新型离子阱质量分析器和气相离子解离方法的研究

新型离子阱质量分析器和气相离子解离方法的研究

作者:师大云端图书馆 时间:2016-01-01 分类:期刊论文 喜欢:1031
师大云端图书馆

【摘要】在众多的分析测试方法中,质谱被认为是一种同时具备高选择性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。在过去的二、三十年内,质谱已经变成分析化学领域最为核心的分析技术,尤其是对生物大分子的分析。质谱的应用领域极为广泛,遍及航天、地质、冶金、制药、法医、生命科学、食品安全、环境污染、国土安全等领域。质谱技术的产生和不断进步是伴随着近代电磁学理论的建立和完善而发展的。从1897年J.J.Thomson发明的第一个阴极射线真空管测量电子的质荷比开始,到今天一百多年的时间内,质谱的发展日新月异。二十多种离子源可以实现对不同种类、不同状态的样品,在不同的工作条件下进行检测,结合不同的质量分析器,得到丰富的样品化学和结构信息。质谱仪在进入到二十一世纪后,一个最主要的发展方向是小型化和便携化,摆脱质谱仪体积、重量上的限制,让质谱分析走出实验室,实现样品的实时、实地的检测。众多的质量分析器中,四极离子阱质量分析器因其结构简单、体积小、工作气压高、串级质谱性能、造价便宜等优点成为质谱仪小型化和便携化的首选。四极离子阱质谱再次成为质谱界的研究热点。离子阱的发展过程中,1953年Paul提出四极离子阱的理论,1987年商业化的离子阱质谱仪面世,此时的离子阱为三维离子阱,由两个端盖电极和一个环电极组成,电极的工作面均为双曲面。阱中的离子受到三维方向上的电压作用,被束缚在一个点上,离子的存储空间和存储效率受限。此外,双曲面电极的加工和组装一直是三维离子阱的难题。2002年Thermo公司提出了直线型离子阱,仅在径向上的两个方向采用双曲面电极,轴向上改用平板电极,将阱中离子的运动轨迹束缚在一条线上,离子存储空间和存储效率显著提高。2004年作为双曲面直线形离子阱的简化版本,矩形离子阱的出现使得离子阱的结构进一步简化,保证性能的同时,对阱电极的加工和组装的要求降低,一系列基于矩形离子阱的便携式质谱仪被开发和研究,但是矩形离子阱仍然存在诸多问题,包括电极的组装精度、对称性等因素,均有待进一步的提高,这也限制了其商业化推广离子阱质量分析器的一个最大优势是串级质谱能力,可以在单一质量分析器内实现多级串级质谱分析。串级质谱在生物蛋白和肽段的测序以及研究分子的化学结构方面是强有力的分析手段,也一直是质谱界的研究热点。目前已经发展的离子阱中进行的串级质谱分析方法主要有碰撞诱导解离、电子捕获解离和电子转移解离技术,其中以碰撞诱导解离技术使用最为普遍。本论文的主要研究方向为新型的离子阱质量分析器和气相离子解离方法。具体内容分为两部分,第一部分是新型的离子阱质量分析器的研究,主要针对若干具有自主知识产权的新型线形离子阱的设计,制作和性能进行讨论。第二部分是采用偶极直流驱动的碰撞诱导解离方法进行离子阱中串级质谱分析。主要研究成果如下:1.无论是传统的三维离子阱,还是近期发展的线形离子阱,电极均采用金属材料一般为不锈钢制作。电极的固定以及相互之间保持电绝缘需要额外的非金属、绝缘材料来实现,普遍采用的是陶瓷材料。一个离子阱的加工和组装精度,不仅需要高精度的不锈钢电极,还需要高精度的陶瓷材料。我们采用陶瓷材料直接作为离子阱的电极,电极的表面镀上一层金属膜,用于电压的施加。x、y电极的两端不镀金,且各开有一小孔,用于电极的组装同时保持径向上x、y电极对与端盖电极的绝缘,通过8个螺丝将x、y方向电极与端盖电极固定,即得到陶瓷电极矩形离子阱。