小型化離子阱質(zhì)量分析器的研究.pdf

1、質(zhì)譜儀是一種常見的分析儀器，常用于物質(zhì)的定量、定性分析，在科研、生產(chǎn)、生活以及國防等方面有著廣泛的應用。其工作原理是將在電磁場中運動的離子按質(zhì)荷比的不同分離開來，并依次送入離子檢測器進行檢測，最后經(jīng)過相應的數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)對物質(zhì)的定性或定量檢測。經(jīng)過一個世紀的發(fā)展，人們相繼研制出了各種類型的質(zhì)譜儀，同時質(zhì)譜儀的性能也得到了不斷的提升。目前，質(zhì)譜儀的發(fā)展趨勢主要有兩個：一是發(fā)展高性能的質(zhì)譜儀，包括大分子、高通量、高靈敏度、高分辨率以及準確度等

2、，主要是面向?qū)嶒炇腋咚降臋z測需要；二是發(fā)展小型化便攜式的質(zhì)譜儀，主要是用于快速現(xiàn)場檢測分析以及某些對儀器體積和重量有嚴格限制的特殊場合。理論上，任何類型的質(zhì)譜儀都可以實現(xiàn)小型化，然而離子阱質(zhì)譜儀在小型化方面有很多優(yōu)點，包括：
　　 1.具有較高的靈敏度；
　　 2.正常工作時需要的射頻電壓較低；
　　 3.離子阱質(zhì)譜儀中的離子運行的軌跡較短，在較高的氣壓下亦可獲得足夠長的自由程，滿足檢測分析的需要；
　　

3、 4.離子阱質(zhì)譜儀可實現(xiàn)級聯(lián)，在復雜混合物的分析中可利用離子/分子反應來識別特殊的化合物，具有較高的選擇性。
　　 本文結(jié)合質(zhì)譜儀的小型化的發(fā)展趨勢和離子阱質(zhì)譜儀在小型化方面的優(yōu)勢，對小型化離子阱質(zhì)量分析器開展了相關的研究。離子阱質(zhì)量分析器的工作原理是處在四極場中的離子因其質(zhì)荷比的不同導致其運動軌跡有不同的穩(wěn)定性，通過改變產(chǎn)生四極場的條件繼而改變離子運動軌跡的穩(wěn)定性，從而將不同質(zhì)荷比的離子進行篩選和分離，繼而實現(xiàn)不同質(zhì)荷比離子

4、分開檢測的目的?；趯﹄x子阱質(zhì)譜儀性能的不同需求以及離子阱加工難度的折衷考慮，離子阱質(zhì)量分析器的幾何結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)三維離子阱到圓柱離子阱，再到矩形離子阱，再到最近提出的PCB 離子阱的演變。
　　 本文的研究內(nèi)容主要包括三個方面：
　　 1.矩形離子阱質(zhì)量分析器的研制。矩形離子阱是在傳統(tǒng)三維離子阱的基礎上發(fā)展出來的一種簡化的離子阱質(zhì)量分析器。本文通過SIMION仿真軟件對影響矩形離子阱性能的因素進行了仿真研究。研究的內(nèi)

5、容主要包括X、Y 電極間距00yx比值、矩形離子阱橫向截面的同一性、裝配時電極的電極間距誤差以及電極的錯位等對矩形離子阱的捕獲效率和離子彈出效率的影響。此外，通過對矩形離子阱內(nèi)部電場的分析，對離子阱的幾何結(jié)構(gòu)進行了相應的優(yōu)化設計。最后，根據(jù)仿真實驗結(jié)果和優(yōu)化設計，采用傳統(tǒng)機械加工的方法加工制作了矩形離子阱質(zhì)量分析器。
　　 2.基于MEMS 工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器的研制。平板線型離子阱是一種更為簡易的離子阱質(zhì)量分析器，作

6、為低成本的離子阱質(zhì)量分析器用于小型化離子阱質(zhì)譜儀。但之前的PCB 工藝的加工精度問題極大地影響了平板線型離子阱的性能和成品率，基于MEMS 工藝的平板線型離子阱恰好可以彌補這些不足。本文先是對影響平板線型離子阱性能的因素進行仿真研究，得到了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)。同時分析討論了鍵合對準以及表面電荷效應等對平板線型離子阱性能的影響，并給出了相應的解決方法。最后本文給出了平板線型離子阱的MEMS 工藝制作流程，加工出了實物器件。
　　 3.基

7、于MEMS 工藝的菱形離子阱質(zhì)量分析器的性能仿真和制作方法的研究。
　　 菱形離子阱是本文提出的一種新型的離子阱質(zhì)量分析器，是基于MEMS 工藝中濕法腐蝕對不同晶面選擇比不同的特點而提出的。本文首先介紹了菱形離子阱的結(jié)構(gòu)特點，以及菱形離子阱的工作原理。然后，通過SIMION仿真軟件對菱形離子阱的基本性能進行了仿真研究。最后，本文提出了陣列式菱形離子阱的MEMS工藝制作流程。
　　 本文對小型化離子阱質(zhì)量分析器的研究，主要