【摘要】：在眾多的分析測試方法中,質(zhì)譜被認(rèn)為是一種同時(shí)具備高選擇性和高靈敏度且得到了廣泛應(yīng)用的普適性方法。在過去的二、三十年內(nèi),質(zhì)譜已經(jīng)變成分析化學(xué)領(lǐng)域最為核心的分析技術(shù),尤其是對(duì)生物大分子的分析。質(zhì)譜的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛,遍及航天、地質(zhì)、冶金、制藥、法醫(yī)、生命科學(xué)、食品安全、環(huán)境污染、國土安全等領(lǐng)域。 質(zhì)譜技術(shù)的產(chǎn)生和不斷進(jìn)步是伴隨著近代電磁學(xué)理論的建立和完善而發(fā)展的。從1897年J.J. Thomson發(fā)明的第一個(gè)陰極射線真空管測量電子的質(zhì)荷比開始,到今天一百多年的時(shí)間內(nèi),質(zhì)譜的發(fā)展日新月異。二十多種離子源可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類、不同狀態(tài)的樣品,在不同的工作條件下進(jìn)行檢測,結(jié)合不同的質(zhì)量分析器,得到豐富的樣品化學(xué)和結(jié)構(gòu)信息。質(zhì)譜儀在進(jìn)入到二十一世紀(jì)后,一個(gè)最主要的發(fā)展方向是小型化和便攜化,擺脫質(zhì)譜儀體積、重量上的限制,讓質(zhì)譜分析走出實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)樣品的實(shí)時(shí)、實(shí)地的檢測。眾多的質(zhì)量分析器中,四極離子阱質(zhì)量分析器因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、工作氣壓高、串級(jí)質(zhì)譜性能、造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)成為質(zhì)譜儀小型化和便攜化的首選。四極離子阱質(zhì)譜再次成為質(zhì)譜界的研究熱點(diǎn)。 離子阱的發(fā)展過程中,1953年P(guān)aul提出四極離子阱的理論,1987年商業(yè)化的離子阱質(zhì)譜儀面世,此時(shí)的離子阱為三維離子阱,由兩個(gè)端蓋電極和一個(gè)環(huán)電極組成,電極的工作面均為雙曲面。阱中的離子受到三維方向上的電壓作用,被束縛在一個(gè)點(diǎn)上,離子的存儲(chǔ)空間和存儲(chǔ)效率受限。此外,雙曲面電極的加工和組裝一直是三維離子阱的難題。2002年Thermo公司提出了直線型離子阱,僅在徑向上的兩個(gè)方向采用雙曲面電極,軸向上改用平板電極,將阱中離子的運(yùn)動(dòng)軌跡束縛在一條線上,離子存儲(chǔ)空間和存儲(chǔ)效率顯著提高。2004年作為雙曲面直線形離子阱的簡化版本,矩形離子阱的出現(xiàn)使得離子阱的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化,保證性能的同時(shí),對(duì)阱電極的加工和組裝的要求降低,一系列基于矩形離子阱的便攜式質(zhì)譜儀被開發(fā)和研究,但是矩形離子阱仍然存在諸多問題,包括電極的組裝精度、對(duì)稱性等因素,均有待進(jìn)一步的提高,這也限制了其商業(yè)化推廣 離子阱質(zhì)量分析器的一個(gè)最大優(yōu)勢是串級(jí)質(zhì)譜能力,可以在單一質(zhì)量分析器內(nèi)實(shí)現(xiàn)多級(jí)串級(jí)質(zhì)譜分析。串級(jí)質(zhì)譜在生物蛋白和肽段的測序以及研究分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)方面是強(qiáng)有力的分析手段,也一直是質(zhì)譜界的研究熱點(diǎn)。目前已經(jīng)發(fā)展的離子阱中進(jìn)行的串級(jí)質(zhì)譜分析方法主要有碰撞誘導(dǎo)解離、電子捕獲解離和電子轉(zhuǎn)移解離技術(shù),其中以碰撞誘導(dǎo)解離技術(shù)使用最為普遍。 本論文的主要研究方向?yàn)樾滦偷碾x子阱質(zhì)量分析器和氣相離子解離方法。具體內(nèi)容分為兩部分,第一部分是新型的離子阱質(zhì)量分析器的研究,主要針對(duì)若干具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型線形離子阱的設(shè)計(jì),制作和性能進(jìn)行討論。第二部分是采用偶極直流驅(qū)動(dòng)的碰撞誘導(dǎo)解離方法進(jìn)行離子阱中串級(jí)質(zhì)譜分析。主要研究成果如下： 1.無論是傳統(tǒng)的三維離子阱,還是近期發(fā)展的線形離子阱,電極均采用金屬材料一般為不銹鋼制作。