离子检测仪器中新型直流—射频聚焦电场电极结构性能研究

Ion detection analysis is the promising tool for the fast detecting and control of trace organic compounds in the fields such as environmental research, national security, medical applications and food control. However, it is limited in analyzing the more trace compounds for its low sensitivity. Therefore, in this project we plan to research on the performance of the new DC-RF focusing field electrode structure in the ion detection instruments: Based on the ion detection instrument, the ion trajectories in that new electrode structure were simulated with the latest ion collision algorithm. And it was used to study performance improvement of the ion detection instruments.The anticipated achievement of this project is to develop a new ion collision model consistent with the actual situation and an accurate method to simulate ion motion trajectory in the electric field. At the same time, it has huge potential and great reference in improving the sensitivity of ion detection analysis with this powerful tool to explore other novel electrode structures.

离子检测分析技术在环境保护、国家安全、医学诊断、食品安全等领域的痕量物质快速检测与监控中有广阔的应用潜力，但高灵敏则是各种离子检测仪器发展的一个瓶颈，为此，本项目拟对新型直流—射频聚焦电场电极结构性能研究：采用最新的离子碰撞模型，结合离子检测仪器实验条件，实现对直流—射频聚焦电场电极结构中离子运动轨迹的模拟，展开对离子检测仪器性能提升研究。本项目的预期成果将发展一种最新的并与实际较为相符的离子碰撞理论模型和实现对电场中离子运动轨迹的准确模拟方法，同时将该方法对于探究其他新型电极结构来提高离子检测仪器灵敏度具有巨大潜力和巨大借鉴作用。

离子检测分析技术具有样品用量少、分析速度快、定性定量可靠等特点，已广泛应用于环境保护、国家安全、毒品控制、医学诊断、食品安全、生物医药等领域中对痕量物质快速检测与监控，已成为当今物质分析的首选工具。项目基于离子检测仪器性能提升这一科学问题对新型直流—射频聚焦电场电极结构性能展开理论模拟与实验检测研究，主要围绕离子—分子碰撞理论模型、电极结构中电场与离子运动轨迹模拟以及新型直流—射频聚焦电场电极结构性能等研究内容展开。采用最新而经典的Monte carlo模型算法，结合刚球模型中的弹性碰撞的离子—分子碰撞模型，借助Simion 7.0电场模拟仿真软件并自编相应的碰撞模型算法程序，综合考虑离子在电极结构中受到电场、离子与分子碰撞以及离子的扩散作用，实现在一定电极结构中对电场及离子运动轨迹模拟；通过对直流—射频聚焦电场电极结构中有效势进行理论探究、Matlab软件仿真以及离子运动轨迹的理论模拟，自主设计并加工一套“V”字形直流—射频聚焦电场电极结构并开展性能研究，该电极结构由一系列同心电极环构成，环厚1mm，环间距4.6mm，环内径从16mm线性递减到8.5mm，总长约125 mm；在该电极结构上开展射频电压幅值及频率对反应离子、杂质离子和产物离子的透过率影响展开实验检测分析，同时，在直流—射频模式(直流电压 300 V，射频电压 100 Vpp 以及频率 900 kHz)和仅直流模式(约化场140 Td)实验条件下获得了八种常见有机物的可探测灵敏度，灵敏度提高了2~22倍，从实验上进一步证实通过离子运动轨迹理论模拟得出结论的正确性和所设计的“V”字形直流—射频电极结构对离子透过率的较大提升作用。该新型直流—射频聚焦电场电极结构对于提高离子检测仪器以及同类型检测仪器的性能将具有一定的应用潜力和参考价值，对于提高我国检测水平具有重要的研究意义和战略意义。