基于印刷線路板(PCB)的矩形離子阱及陣列離子阱質(zhì)譜儀的研發(fā).pdf

1、質(zhì)譜分析方法在物質(zhì)分析和檢測(cè)中具有很高的靈敏度,是世界上應(yīng)用最廣泛的分析技術(shù)之一。國(guó)際公認(rèn)的許多分析標(biāo)準(zhǔn)都明確規(guī)定要有質(zhì)譜數(shù)據(jù)。目前,質(zhì)譜儀已經(jīng)成為許多領(lǐng)域的必備分析儀器,并在制藥、生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)、食品安全、興奮劑檢測(cè)、邊防安檢、航天和軍事技術(shù)等諸多熱點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。雖然質(zhì)譜儀在很多的分析領(lǐng)域內(nèi)都取得了巨大的成功,但是它也存在一些局限性。首先,現(xiàn)有的商業(yè)質(zhì)譜儀大多體積龐大、價(jià)格昂貴且維護(hù)費(fèi)用高,一臺(tái)大型的質(zhì)譜儀需

2、要幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)美元。如此高昂的價(jià)格使得質(zhì)譜儀無(wú)法在更大范圍內(nèi)推廣。其次,在很多領(lǐng)域,特別是制藥和生物學(xué)領(lǐng)域,需要分析的樣品數(shù)量非常龐大,現(xiàn)有質(zhì)譜儀的分析效率無(wú)法滿(mǎn)足其需求。很多制藥廠都配備幾十臺(tái)甚至幾百臺(tái)質(zhì)譜儀,使得制藥的成本居高不下。因此,當(dāng)今質(zhì)譜儀的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:(1)價(jià)格低廉化和小型化;(2)高通量質(zhì)譜分析。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各個(gè)行業(yè)對(duì)質(zhì)譜儀的需求將越來(lái)越大。但是,除少數(shù)質(zhì)譜檢漏儀之外,中國(guó)的質(zhì)譜儀市場(chǎng)

3、幾乎全部被進(jìn)口產(chǎn)品占領(lǐng)。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家估計(jì),到2010年,中國(guó)進(jìn)口質(zhì)譜儀的交易額將超過(guò)50億元人民幣,而這些進(jìn)口質(zhì)譜儀還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)的需求。因此,研究和開(kāi)發(fā)我國(guó)自己的質(zhì)譜儀已刻不容緩。近年來(lái),中國(guó)政府也積極鼓勵(lì)質(zhì)譜儀的研發(fā),“十五”期間,科技部在科技攻關(guān)重大項(xiàng)目“科學(xué)儀器的研制與開(kāi)發(fā)”中設(shè)立了課題“質(zhì)譜聯(lián)用儀器的研制與開(kāi)發(fā)”,國(guó)內(nèi)科學(xué)工作者也開(kāi)始積極投入到質(zhì)譜儀的研發(fā)工作中。目前,在四極桿質(zhì)譜儀、矩形離子阱質(zhì)譜儀以及氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀等

4、技術(shù)的研究已經(jīng)取得了部分成果。但是,核心技術(shù)不足以及沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)等問(wèn)題依然突出,針對(duì)目前質(zhì)譜儀的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)質(zhì)譜儀的發(fā)展現(xiàn)狀,我們提出了制造低成本質(zhì)譜儀和高通量質(zhì)譜儀的方法。本文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)為:(1)設(shè)計(jì)了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、可用于高通量質(zhì)譜分析的陣列離子阱質(zhì)量分析器;(2)將普通的印刷線路板(PCB)材料和加工技術(shù)用于制造離子阱質(zhì)譜儀,大大降低了質(zhì)譜儀的制造成本;(3)把近年來(lái)剛剛發(fā)展起來(lái)的數(shù)字化離子阱技術(shù)應(yīng)用到矩形離

5、子阱質(zhì)譜儀上,提高了矩形離子阱的質(zhì)量范圍等分析指標(biāo)。全文共分六章,主要內(nèi)容概述如下:第一章:緒論。本章概述了質(zhì)譜分析技術(shù)的原理和發(fā)展歷程,對(duì)目前質(zhì)譜儀器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀作出了評(píng)述,并指出價(jià)格低廉化、小型化以及高通量分析是未來(lái)質(zhì)譜儀的發(fā)展方向。文中著重介紹了離子阱的特點(diǎn)、種類(lèi)和工作原理,并闡述了離子阱在質(zhì)譜儀小型化和價(jià)格低廉化方面的特有優(yōu)勢(shì)。基于這些評(píng)述和總結(jié),提出了本文的研究方向和研究思路。第二章:電子轟擊電離源—PCB離子阱質(zhì)譜儀的開(kāi)

