【摘要】：質(zhì)譜法因其可實現(xiàn)荷質(zhì)比的精確檢測,同時結(jié)合離子碎片信息可實現(xiàn)分子式的確定而獲得廣泛應(yīng)用。目前,質(zhì)譜儀已經(jīng)成為許多領(lǐng)域的必備分析儀器,在生命科學(xué)、航空航天、國防科技等尖端領(lǐng)域,以及食品安全、環(huán)境保護等熱點領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。在環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域,由于需要對空氣污染物進行快速鑒別和定量分析,傳統(tǒng)的色譜和質(zhì)譜聯(lián)用方法受限于分析時間過長,不能真正實現(xiàn)在線應(yīng)急監(jiān)測。本文是在數(shù)字方波驅(qū)動矩形分壓離子阱技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合膜進樣技術(shù)和單光子軟電離技術(shù),研制了國際首款采用數(shù)字離子阱技術(shù)的便攜式質(zhì)譜儀,用于環(huán)境污染物的應(yīng)急快速監(jiān)測。采用的膜進樣技術(shù)使得儀器具備秒級響應(yīng),無需樣品前處理,同時膜的預(yù)富集作用,將儀器的靈敏度提高至pptv級。利用單光子紫外燈作為電離源,產(chǎn)生分子離子峰,結(jié)合離子阱串級優(yōu)勢對樣品快速定性。以中低壓(±100 V)進行頻率掃描替代傳統(tǒng)高壓幅度掃描,克服了高質(zhì)量離子掃描時產(chǎn)生的放電現(xiàn)象,大大提高了便攜式儀器的使用范圍。研制的便攜式數(shù)字線型離子阱質(zhì)譜儀,整機重量18 kg,體積70 cm×68 cm×54 cm,電池續(xù)航能力4小時,平均膜響應(yīng)時間9秒,48小時質(zhì)量漂移小于±0.1 Th,檢測限小于1 ppbv,整體達到國內(nèi)先進水平,能夠滿足快速、現(xiàn)場、定性、定量檢測的需求。本人在碩士期間參與了便攜式數(shù)字線型離子阱樣機的初步論證,理論學(xué)習及原理設(shè)計。在博士期間對樣機進行了整機的組裝及調(diào)試,性能表征及較為全面的技術(shù)改進,在技術(shù)改進中,發(fā)現(xiàn)了非整數(shù)偶極激發(fā)這一現(xiàn)象并從理論上加以解釋,同時,也將數(shù)字矩形驅(qū)動離子阱技術(shù)應(yīng)用到其他類型的質(zhì)譜儀中,取得初步的結(jié)果。為了保持論文的完整性,對便攜式數(shù)字線型離子阱的理論部分及原理設(shè)計也進行了詳細的敘述。一、質(zhì)譜儀的發(fā)展歷史。本章介紹了質(zhì)譜儀主要組成部分——離子源和質(zhì)量分析器,以及評價質(zhì)譜儀性能的分辨率、靈敏度、質(zhì)量范圍等指標,對四極質(zhì)譜儀的工作原理和研究進展進行了闡述。二、離子阱理論計算和仿真。采用快速傅里葉變換分析離子運動軌跡,加深了對離子阱內(nèi)離子運動特性的理解,最終得到離子共振激發(fā)的頻率和其他高階頻率分量。針對平板分壓離子阱的設(shè)計,使用最小平方的方法對不同分壓比下的離子阱內(nèi)各種電場分量進行計算分析,最終得到離子阱內(nèi)電場在不同分壓比下的高階場比例和分壓比最佳調(diào)整范圍。對電離室內(nèi)的推斥聚焦電極進行了優(yōu)化設(shè)計,提高了電離室內(nèi)離子引出效率。同時對真空紫外燈在電離室的位置及不同氣壓下的離子分辨率和捕獲率進行了系統(tǒng)的仿真分析,得到最優(yōu)的真空紫外燈放置位置和最佳的氣壓,對后續(xù)儀器設(shè)計起到良好的指導(dǎo)作用。三、儀器整機實現(xiàn)。本章分別闡述了真空系統(tǒng)、電離源、膜進樣及加熱模塊、高頻高壓模塊的電路設(shè)計及高頻高壓電源的進一步優(yōu)化,偶極激發(fā)模塊的設(shè)計及性能測試,主控板的RS485固件和USB2.0底層驅(qū)動的開發(fā),以及直流放大模塊的電路設(shè)計及改進等。通過混標氣(苯、甲苯、二甲苯、一氯代苯)對組裝的儀器進行了性能的測試,包括分辨率、檢測限、動態(tài)范圍和膜響應(yīng)時間。并通過數(shù)字離子阱特有的串級分析方法對水楊酸甲酯進行了二級分析,建立了軟電離產(chǎn)生分子離子峰結(jié)合串級分析進行快速定性的方法。四、一種新型離子激發(fā)方法的研究。著眼于從離子激發(fā)方式上提高儀器分辨率和靈敏度。在實驗中發(fā)現(xiàn)利用非整數(shù)偶極激發(fā)的方法可以同時提高分辨率和靈敏度,并嘗試從理論上對這一方法進行分析,給出了非整數(shù)偶極激發(fā)是利用了浪涌式激發(fā)的解釋,通過計算合適的掃描速度和優(yōu)化偶極激發(fā)波形與主射頻波形之間的相位差,可以達到同時提高儀器分辨率和靈敏度的效果。五、數(shù)字方波驅(qū)動圓桿離子阱與飛行時間質(zhì)譜儀聯(lián)用。從數(shù)字矩形波驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用的角度出發(fā),將數(shù)字矩形波應(yīng)用到驅(qū)動圓桿離子阱,進而與飛行時間質(zhì)譜儀聯(lián)用,本人主要負責圓桿離子阱模塊的控制。主要工作是針對圓桿離子阱與平板分壓離子阱的不同,改進驅(qū)動電路,分別考察了離子阱模塊工作在傳輸模式、離子累積模式、離子隔離模式、二級串級分析模式和三級串級分析模式下的性能,達到了預(yù)期的目標。六、總結(jié)與展望。對全文取得的成果進行了總結(jié),同時對下一步的改進計劃進行闡述。
【圖文】：

