印刷线路板( PCB) 一体化电极阵列是一种与前三种完全不同的新方法。Cornish 等[ 7] 提出的一体化电极阵列省去了三维空间中电极本身占据的体积, 转变为PCB 板上刻蚀的二维阵列, 提高了真空系统的空间利用率。Co rnish等[ 8] 在进一步的设计中利用软电路板( FlexiblePCB) 制作阵列, 简化了安装支架, 其结构示意图示于图4。受PCB 制作技术的影响, 电极在z 方向定位精度为4 Lm( 8 000 dpi) 。PCB 一体化电极阵列的过渡区域与厚圆环电极相当, 有效截面积小, 而单纯增加电极的密度( 减小电极的高度)会使高精密电阻的用量猛增, 大大提高成本, 所以这项技术的实际应用很少。
图4 软电路板一体化电极阵列示意图
Fig. 4 Structure of flexible printed circuit board reflector
为了提高真空空间利用率, 优化加速器、减速器的安装条件, 本工作在MS800 项目中开发了锯齿状一体化电极阵列。
1. 1 制作方法
锯齿状的一体化电极阵列减小了过渡区域,提高空间利用率。如图5 所示的两片电极局部,每一片电极都设计为周期重复的锯齿形, 通过PCB 刻蚀加工制成。电极每层高h 为5 mm, 齿距w 为1 mm, 电极间隙c 为0. 254 mm ( 10mil) 。两片电极阵列平行相对放置, 精确对准后, 焊接固定, 即可完成加速器或反射器主体部分的装配。相邻电极间通过抖动( Dithering ) 电极边界, 使电场更快收敛至均匀梯度, 增大电场均匀面积。
1. 2 电场分析
首先, 分析不同电极阵列中电场的分布。使用SIMION 3D 7. 0 对电极阵列产生的电场进行分析, 并利用所得的数据绘制产生三维等势面图, 示于图6。锯齿状一体化电极阵的单位元电极附近的等势面出发于电极之间的细缝, 离开电极表面后立即扭转至垂直于z 轴, 并趋近于均匀分布; 而厚圆环电极或者之前的PCB 电极阵列中, 等势面离开电极后缓慢发散到等间隔均匀分布, 使用的距离( 即过渡区域) 是锯齿状一体化电极阵的2 倍。
其次, 分析两种电场对离子的影响。通过SIMION 3D 7. 0 模拟离子在离电极阵列内壁不同距离和不同位置的飞行时间, 统计离子飞行时间与近轴离子飞行时间的差异( 相对时间偏差/ppm) 来表征两种电场内部的均匀程度。两电极平行放置, 其间距为50 mm。统计结果表明, 锯齿状电极阵列中离子飞行时间收敛速度比传统电极阵列快。离电极阵列不同距离的电场对离子飞行时间的影响示于图7。粗线为厚圆环电极阵列或Co rnish 方法制作的PCB 电极阵列中离子的飞行时间; 细线为锯齿状一体化电极阵列中离子的飞行时间, 可见后者收敛更快。图5 锯齿状一体化电极阵列( 局部)
Fig. 5 Dithering boundary electrodeson printed circuit board
2 仪器测试
实际制作的锯齿状一体化电极阵列反射器和加速器首先被安装在MS800 LC-TOF MS 测试样机B3 上进行测试。采用的电极高5. 080mm, 齿距1. 016 mm, 电极之间的绝缘间距为0. 254mm; 电极阵列高274 mm, 内部空间截面为120 mm @ 60 mm, 用石英支架加固, 垂直定位精度为5 Lm, 重约400 g; TOF-MS 有效飞行距离1 650 mm; 安装的MCP 直径为50 mm, 接收阳极为直径50 mm 圆形单通道结构。测试使用浓度为100 nmol # L- 1 利血平,50%水, 50%乙腈, 0. 1% 甲酸溶液, 逐级稀释样品, 进行离线测试。采用纳升级电喷雾离子源,石英镀钼喷针( OD 5 Lm) , 喷雾电压4 200 V。利血平主要同位素峰( m/ z 609 Th) 分辨力可达9, 000( 半峰宽) , 信噪比为230 B 1, 图谱示于图8。
结 论
锯齿状一体化电极阵列构成的飞行时间质谱仪反射器和加速器具有比以往更高的真空空间利用率。通常安装50 mm 离子检测器的商业仪器其飞行管直径为200~ 250 mm, 而MS800LC-TOF MS 使用长700 mm, 直径160 mm 的不锈钢管。真空系统更加简单精巧, 仅使用一台多路分子泵( Leybold TW220-150, 德国) 就可以满足一台仪器4 级真空梯度的需要, 降低了仪器成本, 并且使MS800 成为轻便的台式仪器。新型电极阵列为使用大尺寸离子检测器提供了可能, MS800 B3 与B2 相比较, 对100 nmol # L- 1利血平样品的信噪比提高了1 倍, 灵敏度更好。大尺寸离子检测器有足够的有效截面积来划分多个离子检测通道, 提高计数率; 也可以提供足够强的离子信号电流来驱动高速ADC 记录仪,提高质谱的定量精度和出谱速度。这两项将会作为MS800 LC-TOF MS 的可选功能提供给用户。
锯齿状一体化电极阵列重量轻, 精度高, 安装条件优越。在立方体铸铝真空强内可以利用80%以上的内部空间, 本课题组研究中的微型质谱仪和/ 线性离子阱-飞行时间直接耦合串级质谱仪( LIT-T OF) 0项目, 也采用了锯齿状一体化电极阵列制作的离子加速器等器件, 提供足够的
有效截面积。
致谢: 感谢上海精密科学仪器有限公司开发中心给予的帮助。
