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电子轰击离子源离子传输效率的数值模拟与实验研究

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真空与低温 2023年第1期29卷 67-71页

作者：郭文成永军陈联冯天佑王星辉邱云涛兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室兰州730000

针对兰州空间技术物理研究所自研的四极质谱计用电子轰击离子源(EI源)的离子传输效率进行了数值模拟和实验研究。利用模拟仿真软件Simion8.1,采用控制变量法研究了EI源各电极参数对离子传输效率的影响,并进行了实验验证,实验结果与仿真... 详细信息

针对兰州空间技术物理研究所自研的四极质谱计用电子轰击离子源(EI源)的离子传输效率进行了数值模拟和实验研究。利用模拟仿真软件Simion8.1,采用控制变量法研究了EI源各电极参数对离子传输效率的影响,并进行了实验验证,实验结果与仿真结果一致。结果表明,降低电离室电压、增大电离室与引出极间电压差、调节聚焦极电压至最优值可提高EI源离子传输效率。在四极质谱计中,电离室电压、引出极电压受其他相关因素影响,可调节范围很小,提高EI源离子传输效率的有效方法是调节聚焦极电压。

关键词： EI源离子传输效率 Simion模拟性能研究

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二级腔质谱的离子传输效率评价

二级腔质谱的离子传输效率评价

物理所2×1.7MV串列加速器的运行与使用

2018年中国质谱学术大会（CMSC2018）

作者：张健霍新明姚彤彤李琦唐飞清华大学精密仪器系

质谱仪器检测物质时,经常会遭遇灵敏度不满足需求的问题,问题通常是样品本身浓度偏低,但问题也可能出在容易被忽视的离子传输环节上。有时由源产生的离子的浓度并不低,但离子传输到分析和检测环节已经处于甚至低于检测限,分析误差加大,... 详细信息

质谱仪器检测物质时,经常会遭遇灵敏度不满足需求的问题,问题通常是样品本身浓度偏低,但问题也可能出在容易被忽视的离子传输环节上。有时由源产生的离子的浓度并不低,但离子传输到分析和检测环节已经处于甚至低于检测限,分析误差加大,直接影响检测结果的准确性。由此,量化并评价离子在质谱仪中的传输过程意义重大。本文利用法拉第杯检测同一稳定NanoESI源产生的离子流在二级腔质谱仪中经历单个传输环节后的剩余离子强度,并检测依次增加各传输环节后的离子强度,得到各个环节的离子传输效率(或损失率)。实验结果显示了各个传输环节的量化值,其中进样管的传输效率很低,仅0.4%;另外一级腔与二级腔衔接处,取样锥的离子传输效率也较低,为17.1%。实验结果表明了离子流在整个传输链路中不断递减的强度分布及各环节的传输效率,为提高某一传输环节或完整传输环节的离子传输效率提供了指导方向,如离子的进样环节是离子损失程度最大的地方,可通过改进进样管形式或改变离子源与后续环节的压差来提高离子通过率。

关键词：质谱仪离子流离子传输效率

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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核技术 1992年第6期15卷 354-357页

作者：周俊思徐天冰朱沛然邱长青郑宗爽江伟林任孟眉中国科学院物理研究所北京100080

物理所2×1.7MV串列加速器已正常运行8年。主机稳定、束流传输较好,将自制潘宁离子源与原机上的860型溅射负离子源配合,已引出并使用的有H、He、Li、O、F、Ti等30多种元素的各价态离子。在使用过程中发展了背散射、沟道技术、质子激发X... 详细信息

物理所2×1.7MV串列加速器已正常运行8年。主机稳定、束流传输较好,将自制潘宁离子源与原机上的860型溅射负离子源配合,已引出并使用的有H、He、Li、O、F、Ti等30多种元素的各价态离子。在使用过程中发展了背散射、沟道技术、质子激发X射线分析、核反应分析、弹性反冲分析等多种分析手段和MeV级扫描离子注入系统:μm束探测系统以及相应的管道、靶室、数据采集和处理系统。该机已服务和支持了国内外26所大学和20多个研究所100多个课题的研究工作,提供16000多个有效机时。

关键词：串列加速器束流线离子传输效率离子源运行

基于SU-8胶的电喷雾聚焦电极微制作工艺研究

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基于SU-8胶的电喷雾聚焦电极微制作工艺研究

作者：李进大连理工大学

学位级别：硕士

电喷雾(ES)是为了实现液体溶液转变成大量的均匀小液滴过程的一种方法。后来电喷雾得到极大的发展,尤其是在质谱(MS)分析领域,因为质谱分析的要求—物质分子从溶液中提取出来并转变成气态自由离子,这样才能实现质谱检测和分析,这习惯上... 详细信息

