小型矩形离子阱质谱仪的研制

研制的小型质谱仪以电子轰击源(EI)和矩形离子阱(RIT)质量分析器为核心部件,采用渗透阀控制的直接进样系统,高增益的电子倍增器用于离子检测,通过小信号放大系统对电子倍增器输出的弱电流再次放大,并输出电压信号,计算机上的NI数据采集卡和Labview操作软件对电压信号进行采集处理。由旋片机械泵和分子泵组成的真空系统可以形成10-5Pa的质谱工作环境。对研制的仪器进行了初步测试,得到了相应的质谱图,通过质量校正表明,结果令人满意。

数字化矩形离子阱质谱仪的设计及性能

将数字化离子阱技术和矩形离子阱(RIT)技术相结合,建立了数字化矩形离子阱质谱仪。此技术和装置既具有数字化电源的结构简单、输出稳定和易精确控制等特点,又结合了矩形离子阱的高离子存储效率、结构简单以及加工和装配容易等优点。构建了基于电喷雾(ESI)电离源的数字化矩形离子阱质谱仪系统,并使用Fenfluramine和PPG2000分别对此系统的质量分辨率和质量范围进行了测试。研究结果表明:一个用印刷线路板(PCB)制作的简单矩形离子阱,在200V(半峰值)的数字束缚电压的驱动下,获得了大于500的质量分辨率和超过2600Th的质量范围。实验证明,数字化离子阱技术的应用可以显著提高矩形离子阱的性能,特别是质量范围等关键的质谱仪指标。

小型离子阱的质量校正

各种野外环境的现场检测、现场诊断、流程监控、排放物检测与控制、突发事件的处理、尤其是化学和生物武器的检测等诸多需要现场使用质谱仪的场合都对质谱仪的小型化提出了迫切的要求。小型离子阱具有较高的灵敏度,可进行MS/MS实验,可利用离子-分子反应来识别特殊的化学基团,因而是小型质谱仪的重要质量分析器。本研究对小型离子阱的工作原理作了简要介绍,并以此为依据提出了进行小型离子阱质量校正的方法,推导了相关的公式,还成功地将其应用于自制的小型矩形离子阱质谱仪进行了质量校正,并指出该方法还可用于仪器RF等电学系统性能的检验。

热解析低温等离子体电离源用于糯高粱中农药残留的快速筛查

本研究设计并搭建了一套热解析低温等离子体电离源(TD-LTP),与质谱联用实现了糯高粱中农药残留的快速和高灵敏检测。TD-LTP由热解析装置和低温等离子体放电源两部分组成,农药残留样品首先在热解析进样器内汽化,再由载气载带进入等离子体区域被电离。热解析进样器使LTP产生的气相等离子体与样品之间的气-固或气-液相互作用转变为气-气相互作用,大大提高了难挥发样品(如农药)的电离效率;电离源与质谱进样口之间采用同轴连接,提高了离子的利用率和传输效率。与传统的LTP电离源相比,TD-LTP电离源的灵敏度提高了8倍以上,稳定性提高了4倍。本研究对热解析低温等离子体电离源的各参数进行了优化,并与自制的矩形离子阱质谱相结合,研究了12种农药在该电离源下的特征离子。最后,将此电离源与商品化的三重四极杆质谱仪联用,对糯高粱样品中的12种农药残留进行了快速筛查,结果表明,本方法灵敏度高,可以满足食品安全国家标准规定的谷物中农药残留最大限量检测要求。

小型化离子阱质谱仪在毒品快速采集与分析中的应用

本研究设计并搭建了一台尺寸与行李箱相当,质量仅30kg的小型化离子阱质谱仪。由于毒品的饱和蒸汽压较低,该仪器以热解吸和载气载带的方式实现毒品样品的进样,以10.6eV低压氪灯为电离源,以矩形离子阱作为质量分析器对毒品样品进行检测。通过串联质谱(MS/MS)分析,同时用母离子和碎片离子对毒品进行定性,提高了毒品检测的准确性。本研究共测试了8种毒品样品,包括4种麻醉药品和4种精神类药品。它们的特征离子均为质子化的准分子离子[M+H]^+,分析时间为2min,检出限可达pg量级,MS/MS分析可卡因等毒品可同时得到样品的准分子离子和特征碎片离子信息。该小型化离子阱质谱仪不仅体积小、质量轻,而且灵敏度高、分析速度快、检测准确性高,有望成为未来毒品现场快速检测的有力工具。

