中心对称斜边八电极线性离子阱的性能研究

Application of in-situ analysis has been paid more attention in analysis field at present,which significantly promots the development of miniaturized mass spectrometers . As the optimal structure of miniaturized mass spectrometer, linear ion trap mass analyzer has become one of current research focuses in the field of mass spectrometry. This project develops a new linear ion trap featuring octa-electrodes with a simple centrosymmetric structure, which has eight identical columnar electrodes that compose the central analysis area. Compared with the traditional structure, the radio frequency signals on specific electrodes could be flexibility changed, so that the proportion of quadrupole field and higher order fields could be precisely controlled. This project intends to adopt a new method of applying radio frequency signals and cooperate with the optimization design of the geometrical parameter model to greatly increase the mass resolution and achieve ion directional ejection. A mass spectrometer with linear ion trap featuring octa-electrodes would be built to test the analysis performance, and the experiment results would be used to verify theoretical simulation results. The study results of this project could complete the process of complex multi-structure optimization and verification with only a single ion trap, and centrosymmetric structure would reduce the processing and assembly difficulties, which greatly saves the cost. Linear ion trap featuring octa-electrodes not only has advantages of high mass resolution, wide dynamic mass range and so on, but also could realize ion directional ejection, which would significantly improve the ion detection efficiency of miniaturized mass spectrometers.

当前分析领域越来越重视原位分析的应用，大大推动了小型化质谱仪的发展。作为小型化质谱仪的优选结构，线性离子阱质量分析器的研究也成为当前质谱仪器领域的热点之一。本项目提出了一种全新的八电极线性离子阱，具有简单的中心对称结构，由8个相同柱状电极围成中心分析区域。相较传统的结构，可以灵活改变特定电极上的射频信号，精确控制内部四极电场和高阶电场的比例分布。本项目拟通过全新的射频信号施加方式，配合几何参数模型的优化设计，大幅度提高质量分辨率，实现离子单向出射。结合八电极离子阱的实验平台搭建和分析性能测试，利用实验结果来验证理论模拟。本项目研究成果仅凭单一离子阱即可完成复杂多结构优选和验证过程，且中心对称结构大大降低了加工和装配难度，极大地节约了成本。八电极线性离子阱不仅具有质量分辨率高、检测动态范围宽等优势，还具备了单向出射能力，可提高小型线性离子阱质谱仪的检测效率。

本项目提出一种新型中心对称八电极线性离子阱结构，由8个完全相同的柱状电极和2个端盖电极组成。以斜边电极结构为例，采用理论模拟与实验验证相结合的方式，对八电极线性离子阱的质量分析性能进行了系统性的研究。首先采用理论模拟的方式研究不同几何结构参数的斜边八电极线性离子阱在非对称射频电压施加模式下，其内部高阶电场成分的分布规律，并分析高阶场的非线性效应对离子动力学特性的影响，实现了离子单向出射，得出具有最优分析性能的结构参数和电信号参数。进一步模拟了八电极线性离子阱三种电极偏移结构及相应的分析性能损失情况，探究电信号参数变化对离子阱内部各高阶场成份占比的影响规律，在不修正离子阱结构的基础上仅凭电信号参数优化实现八电极线性离子阱的性能修复。根据模拟研究的结果，本项目加工研制了中心对称斜边八电极线性离子阱实物，并搭建了配套质谱测试平台，对其分析性能进行实验测试评估。在对称射频电压施加模式下，测试了斜边八电极线性离子阱的质量分辨率、灵敏度、离子碰撞诱导解离、定量分析等性能指标，获得了较优的分析性能，分辨率优于具有相似结构的三角形电极离子阱；开展了初步的性能自修复研究，结果显示，刻意安装倾斜的离子阱在正常电压施加条件下性能出现明显的下降，而经过了非对称电压施加后，取得一定的性能修复，但由于射频电源在非对称电压施加条件下的轻微不对称，带来了负载变大，无法持续的工作，需要进一步改进，目前该工作还在持续开展中。.本项目打破了现有简化电极线性离子阱研究的固化思维，保留了中心对称的简单结构，创新性地增加了线性离子阱电极数量，并据此开发新的射频电源施加方式。不仅弥补了电极数量增加造成的装配精度降低的问题，还提高了离子阱的分析能力，实现了离子单向出射验证，同时避免了离子结构被过度拉伸，保证其整体仍为中心对称结构。本项目成果为简化结构线性离子阱未来的研究发展开辟了全新的思路，具有重要的科学意义。