電極的固定以及相互之間保持電絕緣需要額外的非金屬、絕緣材料來實(shí)現(xiàn),普遍采用的是陶瓷材料。一個(gè)離子阱的加工和組裝精度,不僅需要高精度的不銹鋼電極,還需要高精度的陶瓷材料。我們采用陶瓷材料直接作為離子阱的電極,電極的表面鍍上一層金屬膜,用于電壓的施加。x、y電極的兩端不鍍金,且各開有一小孔,用于電極的組裝同時(shí)保持徑向上x、y電極對(duì)與端蓋電極的絕緣,通過8個(gè)螺絲將x、y方向電極與端蓋電極固定,即得到陶瓷電極矩形離子阱。整個(gè)阱的組裝完全手動(dòng)完成,并保持組裝精度為±10微米。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,陶瓷電極矩形離子阱具有與金屬電極的離子阱相當(dāng)?shù)男阅堋?2.離子阱中的電場主要是四極電場,物理上講,完美的四極電場具有最佳的分析性能,而完美的四極電場要求電極為雙曲面結(jié)構(gòu),而高精度的雙曲面電極的加工難度非常大。矩形離子阱的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,易于加工和組裝。但是過于簡單的結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致阱內(nèi)的電場成分較為復(fù)雜,離子引入小孔和離子引出槽均會(huì)增加阱內(nèi)的高階場成分。離子阱的幾何結(jié)構(gòu)將直接決定阱中的電場分布,在眾多幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)中,場半徑比即(x0/y0)一直是最為主要的因素。我們?cè)O(shè)計(jì)加工了系列不同場半徑比例的陶瓷電極矩形離子阱,通過理論模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,并對(duì)其性能進(jìn)行比較,完成了矩形離子阱幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。 3.矩形離子阱內(nèi)除四極電場外,多種成份的其它各種高階場直接影響離子在阱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡和離子阱的性能。目前從理論上還無法預(yù)測高階場成分對(duì)質(zhì)譜性能的影響。我們通過測定不同幾何結(jié)構(gòu)的矩形離子阱的穩(wěn)定圖,并根據(jù)得到的不同情況下的穩(wěn)定圖結(jié)構(gòu)分析了離子阱的質(zhì)譜性能。研究結(jié)果表明：可以通過比較實(shí)驗(yàn)測得的穩(wěn)定圖結(jié)構(gòu)來判斷其離子阱質(zhì)譜儀的性能如質(zhì)量分辨能力等。此外,對(duì)于y-方向拉伸結(jié)構(gòu)的矩形離子阱,其實(shí)驗(yàn)繪制得到的是不完整的穩(wěn)定圖。通過采用四極直流電壓調(diào)制的方法,可以對(duì)v方向拉伸結(jié)構(gòu)的矩形離子阱的性能進(jìn)行改善,提高阱的質(zhì)量分辨能力。 4.相對(duì)于傳統(tǒng)離子阱中正弦波電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù),數(shù)字離子阱是一種全新的離子阱工作模式,采用數(shù)字方波電壓驅(qū)動(dòng)離子阱,方波的幅度固定,通過掃描方波的頻率完成質(zhì)量掃描,具有獨(dú)特的優(yōu)勢。本論文研究了方波驅(qū)動(dòng)電壓下矩形離子阱的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化,針對(duì)數(shù)字方波驅(qū)動(dòng)電壓下矩形離子阱的性能,以及針對(duì)數(shù)字方波電壓的幅度、掃速等因素對(duì)阱性能的影響進(jìn)行了較深入的研究。 5.直線型離子阱中離子從軸向上經(jīng)過端蓋電極上的小孔進(jìn)入離子阱中被束縛,最后通過x-電極上的引出槽從阱中彈出被檢測。引入小孔和引出槽均會(huì)破壞離子阱內(nèi)的電場。在線形離子阱中,引出槽的影響尤為明顯,直接決定離子阱的分析性能。在現(xiàn)有的線形離子阱包括矩形離子阱中,均采用寬度小于1毫米的引出槽結(jié)構(gòu),對(duì)電極的加工以及高精度組裝提出很高的要求。本論文提出一種柵網(wǎng)電極線形離子阱,在x-電極上中間開有大面積的孔洞并裝載柵網(wǎng)。柵網(wǎng)電極的使用既能彌補(bǔ)電極孔洞部分的電場,同時(shí)保證了離子的通過率。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種簡易的柵網(wǎng)電極制作方法并完成了不同結(jié)構(gòu)的柵網(wǎng)電極線形離子阱的組裝,并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了檢測。 6.