飞行时间质谱及串联质谱关键技术的系统研究

【摘要】本论文主要涉及化学领域的分析化学学科以及相关的分析仪器的研究,重点是研究质谱仪器技术和研制质谱仪器包括生物质谱仪器。质谱仪器技术是当前国际前沿科学与技术发展的热点之一,由于质谱技术涉及到物理、化学、生物、微电子、计算机、工程等多门学科,因此一直被认为是最难掌握的高技术。本论文的创新方面体现在：1、建立了以飞行时间质谱为基础的模块化串联质谱系统a)模块化的质谱真空系统,包括四极杆和飞行时间质谱区段,可以组合为包括TOF-MS、QTOF-MS、三重四极杆等质谱b)模块化离子传输系统实现了多种质谱之间的通用部件c)建立了以SinoMS总线为基础的模块化质谱板卡系统d)建立了以Labview为基础的质谱软件模块2、提出了超高分辨静电离子阱的新型接口,进行了理论研究模拟,制作了核心部件和实验装置,并取得了发明专利；3、建立了频率扫描四极杆质谱仪的理论基础和数值模拟,在现有装置上取得了部分实验结果,并取得了发明专利；4、在便携式质谱仪、离子源接口等方面申请发明专利多项；本论文的主要贡献：1、模块化质谱设计是质谱产业化中标准化设计的关键工程技术,对降低产品成本、提高仪器的通用性和扩展性有很大作用,具有显著的产业意义,为我国今后质谱产业发展提供了坚实的基础。2、超高分辨静电离子阱的新型接口是一种具有原始创新性的质谱关键接口技术,它能够提高离子的传输效率,解决Orbitrap质谱分析器目前遇到的实际问题,是本世纪下一个10年中能够获得突破的超高分辨质谱技术中的关键技术,具有显著的理论和实际意义,这一技术领先于国际水平。3、频率扫描四极杆质谱仪是突破现有四极杆控制技术的一项发明,它能够将四极杆的使用范围扩展至几万u的生物分子范围,对于今后大分子生物质谱中四极杆的改进和控制方法有着重要的实际意义。本论文共分为五章,主要内容摘要如下：第一章主要介绍了质谱仪器,侧重综述了飞行时间质谱仪的原理与发展,以及在当今生物质谱大力发展的情况下对仪器的要求,提出了本论文的研究方向和工作重点。质谱分析是将引入质谱的样品气化并离子化,将样品离子引入分析器进行研究,在分析器中按离子的质荷比不同分离离子并检测各种离子得到质谱图的过程。质谱仪器按照离子源和分析器来区分有很多种,随着科技的进步,生物质谱时代的来临,电喷雾和基质辅助激光解析离子源的广泛应用使生命科学进一步发展,而对于基因组学、蛋白组学等生物大分子的分析主要使用飞行时间或者串联飞行时间作为质谱的分析器,在这种形势下,继续发展飞行时间质谱和相关的质谱技术有重要意义,我国的质谱仪发展始终落后于国外,为了改变这种局面,缩小与国外的差距,结合本实验室研究飞行时间质谱的经验,提出了本课题的研究方向。第二章主要介绍了我们自行开发研制的电喷雾源飞行时间质谱仪。液相色谱和质谱联用是生物质谱的基础,而液质联用的接口技术是重要的技术之一,我们选择生物质谱中常用的电喷雾源作为质谱的离子源,设计并开发了电喷雾离子源—垂直引入反射式飞行时间质谱仪。该仪器在离子调制区使用三种不同的四级杆,采用正负双脉冲推斥和离子垂直引入方式,有优化的二级有网反射器,新颖的MCP安装方法和离子检测技术,信号采集采用TDC系统,谱图采集和处理程序是由俄罗斯学者V.Raznikov编写,该程序操作十分简便,预计年底调试后分辨率可以达到10000—15000。还介绍了已经完成的1.2米飞行时间质谱仪的安装调试工作和0.6米飞行时间质谱仪的安装调试工作,归纳总结了经验与不足及今后的努力方向。第三章主要介绍了台式电喷雾-反射式飞行时间质谱仪产业化样机的研制工作。该样机的飞行器采用了目前飞行时间质谱设计的主流之一匀场设计,具有国际先进水平,同样在离子调制区使用三组四级杆,有效地减少离子束的空间分散和能量分散；采用了正负双脉冲推斥和离子垂直引入方式；有经过优化设计的二级有网反射器和新颖的MCP安装方法,该样机可以和国产色谱直接配套,研制成本可以控制到国内市场可以接受的价格,性能优异,文中介绍了其主要部件的研制方法,并给出了样机的测试结果,改样机顺利通过验收,对以后国产质谱仪的发展有重大的推进作用。第四章主要介绍了模块化质谱部件的研制与开发。通用的质谱构架体系对于质谱的开发有很重要的含义,可以简化设计步骤,减少开发和生产的成本。文中介绍了我们自行设计开发的通用构架体系,包括离子传输系统、电子系统、质谱的关键部件如四级杆分析器、飞行时间分析器模块等、通用的测试系统和功能板卡、以及以以labview和CVI为基础的软件快速开发模块和模块化的真空系统。这些拥有自主知识产权的模块化部件对于我国国产质谱仪的发展有很重要的作用,为今后的研制提供了基础。第五章介绍了其他类型的质谱关键技术的开发和研制,主要包括四级杆质量分析器的研制、离子阱质量分析器的研制以及静电轨道离子阱的研制。文中对每一种质量分析器的原理、计算进行了深入的解释分析,对于目前工业开发所需要的加工以及计量体系做了详尽的介绍,对于分析器中设计到的关键技术给予了详尽的解释说明。同时文中还介绍了关于四级杆质量分析器的其他质谱的研制工作,为推进国产质谱的开发提供了极高的参考价值。
【作者】徐国宾；
【导师】杨芃原；
【作者基本信息】复旦大学，分析化学，2010，博士
【关键词】飞行时间质谱；质谱仪器；四极杆；学位论文；TOFMS；质量分析器；离子源；通用部件；电喷雾；离子传输；

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