线性离子阱单向出射的方法研究
离子阱中3种软件程序的离子运动轨迹数值模拟对比
第43卷第4期质谱学报Vol.43 No.4 2022年7月JournalofChineseMassSpectrometrySocietyJul.2022离子阱中3种软件程序的离子运动轨迹数值模拟对比王伟民1,徐锐峰2,江 游2,张 谛2,徐福兴1,丁传凡1(1.宁波大学材料科学与化学工程学院,质谱技术与应用研究院,浙江省先进质谱技术与分子检测重点实验室,浙江宁波 315211;2.中国计量科学研究院,北京 100013)摘要:质谱仪器研发周期长、应用成本高,使得数值模拟成为仪器研发、性能优化、实验方案设计的理想选择。
目前,离子轨迹模拟软件SIMION、Comsol和Axsim已广泛用于质谱数值模拟和理论研究,对比分析这3种软件对于质量分析器的设计具有重要意义。
本研究以矩形离子阱质量分析器为研究对象,从图形用户界面和运行平台、电极建模和电场计算、条件定义和程序加载、离子轨迹计算和时间步长选取等方面入手,比较这3种软件的模拟过程和结果。
结果表明:3种软件模拟的离子运动轨迹存在偏差,且主要位于离子运动方向转变时,Comsol与SIMION的模拟轨迹偏差最大,Axsim和SIMION模拟的频谱图中谱峰位置差异小于0.1%。
SIMION软件适用于复杂质谱装置中离子运动轨迹的理论模拟,但对使用者的物理和编程水平要求较高;Comsol具有最精致的图形用户界面,以及详细的数值模拟模块,但是不具备离子运动轨迹的频谱分析、相位分析等特殊模块,而且封闭的软件程序无法根据具体情况灵活调整,所以只适用于一些简单结构的质谱数值模拟;Axsim具有最专业的质谱中离子运动轨迹分析程序,可以对离子运动的频谱、相位、空间发散、动能发散等参数进行直接分析,能够直观地指导质谱质量分析器的设计,但不具备建模和电场计算模块。
本研究有助于加速质谱研究中数值模拟进程,为开发具有自主知识产权的国产质谱数值模拟软件提供参考。
关键词:离子阱质谱;数值模拟;离子运动轨迹;软件中图分类号:O657.63 文献标志码:A 文章编号:1004 2997(2022)04 0495 09犱狅犻:10.7538/zpxb.2021.0180犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳犖狌犿犲狉犻犮犪犾犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅犳犐狅狀犜狉犪犼犲犮狋狅狉犻犲狊犻狀犜犺狉犲犲犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀犘狉狅犵狉犪犿狊狅犳犐狅狀犜狉犪狆WANGWei min1,XURui feng2,JIANGYou2,ZHANGDi2,XUFu xing1,DINGChuan fan1(1.犣犺犲犼犻犪狀犵犘狉狅狏犻狀犮犻犪犾犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犃犱狏犪狀犮犲犱犕犪狊狊犛狆犲犮狋狉狅犿犲狋狉狔犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犪狀犱犕狅犾犲犮狌犾犪狉犇犲狋犲犮狋犻狅狀,犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犕犪狊狊犛狆犲犮狋狉狅犿犲狋狉狔犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犪狀犱犃狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀,犛犮犺狅狅犾狅犳犕犪狋犲狉犻犪犾狊犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犆犺犲犿犻犮犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵,犖犻狀犵犫狅犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犖犻狀犵犫狅315211,犆犺犻狀犪;2.