏度的影响。结果表明,增大射频电压频率、减小离子阱尺寸等操作模式可适用于低真空环境质量分析。     

脉冲离子阱的设计

本文提出了一种适用于飞行时间质谱仪的新颖离子阱。它可在脉冲状态下工作，并可存储极宽质量范围的离子。离子的存储量与离子阱中心所加的负电位理论上成正比，并可选择被存储离子的能量范围，可做为能量过滤器，减小离子的能量分散对分辨本领的影响；特别是该离子阱具有独立于离子源而引入离子的特点，扩大了应用范围。与通常所用的三维四极离子阱相比，其机械加工和配套电子线路都比较简单，可在一般的实验室内制做。     

PCB离子阱质量分析器

目提出了一种利用普通印刷线路板（Printed Circuit Boards,PCB）加工构造离子阱质量分析器的新方法。用该方法制造的PCB离子阱仅由四块PCB平板电极和两块不锈钢薄片电极构成,具有结构简单、加工容易和价格低廉等优点,非常适合制造成低成本的便携式质谱仪。初步实验结果表明,应用这种方法所建造的PCB离子阱质谱仪系统,可以获得优于400的质量分辨率和300Thomson以上的质量扫描范围。     

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。     

一种面向低真空环境的质量分析方法仿真研究

在低真空环境进行质谱分析可以大幅降低仪器的成本、体积和功耗,实现质谱仪的便携化。在四极杆质量分析器中,增大压强会导致离子轴向运动能量不足,无法到达检测器。为解决这一问题,提出了一种使用顺向气流作为离子出射动力,适用于低真空环境的质量分析方法,并在COMSOL Multiphysics中搭建仿真模型进行验证。仿真结果表明,利用该方法得到的谱峰强度和谱峰宽度明显优于无气流条件下的分析结果。该研究成果为低真空质谱仪的研发奠定了理论基础,促进质谱仪便携化和传感器化、降低使用门槛、扩展应用领域。