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气体质谱仪/在线质谱仪
原理

    质谱分析法是以电子轰击或其它的方式使被测物质离子化,形成各种质荷比(m/z)的离子。利用不同离子在磁场或电场的运动轨迹不同,把离子按照质荷比分开而得到质谱图,从而得到样品的分析结果。基于这个原理,在线质谱仪的分析速度非常快,可达到ms级,因此特别适合快速反应过程以及多位点的同时监测。

组成结构

     在线质谱仪主要包括以下几个部分:进样装置、离子源、质量分析器、检测器以及真空系统。
    (1)进样装置 进样装置是将待测样品引入在线质谱仪进行检测的部件,在实际应用中,由于在线质谱仪分析速度快、常用于多位点监测,气体压力、温度、浓度不同,需要选择能满足不同要求的进样装置,通常有多位旋转阀、电磁阀、进样孔、膜进样等等。
    (2)离子源 离子源是将气体样品分子进行离子化并进行离子聚焦的部件。在线质谱由于分析的都是气体,电子轰击电离(EI)成为应用最为广泛的一种电离方式。EI源是通过加热灯丝释放电子轰击气体分子,将其电离产生离子(分子离子和碎片离子),再通过聚焦电压的作用对离子进行聚焦并引出。
    EI源具有离子化效率高、灵敏度高的特点,能够提供丰富的结构信息,在70eV的条件下获得稳定的“指纹”图谱,具有强大的定性能力。
    (3)质量分析器 由离子源产生的离子在质量分析器按照质荷比的大小进行分离。目前用于在线分析质谱仪的质量分析器类型主要有四极杆和扇形磁场两种。扇形磁场质量分析器是出现最早的质量分析器,其主要部件是电磁铁,离子源发出的离子束在加速电极电场的作用下,进入磁场后发生偏转做圆周运动,不同质荷比的离子圆周半径不同而达到分离。由于扇形磁场在线质谱仪成本和价格较高,限制了在工业生产中的推广应用。
    四极杆质量分析器是目前在线质谱仪使用最多的质量分析器,它由四根圆柱型电极组成,施加两对相反的电压(直流电压和射频电压),构成四极杆的X-Y方向电场。离子沿着Z方向进入四极杆,在X方向和Y方向振动,在一定的电场强度和频率下,只有特定的质量离子能通过电场到达检测器。四极杆质量分析器具有结构简单,体积小,扫描速度快,不需要很高的加速电压,对真空度的要求相对不高等特点,在气体分析中有很大的优势,已经越来越多的应用于各个行业的在线监测中。
    (4)检测器 经过质量分析器分离的离子到达检测器后,产生电信号输出,形成质谱图。在线质谱仪所用的检测器有法拉第杯和电子倍增器两种。法拉第杯检测器的最大特点是:简单、稳定、动态范围宽、无质量歧视。但由于对信号没有放大输出的效果,因此检测下限只能达到10-6级。电子倍增器对离子产生的二次电子电流进行逐级放大后再检测,可以达到10-9 级的检测下限,然而,灵敏度提高的同时,动态范围降低了,寿命也不如法拉第检测器。
    (5)真空系统 真空系统对于质谱仪来说是相当重要的,因为离子源、质量分析器和检测器这三个主要部件必须在真空环境下才能运行。如果真空度不够,不仅会使检测本底增大,干扰质谱图,还有可能造成仪器部件的损伤。目前在线质谱仪所采用的均为二级真空系统,首先由前级泵提供一个可供高真空泵(主泵)运行的低真空环境,再由主泵获得质谱运行的高真空环境。由于在线质谱仪长期工作的需要,无油泵在获得清洁的高真空和减少维护方面具有显著优势。

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