低真空或常压环境中质谱分析的机理研究

The mechanism of mass spectrometer working in the atmosphere or low vacuum will be researched in this paper.The difference of ion moving between in the vacuum and in the atmosphere(or low vacuum) is the resistance that the pressure is more higher,the resistance is more greater. In the vacuum, the pattern of ion's moving can be described by Mathieu Function,because the resistance is close to zero. But in the atmosphere or low vacuum, the pattern of ion's moving can't be described by Mathieu Function,because the resistance is not zero.So the mathieu must be modified to establish a new and suitable theoretical model. The pattern of ion's moving in the atmosphere or low vacuum that can cause resistance is the main content of this paper. First,a model of ion's moving will be established by modifing the Mathieu Funciton. Second,the pattern of ion's moving in the airflow field and electric field will be simulated by the software COMSOL. A method of controlling the ions in the atmosphere or low vacuum will be found. At last, by changing the pressure,the previous simulation will be test in the MS experiment platform. . Theoretically, this research reduces the requirements for the vacuum of the traditional mass spectrometer. So the cost, power consumption, volume and weight of mass spectrometer will be reduced. It will be used widely in the field of site testing such as food safety,environmental monitoring etc.

本研究主要针对可在常压状态下(或者低真空环境)工作的质量分析器的机理进行研究。离子在真空和常压（或低真空）环境下运动的区别是随背景压力增大，离子运动的阻力增大。真空下原来用马修方程来描述的离子运动规律，在阻力增大后，不再成立。因此，对马修方程进行修正，建立合适的理论模型，研究有阻力下离子的运动规律是本文的主要研究内容。主要包括：一、修正马修方程，建立有阻力的离子运动模型；二、用仿真软件COMSOL对离子在气流场和射频电场双重作用下的运动问题进行仿真,探寻在有阻力环境下，离子的控制方法；三、利用现有质谱仪平台，调节真空腔内压力，研究离子随压力变化的运动规律，对仿真结果进行验证。. 本研究可降低质谱仪对真空系统的苛刻要求,可大大减小质谱仪的成本、功耗、体积和重量。在食品安全、环境监测等需要现场检测的应用领域有着广泛的应用前景。

针对由于质谱仪质量分析需要高真空环境，涡轮分子泵束缚质谱仪便携化和低成本化的问题，在研究四极质谱质量分析机理的基础上，对可应用于低真空环境的质量分析操作模式展开研究。.首先，设计并搭建基于圆柱形离子阱的质谱仪平台。在高真空环境下，优化工作参数，使用最优参数在不同真空度下对部分有机物进行实验，实验结果表明，在高真空环境下，仪器性能良好，可以完成物质的质量分析，但随着压强提高，仪器性能降低，直至质量分析无法进行。若要在低真空下实现质量分析，必须对仪器操作模式进行优化。.其次，对低真空环境下的马修方程进行修正，提出使用数值计算确定稳定区的方法。基于阻力模型，得到低真空环境下带有阻尼项的马修方程，使用五阶龙格-库塔数值方法得到不同阻尼系数下第一、第二和高阶稳定区。从稳定区变化的角度，提出在低真空环境下进行质量分析应使用高频率射频电压的结论。在所搭建的质谱仪平台中，验证了相关结论的有效性。.再次，提出利用Langevin碰撞理论模拟低真空离子运动的方法，并提出面向低真空环境的质量分析操作模式。在仿真平台中，从分辨率和灵敏度两个角度，模拟不同操作模式对仪器性能的影响。在所搭建的质谱仪中，对仿真得到的操作模式进行实验验证，在极限压强2 Pa下成功获得水杨酸甲脂的高质量谱图。该压强可以通过单个性能优异的机械泵获得，有望大幅度降低质谱仪的成本、体积、功耗，为其现场应用提供便利。.最后，提出一种使用顺向气流作为离子出射动力、适用于更高压强的质量分析方法。在COMSOL中搭建仿真平台，使用气流场和电场联合仿真对所提出的高压强质量分析方法进行验证，结果表明，该方法能够有效解决压强提高离子在轴向运动能量不足的问题，所得到的谱图在谱峰强度、谱峰宽度方面明显优于无气流条件下的质量分析结果。搭建简易实验平台对所提出的方法进行实验验证，在20 Pa压强下进行实验，实验结果与理论分析及仿真相符，表明所提出的方法适用于高压强下的质量分析。