整个阱的组装完全手动完成,并保持组装精度为±10微米。实验结果表明,陶瓷电极矩形离子阱具有与金属电极的离子阱相当的性能。2.离子阱中的电场主要是四极电场,物理上讲,完美的四极电场具有最佳的分析性能,而完美的四极电场要求电极为双曲面结构,而高精度的双曲面电极的加工难度非常大。矩形离子阱的优点是结构简单,易于加工和组装。但是过于简单的结构也导致阱内的电场成分较为复杂,离子引入小孔和离子引出槽均会增加阱内的高阶场成分。离子阱的几何结构将直接决定阱中的电场分布,在众多几何结构参数中,场半径比即(x0/y0)一直是最为主要的因素。我们设计加工了系列不同场半径比例的陶瓷电极矩形离子阱,通过理论模拟和实验相结合的方法,并对其性能进行比较,完成了矩形离子阱几何结构的优化。3.矩形离子阱内除四极电场外,多种成份的其它各种高阶场直接影响离子在阱内的运动轨迹和离子阱的性能。目前从理论上还无法预测高阶场成分对质谱性能的影响。我们通过测定不同几何结构的矩形离子阱的稳定图,并根据得到的不同情况下的稳定图结构分析了离子阱的质谱性能。研究结果表明:可以通过比较实验测得的稳定图结构来判断其离子阱质谱仪的性能如质量分辨能力等。此外,对于y-方向拉伸结构的矩形离子阱,其实验绘制得到的是不完整的稳定图。通过采用四极直流电压调制的方法,可以对v方向拉伸结构的矩形离子阱的性能进行改善,提高阱的质量分辨能力。4.相对于传统离子阱中正弦波电压驱动技术,数字离子阱是一种全新的离子阱工作模式,采用数字方波电压驱动离子阱,方波的幅度固定,通过扫描方波的频率完成质量扫描,具有独特的优势。本论文研究了方波驱动电压下矩形离子阱的几何结构优化,针对数字方波驱动电压下矩形离子阱的性能,以及针对数字方波电压的幅度、扫速等因素对阱性能的影响进行了较深入的研究。5.直线型离子阱中离子从轴向上经过端盖电极上的小孔进入离子阱中被束缚,最后通过x-电极上的引出槽从阱中弹出被检测。引入小孔和引出槽均会破坏离子阱内的电场。在线形离子阱中,引出槽的影响尤为明显,直接决定离子阱的分析性能。在现有的线形离子阱包括矩形离子阱中,均采用宽度小于1毫米的引出槽结构,对电极的加工以及高精度组装提出很高的要求。本论文提出一种栅网电极线形离子阱,在x-电极上中间开有大面积的孔洞并装载栅网。栅网电极的使用既能弥补电极孔洞部分的电场,同时保证了离子的通过率。我们设计了一种简易的栅网电极制作方法并完成了不同结构的栅网电极线形离子阱的组装,并通过实验对其性能进行了检测。6.离子阱是唯一可以在单一设备中进行多级串级质谱分析的质量分析器,因此,离子阱中进行的串级质谱分析方法倍受关注。目前,最为主流的方法是碰撞诱导解离技术。通过施加一对低幅度的交流电压,使阱中特定质量数的离子在交流电压条件下发生共振,与中性分子发生碰撞后实现解离。本论文提出一种偶极直流电压驱动下的碰撞诱导解离方法,该解离方法新颖且易于实现,通过改变偶极激发电压的占空比产生一对偶极直流电压,实现气相化学和生物分子离子的解离,证实了该解离方法的普适性。全文共分六章,主要内容概述如下:第一章:绪论。本章概述了质谱分析技术的原理和发展历程,并针对四极离子阱质量分析器的研究现状进行了着重介绍和详细论述。基于这些评述和总结,提出了本文的研究方向和研究思路。第二章:陶瓷电极矩形离子阱的研究。本章对陶瓷电极矩形离子阱的设计和组装、性能进行了阐述,完成了矩形离子阱的几何结构优化工作,确定了最佳的场半径比例和对称性,同时介绍了稳定图的绘制方法及其与离子阱性能的关系。最后对实验的结果进行了总结和讨论。第三章:数字波驱动下陶瓷电极矩形离子阱的研究。本章首先对数字离子阱的原理及研究现状进行介绍。