小型高分辨电子轰击离子源反射式飞行时间质谱仪的研制.pdf

第40卷
分析化学( FENXI HUAXUE)仪器装置与实验技术
第10期
2012年10月
Chinese Journal of Analytical Chemistry
1616~1621
pい松いいーい
DOI:10.3724/SP.J.1096.2012,20403
仪器装置与实验技术
小型高分辨电子轰击离子源反射式飞行时间质谱仪的研制
何坚'黄如俊'李刚2唐紫超2林水潮3
(厦门大学物理与机电学院,分析仪器实验室,厦门361005)
2(中科院大连化学物理研究所,大连110623)(厦门大学化学化工学院,厦门361005)
摘要常用的气体分析质谱仪使用四极杆质谱作为分析器,分辨率一般低于300,无法解决同质量数离子
带来的干扰问题。本实验自行研制了一种小型高分辨气体分析质谱仪,它采用电子轰击离子源反射式飞行时
间质量分析器。仪器腔体总长45cm,在m/x28的位置,质量分辨率达到3000( Full width at half maximum
FWHM),实现了CO和N2的半峰谷分离;在m/x69的位置,仪器分辨率达到5000(FWHM)。在直接大气压进
样条件下,可以检测到空气中1Xe(含量7.8ug/m2)和Kr(含量2.8g/m2)。使用ADC采集时,仪器的动态范
围为10°。该仪器将作为高端气体质谱仪,应用于过程监测在线分析、环境有机挥发物研究、热分析质谱及催
化反应监测等领域。
关键词气体分析质谱仪;电子轰击离子源;质量分辦率;飞行时间质谱
1引
气体分析质谱仪与其它气体分析仪器相比具有普适性好、定性准确、灵敏度高、分析速度快和动态
范围宽等优点。目前,气体分析质谱仪已经应用于石油化工生产、催化反应及热重气体分析、标准气体
制备、半导体及镀膜注气排气监测、钢铁治金炉气分析、环境有机挥发物监测引、钻井勘探气体分析
食品发酵过程气体监测們、汽车尾气分析回和工业废气分析等领域
常用的气体分析质谱仪的质量分析器多采用四极杆质谱(QMS)作为质量分析器,例如美国SRS公
司的RGA系列、英国Hden公司的 CATLAB和德国 Pfeiffer公司的 Omnistar气体分析质谱仪。质量
范围通常为100~300amu,分辨率<300,只能实现相差单质量数的气体分离。事实上,很多气体的精确
质量是非常接近的。表1列出的是一些分子量在50amu以内常见气体的精确质量,以及将它们从
表1小分子气体(Mw<50amu)的精确质量表
Table I Accuracy mass of low mass gas molecules(Mw<50 amu)
最低分辨
最低分辨
质荷比
分子式
精确质量数
率要求
质荷比
分子式
橢确质量数
率要求
Formula
Accuracy
ormula
MI
mass
esolution
Resolution
(FWHM)
(FWHM)
5.99436
672
C2 Hs
40.03077
OH+
17,00220
C?H3O
43,01786
1181
cot
27.99437
Co+
28.03077
C2 H3 OH
44.02569
C: Hat
44.06209
29,03877
2012-04-17收稿;2012-05-23接受
本文系中央高校科研业务费(No.,2010121042)资助项目
s E-mail: jianhe98(@ yahoo. c
第10期
何坚等:小型高分辨电子轰击离子源反射式飞行时间质谱仪的研制
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从50%峰谷位置分离所需的最低分辨率。气体分析质谱仪的进样方式多为混合进样,如果分辨率不
够,就很难解决同质量数离子的干扰问题,只能通过对其碎片峰或同位素峰进行检测,因此容易产生定
性错误和定量误差。
按照表1的计算,在质量数28amu的位置,质量分析器的分辨率必须达到2500,才能将N2和CO
从半峰谷分离开,QMS很难胜任。飞行时间质谱仪(TOF-MS)具有分析速度快、分辨率高、质量精度高
和质量范围宽等优点。在综合考虑成本和体积因素的条件下,TOF-MS是实现这个任务的最佳选
择に。为此,本实验室自行研制了一台小型高分辨电子轰击源飞行时间质谱仪。通过对I源结构及
电参数的优化设计,不仅提高了离子引出效率,而且降低了离子的空间分散;质量分析器则采用了离子
垂直引入、双推斥脉冲场、栅网弥散场补偿和二级有网反射镜等多种技术。实现了在仪器腔体总长仅为
45cm的条件下,在m/z28的位置,质量分辨率达到3000 Full width at half maximum,FWHM),实现了CO和
N2的半峰谷分离。在直接大气压进样条件下,可以检测到空气中Xe(含量78ug/m3)和Kxr(含量
8ug/m3)。使用ADC采集时,仪器的动态范围为10°。本仪器既可以作为高端气体分析质谱仪,还可以开
发为车载质谱仪和可移动的台式气相色谱一质谱联用仪( GC-TOF-MS),因此具有广阔的市场和应用前景。
2实验方法
2.1仪器结构
图1是自行研制的小型电子轰击源-垂直引入式飞行时间质谱仪结构示意图。它包括4个部分:进
样针系统、离子源及离予传输系统、质量分析器。由抽速260L/s的 Hiace300分子泵(德国 Pfeiffer公
司)保证分析器腔内的真空度为1×105Pa,离
子源所在真空腔配有独立的 Hiace80分子泵
反射区
Ion reflectron a
(德国 Pfeiffer公司),其抽速为67L/s。高真空
微调针阀(GW-J2,北京川北科技公司)关闭时,
电离源真空度为1×103Pa,连续进样时电离室
场区
分子泵(260L/S)
的真空度由进样针阀控制。仪器的真空腔总长5
Field free region
Molecular pump
450mm,分析器全长380mm,无场飞行区
105P
200mm。分析器及电离源总重量约11kg。
分子泵(67
仪器进样系统的设计较为简单,可以直接
TDC
Molecular pu
大气进样(图1),也可以采用差分进样(图2)
进样口
Sample inle
进样毛细管为内径200~300m的不锈钢管,
ADC
0°Pa
长度30cm,与KF10的三通相连,通过抽速为
1L/s的机械泵使三通内的真空保持在100
静电透镜狭缝灯丝
Acceleration region Einzel lens Slit Filament
Needle valye
200Pa。样品的实际进样量由高真空微调针阀
图1小型 EETOF-MS的结构示意图
控制,并配有MPT100高真空规(德国 Pheiffer
Fig 1 Schematic graph of miniature EI-TOF-MS
公可)监视其真空度。在不进样时,可以完全
关闭针阀,使离子源处于极限真空,以减少样品污染;在进样时,针阀不仅能准确调节样品进