真空紫外灯单光子电离源飞行时间质谱仪的研制.pdf

第39卷
分析化学( FENXI HUAXUE)仪器装置与实验技术
第10期
2011年10月
Chinese Journal of Analytical Chemistry
1470~1475
真空紫外灯单光子电离源飞行时间质谱仪的研制
谭国斌′高伟黄正旭!洪义1傅忠2董俊国程平周振“1
(上海大学环境与化学工程学院,上海2004442(广州禾信分析仪器有限公司,广州510530)
摘要研制了真空紫外灯单光子电离源飞行时间质谱仪( Vacuum ultraviolet single photon ionization time-of
flight mass spectrometer, VUV-SPETOFMS),包括真空系统、毛细管进样系统、真空紫外灯电离源、垂直加速反
射式飞行时间质量分析器和数据采集系统等。仪器采用的真空紫外单光子电离方式,能够将电离能低于紫
外单光子能量(10.6eV)的挥发性有机物( Volatile organic compounds,vOCs)电离。与电子轰击源比较,紫外光
电离基本无碎片产生,比较适合样品定性分析。结果表明,仪器的质量分辨率优于800( Full width at half maxi-
mum, FWHIM),质量精度优于1.0×10-4。仪器能够检测出香烟主流烟气中的60多种化合物,对于丙酮、环d
烷、乙酸乙酯和甲苯的定性检出限分别为0.3X10-5,0.27×10-6,0.42X106和0.11X10-°。本仪器能够实现
对各种环境介质(气相、固相、液相)中挥发性有机物的实时、在线检测,若与膜富集、加热进样装置或吹扫捕
集系统联用,仪器的灵敏度能得到有效提高
关键词真空紫外单光子电离;软电离;飞行时间质谱仪;挥发性有机物;在线检测
引言
挥发性有机化合物(VOCs)在大气环境中臭氧及气溶胶的形成过程中起作用。来源于人为活动
及工业排放的VOCs有300多种,对大气、环境和人类健康造成严重影响。常用的检测VOCs方法为预
富集、热脱附气相色谱质谱法等。这些方法样品的前处理过程复杂、耗时长,不能满足快速、直接、在
线检测的要求。发展用于实时、在线的质谱检测方法已成为VOCs检测技术的主要发展方向。飞行时
间质谱仪( TOFMS)以其快速检测速度、高分辨率、宽质量范围、高离子传输率、高灵敏度等众多优点,
泛应用于环境监测、工业检测、生物分析等领域。特别是 ITOFMS高分辨和高精度的特点,能为快速定
性气体成分提供重要手段。同时,伴随着众多电离技术?,如光电离、电喷雾0~等的发展和成熟,
长行时间质谱技术将在环境监测领域发挥重要作用。紫外光电离是一种单光子阈值软电离技术,可将
电离能低于其发射光子单光子能量的voCs电离成分子离子。目前,紫外光电离技术已能与多种质量
分析器联用,并已实现对柴油发动机排放废气、汽油等多种气体中VOCs的实时在线监测及定性与定量
分析3?,其检出限可达到1×10-60或1×10-°级?,能够满足环境监测领域在线检测需求。若与膜富
集、加热进样装置或吹扫捕集系统等联用,仪器灵敏度还可进一步提高到1×10~1级
本研究将真空紫外光电离源与垂直加速反射式飞行时间质量分析器联用,研制了真空紫外灯单光
子电离源飞行时间质谱仪,并采用毛细管直接进样方式,实现了对VOCs的快速、在线检测。与传统电
子轰击源(70eVの)质谱仪相比,本仪器检测的分子离子信号响应高,基本无碎片离子产生,适合样品的定
性检测。结果表明,本仪器能够检测出香烟主流?气中60多种有机化合物,对于羰基化合物、环烷烃化
合物、脂类化合物、苯系物等各类VOCs的检测都有较强的分子离子峰信号响应。
2实验部分
实验装置及试剂
利用模拟固定释放源装置?对仪器性能进行测试。该装置包括载气(N2)、标准气体、减压阀、压力
表、M3030V气体质量控制流量计(韩国 INTECH公司)、DB80气体质量控制流量计显示器(大连北方测
2011-06-13收稿;2011-07-07接受
E-mail:zhouzhen(@shu.edu.cn
第10期
谭国斌等:真空紫外灯单光子电离源飞行时间质谱仪的研制
控工程有限公司);气体混合器(自制),各元器件通
压力表
过聚四氟乙烯管(内径4mm)、三通接头等连接,如
go tressure meter
图1所示。
减太阀
体质量控制
ressure
实验所用标准气体丙酮(200×10-)、乙酸乙酯我气係
acing valves Mass flow controller!'气体混合器
三通连接
Gas mixer
(200×106)、环己烷(200X10~6)、甲萃(200X10-0)、
压力表
connector
载气高纯氮气(99.9%)均由广州世源气体有限公司
Pressure met
聚四氟乙烯气管
提供
PTFE tube
气体质量控
2.2实验方法
ressure
流量计
reducing valves Mass flow controller
通过气体质量控制流量计控制标准气体与载气 Standard gas
(N2)的流量比值改变释放气体浓度,将混合后的气
体接人进样系统进样口,即可对排放气体进行检测。
图1模拟固定释放源装置示意图
Fig. 1 Simulation device system of stationary emission
3结果与讨论
source
3.1仪器的结构
仪器整机示意框图如图2所示。包括真空系统、毛细管进样系统、真空紫外灯电离源、垂直加速反
射式飞行时间质量分析器、供电及控制系统、数据采集系统等部分。在真空系统内,使用抽速为
110L/min的涡旋式干泵(SHIl0, Varian)作为前级泵,抽速为270L/s分子泵(V30l, Varian),确保质量分析器
的真空度低于1×103Pa。供电及控制系统、数据采集系统均由广州禾信分析仪器有限公司研发制造
高真空
igh
acumen
进样
垂直加速反射式
Sample inlet
毛细管进样系统
真空紫外灯电离源
K行时间质量分析器
供电及控制系统
jection
Vacuum ultraviolet
Orthogonal acceleration
Power supply and
system
Jamp ionization source
reflection time-of-
control system
flight mass analyzer
数据采集系统
Data acquisition system
图2真空紫外灯单光子电离源飞行时间质谱仪结构示意框图
Fig 2 Schematic arrangement of vacuum ultraviolet single photon ionization time-of-flight mass
spectrometer(vuv-spi-tofms)
3.1.1毛细管进样系统为实现直接进样分析,采用微型真空泵(最大抽速为1L/min)引入气体。进
样管路设有气流阀,控制进气流流速。仪器接口设计采用10cmX5