【摘要】：在眾多的分析測試方法中,質(zhì)譜分析方法被認(rèn)為是一種同時(shí)具備高特異性和高靈敏度的普適性分析方法,是世界上應(yīng)用最廣泛的分析技術(shù)之一。目前,質(zhì)譜儀器不僅在許多科學(xué)研究領(lǐng)域中得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用,也在諸如環(huán)境監(jiān)測、食品安全等社會民生方面發(fā)揮著越來越重要的作用。不幸的是,雖然質(zhì)譜分析方法在分析領(lǐng)域中有著舉足輕重的地位,但是質(zhì)譜儀器龐大的體積、高昂的價(jià)格以及巨額的后期維護(hù)費(fèi)用都限制了質(zhì)譜儀器的大規(guī)模普及和推廣應(yīng)用。目前,在很多的分析過程中,人們更傾向于現(xiàn)場實(shí)時(shí)分析,而不是取樣再送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測,比如現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測、緊急情況下的危險(xiǎn)物爆炸物的檢測、工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)測等。在分析過程中難免會遇到一些重復(fù)分析的過程,如平行檢測大量的藥物或者生物樣品,現(xiàn)有儀器的常規(guī)分析通量大大限制了分析速度,讓不同的樣品逐個(gè)進(jìn)入質(zhì)譜儀器完成分析非常繁瑣,而增加儀器數(shù)量則必然會帶來成本的增加。所以,質(zhì)譜儀器的小型便捷化和高通量質(zhì)譜分析已經(jīng)成為了現(xiàn)代質(zhì)譜儀器發(fā)展的兩個(gè)重要方向。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,越來越多的行業(yè)開始接觸到質(zhì)譜分析方法并對質(zhì)譜儀的需求越來越大,據(jù)相關(guān)資料報(bào)道,2003年我國進(jìn)口了300臺質(zhì)譜類儀器,2005年進(jìn)口了950臺,2007年達(dá)到了1700臺,2009年和2010年則分別為3600臺和4000臺。目前,每年進(jìn)口質(zhì)譜儀器已超過5000臺,而且數(shù)量仍有上升的趨勢。但是由于中國質(zhì)譜儀器行業(yè)起步晚,而且在起步初期支持較少,直接導(dǎo)致了中國的質(zhì)譜市場幾乎全部被進(jìn)口產(chǎn)品壟斷。因此,研究和開發(fā)屬于我們中國自己的質(zhì)譜儀器已經(jīng)是個(gè)刻不容緩的課題。近十年來,中國政府在質(zhì)譜儀器的研發(fā)上也給予了相當(dāng)大的重視,“十五”國家科技攻關(guān)重大項(xiàng)目《科學(xué)儀器研制與開發(fā)》與“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目《科學(xué)儀器設(shè)備研制與開發(fā)》中均設(shè)有質(zhì)譜核心技術(shù)及關(guān)鍵部件研究的子項(xiàng)。目前,國內(nèi)的質(zhì)譜儀器市場已經(jīng)取得了一些可喜的成果,但總體來說由于核心技術(shù)以及自主知識產(chǎn)權(quán)等問題,這些國產(chǎn)儀器與國際先進(jìn)儀器仍然存在著較大的差距。鑒于目前質(zhì)譜儀器研發(fā)的現(xiàn)狀以及對于小型化、便攜化、高通量分析方法和自主知識產(chǎn)權(quán)的需求,我們選擇了線性離子阱作為研究的方向。在目前眾多的質(zhì)譜儀器中,離子阱質(zhì)量分析器擁有其獨(dú)特的優(yōu)勢：體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、真空要求低(可以在較高的氣壓下工作)以及單一質(zhì)量分析器即可完成串級質(zhì)譜分析的功能,這些特點(diǎn)對于實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜儀器的小型化以及高通量分析均有著重要的意義。早在上個(gè)世紀(jì)50年代德國波恩大學(xué)的Paul等人就提出了一種被后人稱為Paul阱的三維離子阱,這個(gè)裝置是由3個(gè)電極組成,包括2個(gè)端蓋電極和1個(gè)環(huán)電極,這些電極的工作面均為雙曲面。但由于三維離子阱本身三維存儲的特性,離子阱的離子都會向著中心點(diǎn)靠攏,導(dǎo)致離子的中心聚集,離子之間存在巨大的庫侖力相互作用,這直接導(dǎo)致了三維離子阱的離子存儲容量以及存儲效率的下降。為了解決三維離子阱的這個(gè)問題,人們提出了線性離子阱的概念。線性離子阱是一種二維離子阱,其電壓的施加方式為在阱的徑向電極上施加射頻電壓,實(shí)現(xiàn)二維徑向的射頻束縛,軸向上施加直流電壓,形成直流束縛勢阱。這種二維的射頻施加方式在徑向上束縛了粒子運(yùn)動(dòng),使得離子在阱內(nèi)的聚集方式從中心的點(diǎn)排列變成了軸向的線排列,顯著的提高電子云的儲存體積,也就是提高了離子存儲量和存儲效率,極大的減小了空間電荷效應(yīng)。在線性離子阱中,電極兩側(cè)具有一個(gè)開放式的進(jìn)樣入口,而通常來說這個(gè)進(jìn)樣入口位于阱電極兩端的中心位置,這個(gè)位置是離子阱內(nèi)部四極電場強(qiáng)度最弱的位置,這就使得離子在進(jìn)入阱中完全不受到影響,所以線性離子阱可以達(dá)到近100%的外部進(jìn)入離子的存儲效率�，F(xiàn)在很多的商用離子阱都已經(jīng)采用了雙曲面的線性離子阱,但是對于這線性離子阱,其電極系統(tǒng)依舊相當(dāng)復(fù)雜的并且需要較高的加工以及組裝精度。現(xiàn)今的研究中對于線性離子阱電極結(jié)構(gòu)的簡化已經(jīng)成為了一個(gè)重要的研究方向。