矩形离子阱质量分析过程的数值模拟

传统的四极离子阱质量分析器中离子的运动可用二阶线性微分方程——Mathieu方程的解来描述。根据Mathieu稳定图所反映的离子运动特性,可实现离子的质谱分析。但Mathieu方程对平板电极的矩形离子阱描述不再准确适用,本文通过数值模拟的方法,依次对矩形离子阱质量分析器内电场分布、离子运动轨迹、离子阱的Mathieu稳定图以及标准工作模式下获得的质谱图进行了模拟和分析。

矩形离子阱在第三稳定区内的捕获效率模拟研究

矩形离子阱(RIT)凭借结构简单、捕获能力强、存储容量大等优点一直被广泛应用。为进一步提高RIT分析能力,本文研究了RIT在第三稳定区的离子捕获能力,并分析了不同端盖电压下离子初始动能对RIT捕获能力的影响,对其显示出的较低捕获能力进行了分析。离子从离子阱外部在初始动能的作用下穿过离子阱入口端盖电极的通孔,进入阱内时受到端盖电极以及x,y电极的影响,从而造成离子损失。对传统RIT几何结构进行了优化,在相同初始动能下降低了不均匀电场对飞行离子的影响,从而降低离子消耗。研究结果表明:在端盖电极电压EC为60 V,且离子初始动能为6 eV时,RIT捕获效率能够达到89%,既保留了RIT结构简单的优点,又达到了较高的捕获能力。

电喷雾/光电离双源型小型离子阱质谱仪的研制

构建了一套电喷雾/紫外灯双电离源离子阱质谱仪系统,用于气体和液体样品的快速检测。仪器采用非连续大气压进样技术,通过夹管阀装置来同时完成电喷雾离子和中性气态样品的采集和传输。所配备的两种电离源适合不同的分析对象,在应用上具有一定的互补性,其中电喷雾源用于溶液中极性化合物的电离,而紫外电离源主要用于分析气态有机物。本研究选择了苯甲醚、甲苯、2,4-二甲基苯胺、精氨酸、利血平和阿斯巴甜等不同类型的样品,测试了仪器在使用不同电离模式下的工作性能。结果表明,电喷雾源和紫外光电离源可用于不同类型样品的电离,在分析2,4-二甲基苯胺时还能分别生成不同类型的分子离子。两种电离源在工作时互不干扰,既能单独使用,也能同时开启,可根据检测需求随意切换工作模式,获得更全面的样品成分信息。双离子源设计是扩展小型质谱仪应用范围的一种有效途径,这种方案不会明显增加仪器的体积,却能提供更多样化的分析功能,满足对不同类型样品的检测需求。

稳定图的测定与矩形离子阱质谱性能分析

从理论上讲,离子阱质谱仪的性能是由阱内电场分布决定的,而电场分布又是由组成离子阱的电极几何结构和离子阱工作电压决定的.对于矩形离子阱,即使不考虑其几何结构的偏差,其阱内的电场分布一般也很复杂.在矩形离子阱内,除四极电场外,还包含多种成分的其他各种高阶场,它们直接影响离子在阱内的运动轨迹和离子阱质谱的性能.由于各种电场成分对离子阱内离子运动的影响非常复杂,还很难从数学上给出精确的解析解,使得目前从理论上还无法预测高阶场成分对质谱性能的影响.本工作通过测定不同几何结构的矩形离子阱的稳定图,从实验上比较了不同场半径,即不同电场分布条件下的离子阱质谱性能的差别.实验中,通过改变离子阱的几何比例结构,详细测定了不同结构的矩形离子阱的稳定图特征,并与实验测得的质谱分析结果进行比较.同时,我们还详细介绍了矩形离子阱质谱的稳定图的测定方法,并根据得到的不同情况下的稳定图结构分析了离子阱的质谱性能.研究结果表明:可以通过比较试验得到的稳定图结构来判断其离子阱质谱仪的性能如质量分辨能力等.此外,实验结果还发现:对于y方向拉伸结构的矩形离子阱,其实验绘制得到的是不完整的稳定图.但根据稳定图边界的特点,通过采用四极直流电压调制的方法,可以对y方向拉伸结构的矩形离子阱的性能进行改善,极大地提高了阱的质量分辨能力.