阶梯电极离子阱质量分析器的结构与性能

本研究从理论上优化了一种新型结构的线型离子阱质量分析器-阶梯电极离子阱质量分析器,它是由2对阶梯电极与1对端盖电极组成。与传统平板电极矩形离子阱长阶梯电极离子阱相比,具有调节电场分布的优点,同时在几何结构设计上更接近于双曲面电极结构,但比双曲面电极更容易加工。通过改变阶梯电极结构的高度、宽度、场半径比例等几何参数,实现了对离子阱内部电场分布的优化,从而实现离子阱性能的优化。理论模拟研究结果表明,根据几何结构和电场分布优化获得的阶梯电极离子阱质量分析器(X0×Y0=9 mm×5 mm),可以在225 Da/ s 扫速下获得10150的质量分辨率。阶梯电极离子阱结构简单,分辨能力明显高于矩形离子阱。初步的实验结果表明,阶梯电极离子阱具有较好的串级质谱分析性能。     

栅网电极离子阱质量分析器的结构与性能

报道了一种结构非常简单的新型线型离子阱质量分析器,它由4块"栅网电极"电极与2块端盖电极合围而成的一个近似于长方体的离子存储和分析空间。"栅网电极"的结构为:首先在矩形电极上加工一个"口"字型的通孔,然后再用导电的栅网覆盖住"口"字表面构成。这4块含有栅网的电极合围成一个四面对称的长方体空间,它们与二个端盖电极组成一个完整的离子阱。用栅网电极构成离子阱质量分析器具有以下优势:(1)结构非常简单。它可以极大地减小离子阱质量分析器对组成离子阱电极的机械加工精度要求,如电极对称性,离子引出孔的线性度与大小,以及对离子阱组装精度的要求,使离子阱质谱的生产工艺和使用维护更加简化;(2)由于传统离子引出电极上的离子引出槽被省去,使得离子阱电极的对称性提高,这有可能改善离子阱内部的电场分布,提高离子阱质量分析器的质谱性能;(3)由于离子引出电极的大部分为栅网,它可以成倍提高离子引出效率,提高质谱仪的分析灵敏度。初步的实验结果表明,用本工作给出的用栅网电极组成的离子阱质量分析器,当栅网宽度为4 mm时,在较低的离子共振激发电压下,即可将离子从阱中弹出,并可以获得高于400的质量分辨率和300 Thomson以上的质量扫描范围。     

三角形电极离子阱的理论模拟及性能优化

作为一种新型结构的线性离子阱,三角形电极离子阱( TeLIT)具有简单的电极结构与良好的分析性能。为进一步提高TeLIT的质谱性能,本研究考察了TeLIT的性能与电极结构的关系。利用模拟软件SIMI-ON和AXSIM分析TeLIT场半径比与其内部电场分布的关系,并模拟离子运动轨迹,得出模拟离子质谱峰。理论模拟结果表明：优化场半径比可以改善内部电场分布,并能显著提高TeLIT的质量分辨率。最终模拟得出场半径比rx/ry=5.75：5时为最优结构,在该结构下,m/z为1892 Th的离子在扫描速率为1500 Th/s时,质量分辨率可以达到8287;扫描速率降为300 Th/s时,最高质量分辨率可达23000。     

印刷线路板分压离子阱的离子单向出射性能研究

印刷线路板(Printed-Circuit-Board,PCB)分压离子阱是一种新型质量分析器,其突出优点在于内部电场可通过调节射频分压比进行优化.本实验在PCB分压离子阱离子出射方向的两组离散电极上配置了非对称的射频分压,以引入奇次阶场成分,使得射频电场的场中心(即离子运动中心)发生偏移,从而实现离子单向出射.通过数值计算软件SIMION和AXSIM分析了射频分压比差值与其内部电场分布的关系,并模拟离子运动轨迹,得到离子出射情况和模拟质谱峰.模拟结果表明,当两组离散电极的射频分压比差值为20％时,在合适的AC频率条件下,对于m/z=609 Th的离子,PCB分压离子阱的离子单向出射率可达90％以上,且质量分辨率大于2500.本研究可使PCB分压离子阱在基本不损失质量分辨率和使用单检测器模式下,大幅提高离子检测效率,因而在小型化质谱仪应用中具有显著优势.     

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.     

