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。     

四极质量分析器的几何量检测研究

四极质量分析器是四极质谱仪的核心部件之一,其极杆加工及组件装配精度要求很高。介绍了四极质量分析器研制中其部件极杆、陶瓷座的几何量检测内容及自研装置,四极质量分析器装配组件的装配精度检测方法。批量生产的四极质量分析器的检测结果表明装配的综合精度可以稳定达到3μm以内,几何量的检测满足实际要求,质谱测试的分辨率达到1 500以上,性能达进口四极质量分析器水平。     

十极场成分对四极质谱性能的影响

从理论上研究了十极场A5,以及少量六极场A3、八极场A4等高阶场的产生方法以及它们对线形四极质谱性能的影响。结果表明,可以通过改变组成四极质量分析器的电极对称性,如使用特殊形状的电极将少量的十极场等高阶物加入到四极场中。也可以通过使用4根直径不等的圆柱形电极将十极场加入到四极场中,但此时也会有少量的十二极场A6、十六极场A8、二十极场A10等产生。这些高阶场成分的存在将会影响四极质谱的性能,如使得线形四极质量分析器的第一稳定区图的顶部形状发生改变,进而影响四极质谱的质量分辨能力等。但少量的六极场和八极场有助于四极质谱质量分辨能力的改善。     

四极杆质量分析器的研究现状及进展

四极杆质谱计是目前最成熟、应用最广泛的小型质谱计之一。四极杆质量分析器通过在双曲面四极杆上接入射频信号产生四极场,离子在四极场中受到强聚焦作用而向分析器的中心轴聚焦。四极杆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。经过五十多年的发展,四极杆质谱计已成为一种技术相当成熟的商用仪器,其相关研究近年来呈现出上升趋势,体积小型化,分析对象不断扩大,仪器性能实现高分辨、大质量范围、快速分析以及成本低价化将是四极杆质谱计相关研究的主要趋势。     

四极杆质量分析器的杆系位置度检测方法研究

四极杆质量分析器是四极质谱仪的核心部件之一,主要由四根圆柱极杆组成,四根极杆之间的相互位置决定其物理性能,其位置度检测十分关键。由于极杆较长,且四极杆质量分析器中无基准平面,常用的位置度检测方法不适合该位置度检测及评定。通过测量不同轴截面处相邻极杆距离、相对极杆距离,根据测量数据进行位置度评价的方法适合四极杆质量分析器的杆系位置度评价,也适合类似杆系的位置度检测。     

高精度陶瓷镀金极杆的制造技术

陶瓷镀金极杆是高端四极质量分析器的核心零件,其精度与表面质量要求高,制造难度大,目前国内尚无研制报道。提出了一种陶瓷镀金极杆的精密制造工艺方法,采用"陶瓷基体精密磨削-化学镀镍磷合金-金刚石超精密切削镍磷合金层-电镀金"的工艺路线,攻克了陶瓷基杆上化学镀镍磷合金及镍磷合金层的金刚石超精密切削两项关键工艺,成功制造出了高精度镀金极杆(φ12mm×150mm规格),其整杆圆度(0.1~0.4)μm,圆柱度小于1μm,表面粗糙度Ra小于0.02μm,完全满足高精度四极质量分析器对极杆的制造精度要求。采用制造的陶瓷镀金极杆,研制出了国内首套高精度陶瓷镀金四极质量分析器,经检测其综合几何精度达到了2.25μm。     

四极质量分析器装配工艺研究

四极杆质谱计是目前最成熟、应用最广泛的小型质谱计之一。四极杆质量分析器是四极式质谱仪的核心部件,使离子在四极场中受到强聚焦作用而向分析器的中心轴聚焦。四极质量分析器零件主要精度误差都要求小于0.002mm,且组件平行度、位置度误差要求均小于0.004mm,传统装配方法已经很难满足精度要求。提出了一种基于手工修研的装配方法,利用该方法装配了一套150型四极质量分析器,最高装配内切圆精度误差小于0.0015mm。     

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。     

四极杆离子光学和串联振荡电子学系统

四极杆和飞行时间质谱是液相色谱-质谱（LC/MS）、三重四极杆质谱（QQQ）和四极杆-飞行时间质谱（Q TOF）等质谱仪器中必备的核心部件,也是我国亟待研发的国产化仪器。目前,国内对质谱仪器的研制热情日益高涨,得到了国家相关部门的高度认可和广大研发人员的积极响应。本综述基于作者课题组多年的研制经验,从质谱仪器研发的角度介绍实现离子光学系统和电子学系统的技术原理。首先回顾四极杆的基本原理;然后着重讨论加工和装配精度对提高四极杆分辨率的重要性,以及四极杆尺寸选择对射频电压控制的影响;最后重点介绍四极杆串联振荡电子学系统以及在系统中起关键作用的阻抗匹配,希望能为质谱仪器研制提供参考。     

M6单四极杆质谱仪的性能与特点

本文主要介绍M6单四极杆质谱仪的主要性能和特点,主要包括真空系统、离子源、质量分析器、检测器、电子系统以及软件系统。     

Linear quadrupoles in mass spectrometry

The use of linear quadrupoles in mass spectrometry as mass filters and ion guides is reviewed. Following a tutorial review of the principles of mass filter operation, methods of mass analysis are reviewed. Discussed are extensions of quadrupole mass filters to higher masses, scanning with frequency sweeps of the quadrupole waveform, operation in higher stability regions, and operation with rectangular or other periodic waveforms. Two relatively new methods of mass analysis the use of “islands of stability” and “mass selective axial ejection” are then reviewed. The optimal electrode geometry for a quadrupole mass filter constructed with round rods is discussed. The use of collisional cooling in quadrupole ion guides is discussed along with ion guides that have axial fields. Finally, mass analysis with quadrupoles that have large distortions to the geometry and fields is discussed. An Appendix gives a brief tutorial review of definitions of electrical potentials and fields, as well as the units used in this article. © 2009 Wiley Periodicals, Inc., Mass Spec Rev 28:937–960, 2009     

