多功能环形离子阱分析器的研制及关键技术研究

Mass spectrometer (MS) is one of the most powerful tools in current analytical science, and the development of miniature mass spectrometer has received growing interest, since it provides a rapid way for online detection and real-time analysis. The development of miniaturized mass spectrometer was focused on the size and power reduction of all fundamental components in a MS system, such as the sampling system, the ionization source, the mass analyzer and the power supply system. We proposed a new design of toroidal-cylindrical ion trap analyser, which.utilize a simple and compact structure and can provide efficient tandem MS analysis. Different from the traditional dual-trap analyzer, the two ion traps in our device can work independently, enabling a variety of detection analysis. In addition, the toroidal ion trap has a higher storage capacity than the linear ion trap and can effectively improve the sensitivity of miniature mass analyzer. This work will make a research and optimization of the toroidal-cylindrical ion trap of theoretical model, numerical simulation and experimental test. By this work, we hope to find out a new and better structure design for miniature mass analyzer.

质谱仪是一种功能强大的分析工具，而便携式质谱仪器的移动性能使它们在实时、原位的快速分析检测方面具有无可替代的作用。研制便携式小型质谱仪的关键问题在于如何减小进样系统、离子源、质量分析器以及电源系统等的体积和功耗，同时还要保证仪器的分析性能。本研究提出一种新型的环-柱串联离子阱分析器，它采用了简单而紧凑的结构设计方案，能够进行高效的串联质谱分析。与传统的双阱分析器不同，该装置中的两个离子阱都具备进行独立分析的能力，可实现多样化的检测分析。其中，环形阱具有比线性离子阱更高的离子存储能力，能有效提高小型分析器的灵敏度。本项目将在理论建模、数值仿真和实验测试等方面对环-柱串联离子阱的特性进行系统研究和优化设计，有望为小型质量分析器的设计探索出一套新的可行的解决方案。

质谱仪是一种功能强大的分析工具，而便携式质谱仪器的移动性能使它们在实时、原位的快速分析检测方面具有无可替代的作用。研制便携式小型质谱仪的关键问题在于如何减小进样系统、离子源、质量分析器以及电源系统等的体积和功耗，同时还要保证仪器的分析性能。本项目以环-柱串联离子阱分析系统的研制为目标，完成了原理样机的验证以及与之配套的离子源、电源及控制系统等关键部件的开发。在环形阱的研究上，首先基于仿真研究完成了对环形电极的结构设计和优化，配合电压的工作时序，分别实现了阱内离子往轴向和径向高效出射的功能，尤其是设计了非对称的电极结构，可以显著提升离子单边激发的效率，且这种方案也可以应用于矩形离子阱来实现单向出射功能。在柱形阱的研究上，使用了不同于传统的加电方式，将RF和AC耦合施加于端盖电极上，以保证环柱阱的串联工作，同时，设计了网状狭缝，使环柱阱既能工作在串联模式，也可以工作在单环形阱模式。除此之外，项目还开发和改进了进样和离子化技术以配合离子阱工作，包括脉冲进样技术、真空电喷雾离子源和掺杂辅助光电离源等，可以满足不同样品的检测需求。最后，基于所开发的质谱平台进行了VOCs监测和食品安全检测等方面的应用。本项目的研究使我们掌握了离子阱质谱仪中进样、离子化和离子检测等模块的关键技术，取得了包括论文和专利等在内的多项研究成果，为后续质谱仪整机系统及相关应用的研究奠定了坚实的基础。