离子阱质量分析器中直流电压驱动的串级质谱分析方法

本发明属于质谱分析测试技术领域,具体为离子阱质量分析器中直流电压驱动的串级质谱分析方法。本发明方法具体包括离子选择隔离、碰撞诱导解离和质量分析三个阶段。在碰撞诱导解离阶段,通过在离子阱质量分析器电极上施加非对称波形射频工作电压,使得在离子阱中心产生偏置直流电压。此偏置直流电压使得被隔离的具有一定质荷比的母体离子偏离离子阱束缚中心获得能量而被激发。被激发到高能量状态的离子,可以与与离子阱中的中性分子发生碰撞并解离,实现串级质谱分析。本发明不需要额外的直流电源,仅通过软件的控制即可实现偏置直流电压,实现时序控制,可以显著简化实验装置和方法。     

新型三角形电极圆环离子阱的理论模拟研究

圆环离子阱由于其离子储存能力明显优于相同体积下的三维离子阱,近年来被认为是离子阱小型化发展的另一个重要方向。为进一步优化圆环形离子阱的质谱性能,特别是质量分辨能力,本研究提出了一种由三角形电极构建的新型圆环离子阱,它由两个完全等同的、截面为三角形的圆环电极及两个大小不等的圆筒型电极所组成,离子通过共振激发方式弹出。通过理论模拟和对电极结构的优化,获得了具有非对称性的三角形电极结构,通过改善圆环结构,优化电场分布,提高了离子引出效率和离子阱的质量分辨能力,其中一种最优化结构的圆环离子阱对m/z 609离子的质量分辨率达到1486。     

数字离子阱质谱仪低质量截止值的改进方法

本研究在实验室自制的线形数字离子阱质量分析器上,通过改变数码电源的频率扫描方式,在CID过程中,通过扫描数字束缚方波电源的频率和数字激发方波的频率实现母体解离。例如对于利血平母体离子,当将离子数字束缚方波频率从500 kHz扫描到560 kHz,可以测量到低质荷比的碎片离子,成功实现了串级质谱分析的低质量碎片离子的分析。通过与利血平三重四极质谱串级质谱分析实验结果的比较,发现可以在数字离子阱质谱仪上获得与三重四极质谱相同的串级质谱测量结果。结果表明,本方法可以用于低质量离子的测量,克服了传统离子阱质谱进行串级质谱分析的一个主要难点,显著提高数字离子阱质谱的性能。     

气相色谱矩形离子阱质谱联用仪的设计与性能

气相色谱离子阱质谱联用仪(GC-ITMS)广泛地应用于药物分析、环境分析、农药检测和食品分析、有机化学品分析、毒品分析以及医学和生物分析等领域。离子阱质谱作为色谱的检测器,决定了色质联用仪的分析性能,包括检出限、分辨率。离子阱质量分析器从传统的双曲型3D离子阱发展到2D线性离子阱,质量歧视效应得到了极大的改善,灵敏度得到了提高。矩形离子阱作为线性离子阱,结构简单,加工和装配容易,因此应用到GCMS系统中将具有非常大的优势。介绍了矩形离子阱质谱仪的设计方案、仪器整机的性能测试、质量分辨和质量歧视效应分析,与Agilent6890组成GCMS联用仪,对实际样品进行了分析。     

碰撞气体的种类和压力对离子阱质谱性能的影响

基于数字离子阱技术,研究了离子阱质谱分析实验过程使用的碰撞气体种类及压力对离子阱质谱性能,如质量分辨能力、信号强度、串级质谱分析,以及低质量截止效应等的影响.实验过程中,在离子的激发和碰撞诱导解离阶段,分别采用质量数不等的氦气(质量数=4 amu)、氮气(质量数=28 amu)、氩气(质量数=40 amu)等作为碰撞气体,以及不同的气体压力,研究了它们对质谱性能的影响.结果表明,当采用质量数较大的氩气作为碰撞气体时,可以有效改善低质量数截止效应和提高离子碰撞过程中的能量转移效率,同时提高离子捕获和解离效率,但是质量分辨率会明显降低.在获得较高质量分辨率方面,氦气作为碰撞气体时效果最好.在气压相同的情况下,质量数大的碰撞气体有利于提高串级质谱分析效率,即获得更多碎片离子峰和更多有关母体离子结构的信息.     

Multiple Mass Analysis Using an Ion Trap Array (ITA) Mass Analyzer

A novel ion trap array (ITA) mass analyzer with six ion trapping and analyzing channels was investigated. It is capable of analyzing multiple samples simultaneously. The ITA was built with several planar electrodes made of stainless steel and 12 identical parallel zirconia ceramic substrates plated with conductive metal layers. Each two of the opposing ceramic electrode plates formed a boundary of an ion trap channel and six identical ion trapping and analyzing channels were placed in parallel without physical electrode between any two adjacent channels. The electric field distribution inside each channel was studied with simulation. The new design took the advantage of high precision machining attributable to the rigidity of ceramic, and the convenience of surface patterning technique. The ITA system was tested by using a two-channel electrospray ionization source, a multichannel simultaneous quadruple ion guide, and two detectors. The simultaneous analysis of two different samples with two adjacent ITA channels was achieved and independent mass spectra were obtained. For each channel, the mass resolution was tested. Additional ion trap functions such as mass-selected ion isolation and collision-induced dissociation (CID) were also tested. The results show that one ITA is well suited for multiple simultaneous mass analyses.      