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。     

Higher order parametric excitation modes for spaceborne quadrupole mass spectrometers

This paper describes a technique to significantly improve upon the mass peak shape and mass resolution of spaceborne quadrupole mass spectrometers (QMSs) through higher order auxiliary excitation of the quadrupole field. Using a novel multiresonant tank circuit, additional frequency components can be used to drive modulating voltages on the quadrupole rods in a practical manner, suitable for both improved commercial applications and spaceflight instruments. Auxiliary excitation at frequencies near twice that of the fundamental quadrupole RF frequency provides the advantages of previously studied parametric excitation techniques, but with the added benefit of increased sensed excitation amplitude dynamic range and the ability to operate voltage scan lines through the center of upper stability islands. Using a field programmable gate array, the amplitudes and frequencies of all QMS signals are digitally generated and managed, providing a robust and stable voltage control system. These techniques are experimentally verified through an interface with a commercial Pfeiffer QMG422 quadrupole rod system. When operating through the center of a stability island formed from higher order auxiliary excitation, approximately 50% and 400% improvements in 1% mass resolution and peak stability were measured, respectively, when compared with traditional QMS operation. Although tested with a circular rod system, the presented techniques have the potential to improve the performance of both circular and hyperbolic rod geometry QMS sensors.     

转子偏斜角不对中对滑动轴承系统运行稳定性的影响

为了进一步了解转子偏斜角误差对滑动轴承系统运行稳定性的影响,建立了带有转子偏斜角误差的滑动轴承系统动力学模型,研究了不同程度的转子偏斜角误差对滑动轴承油膜厚度分布、油膜压力场的分布、系统承载能力、工作运行稳定性以及轴颈摩擦功率损耗的影响.其结果表明,转子偏斜角误差的存在将会对油膜厚度分布和油膜压力场分布产生显著的影响;...     

基于ZYNQ的ICP-MS数据采集处理系统设计与实现

数据采集系统是电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)的重要组成部分。本研究针对ICP-MS需要同步采集脉冲和模拟信号,且信号信噪比低的问题,提出了一种基于ZYNQ芯片的数据采集处理解决方案。利用ZYNQ集处理器和可编程逻辑于一体的特性,在ARM端搭载了用于流程控制及以太网通讯的FreeRTOS实时操作系统,在FPGA端基于FIR compiler和MCDMA IP核实现了数据的采集、缓存、动态滤波及传输。脱机测试结果表明,脉冲计数误差率小于0.000 5%,模拟计数线性度高达0.999 98,数字滤波幅频特性曲线与理论基本一致。在本团队自行研制的ICP-MS仪器中,利用本系统测试标准调谐液TUNE D,数据采集满足仪器需求,配置64阶低通滤波后,模拟计数中¹¹⁵In谱峰信噪比提高了49.59%。该系统FPGA端各资源占用率均小于50%,片上总功耗仅为2.28 W,有利于推动质谱仪小型化、智能化发展。     

考虑安装基座影响的光电平台等价捷联惯性稳定控制

采用陀螺仪直接测量光电平台内部载荷的惯性角速度构建反馈,可以在运动载体上控制视轴惯性角速度,实现稳定成像。陀螺捷联惯性稳定控制能够构建前馈,有效提高系统带宽、减小控制误差,但对陀螺安装位置有要求。本文提出了在陀螺直接反馈的机械安装条件下等价捷联稳定的控制方法,并考虑平台基座约束条件建立了动力学模型。该模型显露了光电平台基座安装刚度引入的谐振问题。针对被控对象中的一对谐振和反谐振环节,基于稳定的零极点对消设计滤波器消除谐振。综合利用陀螺直接测量的框架惯性角速度和编码器测量的机械框架相对转角构建等价捷联惯性稳定回路。在等价捷联惯性稳定回路中,采用内回路干扰抑制结合基于逆模型前馈的复合控制方法,有效拓展控制带宽,提高对指令的跟踪精度和对载体姿态晃动的隔离性能。仿真和实验结果表明:该方法有效抑制了安装基座弹性约束力矩的谐振,且与陀螺直接反馈控制相比性能更优。对幅值为1(°)/s、频率为1 Hz的典型正弦角速度指令进行跟踪,均方根误差由1.75(°)/s减小到0.23(°)/s,在1 Hz处扰动隔离度由18%减小到2%。     

A Technique for Rating the Temporal Position of the Spectral Lines of a Quadrupole Mass Spectrometer and Automatic Determination of Mass Numbers

A technique for rating the temporal position of the spectral lines of a quadrupole mass spectrometer and for automatic determination of mass numbers without using reference substances is described, along with algorithms for digital recording of mass spectra and the technical facilities of an experimental automated system based on a commercial MX-7304A mass spectrometer and IBM PC. The error in determining mass numbers evaluated from the results of experimental studies of the peak drift dynamics and tests of the technique under actual conditions is below 0.1%.