離子阱是唯一可以在單一設(shè)備中進(jìn)行多級(jí)串級(jí)質(zhì)譜分析的質(zhì)量分析器,因此,離子阱中進(jìn)行的串級(jí)質(zhì)譜分析方法倍受關(guān)注。目前,最為主流的方法是碰撞誘導(dǎo)解離技術(shù)。通過施加一對(duì)低幅度的交流電壓,使阱中特定質(zhì)量數(shù)的離子在交流電壓條件下發(fā)生共振,與中性分子發(fā)生碰撞后實(shí)現(xiàn)解離。本論文提出一種偶極直流電壓驅(qū)動(dòng)下的碰撞誘導(dǎo)解離方法,該解離方法新穎且易于實(shí)現(xiàn),通過改變偶極激發(fā)電壓的占空比產(chǎn)生一對(duì)偶極直流電壓,實(shí)現(xiàn)氣相化學(xué)和生物分子離子的解離,證實(shí)了該解離方法的普適性。 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,并針對(duì)四極離子阱質(zhì)量分析器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了著重介紹和詳細(xì)論述�；谶@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：陶瓷電極矩形離子阱的研究。本章對(duì)陶瓷電極矩形離子阱的設(shè)計(jì)和組裝、性能進(jìn)行了闡述,完成了矩形離子阱的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作,確定了最佳的場半徑比例和對(duì)稱性,同時(shí)介紹了穩(wěn)定圖的繪制方法及其與離子阱性能的關(guān)系。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和討論。 第三章：數(shù)字波驅(qū)動(dòng)下陶瓷電極矩形離子阱的研究。本章首先對(duì)數(shù)字離子阱的原理及研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。進(jìn)行了數(shù)字離子阱模式下的矩形離子阱的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。針對(duì)數(shù)字方波電壓驅(qū)動(dòng)下離子阱的分辨率的影響因素進(jìn)行詳細(xì)討論。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和討論。 第四章：柵網(wǎng)電極離子阱的開發(fā)與研究。本章論述了一種全新的離子阱質(zhì)量分析器柵網(wǎng)電極線性離子阱的設(shè)計(jì)、加工并對(duì)其性能包括分辨率和串級(jí)質(zhì)譜等進(jìn)行了研究。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和討論。 第五章：偶極直流電壓驅(qū)動(dòng)的碰撞誘導(dǎo)解離方法。首先介紹了離子阱中常用的串級(jí)質(zhì)譜解離方法,對(duì)DDC驅(qū)動(dòng)的CID方法的原理和裝置進(jìn)行了闡述,并展示了該方法對(duì)有機(jī)藥物分子和多肽分子上的應(yīng)用,以及解離時(shí)間對(duì)最終結(jié)果的影響。此外,初步研究發(fā)現(xiàn),該解離方法對(duì)腦啡肽樣品可以實(shí)現(xiàn)主要碎裂片段a4和b4離子的選擇性解離。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和討論。 第六章：總結(jié)與展望。對(duì)全文取得的研究成果進(jìn)行了總結(jié)和分析,同時(shí)也指出了目前研究工作中存在的不足之處,并提出了可能的下一步的改進(jìn)方案。
【圖文】：

通過真空取向小孔進(jìn)入質(zhì)譜儀的真空腔體中，得到檢測。毛細(xì)管的尖端發(fā)生的電噴霧過程如圖1.2所示，在正離子模式下，，電噴霧噴針（即毛細(xì)管）上施加很高的直流電壓（一般在2-5 kV)，其相對(duì)真空取樣小孔（電壓在100V左右）保持很高的正電位，導(dǎo)致毛細(xì)管內(nèi)正電荷離子匯聚于毛細(xì)管末端，負(fù)離子電荷則向另一端移動(dòng)和匯聚。液體表面大量的正電荷離子之間會(huì)相互排斥，并從針尖的液體表面擴(kuò)展出去，當(dāng)靜電場力與液體的表面張力保持平衡時(shí)，液體表面形成一個(gè)半頂角為49.3°的"Taylor"錐體。隨著小液滴的不斷變小，電場強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，過剩的正電荷克服表面張力形成小液滴，從Taylor錐體的尖端噴射出來t66，73.75]。Mela] Plate-100 VESI Droplets/一 ## M..? S

本文編號(hào)：2565390