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半圆弧面线性离子阱性能优化的模拟研究 　　摘要 半圆弧面线性离子阱具有电极结构简单、便于加工和安装精度高等优点。为进一步提升半圆弧面线性离子阱的分析性能，本研究在实验室原有半圆弧面线性离子阱的基础上提出了一种四面开槽的半圆弧面线性离子阱，并对其电极半径与场半径之比r/r0以及离子出射方向上电极的“拉伸”距离进行了优化。模拟结果表明：当r/r0=5KG-3∶KG-55，离子出射方向上的电极向外“拉伸”0.8～1.2mm时，离子阱的性能有较大提升，尤其是“拉伸”距离为0.9mm时所得质量分辨率最高，当扫描速率为409Da/s时，m/z=609Da的离子质量分辨率可达到6264（M/ΔM，FWHM）。作为对比，本研究同时对双曲面线性离子阱的性能进行了仿真优化，结果表明，经过优化后的半圆弧面线性离子阱的性能可与双曲面线性离子阱相媲美。 　　关键词半圆弧面线性离子阱；理论模拟；质量分辨率；“拉伸”距离 　　1引言 　　作为质谱仪的核心部件，离子阱质量分析器因其结构简单、对真空要求低、可实现多级质谱分析[1＼]并且适用于小型化质谱仪[2＼]而受到广泛应用。 　　常见的离子阱分为三维离子阱[3＼]和线性离子阱[4＼]。三维离子阱由Paul等人提出，其离子捕获效率较低、存储容量较小容易产生空间电荷效应[5＼]；Schwartz等提出的线性离子阱（Lineariontrap，LIT）＼[4＼]，与三维离子阱相比，其离子捕获效率高、离子储存容量大，不易产生空间电荷效应。上述两种离子阱的电极均采用双曲面结构，增加了其加工和装配难度。因此，简化电极结构的离子阱成为近年来质谱领域的研究热点之一。 　　Wells等报道的一种圆柱形离子阱（Cylindricaliontrap，CIT）＼[6＼]，改变了传统三维离子阱的双曲面结构，降低了加工和安装难度；Xiao等报道的三角形电极离子阱（Triangularelectrodelineariontrap，TeLIT）[7＼]由4个包含离子引出槽的三角柱JP状电极和2个平板端盖电极构成，实验结果表明，TeLIT的分析性能优于CIT；本课题组在此基础上对TeLIT的几何结构进行了优化，进一步提升了TeLIT的性能[8＼]。但是，由于电极简化引起的内部电场畸变，由此导致TeLIT的分析性能大大低于传统双曲面线性离子阱。 　　Douglas等[9＼]对圆柱面线性离子阱进行了模拟研究，主要对其电极半径和场半径的比值（r/r0）进行了优化。但是，其建立的离子阱模型圆柱形电极上未开设离子引出槽，无法实现离子径向出射的研究。本课题组设计了一种半圆弧面线性离子阱（Halfroundrodelectrodeslineariontrap，HreLIT）[10＼]，由4个半圆柱面电极和2个端盖电极组成。实验结果表明，HreLIT的质量分辨率可达4350，明显优于CIT和TeLIT等其它简化电极结构的离子阱。 　　尽管HreLIT的实验结果已相对较优，但是相对于传统双曲面线性离子阱其分析性能仍有较大差距，并且HreLIT也未经过系统优化。在HreLIT的前期研究基础上，本研究借鉴TeLIT4个电极均开设离子引出槽的对称式几何结构[7＼]，提出一种四面开槽的HreLIT，优化其几何结构，达到与传统双曲面线性离子阱相当的分析性能。 　　2实验部分 　　2.1离子阱模型的建立 　　在本??验室报道的HreLIT[10＼]基础上，利用电场模拟软件SIMION8.0进行HreLIT的建模，如图1所示。其中r为电极半径，r0为场半径，离子阱几何中心到离子出射电极（x电极）的距离用rx表示。4个电极均设有离子引出槽，在x电极两侧设有电极，模拟实验中的离子检测器。 　　模拟过程中，首先研究电极半径与场半径比r/r0对HreLIT分析性能的影响。利用离子轨迹模拟软件AXISM[11＼]对不同尺寸HreLIT中离子运动轨迹进行模拟，得出最优结构，并在此基础上进一步探究“拉伸”距离对HreLIT性能的影响，进一步优化并提升HreLIT的分析性能。 　　2.2内部电场分析方法 　　离子阱的电极形状、离子引出槽以及装配精度等都会引入高阶场[12＼]，不同比例的高阶场对离子阱性能有不同的影响。一般情况下，高阶场会降低离子阱的分析性能，但是恰当比例的高阶场也会提高离子阱的分析性能，如少量的正八极场可提高离子阱性能[13＼]。根据二维多极场理论，HreLIT内某点的电势表达式为[10＼]： 　　其中，Ω为射频电压RF的角频率，AN为相对应的多极场，r0为场半径，Vrf为RF的幅值。本研究中的高阶电场分布参数由软件PAN33通过对取样电势进行傅里叶变换所得，取样半径设置为场半径r0。 　　2.3模拟方法 　　模拟过程中，选择质荷比分别为