四极质量过滤器是四极质量光谱仪的关键组件，通过其电荷与质量比过滤离子，仅允许具有一定比率的离子通过设备。因此，需要特定离子的高传输概率。但是，质量过滤器中的条纹字段可能会影响这一概率。通过使用多物理模拟，我们可以仔细研究四极质量质量过滤器，并研究条纹场对这些设备的影响。
质谱法的简短介绍
质谱是一个基于其电荷与质量比分析和分类离子的过程。典型的质谱仪通过电离单个分子或原子来起作用，然后用外部电场移动并操纵这些离子。
质谱仪的固有敏感性可以使许多应用产生，包括识别未知的生物化合物，确定化学混合物组成，检测食物来源中的毒素和太空探索。如今，这些设备继续改善，随着新的质谱机能够在气体和液相同时分析多达30个组件。
一种类型的质谱仪，一个四极质谱仪，仅允许特定电荷与质量比的离子通过设备的每个给定电压。这是通过四极质量过滤器，光谱仪的一个组件由四个圆柱金属棒组成。
四极质量滤波器。图像Fulvio314 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。
今天，我们将在COMSOL多物理学中使用粒子跟踪和AC/DC模块来模拟质量滤波器并评估其在四极质量质谱仪中的性能。
使用多物理学建模来评估四极质量质谱仪组件
为了使四极质谱仪成功分析混合物，其质量过滤器需要维持特定离子的高传输概率。这意味着过滤器必须确保仅通过设备传输一定的电荷与质量比的离子。
我们可以通过对四极质量质量过滤器进行建模并考虑其入口和出口处的条纹场的影响来评估这种能力。这些是重要的要素，因为条纹场会影响特定离子通过质量过滤器的传输概率。
模拟显示了四极质谱仪的质谱仪质量过滤器中的粒子轨迹。
我们可以在两个阶段对质量过滤器进行建模：
- 计算直流和交流场
- 计算离子轨迹，其运动由这些相同磁场控制
首先，让我们仔细研究模型的设计。首先，我们使用泊松方程来计算电势，你，对于DC字段。接下来，我们使用电流的保护来计算交流电位，v，对于交流场。对于这两种情况，我们在北杆和南杆上都采用积极的幅度，并在东杆和西杆上具有负潜力。此外，为了帮助将离子加速到质量过滤器中，我们可以在离子光圈上施加小直流和交流偏置。
我们还使用AC和DC场的叠加来构建颗粒进入建模域时所经历的总电场。重要的是要注意，由于为AC和DC字段求解的方程是线性的，因此这是一个有效的假设。一个固定的电场，随着时间的推移变化，这两者都会导致总电场。
粒子在四极质量滤波器中进行追踪
对于模拟的下一个阶段，我们计算通过过滤器移动的离子的轨迹。离子动议受牛顿第二定律管辖。本教程中的离子在模拟启动时间和在AC场的第一个RF周期中均匀间隔时释放。在模拟过程中，颗粒在0秒至0.25μs之间释放了11个不同的时间。由于AC场的频率为4 MHz，因此最终是一个完整的RF周期。
通过准确计算离子轨迹，包括条纹场的效果，我们可以找到离子传输。在这种情况下，该图表明离子传输很高，达到100％。之所以发生这种情况，是因为我们选择了A-Q曲线上非常稳定的操作点。在这里，A和Q是指MATHIEU方程中的系数，该系数可用于计算四倍体质量滤波器中离子运动的近似解。在我们的研究中，离子保留在四极质量过滤器中，约有140个RF循环。
四极质量滤波器中的粒子轨迹。总力的Z组分由颜色指示。
看一下质量过滤器的设计元素
我们可以使用这些仿真结果来查看不同设计元素对四极质量滤波器的影响。例如，在我们的模型中，我们包括一个围绕离子孔的偏置板。这会导致离子在过滤器中移动时获得能量。正如我们在下面的图中看到的那样，这些离子的平均能量在约3 eV的范围内为5 eV。这种能量的传播可能是由于较小的直流和交流偏置引起的。由于AC偏置可以是正的或负的，因此离子可以根据释放的RF循环阶段加速或减速。
离子粒子动能分布到达收集器时。
在此博客文章中，我们使用多物理学建模来准确分析用于四极杆质谱仪的质量过滤器。优化四极质量滤波器设计可以有助于将来开发更准确的质谱仪。
了解有关在comsol多物理学中模拟光谱仪的更多信息
- 下载教程模型：四极质谱仪
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