半圆弧面线性离子阱性能优化的模拟研究

半圆弧面线性离子阱具有电极结构简单、便于加工和安装精度高等优点。为进一步提升半圆弧面线性离子阱的分析性能,本研究在实验室原有半圆弧面线性离子阱的基础上提出了一种四面开槽的半圆弧面线性离子阱,并对其电极半径与场半径之比r/r0以及离子出射方向上电极的“拉伸”距离进行了优化。模拟结果表明：当r/r0=5：5,离子出射方向上的电极向外“拉伸”0.8~1.2 mm时,离子阱的性能有较大提升,尤其是“拉伸”距离为0.9 mm时所得质量分辨率最高,当扫描速率为409 Da/s时, m/z=609 Da的离子质量分辨率可达到6264( M/△M, FWHM)。作为对比,本研究同时对双曲面线性离子阱的性能进行了仿真优化,结果表明,经过优化后的半圆弧面线性离子阱的性能可与双曲面线性离子阱相媲美。     

Characterization of the chemical composition of white chrysanthemum flowers of Hangzhou by using high‐performance ion trap mass spectrometry

In this study, high‐performance liquid chromatography coupled with amaZon SL high‐performance ion trap mass spectrometry was used to analyze the target components in white chrysanthemum flowers of Hangzhou. Twenty‐one components were detected and identified in both white chrysanthemum flowers of Hangzhou samples by using target compound analysis. Furthermore, seven new compounds in white chrysanthemum flowers of Hangzhou were found and identified by analyzing the fragment ion behavior in the mass spectra. The established method can be expedient for the global quality investigation of complex components in herbal medicines and food.     

Optimization of a quadrupole ion storage trap as a source for time‐of‐flight mass spectrometry

Designs of a quadrupole ion trap (QIT) as a source for time‐of‐flight (TOF) mass spectrometry are evaluated for mass resolution, ion trapping, and laser activation of trapped ions. Comparisons are made with the standard hyperbolic electrode ion trap geometry for TOF mass analysis in both linear and reflectron modes. A parallel‐plate design for the QIT is found to give significantly improved TOF mass spectrometer performance. Effects of ion temperature, trapped ion cloud size, mass, and extraction field on mass resolution are investigated in detail by simulation of the TOF peak profiles. Mass resolution (m/Δm) values of several thousand are predicted even at room temperature with moderate extraction fields for the optimized design. The optimized design also allows larger radial ion collection size compared with the hyperbolic ion trap, without compromising the mass resolution. The proposed design of the QIT also improves the ion–laser interaction volume and photon collection efficiency for fluorescence measurements on trapped ions. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Dual buffer gases for ion manipulation in a miniature ion trap mass spectrometer with a discontinuous atmospheric pressure interface

The discontinuous atmospheric pressure interface (DAPI) has been developed to allow a direct transfer of ions from atmosphere into an ion trap mass spectrometer with minimum pumping capability. Air is introduced into the trap with ions and used as a buffer gas for the ion trap operation. In this study, a method of introducing helium as a second buffer gas was developed for a miniature mass spectrometer using a dual DAPI configuration. The buffer gas effects on the performance of a linear ion trap (LIT) with hyperbolic electrodes were characterized for ion isolation, fragmentation and a mass-selective instability scan. Significant improvement was obtained with helium for resolutions of mass analysis and ion isolation, while moderate advantage was gained with air for collision-induced dissociation. The buffer gas can be switched between air and helium for different steps within a single scan, which allows further optimization of the instrument performance for tandem mass spectrometry.     

Structure and Performance of Polygonal Electrode Linear Ion Trap

The polygonal electrode linear ion trap (PeLIT) can produce quadrupolar electric field plus some higher order field, which balances the relationship between mass resolution and electrode manufacturing difficulties. The electrodes of PeLIT are relatively simple, but have a good mass resolving power. This study investigated the relationship between the electric field distribution and the ion trap structures, and the performances of PeLIT through theoretical simulation and experimental study. Research results of simulation showed that the polygonal electrode linear ion traps with different structures had different electric field distributions and mass analysis performances. The negative decapole field distorted the performances significantly. The experimental results showed that the mass resolution of reserpine ions (m/z 609) was more than 2500 using a polygonal electrode ion trap. At the same time, mass selective excitation and tandem mass spectrometry experiments were also carried.