气相色谱—谱联用仪关键技术的研究

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气相色谱-质谱联用仪(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)是色谱技术、质谱技术与计算机技术三种现代化技术紧密结合的产物,是可获得待测组分保留时间与分子结构两方面信息的仪器分析系统,广泛应用于环境与食品药品检测等安全领域。本论文以为GC-MS设计和优化提供理论基础和技术支撑为研究目的,针对GC-MS的三大核心单元开展关键技术研究,包括离子产生、离子传输以及信息处理。主要的工作内容和创新点包括以下三个方面:1、离子的产生:以电子轰击离子源(EI源)为对象,研究分析离子源参数对其性能的影响,为设计和优化GC-MS的离子源提供理论基础。(1)分析EI源参数对性能的影响。基于计算机辅助模拟实验,将相空间分析方法应用在离子源各参数对离子束从离子源出射时分布状态影响的研究中。(2)以分析数值计算获得EI源内拉普拉斯和泊松电场分布为手段,解释了EI源内空间电荷效应如何影响出射离子束强度。同时利用计算机辅助模拟方法首次分析了电子流束强度增加引起质量歧视的原因。2、离子的传输:以四极杆质量分析器为对象,研究有限尺寸射频四极电场初始相位如何影响离子在电场内的状态,从而获得离子完全通过有限尺寸射频四极电场所需满足的入射条件,该入射条件是进行离子源设计时必须考虑的因素。采用四阶Runge-Kutta方法获得初始相位与离子最大径向位移的关系曲线。据此提出射频四极电场的初始相位接受区间这一概念,该接受区间用来衡量离子能够通过电场所对应初始相位的取值范围。同时分析获得了离子初始入射位置及四极电场工作点对初始相位接受区间的影响曲线。将计算机辅助模拟方法与理论推导方法相结合,系统地在相空间内分析初始相位对接受椭圆的影响,并据此给出了能够实现100%离子通过率的离子初始入射条件范围。3、信息处理:研究了GC-MS信息处理的三个基本组件:数据存储结构、原始数据的提纯和质谱谱库检索。(1)数据存储结构:在分析GC-MS数据特性的基础上,以提高数据通用性为目的,设计了一种数据存储结构;(2)提出了一种基于“模型峰”的数据提纯算法,该算法旨在被一些离子源污染物,柱流失物以及样品基质等干扰离子干扰的质谱图中,将标化合物的质谱图提取出来,为提高后续利用质谱谱库检索方法所进行的定性分析的准确性奠定基础;(3)将信息检索领域的向量空间模型应用于质谱谱库检索当中,并将样品谱图和参考物谱图均看成向量空间内的向量,利用向量夹角来衡量两谱图之间的相似性来实现库检索。算法中还首次引入了未知物谱图向量与参考物谱图向量中峰强比例计算,这一因素的引入提高了算法的检索性能。
中文摘要第3-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 绪论第10-18页
    1.1 本课题的研究背景与意义第10-12页
    1.2 气相色谱-质谱联用技术第12-16页
        1.2.1 气相色谱-质谱联用技术的原理第12-13页
        1.2.2 气相色谱-质谱联用技术的优点第13-14页
        1.2.3 国内外气相色谱-质谱联用技术发展的现状第14-16页
    1.3 本文的研究目的和研究内容第16-18页
第二章 GC-MS的EI源第18-48页
    2.1 EI源的原理第18-19页
    2.2 EI源参数对其性能的影响第19-35页
        2.2.1 四极杆质谱仪的EI源结构第19-20页
        2.2.2 离子源内静电场的数值计算第20-23页
        2.2.3 计算机辅助模拟第23-24页
        2.2.4 离子源参数对其性能影响的相空间分析第24-32页
        2.2.5 离子源的性能改进第32-35页
    2.3 EI源内电子束强度对其性能的影响第35-47页
        2.3.1 气相色谱-飞行时间质谱分析平台结构第36页
        2.3.2 飞行时间质谱仪的EI源结构第36-37页
        2.3.3 GC-TOF MS分析平台的实验第37-39页
        2.3.4 离子源内的空间电荷效应第39-47页
    2.4 本章小结第47-48页
第三章 有限尺寸射频四极电场第48-71页
    3.1 四极电场理论第48-54页
        3.1.1 离子的空间束缚场第48-49页
        3.1.2 四极场的数学形式第49-50页
        3.1.3 四极场的电极结构第50-52页
        3.1.4 四极场内离子的运动方程第52-54页
    3.2 有限尺寸射频四极电场初始相位对离子运动的影响第54-60页
        3.2.1 射频四极电场内离子运动轨迹第54-56页
        3.2.2 有限尺寸射频四极场初始相位对离子最大位移的影响第56-57页
        3.2.3 离子初始入射位置对初始相位接受区间的影响第57-59页
        3.2.4 四极电场工作点对初始相位接受区间的影响第59-60页
    3.3 有限尺寸射频四极电场初始相位影响的相空间分析第60-69页
        3.3.1 相空间分析方法第60-61页
        3.3.2 离子在射频四极电场内运动的相空间表示第61-65页
        3.3.3 有限尺寸射频四极电场的接受椭圆第65-69页
    3.4 本章小结第69-71页
第四章 基于模型峰的GC-MS数据提纯算法第71-93页
    4.1 GC-MS的信息处理系统第71-76页
        4.1.1 GC-MS的谱图第71-75页
        4.1.2 GC-MS信息处理系统第75-76页
    4.2 GC-MS的数据存储第76-85页
        4.2.1 GC-MS数据文件的存储格式第76-81页
        4.2.2 实验第81页
        4.2.3 结论第81-85页
    4.3 基于模型峰的数据提纯算法第85-92页
        4.3.1 基于模型峰算法的原理第86-89页
        4.3.2 实验第89-92页
    4.4 本章小结第92-93页
第五章 基于向量空间的GC-MS质谱谱库检索算法第93-107页
    5.1 质谱谱图库检索原理第93-95页
        5.1.1 库检索方法原理第94页
        5.1.2 国内外主要的质谱谱库第94-95页
        5.1.3 库检索的类型第95页
    5.2 基于VSM的谱库检索算法第95-98页
        5.2.1 VSM的基本思想第95-97页
        5.2.2 质谱图的VSM第97-98页
        5.2.3 谱图间相似度的计算第98页
    5.3 基于VSM的检索流程第98-100页
        5.3.1 峰强比例缩放第99页
        5.3.2 筛选第99页
        5.3.3 谱图检索计算第99-100页
    5.4 实验第100-106页
    5.5 本章小结第106-107页
第六章 总结与展望第107-113页
    6.1 研究工作总结第107-111页
        6.1.1 工作总结第107-108页
        6.1.2 结果总结第108-111页
    6.2 创新点总结第111-112页
    6.3 下一步的研究方向第112-113页
参考文献第113-125页
发表论文和科研情况说明第125-127页
致谢第127页
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