四极质谱过滤器是四极质谱仪的关键组件，只有特定荷质比的离子才能通过其中，以此实现对离子的过滤功能。特定离子通过过滤器的高传输概率是想要的结果。然而四极质谱过滤器中的边缘场会影响离子传输概率。借助多物理场仿真，我们可以详尽分析四极质谱过滤器，并探索边缘场对设备产生的影响。
质谱分析法简介
质谱分析法是建立在荷质比的基础上对离子进行分析和分类的过程。典型质谱仪的工作原理是对单个分子或原子进行电离，然后利用外电场来移动和操控这些离子。
质谱仪的灵敏度优势使其在许多方面具有应用价值，包括确认未知的生物化合物、确定混合物的化学成分、检测食物来源中的毒素，以及太空探索。工程师对此类设备的更新与改进从未中断，新型质谱仪可以在气相和液相中同时分析多达 30 种成分。
四极质谱仪在设定的电压比下，仅允许具有特定荷质比的离子通过其中。这一过程是通过四极质谱过滤器来完成的，此组件由四个圆柱形金属棒组成。
四极质谱过滤器。图像由 Fulvio314 自行拍摄。已获 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。
今天，我们将利用 COMSOL Multiphysics 中的“粒子追踪”和“AC/DC”模块来模拟四极质谱过滤器，并评估其在四极质谱仪中的性能表现。
借助多物理场建模评估四极质谱仪组件
为了使四极质谱仪成功地对混合物进行分析，需要使特定离子维持较高的传输概率。这意味着过滤器必须确保只有具有特定荷质比的离子才能通过其中。
我们可以通过对四极质谱过滤器建模和分析其入口和出口处边缘场的影响来评估四极质谱过滤器的这种能力。边缘场是必须纳入考虑的重要因素，因为它会影响通过质谱过滤器的特定离子传输概率。
仿真结果展示了通过四极质谱仪中的质谱过滤器追踪的粒子轨迹。
我们可以通过两个步骤来模拟四极质谱过滤器：
- 计算直流和交流电场
- 计算由相同电场控制驱动的离子轨迹
让我们从深入探讨模型的设计开始。首先，我们通过泊松方程（Poisson’s equation）计算出直流电场的电势（U）。然后，通过电流守恒计算出交流电场的电势（V）。在这两种情况下，我们都向北侧金属杆和南侧金属杆施加正电势，向东侧金属杆和西侧金属杆施加负电势。此外，为了加快离子进入质谱过滤器的速度，我们可以向离子孔施加较小的直流和交流偏压。
我们也可以使用叠加的交流和直流电场来创建一个总电场，供粒子进入建模域时通过。需要特别注意的是，因为求解交流和直流电场的方程为线性方程，所以这是一个有效假设。固定电场和随时间变化的电场都会对总电场产生增益。
四极质谱过滤器中的粒子追踪功能
在仿真的下一步骤中，我们可以计算出通过过滤器的离子的运动轨迹。离子运动遵循牛顿第二定律。在交流电场的第一个射频周期中，本教程中的离子自仿真开始时就按照均匀的间隔被释放。在仿真过程中，粒子在 0 秒到 0.25 微秒的时间间隔内被释放了 11 次。由于交流电场的频率为4 兆赫，所以在其释放结束时正好为一个完整的射频周期。
通过精确计算离子轨迹及边缘场的影响，我们便可以求解出离子传递率。在这种情况下，如图所示的离子传递率非常高，达到了百分之百。这种情况的发生是因为我们在 a-q 曲线上选择了一个非常稳定的工作点。这里的“a”和“q”指代 Mathieu 方程中的系数，可用于计算四极质谱过滤器中的离子运动的近似解。在我们的研究中，离子会在四极质谱过滤器中停留约 140 个射频周期。
四极质谱过滤器中的粒子轨迹。图中彩色部分为总力的 z-分量。
深入研究质谱过滤器的设计元素
我们可以通过这些仿真结果来研究不同设计元素对四极质谱过滤器产生的影响。例如，在我们的模型中，离子孔周围设置有一个偏置板。这导致了离子在通过四极质谱过滤器时会获取能量。正如下图所示，这些离子的平均能量为 5 eV，超过了 3 eV 的能量范围。以如此大小的能量传播可能是因为较小的直流和交流偏压。由于交流偏压既可以为正，也可以为负，所以导致离子在射频周期内被释放时，既可能加速，也可能减速。
到达收集器时离子的粒子动能分布。
在本篇博客文章中，我们使用多物理场建模精确分析了四极质谱仪中的使用的质谱过滤器。优化四极质谱过滤器设计有助于在未来进一步提高四极质谱仪的分析精度。
了解更多在 COMSOL Multiphysics 中有关光谱仪建模的信息
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