犖犪狋犻狅狀犪犾犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犕犲狋狉狅犾狅犵狔,犅犲犻犼犻狀犵100013,犆犺犻狀犪)犃犫狊狋狉犪犮狋: Massspectrometryhasbeenwidelyusedinthefieldsofchemistry,biology,environmentalscience,pharmacy,spaceexplorationandsoon.However,duetothe科技部重大科学仪器设备开发项目(2020YFF01014603);国家自然科学青年基金(22104067);中国计量研究院开放课题基金(AKYKF2103)本文通信作者张谛,丁传凡longresearchanddevelopmentcycleandhighapplicationcostofmassspectrometer,numericalsimulationhasbecomeanidealchoiceformassspectrometerresearch,per formanceoptimizationandexperimentalschemedesign.Atpresent,threeiontrajectorysimulationsoftwareofSIMION,ComsolandAxsimhavebeenwidelyusedfornumericalsimulationandtheoreticalstudyofmassspectrometry.Therefore,thecomparativeanal ysisofthesethreesoftwareisimportantforthedesignofmassanalyzer.Inthisstudy,thesimulationprocessandsimulationresultsofthesethreesoftwareprogramswerecomparedthroughthegraphicaluserinterfaceandoperationplatform,electrodemodel ingandelectricfieldcalculation,conditiondefinitionandprogramloading,iontrajectorycalculationandtimestepselection,etc.Itcouldbeseenthatthedifferencescancomple mentandverifyeachother.Thesimulationresultsofthethreesoftwarecanbeobservedthatthemotiontrajectorydeviationpositionismainlylocatedintheionmotiondirectionchange,andthedeviationofComsolandSIMIONsimulationtrajectoryisthelargest.However,thedifferenceinthepositionsofthespectralpeaksbetweentheAxsimandSIMIONsimulationsislessthan0.1%.Inconclusion,SIMIONsoftwareissuitablefortheoreticalsimulationsofiontrajectoriesincomplexmassspectrometrydevices.Comsolhasthemostsophisticatedgraphicaluserinterfaceanddetailednumericalsimulationmodules,butitdoesnothavespecialmodulesforspectralanalysisofiontrajectories,phaseanalysis,etc.,andtheclosedsoftwareprogramcannotbeflexiblyadaptedtospecificsituations.Axsimhasthemostprofessionaliontrajectoryanalysisprogramformassspectrometry,itcanintuitivelyguidethedesignofmassanalyzers,butitdoesnothavemodelingandelectricfieldcalculationmodules.Thisstudycanacceleratetheprocessofnumericalsimulationinmassspectrometryresearch,andalsocanprovideareferenceforthedevelopmentofdomesticmassspectrometrynumericalsimulationsoftwarewithindependentintellectualpropertyrights.犓犲狔狑狅狉犱狊:iontrapmassspectrometry;numericalsimulation;iontrajectory;software 质谱已广泛应用于化学、生物、环境科学、制药、空间探测等领域。
离子阱类质谱仪的基本工作原理
由公式(7),离子的轴向基频为
当 w z w z,0 1/2 z
z 0.318 , 2 1.05 106 rad s-1
则
w z 0.5 0.318 2 3.14 1.05 106
