印刷線路板( PCB) 一體化電極陣列是一種與前三種完全不同的新方法。Cornish 等[ 7] 提出的一體化電極陣列省去了三維空間中電極本身占據(jù)的體積, 轉(zhuǎn)變?yōu)镻CB 板上刻蝕的二維陣列, 提高了真空系統(tǒng)的空間利用率。Co rnish等[ 8] 在進一步的設(shè)計中利用軟電路板( FlexiblePCB) 制作陣列, 簡化了安裝支架, 其結(jié)構(gòu)示意圖示于圖4。受PCB 制作技術(shù)的影響, 電極在z 方向定位精度為4 Lm( 8 000 dpi) 。PCB 一體化電極陣列的過渡區(qū)域與厚圓環(huán)電極相當(dāng), 有效截面積小, 而單純增加電極的密度( 減小電極的高度)會使高精密電阻的用量猛增, 大大提高成本, 所以這項技術(shù)的實際應(yīng)用很少。

圖4 軟電路板一體化電極陣列示意圖

Fig. 4 Structure of flexible printed circuit board reflector

為了提高真空空間利用率, 優(yōu)化加速器、減速器的安裝條件, 本工作在MS800 項目中開發(fā)了鋸齒狀一體化電極陣列。

1. 1 制作方法

鋸齒狀的一體化電極陣列減小了過渡區(qū)域,提高空間利用率。如圖5 所示的兩片電極局部,每一片電極都設(shè)計為周期重復(fù)的鋸齒形, 通過PCB 刻蝕加工制成。電極每層高h(yuǎn) 為5 mm, 齒距w 為1 mm, 電極間隙c 為0. 254 mm ( 10mil) 。兩片電極陣列平行相對放置, 精確對準(zhǔn)后, 焊接固定, 即可完成加速器或反射器主體部分的裝配。相鄰電極間通過抖動( Dithering ) 電極邊界, 使電場更快收斂至均勻梯度, 增大電場均勻面積。

1. 2 電場分析

首先, 分析不同電極陣列中電場的分布。使用SIMION 3D 7. 0 對電極陣列產(chǎn)生的電場進行分析, 并利用所得的數(shù)據(jù)繪制產(chǎn)生三維等勢面圖, 示于圖6。鋸齒狀一體化電極陣的單位元電極附近的等勢面出發(fā)于電極之間的細(xì)縫, 離開電極表面后立即扭轉(zhuǎn)至垂直于z 軸, 并趨近于均勻分布; 而厚圓環(huán)電極或者之前的PCB 電極陣列中, 等勢面離開電極后緩慢發(fā)散到等間隔均勻分布, 使用的距離( 即過渡區(qū)域) 是鋸齒狀一體化電極陣的2 倍。

其次, 分析兩種電場對離子的影響。通過SIMION 3D 7. 0 模擬離子在離電極陣列內(nèi)壁不同距離和不同位置的飛行時間, 統(tǒng)計離子飛行時間與近軸離子飛行時間的差異( 相對時間偏差/ppm) 來表征兩種電場內(nèi)部的均勻程度。兩電極平行放置, 其間距為50 mm。統(tǒng)計結(jié)果表明, 鋸齒狀電極陣列中離子飛行時間收斂速度比傳統(tǒng)電極陣列快。離電極陣列不同距離的電場對離子飛行時間的影響示于圖7。粗線為厚圓環(huán)電極陣列或Co rnish 方法制作的PCB 電極陣列中離子的飛行時間; 細(xì)線為鋸齒狀一體化電極陣列中離子的飛行時間, 可見后者收斂更快。圖5 鋸齒狀一體化電極陣列( 局部)

Fig. 5 Dithering boundary electrodeson printed circuit board

2 儀器測試

實際制作的鋸齒狀一體化電極陣列反射器和加速器首先被安裝在MS800 LC-TOF MS 測試樣機B3 上進行測試。采用的電極高5. 080mm, 齒距1. 016 mm, 電極之間的絕緣間距為0. 254mm; 電極陣列高274 mm, 內(nèi)部空間截面為120 mm @ 60 mm, 用石英支架加固, 垂直定位精度為5 Lm, 重約400 g; TOF-MS 有效飛行距離1 650 mm; 安裝的MCP 直徑為50 mm, 接收陽極為直徑50 mm 圓形單通道結(jié)構(gòu)。測試使用濃度為100 nmol # L- 1 利血平,50%水, 50%乙腈, 0. 1% 甲酸溶液, 逐級稀釋樣品, 進行離線測試。采用納升級電噴霧離子源,石英鍍鉬噴針( OD 5 Lm) , 噴霧電壓4 200 V。利血平主要同位素峰( m/ z 609 Th) 分辨力可達(dá)9, 000( 半峰寬) , 信噪比為230 B 1, 圖譜示于圖8。

結(jié) 論

鋸齒狀一體化電極陣列構(gòu)成的飛行時間質(zhì)譜儀反射器和加速器具有比以往更高的真空空間利用率。通常安裝50 mm 離子檢測器的商業(yè)儀器其飛行管直徑為200~ 250 mm, 而MS800LC-TOF MS 使用長700 mm, 直徑160 mm 的不銹鋼管。真空系統(tǒng)更加簡單精巧, 僅使用一臺多路分子泵( Leybold TW220-150, 德國) 就可以滿足一臺儀器4 級真空梯度的需要, 降低了儀器成本, 并且使MS800 成為輕便的臺式儀器。新型電極陣列為使用大尺寸離子檢測器提供了可能, MS800 B3 與B2 相比較, 對100 nmol # L- 1利血平樣品的信噪比提高了1 倍, 靈敏度更好。大尺寸離子檢測器有足夠的有效截面積來劃分多個離子檢測通道, 提高計數(shù)率; 也可以提供足夠強的離子信號電流來驅(qū)動高速ADC 記錄儀,提高質(zhì)譜的定量精度和出譜速度。這兩項將會作為MS800 LC-TOF MS 的可選功能提供給用戶。

鋸齒狀一體化電極陣列重量輕, 精度高, 安裝條件優(yōu)越。在立方體鑄鋁真空強內(nèi)可以利用80%以上的內(nèi)部空間, 本課題組研究中的微型質(zhì)譜儀和/ 線性離子阱-飛行時間直接耦合串級質(zhì)譜儀( LIT-T OF) 0項目, 也采用了鋸齒狀一體化電極陣列制作的離子加速器等器件, 提供足夠的

有效截面積。

致謝: 感謝上海精密科學(xué)儀器有限公司開發(fā)中心給予的幫助。