进行了数字离子阱模式下的矩形离子阱的几何结构优化。针对数字方波电压驱动下离子阱的分辨率的影响因素进行详细讨论。最后对实验结果进行了总结和讨论。第四章:栅网电极离子阱的开发与研究。本章论述了一种全新的离子阱质量分析器栅网电极线性离子阱的设计、加工并对其性能包括分辨率和串级质谱等进行了研究。最后实验结果进行了总结和讨论。第五章:偶极直流电压驱动的碰撞诱导解离方法。首先介绍了离子阱中常用的串级质谱解离方法,对DDC驱动的CID方法的原理和装置进行了阐述,并展示了该方法对有机药物分子和多肽分子上的应用,以及解离时间对最终结果的影响。此外,初步研究发现,该解离方法对脑啡肽样品可以实现主要碎裂片段a4和b4离子的选择性解离。最后对实验结果进行了总结和讨论。第六章:总结与展望。对全文取得的研究成果进行了总结和分析,同时也指出了目前研究工作中存在的不足之处,并提出了可能的下一步的改进方案。
【作者】王亮;
【导师】丁传凡;
【作者基本信息】复旦大学,分析化学,2013,博士
【关键词】离子阱;陶瓷电极;串级质谱;偶极直流;数字离子阱;稳定图;栅网电极;碰撞诱导解离;

【参考文献】
[1]邢德峰,任南琪,宋佳秀,曲敏,徐香玲.不同16SrDNA靶序列对DGGE分析活性污泥群落的影响[J].环境科学,2006,07:1424-1428.
[2]王帅.镀银硅片衬底上低温沉积GaN薄膜的特性研究[D].大连理工大学,微电子学与固体电子学,2013,硕士.
[3]徐维祥,舒季君,唐根年.中国工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展测度[J].经济地理,2014,09:1-6.
[4]郑璐.小组工作对护理员职业倦怠的干预研究[D].郑州大学,社会工作(专业学位),2013,硕士.
[5]石玉红.股票型开放式基金的流动性对基金规模与绩效关系的影响[D].华侨大学,金融学,2013,硕士.
[6]张永华.基于灰值腐蚀—膨胀形态学和中值二值化的车牌定位及DSP硬件实现[D].浙江工业大学,2004.
[7]王慧芳,杨荷娟,何奔腾,王一.输变电设备状态故障率模型改进分析[J].电力系统自动化,2011,16:27-31+43.
[8]邢文峰.RISC/DSP系统仿真器的研究[D].浙江大学,信号与信息处理,2004,硕士.
[9]贾楠.城市轨道交通票务清分问题研究[D].北京交通大学,2008.
[10]本报记者李波.产业联盟+万亿规模石墨烯整装待发[N].中国证券报,2013-07-12A18.
[11]李虎.基于WebGIS的公共自行车信息服务查询系统研究[D].长安大学,地图制图学与地理信息工程,2014,硕士.
[12]许富祥.海洋灾害特征及防御对策[J].中国科技月报.1998(03)
[13]王娜.河北秦皇岛旅游业现状、问题与对策研究[D].河北师范大学,世界经济,2013,硕士.
[14]许文龙.基于视觉的增强现实虚实注册关键技术研究[D].北京化工大学,化工过程机械,2013,硕士.
[15]钱隽俊.浦东新区农村村委会选举完善研究[D].华东理工大学,公共管理(专业学位),2014,硕士.
[16]苏刚.孔子“陈蔡绝粮”及其历史文化解读[D].曲阜师范大学,专门史,2013,硕士.
[17]范国兴.太钢冷轧酸洗线电气系统[J].冶金自动化,2009,04:18.
[18]庞廷田.调强治疗计划优化的新方向研究[D].清华大学,生物医学工程(专业学位),2013,硕士.
[19]高文斌.重组人血管内皮抑素治疗恶性浆膜腔积液的基础与临床应用研究[D].延边大学,病理学与病理生理学,2014,博士.