离子阱类质谱是一类极其重要和应用 广泛的质谱分析方法,是化学及生物学分 析的基本工具,了解其工作的基本原理, 对于深入了解阱类质谱的设计构造,性能 指标,操作模式,参数优化和合理使用都 是基本的和必须的,其基本原理主要涉及 离子在四级场中对的运动规律的描述。
1. 仪器类型
1.1三维离子阱
三维离子阱是较早出现的一种离子阱,由一 对环形电极和两个呈双曲面形的端盖电极组成, 两个端盖电极顶端开有小孔,作为离子出入的通 道。一般在环形电极上施加射频交流电压或再加 直流电压,以提供一个捕获离子的四级场,上下 两个端盖电极一般接地。三维离子阱的主要缺陷 是双曲面电极加工组装困难,且离子捕获在阱中 心的一个空间点上,捕获效率受到限制,另外存 在着空间电荷效应,质谱的分辨率很难提高。
图9.swift信号(a)频域波形;(b)时域 波形
4.2激发裂解
该操作是对隔离出来的离子,通过共振激发
进行裂解,以产生碎片离子用于进行母离子的结 构分析MS/MS。操作过程是,加一可以是任意频 率的辅助交流信号,当频率确定后,工作位点便 ( qz=221/2wz/)随之确定,此时用射频进行 电压扫描,母离子的本征振荡频率持续变化,当 与辅助交流信号的频率一致时便发生共振激发, 在驰像过程激发能转变为内能使其解离,当然若 已知母离子的振荡频率时,也可直接施加相同频 率的辅助交流信号进行激发解离。
一种线性离子阱-飞行时间质谱分析仪器[发明专利]
专利名称:一种线性离子阱-飞行时间质谱分析仪器专利类型:发明专利
发明人:杨芃原,清江
申请号:CN200610025006.X
申请日:20060323
公开号:CN1832101A
公开日:
20060913
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明属于质谱仪器技术领域,涉及一种多级质谱分析仪器。
具体而言,本发明提供了一种无接口径向引入垂直串联式的线性离子阱-飞行时间质谱分析仪器,包括离子源及传输部分、轴向引入式线性离子阱和径向串联飞行时间质谱仪。
线性离子阱原有的径向引出技术被同时作为飞行时间分析器垂直引入技术,这种径向引出垂直串联的方式同时保留了线性离子阱和飞行时间分析器各自的杰出优点。
径向离子推斥的设计使得线性离子阱部分不仅可做多级质谱分析,更作为离子飞行时间阶段的前极加速,补偿了离子束的空间分散和能量分散。
本发明的线性离子阱-飞行时间质谱较目前市售产品而言,灵敏度和精确度都大大改善,尤其适用于生物分析、蛋白质鉴定等高精尖领域。
申请人:复旦大学
地址:200433 上海市邯郸路220号
国籍:CN
代理机构:上海正旦专利代理有限公司
代理人:姚静芳
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线性离子阱
线性离子阱
线性离子阱,结构与四级杆质谱非常相似,由两组双曲线形级杆和两端的两个极板组成。
两组级杆中,其中一组施加一个交变电压,另一组施加两个交变电压。
在其中一组级杆上开有窄缝,通过改变三组交变电压驱动离子从窄缝射出。
线性离子阱的工作原理源自四级杆质谱仪。
四级杆质谱仪中,加在两组级杆上的电场表达可以大致的写为:P = U + V cos (wt) 和 P' = -U -V cos (wt)。
其中,U/V的比值,表示离子的选择精度和通过率。
U/V越高,则选择精度越高,然而通过的离子数就更少。
[1]在线性离子阱中,U值为0V,仅在四级杆上施加交变电压。
离子不被选择的全部限定在空间中。
在其中开窄缝的级杆上,加有另外一组交变电压。
也就是有三个交变电压。
通过协调三个交变电压,使离子进入不稳定状态继而从窄缝中射出。
线性离子阱在进行多级质谱分析(MS-MS)时,首先限定目标质量的离子。
通过调整交变电压,将大于以及小于目标质量的离子射出,从而使得仅有一个质量的离子存在于离子阱中。
目标质量的范围被称为Isolation Width。
之后通过向离子阱内注入气体(通常为氦气或氮气),与离子发生碰撞使其被打成碎片。
也有直接通过钨丝的热电效应释放的电子来击碎离子的方法,这种方法非常类似于(Electron Ionization, EI)。
1。
用于在静电线性离子阱中捕获离子的设备和方法[发明专利]
专利名称:用于在静电线性离子阱中捕获离子的设备和方法专利类型:发明专利
发明人:M·F·贾罗德
申请号:CN201980051693.8
申请日:20190111
公开号:CN112673452A
公开日:
20210416