6、發(fā)。矩形離子阱是一種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的線型離子阱。目前,矩形離子阱一般都采用不銹鋼通過(guò)精密機(jī)械加工而成,其加工成本仍然比較高。我們將PCB材料及加工技術(shù)用于制造矩形離子阱,使用這種方法制造出的PCB離子阱具有非常低廉的價(jià)格。本章介紹了利用普通PCB材料及加工技術(shù)制造矩形離子阱的過(guò)程,并對(duì)PCB離子阱內(nèi)部的電場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算和分析。我們還建造基于電子轟擊電離源的PCB離子阱質(zhì)譜儀系統(tǒng),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該儀器系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估。實(shí)驗(yàn)證明,該P(yáng)CB離

7、子阱質(zhì)譜儀具有大于400的質(zhì)量分辨率和大于300Th的質(zhì)量范圍,并且具有離子質(zhì)量隔離和離子質(zhì)量選擇激發(fā)等功能。第三章:電噴霧電離源—PCB離子阱質(zhì)譜儀的開(kāi)發(fā)。為提高PCB離子阱的性能,我們引入了電噴霧電離源和近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的數(shù)字化離子阱技術(shù),建造了基于電噴霧電離源的數(shù)字化PCB離子阱質(zhì)譜儀器系統(tǒng)。本章介紹了該儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程,包括三級(jí)差分真空系統(tǒng)的建立、數(shù)字化離子阱的電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及電噴霧電離源的設(shè)計(jì)等,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該質(zhì)譜儀器的性能

8、進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估。實(shí)驗(yàn)證明,其質(zhì)量范圍大于2600Th、質(zhì)量分辨率大于500。在實(shí)驗(yàn)中,我們只使用了幅度為200V(半峰值)的數(shù)字束縛電壓信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)PCB離子阱,因此,其質(zhì)量范圍仍有很大的提升空間,這使得PCB離子阱應(yīng)用在生命科學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等需要對(duì)高質(zhì)荷比離子進(jìn)行分析的領(lǐng)域成為可能。第四章:PCB陣列離子阱質(zhì)譜儀的開(kāi)發(fā)。本章介紹了一種新型的質(zhì)量分析器一陣列離子阱的設(shè)計(jì)過(guò)程和工作原理。陣列離子阱僅由1對(duì)PCB電極和2對(duì)不銹鋼平板電極構(gòu)成

9、,具有非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和低廉的造價(jià)。但是,這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且造價(jià)低廉的陣列離子阱卻具有強(qiáng)大的功能,每個(gè)陣列離子阱中含有多個(gè)質(zhì)量分析通道,每個(gè)通道都具有傳統(tǒng)離子阱的功能,如離子儲(chǔ)存、質(zhì)量分析、離子質(zhì)量隔離和離子質(zhì)量選擇激發(fā)等。我們建造了基于電子轟擊電離源的PCB陣列離子阱質(zhì)譜儀器系統(tǒng),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估。實(shí)驗(yàn)證明,該儀器系統(tǒng)取得了大于1300的質(zhì)量分辨率和超過(guò)500Th的質(zhì)量范圍。另外,我們從PCB陣列離子阱的兩個(gè)不同的通道中都

10、得到了質(zhì)譜圖,從實(shí)驗(yàn)上證明了它具有高通量質(zhì)譜分析的能力。第五章:PCB陣列離子阱的幾何尺寸優(yōu)化。離子阱的分析性能是由離子阱內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)決定的,而離子阱內(nèi)部的電場(chǎng)則直接受到離子阱的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸的影響。本章通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)PCB陣列離子阱的幾何尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。我們首先建立了一個(gè)3通道的陣列離子阱的計(jì)算機(jī)模型,通過(guò)修改相應(yīng)的幾何參數(shù),研究了不同幾何尺寸的陣列離子阱內(nèi)部的高階電場(chǎng)分布情況。我們還通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得到了離子在不