电喷雾(ES)是为了实现液体溶液转变成大量的均匀小液滴过程的一种方法。后来电喷雾得到极大的发展,尤其是在质谱(MS)分析领域,因为质谱分析的要求—物质分子从溶液中提取出来并转变成气态自由离子,这样才能实现质谱检测和分析,这习惯上被人们称为电喷雾电离质谱(ESI-MS),它作为一个很好的工具大量应用在分析化学领域。随着质谱技术和电喷雾电离技术的发展,电喷雾电离质谱(ESI-MS)技术得到了极为广泛的应用,但是质谱检测的灵敏度过小是阻碍电喷雾电离质谱技术发展的主要原因之一。研究发现,限制ESI-MS灵敏度的主要原因在于从电喷雾电离源到质谱仪入口处由电喷雾发射出的发散的离子得不到有效地聚焦,也就是说,从电喷雾离子源到质谱仪取样小口处之间的输运离子装置离子聚焦性能较差。所以改善离子传输效率的关键在于设计和制造一种高效离子输运装置。本研究目的在于改善在大气压环境下电喷雾电离源到质谱仪取样小孔之间的离子输运效率,利用MEMS制作工艺加工一种离子聚集电极。本文介绍了一种在纳升电喷雾电离过程中,基于SU-8材料的聚焦电极的制作。该电极主要用于提高大气压下纳升电喷雾过程中从喷针到对极板之间的电喷雾离子传输效率。使用传统紫外光刻技术,采用多次曝光、一次显影技术成功制作了带有阶梯孔结构的特定的SU-8胶结构。将SU-8胶结构从基底上释放后在其表面沉积金属层。制作成导电电极。搭建电喷雾检测平台,测试使用SU-8电极后的电流信号。经过测试,我们发现,当喷针距离SU-8聚焦电极为11cm,喷针所加电压为2600V,聚焦电极所加电压为600V时,电流可以实现十倍的放大效果。

关键词： ESI-MS 离子传输效率聚焦电极紫外光刻释放

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高效离子传输装置的设计与实现

高效离子传输装置的设计与实现

作者：郁力宁波大学

学位级别：硕士

质谱仪器是目前最重要的物质分析仪器之一。利用物质离子的特性质谱仪能精确地确定所测量离子的精确质量数,进而明确物质的结构,查明其具体组成部分和量级。质谱检测能定性定量分析物质组成,具有灵敏度高,结果准确可靠,需要样品量少的特... 详细信息

质谱仪器是目前最重要的物质分析仪器之一。利用物质离子的特性质谱仪能精确地确定所测量离子的精确质量数,进而明确物质的结构,查明其具体组成部分和量级。质谱检测能定性定量分析物质组成,具有灵敏度高,结果准确可靠,需要样品量少的特点,在环境检测、化工以及国防航天等众多重点关注的需要保证绝对安全的领域起着决定性的作用,质谱仪在这些方面领域中广泛应用。由于众多应用领域对质谱仪提出更准确的结果、更好的灵敏度的要求,同时要求所需样品量更少。同时传统ESI源离子在到达质量分析器的高真空区域之前需要经过一定压力环境的真空室。在这些不同的真空室中离子通过的效率在很大程度上决定了质谱仪的总离子传输效率。离子漏斗能大幅度提高真空室中离子通过的效率,减少该过程中的损失。本文就离子漏斗对于蛋白质等大质量生物分子传输效果不佳的情况对离子漏斗进行了改进,仿真结果显示改进后的离子漏斗在大分子上的传输效率上有显著的提高。在本文的方法中将应用仿真和实验进行分别模拟理论正确性与验证实际同理论的贴合性,文章的布局概要如下:本文首先将简单分析离子漏斗的背景、发展与原理,重点针对离子漏斗内电场分布和电压特征进行了理论分析,然后应用离子漏斗原理对以前几个模型进行了探究分析得出其各自优势与劣势。然后,利用电场模拟软件SIMION对离子漏斗进行建模并且通过设置不同的电极参数进行仿真,分析不同参数下离子传输效率,判断电极参数对离子传输效率所带来的影响。结果表明应用方波驱动离子漏斗与传统离子漏斗相比,质量范围有明显提升,100V时使用方波驱动质量范围相比正弦波提高35%,低质荷比离子通过率有所提高,具有一定优势。在理论模拟的基础上,进行了各实物部件的加工与相应软件的设计与编写工作,完成了整体实验平台的搭建,并应用上一章搭建的离子漏斗实验平台探究变化规律是否和理论一致。结果说明离子漏斗能有效减少离子损失且变化规律与理论一致。