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明提供了一种用于俘获离子以进行其测量的系统,所述系统可以包括:静电线性离子阱(ELIT);离子源,所述离子源用于将离子供应给所述ELIT;处理器,所述处理器可操作地耦合到ELIT;以及存储器,所述存储器具有存储在其中的指令,所述指令可由所述处理器执行以产生至少一个控制信号来打开所述ELIT,从而允许由所述离子源供应的离子进入所述ELIT;确定与从所述离子源流入打开的所述ELIT中的离子的频率对应的离子进入频率;生成或接收目标离子电荷值;根据所述目标离子电荷值和确定的离子进入频率确定最佳阈值;以及产生至少一个控制信号,以在所述ELIT内的离子的电荷超过所述最佳阈值时关闭所述ELIT,从而在所述ELIT中俘获所述离子。
申请人:印地安纳大学理事会
地址:美国印第安纳州
国籍:US
代理机构:中国专利代理(香港)有限公司
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利用直流偏置电压提高矩形离子阱质谱的灵敏度
利用直流偏置电压提高矩形离子阱质谱的灵敏度党乾坤;杨凯;王强;滕恩江;王冠军;丁传凡【期刊名称】《质谱学报》【年(卷),期】2014(035)003【摘要】线性离子阱质谱是近年来被广泛应用的一种性能优良的质谱仪.线性离子阱质量分析器通常是由四根柱状电极合围而成.由于四根电极的几何对称性,在线性离子阱中产生的电场在离子检测方向上也是高度对称的,也就是说,当离子从x方向被逐出离子阱时,将各有50%的离子从+x和-x方向被分别逐出.因此,如果只在线性离子阱的一侧安装离子探测器,则离子的检测效率只有50%.本工作以矩形线性离子阱为研究对象,通过在离子阱中离子逐出方向的一根电极上施加一定的直流偏置电压,利用此直流电压在离子阱中产生的直流电场,使离子阱中存储的离子偏离中心轴分布.这样,离子将在后续离子逐出电场的作用下,被非对称地逐出离子阱.如,可使多数离子从+x方向出射,少数离子从-x方向出射.此时,如果在+x方向安置离子探测器,将获得高于50%的离子探测效率.实验结果表明,直流偏置电压可以明显地提高离子检测效率,例如,在与检测器对侧电极施加正的直流偏置电压时,离子强度在一定电压范围内皆有显著提高.实验所测得的4种不同质荷比的离子提高比例分别是20%、38%、31%、44%.该方法的实验原理简单、实验技术方便易行,可以显著提高线性离子阱检测灵敏度,具有一定的实用价值和应用前景.【总页数】6页(P210-215)【作者】党乾坤;杨凯;王强;滕恩江;王冠军;丁传凡【作者单位】复旦大学化学系激光化学研究所,上海 200433;中国环境监测总站,北京 100012;中国环境监测总站,北京 100012;中国环境监测总站,北京 100012;复旦大学化学系激光化学研究所,上海 200433;复旦大学化学系激光化学研究所,上海200433【正文语种】中文【中图分类】O657.63【相关文献】1.电喷雾矩形离子阱质谱仪的初步研制 [J], 费强;金伟;姜杰;周建光;郇延富;范茜;金钦汉2.基于矩形离子阱的台式质谱仪的设计与性能 [J], 黄泽建;熊行创;方向3.数字化矩形离子阱质谱仪的设计及性能 [J], 李晓旭;蒋公羽;丁力;汪源源;丁传凡4.气相色谱矩形离子阱质谱联用仪的设计与性能 [J], 黄泽建;白岗;江游;张小华;熊行创;方向5.仪器装置与实验技术小型矩形离子阱质谱仪的研制 [J], 姜杰;金钦汉;费强;金伟;李明;庞晓东;李彬;志勇;许晓宇;周建光因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
轨道阱边缘场效应及其补偿方法的研究
轨道阱边缘场效应及其补偿方法的研究王俊恬;任熠;黄正旭;陈政阁;丁力【期刊名称】《质谱学报》【年(卷),期】2024(45)2【摘要】静电轨道阱(Orbitrap)自推出以来已被证明是一款强大的离子分析器,其分辨率受电极结构中边缘场的影响。
因此,亟需研究由离子入射孔和外电极间隙共同导致的畸变场对分辨率的影响,并提出边缘场效应的解决方法。
本实验利用离子光学仿真软件(SIMION)分别建立了理想、畸变和矫正3种结构模型,以测量不同初始轴向振幅和不同轨道半径对应的轴向振动周期分散来衡量轨道阱可以达到的极限分辨率。
通过对比理想模型的实验结果与理论结果,验证了仿真参数选取和离子运动计算方法的可靠性;在畸变模型实验中,探究外电极间隙和离子入射孔导致的边缘场效应引起的离子轴向运动周期分散情况,及其对分辨率产生的影响;在矫正模型实验中证明了可以通过调节2个补偿电极的电压来修正畸变场,从而克服离子入射孔和外电极间隙共同产生的边缘场效应,乃至其他缺陷所引起的场畸变问题,仿真得到轨道阱对m/z 100离子的极限质量分辨率可达2500000。
