Lineer uçuş zamanlı kütle spektrometresinde çözünürlüğün artırılması için iyon optiklerinin teorik olarak dizaynı ve bilgisayar simülasyonu
Theoretical design and computer simulation of ion optics to improve resolution in linear time-of-flight mass spectrometer
Yazar: MURAT YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. HAMDİ ŞÜKÜR KILIÇ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Kütle spektrometri = Mass spectrometry ; Tasarım = Design

Özet:
Kütle spektrometrelerinin önemli tiplerinden birisi olan uçuş zamanlı kütle spektrometresi (TOFMS) basit bir dizayna sahiptir. TOFMS iyon kaynağı, alansız sürüklenme bölgesi ve iyon dedektöründen meydana gelir. Son 20 yıldır kütle spektrometresi uygulamalarında önemli bir etkiye sahip olmuştur. Diğer kütle spektrometre tekniklerine göre, ucuzluğu, kolay yapılabilirliği, sınırsız kütle skalası (teorik olarak) ve tüm kütle spektrumunun birkaç mikrosaniye içinde kaydedilebilme avantajına sahiptir.Bu çalışmada, uçuş zamanlı kütle spektrometresinde çözünürlüğü geliştirmek amacıyla yüksek mertebe uzaysal odaklamanın teorik tartışması sunulmuştur. Optimum geometri ve elektrik alanlar yardımıyla uzaysal odaklama (başlangıç konumundaki değişimin neden olduğu iyon uçuş zamanındaki minimum değişim) koşulu sağlayan TOFMS teorisinin ana hatları verilmiştir. Başlangıç hız dağılımı, TOFMS çözünürlüklerini sınırlayan etkin bir faktördür. Uygulamada gerekli olan uzay odaklamanın elde edilmesinde iyonların farklı başlangıç hızlarından dolayı kütle çözünürlüğünün sınırlaması önemli rol oynar. Oda sıcaklığında uzay odaklamanın artırılmasıyla beklenen kütle çözünürlüğündeki artış ?turn around? zamanından dolayı gözlenememiştir. ?Turn around? zamanı 100 amu için 20 ns civarındadır. Sonuç olarak tasarlanıp kurulan TOFMS yardımıyla deneysel olarak elde edilen kütle çözünürlüğü olarak ölçülmüştür. Kütle çözünürlüğünün deneysel olarak sayısal depolayıcı osiloskop yardımıyla iyon sinyalinin FWHM değerinde hesaplanmıştır. Uzay ve kütle çözünürlükleri SIMION bilgisayar benzeşim programı ile elde edilmiştir. Elde edilen benzeşim sonuçları deneysel sonuçlarla uyum içerisindedir. Kurulan TOFMS'nin kütle çözünürlüğü literatürdeki diğer deney sistemleri ile karşılaştırılmıştır.

Abstract:
A time-of-flight mass spectrometer (TOFMS), as an important type of mass spectrometer, is of simple design. TOFMS systems consist of an ion source, a free-field drift region, and an ion detector. Time of flight mass spectrometer has had a remarkable impact upon the practice of mass spectrometry over the last 20 years. TOFMS has many advantages over other mass spectrometric techniques: it is inexpensive and the instruments are easy to build, unlimited mass range (theorically) and a complete mass spectrum can be recorded in few microseconds.In this study, a theoretical discussion of the concept of time of flight mass spectrometer is presented, with the aim of improving resolution with higher-order space focusing. A brief account of the TOFMS theory is given together with optimal geometries and electric ? elds which provide space focusing condition (i.e. the zero variation in ion time-of- ? ight caused by a change in initial position). The effect of the initial velocity distribution, a dominating factor that restricts resolution in TOFMSs, on the time-width of a peak in the mass spectrum was demonstrated. The results have shown that the limitations of the mass resolution by different initial velocities of the ions play a signi ? cant role in determining the order of space focusing required in practice. At room temperature no signi ? cant improvement in the mass resolution can be expected by increasing the order of space focus, because the time spread due to the velocity dispersion and ?turn-around? time of the ion with amass of 100 amu is about 20 ns. Therefore, the optimum mass resolution of is about , which is also experimentally measured using a homemade TOFMS. Experimental measurement of mass resolution of a TOFMS was carried out with Digital Store Osciloscope (DSO) a range of FWHM of ion signal. Simulation of space and mass resolution was carried out using the ray tracing software SIMION and good agreement was achieved between the simulated and experimantal results. Mass resolution of homemade TOFMS has been compared with other experimental apparatus in the literature.