本文主要研究方向?yàn)楦咄糠治鲆约靶⌒突�性離子阱,具體成果包括：(1)設(shè)計(jì)加工了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的陣列離子阱質(zhì)量分析器,搭建了具有大氣壓接口的高通量分析平臺,并成功利用了其中的兩個(gè)相鄰?fù)ǖ劳瓿闪藢τ诓煌瑯悠返耐椒治?也即高通量分析。在進(jìn)行高通量分析的同時(shí),對陣列離子阱質(zhì)量分析器中的不同通道同步分析不同樣品時(shí)的離子運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了詳細(xì)的研究。(2)從理論模擬以及實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對一種電極結(jié)構(gòu)簡化的線性離子阱-三角形電極離子阱進(jìn)行了詳細(xì)的研究。從理論模擬角度分析了不同的結(jié)構(gòu)的三角形電極離子阱的性能并進(jìn)行了詳細(xì)的電場含量分析,選擇其中理論模擬相對較優(yōu)的加工成阱并利用電噴霧離子源三角電極離子阱分析平臺從實(shí)驗(yàn)的角度詳細(xì)分析了其作為離子阱質(zhì)量分析器的各方面性能。(3)對三角形電極離子阱進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化,提出了一種五邊形電極線性離子阱,從理論模擬的角度分析了其作為離子阱質(zhì)量分析器的可能性,并對其進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及場分析,并加工了成品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。全文共分為五章,主要內(nèi)容概述如下：第一章：緒論。本章主要簡述了質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展歷程,質(zhì)譜儀器的分類,分析了目前國內(nèi)外質(zhì)譜儀器發(fā)展的現(xiàn)狀,并指出了質(zhì)譜儀器研發(fā)的方向。文中著重闡述了離子阱的原理、分類、特點(diǎn)以及離子阱的演化過程。同時(shí)介紹了線性離子阱的發(fā)展及特點(diǎn),并闡述了線性離子阱在質(zhì)譜儀器小型化和高通量分析中的特有優(yōu)勢。基于這些分析,提出了本文的研究方向和研究思路。第二章：PCB陣列離子阱質(zhì)譜儀的研發(fā)。本章介紹了一種新型的質(zhì)量分析器-陣列離子阱,該離子阱使用了表面鍍金的印刷線路板做為離子阱工作電極。陣列離子阱僅由1對PCB電極和2對不銹鋼平板電極構(gòu)成,具有非常簡單的結(jié)構(gòu)和低廉的造價(jià)。但是,這種結(jié)構(gòu)簡單且造價(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,可作為一個(gè)獨(dú)立的質(zhì)量分析器使用。我們建造了基于電噴霧電離源的PCB陣列離子阱質(zhì)譜儀器系統(tǒng),并通過實(shí)驗(yàn)對其性能進(jìn)行了測試和評估。利用該儀器系統(tǒng)完成了離子儲存、質(zhì)量分析、離子質(zhì)量隔離和離子質(zhì)量選擇激發(fā)等工作。第三章：陶瓷電極陣列離子阱質(zhì)譜儀的研發(fā)。本章介紹了一種使用了表面鍍金陶瓷平板電極以及不銹鋼平板電極,具有高通量質(zhì)量分析能力的陣列離子阱質(zhì)量分析器。該陣列離子阱中存在六個(gè)質(zhì)量分析通道,每個(gè)質(zhì)量分析通道均可以作為一個(gè)獨(dú)立的離子阱使用,兩側(cè)通道由兩片陶瓷電極和一個(gè)邊界地電極組成,中間通道由兩片陶瓷電極構(gòu)成,所有通道公用端蓋電極,不同通道間不存在實(shí)體電極,利用特定電壓施加方法形成的零勢能面來完成離子束縛。相比于矩形離子阱來說,該陣列離子阱具有更簡單的結(jié)構(gòu)。利用自主搭建的電噴霧離子源和大氣壓接口二級差分真空腔組成的分析平臺對陣列離子阱的性能進(jìn)行了測試,實(shí)驗(yàn)證明了該陣列離子阱可以完成高通量質(zhì)譜分析；同時(shí)針對不同通道同時(shí)分析不同樣品時(shí)離子在通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了研究。第四章：三角形電極線性離子阱的研發(fā)。本章介紹了一種三角形電極線性離子阱。和矩形離子阱類似,它也是一種電極結(jié)構(gòu)簡化的線性離子阱,但是和矩形離子阱不同,其由于電極簡化引入的內(nèi)部高階場成分含量大大的下降。通過理論模擬對不同結(jié)構(gòu)的三角阱進(jìn)行了電場分析和性能模擬,選出理論上最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工并進(jìn)行了實(shí)際的測試,從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了三角阱作為離子阱質(zhì)量分析器的可行性。第五章：三角形電極離子阱和五邊形電極離子阱的模擬研究。本章中對不同結(jié)構(gòu)的三角形電極線性離子阱進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究,主要包括電場分析和質(zhì)量分辨率。并從三角形電極離子阱出發(fā),提出了一種全新的五邊形電極線性離子阱,從理論模擬的角度分析了其作為離子阱質(zhì)量分析器的可能性,并對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化及電場分析,理論角度表明它具有比三角形電極離子阱更優(yōu)秀的質(zhì)量分辨能力。第六章：總結(jié)與展望。對全文取得的研究成果進(jìn)行了總結(jié)和分析,同時(shí)也指出了面前研究工作中存在不足之處,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O657.63;TH843

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