关键词：离子漏斗离子传输效率灵敏度方波

便携式质谱仪离子漏斗优化及毒品检测应用研究

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便携式质谱仪离子漏斗优化及毒品检测应用研究

作者：熊士领宁波大学

学位级别：硕士

便携式质谱仪由于体积小、重量轻、便于携带且操作简单,能够满足现场快速检测的需求,在缉毒走私、国防安全、环境监测等领域得到广泛应用。离子漏斗作为高效的离子传输装置之一,具有可小型化和较大的离子接收面积,且在较高气压下能大幅... 详细信息

便携式质谱仪由于体积小、重量轻、便于携带且操作简单,能够满足现场快速检测的需求,在缉毒走私、国防安全、环境监测等领域得到广泛应用。离子漏斗作为高效的离子传输装置之一,具有可小型化和较大的离子接收面积,且在较高气压下能大幅度地提升离子传输效率并改善仪器的检测性能等优势,因此常被用于便携式质谱仪中。但是,传统的小型化离子漏斗质量歧视效应显著限制了便携式质谱仪在毒品检测等领域的有效应用。本文针对离子漏斗电场优化以及便携式质谱仪在毛发、尿液中的毒品检测应用进行了研究,主要内容如下:1、离子传输效率对仪器的灵敏度和检测限等性能指标起着决定性作用,毛细管和离子漏斗作为便携式质谱仪的重要离子传输器件对离子传输效率有着重要影响。为了在不增加便携式质谱仪的体积、重量和功耗的情况下提升其对低质量数毒品物质的检测性能,本文先匹配设计了弯折10°的毛细管结构,改善了去溶剂化效果,再通过实验和仿真结合的方式,分别对离子漏斗尾部电极片上的射频电场和直流电场进行了梯度优化研究,有效削弱了低质量歧视效应。最终结果表明:优化后的离子漏斗对高质荷比离子m/z 609.3的信号强度提升了约1.5倍,对低质荷比离子m/z 130、m/z 195.1的信号强度分别提升了约3.6倍和1.9倍;离子漏斗在较宽的射频电压幅值46 V～200 V范围内,低质荷比离子都会保持较高的离子信号强度。2、基于优化离子漏斗后的便携式质谱仪检测平台,开发了一套用于毛发、尿液的前处理技术,并优化喷雾电压和传输毛细管温度分别为1.8 k V和205℃,之后对毛发和尿液中的5种常规毒品进行了检测。其结果表明:针对毛发中的5种常规毒品检测,其检测限为0.04～0.2 ng/mg,检测限低于公安部标准检测限。针对尿液中的5种常规毒品检测,检测限为0.5～30 ng/m L,其中4种毒品定量检测的线性相关系数大于0.99,并且在3个水平下的加标回收率为56.13～103.74%,在对实际吸毒人员的尿液样本检测中,总体的检测准确率为99%,说明优化后的仪器性能可满足对生物样本中的毒品检测需求。

关键词：离子传输效率质量歧视冰毒生物样本

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小型化离子漏斗的仿真设计与实验探究

小型化离子漏斗的仿真设计与实验探究

作者：张曙光苏州大学

学位级别：硕士

质谱法是先将物质进行电离,然后在真空环境下通过电场或磁场使待测离子按它们质荷比(m/z)分离后进行检测的方法。测出离子准确质荷比含量即可确定物质化合物组成。质谱仪作为现代分析仪器的代表,已广泛应用于材料科学、刑侦科学、生命... 详细信息

质谱法是先将物质进行电离,然后在真空环境下通过电场或磁场使待测离子按它们质荷比(m/z)分离后进行检测的方法。测出离子准确质荷比含量即可确定物质化合物组成。质谱仪作为现代分析仪器的代表,已广泛应用于材料科学、刑侦科学、生命科学、环境监测、医疗卫生、食品安全、载人航天、国家安全等众多领域。近年来,随着质谱技术的不断发展,要求质谱检测设备更小巧、更易于携带和移动。因此越来越多的科研投入集中于仪器的便携化和小型化。但是,目前小型化质谱仪的检测灵敏度还远没有达到要求,大部分离子损失在离子传输装置中,只有少量离子可以到达高真空区域的质量分析器中。离子漏斗是一种新型的离子传输装置,可在高气压下聚焦离子,大幅提高离子的传输效率。本文针对经典离子漏斗几何尺寸较大,结构较为复杂的问题,设计了一种小型化离子漏斗。新设计的小型化离子漏斗总体长度为经典离子漏斗的2/3,且具有更简易的电路设计和良好的传输效率。在研究途径上,本文采用了理论模拟和实验验证相结合的方法,具体的研究内容和结论如下:首先,对离子漏斗内部的射频电场进行了理论分析,找到小型化离子漏斗合适的几何尺寸区间。然后,利用电场模拟软件SIMION对不同几何参数的小型化离子漏斗进行建模,采用离子轨迹仿真软件AXSIM对离子漏斗内部的离子轨迹进行模拟,并计算离子传输效率。模拟结果表明:在离子漏斗电极厚度为1.0mm的情况下,当电极间距为2.0mm,电极片数为34片时,离子的传输效率达到最高。进一步研究了电参数对小型化离子漏斗性能的影响,结果表明:在射频频率为0.7 1.2MHz、射频电压为80 120V,且直流电压梯度为9 15V/cm时,对于质荷比大于100Da的离子传输效率达到95%。最后,在理论模拟基础上,对小型化离子漏斗实物进行加工制造,并搭建电喷雾电离源离子阱实验平台以验证小型化离子漏斗的传输性能。实验结果表明:使用小型化离子漏斗代替采样锥,在各扫描速度下,质谱图的离子丰度均提高了六倍,即整台仪器的灵敏度提高了六倍。实验过程中对小型化离子漏斗的电参数进行改变,得到与仿真相符的结果,更验证了本文研究方法的可靠性。

