傅里叶变换静电场离子阱的离子入射条件优化研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院地质与地球物理研究所 作者:黄超

  在推导傅里叶变换静电场离子阱离子运动规律的基础上,得出了离子的最佳入射条件。研究了离子在不同初始条件下进入离子阱后的运动状态,计算出了离子能够被离子阱束缚的入射动能范围。分析了入射动能范围与离子入射角度及入射位置之间的关系,给出了实现傅里叶变换静电场离子阱离子接口的离子初始条件。

  早在1923年,Kindon就提出了利用静电场实现离子的束缚。它的结构类似于带有端电极的圆柱型电容器,这种模型也被称为Kingdon trap。1981年,Knight对Kingdon trap的电极形状进行了改进,使其不再需要两端的端电极就能实现离子的束缚。这种利用静电实现离子束缚的阱很快就在质谱分析上得到了应用。它利用离子绕内电极旋转的频率与质荷比相关来实现样品离子的质量分析。但是,由于离子的这种绕内电极旋转运动的频率在很大程度上受到离子的速度和初始位置影响,因此该质量分析方法的分辨率很低。2000年,Alexander Makarov等提出了静电傅里叶离子回旋共振质谱,将其命名为Orbi trap。它也是利用静电场使离子在质量分析器内做周期性运动,从而实现对离子的束缚。与其他类型的质谱仪及磁式傅里叶变换离子阱相比较,Orbi trap既能提供高分辨率和质量精度的质量分析,同时又能够降低制造成本,减轻重量,可使Orbi trap得以广泛的应用。

  与利用射频电场实现离子束缚的质量分析器,例如3D离子阱以及四极杆滤质器不同的是,傅里叶变换静电场离子阱是利用静电场实现离子的束缚,使得它作为质量分析器时的结构变得简单。同时,如果利用离子在离子阱内的轴向振动频率作为检测对象,就可以获得足够高质量分辨率。傅里叶变换静电场离子阱的这些优点为它实现小型化,便携化创造了条件。但是,傅里叶变换静电场离子阱也存在着应用上的困难。由于离子阱是一种封闭型的质量分析器,存在着离子源接口问题。如何才能使得离子阱获得足够的分析灵敏度是傅里叶变换静电场离子阱应用设计的关键所在。

  本文基于离子在傅里叶变换静电场离子阱内的运动方程,给出离子的最佳入射条件。通过对离子在不同初始条件下进入离子阱后的运动状态进行研究,得出了离子能够被离子阱束缚的入射动能范围。分析了离子不同入射角度和不同入射位置对入射动能范围的影响,给出了实现傅里叶变换静电场离子阱离子源接口的离子初始条件范围。

1、傅里叶变换静电场离子阱的工作原理

  傅里叶变换静电场离子阱由一个纺锤状的内部电极和一个的桶状外部电极组成。两电极同轴,且均为轴对称,图1示意了它们的形状。它们的电极形状,尺寸由式(1)决定。

傅里叶变换静电场离子阱的电极形状

图1 傅里叶变换静电场离子阱的电极形状

5、结论

  在傅里叶变换静电场离子阱内外电极半径和内外电极电势确定以后,离子进入离子阱后的运动状态由它的入射条件决定。这里所说的离子入射条件包括:初始动能,入射角度以及入射位置。为实现离子阱离子接口的高效率,应从以下方面来优化离子的入射条件:

  首先,尽可能的使得离子的初始动能满足傅里叶变换静电场离子阱的最佳入射条件,也即离子的入射动能满足式子

傅里叶变换静电场离子阱的离子入射条件优化研究

  同时还满足离子的径向初速度为零和离子的径向加速度大小为零。

  其次,由于最佳入射条件是一种理想状态,而离子在绝大多数情况下是以非最佳条件入射,所以须保证离子的入射动能在可接受离子初始动能范围之内;要使离子的入射角接近π2,保证离子入射条件的接受范围最大;要使离子靠近傅里叶变换静电场离子阱的内电极进入离子阱,这样使得离子阱接受离子初始动能范围达到最大。

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