一种基于数值分析的矩形离子阱仿真优化方法.pdf

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1、第4l卷分析化学(FENXIHUAXUE)研究报告第10期2013年10月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1577～1581DOI：10．3724／SP．J．1096．2013．30297一种基于数值分析的矩形离子阱仿真优化方法陈一唐飞王晓浩(清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京100084)摘要提出了一种对矩形离子阱进行仿真设计和优化的方法。该方法以数值分析为基础，对离子在矩形离子阱中的运动进行分析，得到相应的离子运动二阶微分方程。然后使用

2、数值分析的Runge—Kutta法，对此二阶微分方程进行求解，可以得到理想状态下离子在离子阱中稳定的条件，从而完成对矩形离子阱的设计和优化。采用本方法，设计并优化了一种矩形离子阱，质量范围最大为260amu／e，使用乙醇作为目标样品，紫外灯源作为离子源，法拉第筒作为检测器，对该矩形离子阱进行了质谱实验，成功得到了质谱结果，验证了所提出的数值分析仿真优化方法的实用性和正确性。本方法简单易行，便于修改，针对性强，可对多个参数使用循环遍历的方式来寻找最优值，特别适用于对未知结构或参数的探索研究。以此方法为

3、基础可开发离子运动仿真软件，有很好的应用前景。关键词矩形离子阱；数值分析；仿真；优化；质谱1引言小型化质谱仪¨由于其成本低，使用方便等特点，成为了质谱相关研究领域的热点。小型化的质谱技术与传统相比已有了很大的区别，在实现质谱小型化的过程中，不可避免地需要设计新的结构_4I5]。矩形离子阱(Rectilineariontrap，RIT)是近年来出现的一种新的质量分析器，因具有易加工、离子存储量大等优点而备受关注。优化矩形离子阱的结构或参数使之发挥更好的分析效果，是质谱研究的方向之一。在实际研究中，判断

4、优化是否可行首先需要对优化后的结构或参数进行仿真分析引，目前比较有效的仿真软件有SIMION、ITSIM等。常规的仿真方法首先需要确定矩形离子阱的尺寸、电压等参数，再判断离子在其中是否稳定。若仿真结果不理想，则需要修改离子阱的参数再进行仿真。如此循环，直至得到理想的仿真结果，即在某种结构以及参数下，离子在离子阱中最稳定。离子在矩形离子阱中越稳定，说明矩形离子阱捕获并束缚离子的能力越强，获得的信号强度也越强。该矩形离子阱即为优化后的矩形离子阱。常规的仿真方法一次只能对一种特定的结构或参数进行仿真，需要

5、耗费大量的时间与精力才能得到优化的结果。本研究提出了一种新的对矩形离子阱进行仿真的方法。此方法可以使用循环遍历的方式一次性对多个不同的参数进行仿真，大大缩短了仿真需要的时间和耗费的精力。此方法以数值分析为基础，对离子在矩形离子阱中的运动进行分析，得到相应的离子运动二阶微分方程。该方程包含了影响离子在离子阱中运动情况的参数。选择需要优化的某个或某几个参数为未知数，其余设为定值，使用数值分析的Runge—Kutta法，对此二阶微分方程进行求解，得到理想状态下离子最稳定的条件。该条件即为矩形离子阱的优化仿

6、真结果。此方法简单易行，便于修改，针对性强，可以使用循环遍历的方式来寻找最优参数，避免了繁琐的人工操作，特别适用于对未知结构或参数的探索研究。以此方法为基础可开发离子运动仿真软件，有很好的应用价值。2离子运动分析矩形离子阱的电压加载方式：RIT的左右、上下极板加载了高频率的射频(Radiofrequency，RF)电2013-04-04收稿；2013-05—10接受本文系国家自然科学基金(Nos．21027013，81102413)和国家重大科学仪器设备开发专项(Nos．2011YQ17006702

7、，2011YQ14015010)资助E—mail：tangf@mail．tsinghua．edu．cn分析化学第41卷压，分别为U+Vsin()和U—Vsin()，U为直流部分幅值，为高频部分幅值0：=D／2~-为RF波的频率。对矩形离子阱进行电场分析，同时根据其特性和电压加载方式，得到电场中任一点的电势表达式：：之(1)根据牛顿第二定律∑F=lrta，有下式：F~=mx=eE。tFx—my～Elmx—e(一)：0将(1)代人(2)中得到：等dt+。—(Veosf~t)=0m(x+Y)一⋯j，．da

8、y+—(Vcosn)=0dt。m(x+Y)～“一其中，(，Y)为t时刻下，离子在矩形离子阱中的坐标，的单位为10S；RF电压频率为1MHz；参考目前常用的矩形离子阱的尺寸，设定，Y的单位量级为nlm；常用质荷比(m／z)为100(以下仿真所用质荷比均为100)。考虑各变量的单位后，式(3)变为+c0s27rf——0(4)1，．1．2+cos27r：0(Ito+y0其中，若以离子在t时刻的位置(，Y)为未知数，则式中需要优化的参数包括RF电压幅值，以及矩形离子阱的极板大