它能夠?qū)⑦@種正電荷射線按照荷質(zhì)比分離出來[45]。他發(fā)現(xiàn)：分離的荷質(zhì)比大小依賴于在放電管中氣體本身的組成。緊接著，英國物理學(xué)家 J.J. Thomson在 Wilhelm 工作的基礎(chǔ)上設(shè)計研制出第一臺質(zhì)譜計—Parabola Mass Spectrometer，同時，他發(fā)現(xiàn)離子的質(zhì)荷比和速度能夠通過平衡電場和磁場的偏移大小測量出來[46]。Parabola Mass Spectrometer 的毛細管 C 部分在現(xiàn)在很多電噴霧源（electrospray ionizaiton, ESI）的儀器中依然能夠看到[47]。真正具有突破意義的是，1912 年 J.J. Thomson 發(fā)現(xiàn)氖的同位素 Ne22。在氖氣實驗中顯示：一條強的拋物線對應(yīng)于 Ne20 質(zhì)量數(shù)總是伴隨著一條較弱的拋物線對應(yīng)于質(zhì)量數(shù)為 22。雖然 Thomson 勉強承認這是 NeH2，可是他和助手 F.W.Aston 反復(fù)用蒸餾和擴散的方式來分離二者均告失敗。最終，只能說明這條質(zhì)量數(shù)為 22 的拋物線是氖的同位素 Ne22。這也是歷史上第一次發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定元素的同位素[48]。

圖 1.2 Dempster 研制的磁質(zhì)譜儀示意圖電荷射線的過程中，Thomson 顯示了引人注ve Electricity and TheirApplication to Chemic所以寫這本書的一個主要目的就是希望正離，尤其是化學(xué)家的關(guān)注，用它來進行化學(xué)分在他去世的數(shù)年間，質(zhì)譜工作者更加專注于
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X830;O657.63

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2 羅嬋;丁傳凡;;離子阱陣列的理論模擬研究[J];分析化學(xué);2012年07期

3 施鈞慧，封躍鵬，周春玉，劉咸德，陳樹俊;離子阱質(zhì)譜圖的特性研究[J];質(zhì)譜學(xué)報;1994年02期

4 徐福興;王亮;汪源源;丁傳凡;;柵網(wǎng)電極離子阱質(zhì)量分析器的結(jié)構(gòu)與性能[J];分析化學(xué);2013年05期

5 周春玉，施均慧，封躍鵬，曹潔，陳樹俊;離子阱質(zhì)譜庫的建立與研究[J];環(huán)境科學(xué)研究;1994年02期

6 張眾W，

本文編號：2665496