[20]曾少友.BT模式运作中的法律风险及防范[D].贵州民族大学,民商法学,2013,硕士.
[21]陈继超,刘正堂,冯丽萍,谭婷婷.MoS_2电子结构、振动和介电性质的第一性原理计算[J].稀有金属材料与工程,2015,01:118-121.
[22]李媛.存在主义视角下的《第二十二条军规》[D].河北师范大学,英语语言文学,2012,硕士.
[23]袁耀.基于自适应模糊控制的船舶动力定位控制器设计研究[D].大连海事大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[24]王勇.数据仓库中数据查询优化方法的研究与应用[D].湖南大学,软件工程,2011,硕士.
[25]徐凤霞.2型糖尿病患者IL-18、TNF-α与颈动脉粥样硬化相关性研究[D].泰山医学院,内科学,2012,硕士.
[26]王书明,王家映.高阶统计量对改进大地电磁测深资料处理方法的作用[J].石油地球物理勘探,2004,S1:1-3+169.
[27]谢丽.长江北支口门圆陀角附近潮滩沉积特征及其记录的海岸环境变化[D].南京大学,自然地理学,2011,博士.
[28]徐凯,王新,刘定华,刘晓勤,孙林兵.配合物[C_(10)H_9N]_2CuBr_2的制备、结构分析及其对乙醇氧化羰化反应的催化活性[J].化工学报.
[29]饶凤陶.思想政治教育视域下的大学生闲暇教育研究[D].长安大学,思想政治教育,2013,硕士.
[30]王帅.创业伦理及其培养探析[D].东北大学,伦理学,2009,硕士.
[31]何斌.基于ANSYS的水闸可视化分析系统研究[D].河海大学,水工结构工程,2004,硕士.
[32]刘军.王芸生的日本观及现代化思想初探[D].西南交通大学,专门史,2003,硕士.
[33]韩敏,穆云峰.一种改进的RAN网络结构优化算法[J].控制与决策,2007,10:1177-1180.
[34]杨超.尼罗罗非鱼Sox家族生物信息学分析及Sox9α/b在性腺发育中的可能作用[D].西南大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[35]宋维琪,刘太伟.地面微地震资料τ-p变换噪声压制[J].石油地球物理勘探,2015,01:48-53+14-15.
[36]李亮.尾矿分级旋流器数值模拟及性能影响分析[D].太原科技大学,机械工程,2014,硕士.
[37]王星星.我国中部农村学校生存状态研究[D].复旦大学,教育经济与管理,2012,硕士.
[38]李紫娟.公司宣传册《活点技术》翻译实践报告[D].曲阜师范大学,翻译(专业学位),2013,硕士.
[39]向政委.基于摄影测量技术的质心测量方法研究[D].哈尔滨工业大学,飞行器设计,2013,硕士.
[40]蒲育.Ad Hoc战术互联网节能路由算法研究与仿真[D].西安电子科技大学,军事通信学,2012,硕士.
[41]化麒麟.太阳电池用硼掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备及特性研究[D].云南师范大学,农业生物环境与能源工程,2013,硕士.
[42]王月.开放经济下影响我国CO_2排放的因素研究[D].南京财经大学,国际贸易学,2012,硕士.
[43]张超.中国明代与意大利文艺复兴时期绘画中女性形象的比较研究[D].山西师范大学,美术学,2013,硕士.
[44]徐跃飞.论黑社会性质组织犯罪[D].湘潭大学,法律,2003,硕士.
[45]师瑞峰,周一民,周泓.一种求解双目标jobshop问题的混合进化算法[J].控制与决策,2007,11:1228-1234.
[46]王嵩.中国股票市场IPO抑价现象研究[D].天津大学,技术经济及管理,2004,硕士.
[47]张建华,李跃文.统计信息化发展及问题研究[J].山西统计,2003,06:15-16.
[48]潘令兵.工程项目类制造企业采购供应链管理研究[D].天津大学,2004.
[49]韩雪.“那叫一个X”格式分析[D].吉林大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[50]史亮.油轮货油加温操作系统的设计与开发[D].大连海事大学,轮机工程,2013,硕士.

相关推荐
更多