天津大學(xué)精密儀器及光電子工程學(xué)院, 天津 ； 2. 上海精密科學(xué)儀器有限公司, 上海

摘要: 通過在印刷線路板上刻蝕制得一種用于高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的鋸齒狀邊界一體化電極陣列, 該陣列具有鋸齒狀邊界的條狀圖案, 可構(gòu)造TOF-MS 的離子加速器和反射器。它充分利用儀器內(nèi)部真空空間,為安裝大尺寸、高性能離子檢測器創(chuàng)造了條件, 質(zhì)譜分辨力達(dá)到9 000 以上, 信噪比提高1 倍以上。這種方法穩(wěn)定可靠、安裝條件優(yōu)越, 簡化了真空設(shè)計(jì), 提高了儀器的性價(jià)比, 成為MS800 型LC- T OF-MS 研制過程中重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之一。

關(guān)鍵詞:上海精科 高分辨; 飛行時(shí)間質(zhì)譜; 反射器; 電極陣列離子加速器和反射器是飛行時(shí)間質(zhì)譜儀( TOF-MS) 中操作離子運(yùn)動(dòng)的最主要部件。前者對離子施加近似相等的能量, 以符合T OFMS等能量質(zhì)量分析器的要求; 后者完成離子動(dòng)量的反轉(zhuǎn), 減小T OF-MS 飛行管的長度。離子加速器和反射器為離子束提供z 軸方向上線性變化的均勻梯度電場。通常使用框狀的平面電極在z 軸方向組成電極陣列, 并分別施加線性的電壓, 實(shí)現(xiàn)梯度電場。梯度場在垂直z 軸截面上的均一性決定了TOF-MS 可以處理的離子束幾何尺寸。梯度場截面均勻程度優(yōu)于100 ppm( ppm 指的是截面邊緣電場相對于截面中心電場的差異) 的有效截面部分符合高分辨T OFMS的需求; 上海精科電極陣列內(nèi)部空間中不符合上述條件的截面部分稱作過渡區(qū)域。過渡區(qū)域中離子飛行時(shí)間偏差較大、分辨力低, 需要使用光闌阻止離子進(jìn)入。高性能離子加速器和反射器是提高TOF-MS 性能的關(guān)鍵。早在1955 年,Ket zenstein 和Fr iedland 就采用多場加速的方法得到了100 以上的分辨力[ 1] 。同年Wiley 和Mclaren 發(fā)表了/ 雙場加速聚焦0方法[ 2] , 奠定了飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的理論基礎(chǔ)。A likano v 和Mamy rin 分別在1957 年和1973 年提出利用反射器提供一個(gè)減速電場來補(bǔ)償由于初始動(dòng)能分散引起的飛行時(shí)間差[ 3] , 成為飛行時(shí)間質(zhì)譜發(fā)展過程中最為重要的進(jìn)展。1996 年, Dodonov等[ 4] 制作的電噴霧離子化垂直加速反射式飛行時(shí)間質(zhì)譜儀( ESI-oaTOF-MS) 成為當(dāng)今商業(yè)高分辨力LC-TOF-MS 的原型。

以往的離子加速器和反射器中有效截面積所占的比例通常低于50% 。過渡區(qū)域和電極本身的幾何尺寸占據(jù)了大量真空區(qū)域, 造成真空腔尺寸龐大、利用率低, 并且迫使儀器使用更大抽速的真空泵系統(tǒng), 間接增加了成本。許多商業(yè)儀器為了避免儀器過大、成本過高, 通常減小整個(gè)TOF-MS 質(zhì)量分析器的尺寸, 導(dǎo)致只能使用小型的( 如直徑25 mm) 微通道板( Micro channelplate) 檢測器, 并且無法使用多陽極( Mult i anode) 來接受信號, 動(dòng)態(tài)范圍較低。MS800 LCTOF-MS 開發(fā)小組的研發(fā)過程著重研究提高真空空間利用率的方法, 使MS800 LC-TOF-MS的總體成本保持在一個(gè)較低的水平。

1 設(shè) 計(jì)

上海精科現(xiàn)有的離子加速器和反射器設(shè)計(jì)主要有薄板圓環(huán)電極、厚圓環(huán)電極、中厚度矩形電極三種。薄板圓環(huán)電極陣列的結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1, 它由一組切割而成的薄板圓環(huán)構(gòu)成[ 5] , 單個(gè)電極厚50~ 200 Lm, 板間距3~ 5 mm, 精度30 Lm; 電極外徑由于薄板剛度的影響小于100 mm。其優(yōu)點(diǎn)在于過渡區(qū)域最小, 環(huán)電極內(nèi)部均勻梯度電場幾乎占據(jù)了全部內(nèi)徑大小的三維空間。上海精科厚圓環(huán)電極陣列的結(jié)構(gòu)示意圖示于圖2, 它是由一組厚重圓環(huán)電極構(gòu)成[ 6] , 單個(gè)電極厚8~ 10 mm,外徑約200 mm, 內(nèi)徑約160 mm, 板間距1~ 2mm, 精度可達(dá)2 Lm。由于電極厚度影響, 其內(nèi)部過渡區(qū)域比薄板電極大得多, 達(dá)20 mm 寬; 由于機(jī)械重量巨大, 極少水平使用。矩形框電極陣列由厚度1~ 3 mm 的不銹鋼鋼板經(jīng)切割而成,其結(jié)構(gòu)示意圖示于圖3。矩形框電極外形控制最為靈活, 但由于存在比較大的內(nèi)部應(yīng)力變形,限制了電極的加工精度, 只能達(dá)到約50 Lm。