天津大学精密仪器及光电子工程学院, 天津 ； 2. 上海精密科学仪器有限公司, 上海

摘要: 通过在印刷线路板上刻蚀制得一种用于高分辨飞行时间质谱仪的锯齿状边界一体化电极阵列, 该阵列具有锯齿状边界的条状图案, 可构造TOF-MS 的离子加速器和反射器。它充分利用仪器内部真空空间,为安装大尺寸、高性能离子检测器创造了条件, 质谱分辨力达到9 000 以上, 信噪比提高1 倍以上。这种方法稳定可靠、安装条件优越, 简化了真空设计, 提高了仪器的性价比, 成为MS800 型LC- T OF-MS 研制过程中重要创新点之一。

关键词:上海精科 高分辨; 飞行时间质谱; 反射器; 电极阵列离子加速器和反射器是飞行时间质谱仪( TOF-MS) 中操作离子运动的最主要部件。前者对离子施加近似相等的能量, 以符合T OFMS等能量质量分析器的要求; 后者完成离子动量的反转, 减小T OF-MS 飞行管的长度。离子加速器和反射器为离子束提供z 轴方向上线性变化的均匀梯度电场。通常使用框状的平面电极在z 轴方向组成电极阵列, 并分别施加线性的电压, 实现梯度电场。梯度场在垂直z 轴截面上的均一性决定了TOF-MS 可以处理的离子束几何尺寸。梯度场截面均匀程度优于100 ppm( ppm 指的是截面边缘电场相对于截面中心电场的差异) 的有效截面部分符合高分辨T OFMS的需求; 上海精科电极阵列内部空间中不符合上述条件的截面部分称作过渡区域。过渡区域中离子飞行时间偏差较大、分辨力低, 需要使用光阑阻止离子进入。高性能离子加速器和反射器是提高TOF-MS 性能的关键。早在1955 年,Ket zenstein 和Fr iedland 就采用多场加速的方法得到了100 以上的分辨力[ 1] 。同年Wiley 和Mclaren 发表了/ 双场加速聚焦0方法[ 2] , 奠定了飞行时间质量分析器的理论基础。A likano v 和Mamy rin 分别在1957 年和1973 年提出利用反射器提供一个减速电场来补偿由于初始动能分散引起的飞行时间差[ 3] , 成为飞行时间质谱发展过程中最为重要的进展。1996 年, Dodonov等[ 4] 制作的电喷雾离子化垂直加速反射式飞行时间质谱仪( ESI-oaTOF-MS) 成为当今商业高分辨力LC-TOF-MS 的原型。

以往的离子加速器和反射器中有效截面积所占的比例通常低于50% 。过渡区域和电极本身的几何尺寸占据了大量真空区域, 造成真空腔尺寸庞大、利用率低, 并且迫使仪器使用更大抽速的真空泵系统, 间接增加了成本。许多商业仪器为了避免仪器过大、成本过高, 通常减小整个TOF-MS 质量分析器的尺寸, 导致只能使用小型的( 如直径25 mm) 微通道板( Micro channelplate) 检测器, 并且无法使用多阳极( Mult i anode) 来接受信号, 动态范围较低。MS800 LCTOF-MS 开发小组的研发过程着重研究提高真空空间利用率的方法, 使MS800 LC-TOF-MS的总体成本保持在一个较低的水平。

1 设 计

上海精科现有的离子加速器和反射器设计主要有薄板圆环电极、厚圆环电极、中厚度矩形电极三种。薄板圆环电极阵列的结构示意图示于图1, 它由一组切割而成的薄板圆环构成[ 5] , 单个电极厚50~ 200 Lm, 板间距3~ 5 mm, 精度30 Lm; 电极外径由于薄板刚度的影响小于100 mm。其优点在于过渡区域最小, 环电极内部均匀梯度电场几乎占据了全部内径大小的三维空间。上海精科厚圆环电极阵列的结构示意图示于图2, 它是由一组厚重圆环电极构成[ 6] , 单个电极厚8~ 10 mm,外径约200 mm, 内径约160 mm, 板间距1~ 2mm, 精度可达2 Lm。由于电极厚度影响, 其内部过渡区域比薄板电极大得多, 达20 mm 宽; 由于机械重量巨大, 极少水平使用。矩形框电极阵列由厚度1~ 3 mm 的不锈钢钢板经切割而成,其结构示意图示于图3。矩形框电极外形控制最为灵活, 但由于存在比较大的内部应力变形,限制了电极的加工精度, 只能达到约50 Lm。