面向现场应用的实用型质谱仪的研制

Mass spectrometer (MS) is one of the most versatile 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 miniature MS system basing on the ion mobility spectrometry (IMS) technique. A simplified electrospray ionization (ESI) source will be used for in situ sampling and ionization. In addition, radio-frequency assisted drift tube was developed to improve the sensitivity of the IMS analysis. The development of our miniature MS system will be aimed at food safety analysis, which can conduce to optimum design and structural simplification of the instrumentation. This research should help to sufficiently realize the value of portable mass spectrometer in modern analytical application.

质谱仪器是现代分析中的一种有效工具，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。本研究提出一种基于离子迁移谱（IMS）技术的小型常压质谱仪系统。该系统将采用适合于现场检测的简化型电喷雾离子源，实现液体样品的直接进样和离子化。在分析器的设计上，为了提高IMS分析的灵敏度，我们将射频技术引入到线性漂移管中，以此来束缚离子束在管中的迁移运动。本项目将首先针对食品安全检测领域进行仪器的应用开发，这不仅有利于仪器结构和性能的优化设计，更能充分体现便携式质谱的应用价值，从而为将来仪器的市场化打下坚实的基础。

质谱仪器是现代分析中的一种有效工具，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。本项目主要针对小型质谱仪系统中的关键部件及技术，包括便携式电喷雾离子源、小型射频离子迁移谱技术以及低功耗射频电源等进行研究。在离子源的设计上，通过对喷口结构的优化设计，利用高速气流在毛细管喷口处产生的负压实现了自吸式进样，避免了注射泵的使用，而且通过气体流速的调节也能控制进样流速，另一方面，所使用的气流也可以实现辅助雾化的效果，是一种理想的便携式电喷雾离子源。在迁移谱的设计上，项目通过在漂移管上增加射频电压来束缚离子在管内的运动，并详细优化了装置的几何及电参数，由SIMION的仿真结果来看，离子的传输效率得到显著提高，同时还能实现不同离子的有效分离。此外，项目还针对所设计的射频迁移谱中的具体需求开发了一套低功耗射频电源，也可以用于其它的小型质谱装置中。本项目的研究使我们掌握了小型质谱仪中的几个关键单元技术，并进行了验证和调试，初步证实了这些技术的可行性，取得了包括论文、专利在内的多项研究成果，培养了多名研究生，为后续小型质谱仪整机系统的研究奠定了良好的基础。