【总页数】9页(P237-245)【作者】王俊恬;任熠;黄正旭;陈政阁;丁力【作者单位】暨南大学质谱仪器与大气环境研究所;广东省麦思科学仪器创新研究院;广州禾信仪器股份有限公司;宁波大学材料科学与化学工程学院【正文语种】中文【中图分类】O657.63【相关文献】1.超高效液相色谱-线性离子阱/静电场轨道阱质谱联用技术用于胆道闭锁患儿尿液代谢组学研究2.轨道非线性能量阱尖端效应分析及简化设计方法研究3.基于超高效液相色谱-离子阱-静电场轨道阱质谱的代谢组学方法分析枸杞酒发酵前后酚类物质的变化4.基于纳升高效液相色谱-线性离子阱-静电场轨道阱高分辨质谱技术研究蟾酥鲜品中的蛋白质5.基于超高效液相色谱-四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱筛查茶叶中166种农药残留方法研究因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
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线性离子阱单向出射的方法研究
质谱仪是一种具有高灵敏度、低检测限、定性和定量准确的现代分析仪器。
它通过电场或磁场将离子化后的被测物质按质荷比(m/z)的不同进行空间、时间或频谱上的分离,从而得到质谱图,并对其分析后可获得被检测物质的化学成分、结构以及含量等信息。
目前,质谱仪已广泛应用于食品安全、环境检测、医学诊断、蛋白组学、基因组学研究和航天、军事技术等领域。
在众多种类的质谱仪中,离子阱质谱仪由于其具有结构简单、体积小和工作气压低等优势,是小型化质谱仪的最佳选择。
然而传统的三维离子阱的高精度双曲面电极结构对加工和组装的要求过于严苛,同时其也受限于自身低离子储存容量和离子捕获效率。
为了克服这些弱点和使得离子阱更加适用于小型化、廉价化的质谱仪,近年来多种简化结构的线性离子阱(二维离子阱)已经被开发出来。
其中最为典型的是,Cooks等开发的矩形离子阱(Rectilinear Ion Trap),它采用了二维的电极结构,并采用了平板电极取代了传统线性离子阱中的双曲面电极。
但与传统线性离子阱的双曲面电极相比,平板电极不可避免地会向离子阱内引入有害的高阶场成分,降低其分析性能。
对此,Jiang等发明了印刷电路板(PCB)分压离子阱质量分析器(以下简称PCB分压离子阱)。
这种新型线性离子阱上的电极被绝缘材料(peek)分成了不同的区域。
可以通过调节不同区域的面积比以及各区域上所加射频(RadioFrequency,RF)电压比来优化离子阱内的电场,从而显著地改善其分析性能。
本实验室也自主研发了一种分析性能较优的新型简化结构的线性离子阱:半
圆柱电极线性离子阱(Linear Ion Trap featuring Half round rod electrodes,HreLIT)。
HreLIT 采用半圆面的电极结构,因此相较于双曲面电极结构,其加工难度有所降低,加工精度也有所提高;同时,与平板电极结构的离子阱相比,其分析性能
进一步地提高。
然而,在现有的线性离子阱结构和工作方式下,离子在共振出射时沿着两个相反的方向出射(即双向离子出射),且沿着每个方向出射的概率为50%。
因此,在商业化的台式线性离子阱质谱仪中在两个出射方向上各设置了一个离子检测器,用于同时检测两个方向上出射的离子。
但是,这种离子检测方式不适用于小型化质谱仪中,因为这将大幅增加质谱仪的体积和功耗,检测电路也将成
倍增加,同时也提高了制造成本。
因此,现有已报道的所有简化结构的线性离子阱质谱仪中,均只使用了一个
离子检测器进行离子检测,该检测方式的理论最高离子检测效率仅为50%,实际
上的离子检测效率必然小于该数值,这严重影响小型化离子阱质谱仪的最终检测的灵敏度和动态检测范围。
为解决小型化线性离子阱质谱仪的离子检测效率问题,本文提出了两种基于线性离子阱实现离子单向出射的方法:构建非对称几何结构的线性离子阱和配置非对称的射频电压。
该方法可以向离子阱内引入奇次阶场成分,从而使得离子阱内射频电场的场中心发生偏移,进而使得束缚在场中心的离子距离其中一端的离子出射槽更近,
最终诱导了离子的单向出射。
理想情况下,该方法可以在仅使用一个离子检测器和不损失质量分辨率的条件下成倍地提高离子的检测效率。
因此,这一方法不仅可以提高质谱仪的灵敏度这一关键性能指标,也有利于
离子阱质谱仪的小型化。
本研究课题正是基于这样的方法和考虑,以分析性能较
优的简化结构的线性离子阱(HreLIT和PCB分压离子阱)作为研究对象,进行了这一方法的尝试,并给出了三种具体的实现方法:(1)构建了两种非对称结构半圆柱电极线性离子阱(asymmetric HreLIT,A-HreLIT);(2)在PCB分压离子阱的离子出射方向的两组离散电极上配置不同的射频分压比,而另一方向的两组离散电极上的射频分压比则保持不变;(3)直接在HreLIT的离子出射方向上的一对电极上配置不同比例射频电压。
对于这三种具体的实现方法,本文分别采用模拟计算和实验的方式对它们的分析性能进行了测试。
本文给出了具体的实验方法和过程,模拟计算和实验结果显示:这三种具体的实现方法下的线性离子阱均具有离子单向出射性能,并保持了相当高的质量分辨率。
该实验结果充分论证了构建非对称几何结构的线性离子阱法和配置非对称的射频电压法具有可行性,并在小型化质谱仪领域中具有显著的优势。