关键词：小型化离子漏斗电极间距离子传输效率离子丰度灵敏度

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小型化磁质谱仪离子源的模拟及优化设计

真空 2019年第2期56卷 51-56页

作者：张礼朋董猛成永军吴海燕钱洁张曙光张英军葛赛金李晓旭苏州大学机电工程学院江苏苏州215021 兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室甘肃兰州730000

电子轰击离子源(Electron Impact Ion Source,EI源)作为小型化磁质谱仪的核心部件之一,其性能指标直接影响质谱仪器的质量分辨率与灵敏度。本文对小型化EI源的结构和电压驱动方式进行了改进和优化,旨在提升EI源的综合性能。采用离子光... 详细信息

电子轰击离子源(Electron Impact Ion Source,EI源)作为小型化磁质谱仪的核心部件之一,其性能指标直接影响质谱仪器的质量分辨率与灵敏度。本文对小型化EI源的结构和电压驱动方式进行了改进和优化,旨在提升EI源的综合性能。采用离子光学模拟软件simion-8.0构建了小型化EI源的三维模型,重点研究几何参数、离子推斥极结构以及驱动EI源的电压参数对离子聚焦性能和离子传输效率的影响。通过模拟离子的运动轨迹,得到离子的运动参数,同时利用相空间法,分析EI源的离子聚焦效果和离子传输效率。理论模拟结果表明:当聚焦极与电离室距离S1为1.2mm,主狭缝与聚焦极距离S2与S1的比值为1.6,主狭缝缝宽S3为2mm,推斥极为圆弧结构,且聚焦透镜和主狭缝透镜通过扫描高压恒压跟踪驱动方式时,离子的位置聚焦半径小于0.08mm,离子传输效率可达到99%以上。研究表明:经过几何参数、推斥极结构优化和电压驱动方式改进后的EI源,可大幅提高离子传输效率,提升聚焦效果,并能在全质量范围内保持离子聚焦性能稳定,上述特性使其在小型化磁质谱仪开发中具有显著优势。

关键词：电子轰击离子源离子推斥极恒压跟踪聚焦性能离子传输效率

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小型化离子漏斗设计与仿真

自动化仪表 2018年第1期39卷 79-83页

作者：张曙光钱洁张在越袁广洲吴海燕张礼朋李艺李晓旭苏州大学机电工程学院江苏苏州215021

离子漏斗是一种新型的离子传输装置,可在高气压下聚焦离子,大幅提高离子的传输效率。针对经典离子漏斗几何尺寸较大的问题,设计了一种小型化离子漏斗。通过优化电极间距等几何参数对其离子传输性能进行优化,采用电场模拟软件SIMION和离... 详细信息

离子漏斗是一种新型的离子传输装置,可在高气压下聚焦离子,大幅提高离子的传输效率。针对经典离子漏斗几何尺寸较大的问题,设计了一种小型化离子漏斗。通过优化电极间距等几何参数对其离子传输性能进行优化,采用电场模拟软件SIMION和离子轨迹仿真软件AXSIM,对具有不同几何参数的小型化离子漏斗进行了模拟。模拟结果表明:在离子漏斗电极厚度为0.5 mm的情况下,当电极间距为1.6 mm时,离子的传输效率达到最高。进一步研究了电参数对小型化离子漏斗性能的影响。结果表明:在射频频率为0.5 MHz、射频电压为100 V且直流电压梯度为9.1 V/cm时,该漏斗对于质荷比大于100 Da的离子传输效率达到95%。经优化后的小型化离子漏斗总体外形为圆柱结构,其长度和径向直径均小于36 mm,可用于小型化质谱仪的开发。

关键词：小型化离子漏斗离子传输装置高气压离子聚焦电极间距离子传输效率离子轨迹