【摘要】：質(zhì)譜法因其可實(shí)現(xiàn)荷質(zhì)比的精確檢測(cè),同時(shí)結(jié)合離子碎片信息可實(shí)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(hù)等熱點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。在環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,由于需要對(duì)空氣污染物進(jìn)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(shí)間過長,不能真正實(shí)現(xiàn)在線應(yīng)急監(jiān)測(cè)。本文是在數(shù)字方波驅(qū)動(dòng)矩形分壓離子阱技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合膜進(jìn)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(cè)。采用的膜進(jìn)樣技術(shù)使得儀器具備秒級(jí)響應(yīng),無需樣品前處理,同時(shí)膜的預(yù)富集作用,將儀器的靈敏度提高至pptv級(jí)。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(jí)優(yōu)勢(shì)對(duì)樣品快速定性。以中低壓(±100 V)進(jìn)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(shí)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(jī)重量18 kg,體積70 cm×68 cm×54 cm,電池續(xù)航能力4小時(shí),平均膜響應(yīng)時(shí)間9秒,48小時(shí)質(zhì)量漂移小于±0.1 Th,檢測(cè)限小于1 ppbv,整體達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平,能夠滿足快速、現(xiàn)場(chǎng)、定性、定量檢測(cè)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(jī)的初步論證,理論學(xué)習(xí)及原理設(shè)計(jì)。在博士期間對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了整機(jī)的組裝及調(diào)試,性能表征及較為全面的技術(shù)改進(jìn),在技術(shù)改進(jìn)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(shí),也將數(shù)字矩形驅(qū)動(dòng)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(duì)便攜式數(shù)字線型離子阱的理論部分及原理設(shè)計(jì)也進(jìn)行了詳細(xì)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(píng)價(jià)質(zhì)譜儀性能的分辨率、靈敏度、質(zhì)量范圍等指標(biāo),對(duì)四極質(zhì)譜儀的工作原理和研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述。二、離子阱理論計(jì)算和仿真。采用快速傅里葉變換分析離子運(yùn)動(dòng)軌跡,加深了對(duì)離子阱內(nèi)離子運(yùn)動(dòng)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(duì)平板分壓離子阱的設(shè)計(jì),使用最小平方的方法對(duì)不同分壓比下的離子阱內(nèi)各種電場(chǎng)分量進(jìn)行計(jì)算分析,最終得到離子阱內(nèi)電場(chǎng)在不同分壓比下的高階場(chǎng)比例和分壓比最佳調(diào)整范圍。對(duì)電離室內(nèi)的推斥聚焦電極進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了電離室內(nèi)離子引出效率。同時(shí)對(duì)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(jìn)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(duì)后續(xù)儀器設(shè)計(jì)起到良好的指導(dǎo)作用。三、儀器整機(jī)實(shí)現(xiàn)。本章分別闡述了真空系統(tǒng)、電離源、膜進(jìn)樣及加熱模塊、高頻高壓模塊的電路設(shè)計(jì)及高頻高壓電源的進(jìn)一步優(yōu)化,偶極激發(fā)模塊的設(shè)計(jì)及性能測(cè)試,主控板的RS485固件和USB2.0底層驅(qū)動(dòng)的開發(fā),以及直流放大模塊的電路設(shè)計(jì)及改進(jìn)等。通過混標(biāo)氣(苯、甲苯、二甲苯、一氯代苯)對(duì)組裝的儀器進(jìn)行了性能的測(cè)試,包括分辨率、檢測(cè)限、動(dòng)態(tài)范圍和膜響應(yīng)時(shí)間。并通過數(shù)字離子阱特有的串級(jí)分析方法對(duì)水楊酸甲酯進(jìn)行了二級(jí)分析,建立了軟電離產(chǎn)生分子離子峰結(jié)合串級(jí)分析進(jìn)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)利用非整數(shù)偶極激發(fā)的方法可以同時(shí)提高分辨率和靈敏度,并嘗試從理論上對(duì)這一方法進(jìn)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(jì)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(dá)到同時(shí)提高儀器分辨率和靈敏度的效果。五、數(shù)字方波驅(qū)動(dòng)圓桿離子阱與飛行時(shí)間質(zhì)譜儀聯(lián)用。從數(shù)字矩形波驅(qū)動(dòng)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(dòng)圓桿離子阱,進(jìn)而與飛行時(shí)間質(zhì)譜儀聯(lián)用,本人主要負(fù)責(zé)圓桿離子阱模塊的控制。主要工作是針對(duì)圓桿離子阱與平板分壓離子阱的不同,改進(jìn)驅(qū)動(dòng)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(jí)串級(jí)分析模式和三級(jí)串級(jí)分析模式下的性能,達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。六、總結(jié)與展望。對(duì)全文取得的成果進(jìn)行了總結(jié),同時(shí)對(duì)下一步的改進(jìn)計(jì)劃進(jìn)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(jì)研制出第一臺(tái)質(zhì)譜計(jì)—Parabola Mass Spectrometer，同時(shí)，他發(fā)現(xiàn)離子的質(zhì)荷比和速度能夠通過平衡電場(chǎng)和磁場(chǎng)的偏移大小測(cè)量出來[46]。Parabola Mass Spectrometer 的毛細(xì)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(shí)驗(yàn)中顯示：一條強(qiáng)的拋物線對(duì)應(yīng)于 Ne20 質(zhì)量數(shù)總是伴隨著一條較弱的拋物線對(duì)應(yīng)于質(zhì)量數(shù)為 22。雖然 Thomson 勉強(qiáng)承認(rèn)這是 NeH2，可是他和助手 F.W.Aston 反復(fù)用蒸餾和擴(kuò)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(gè)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(jìn)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：X830;O657.63

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李燕;梁漢東;韋妙;李良;;離子阱質(zhì)譜計(jì)的研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展[J];質(zhì)譜學(xué)報(bào);2006年04期

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(bào);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(hào)：2665496