小型高性能质子转移反应飞行时间质谱仪的研制及其在呼吸气成分分析中的应用

研制可快速、在线分析挥发性有机物（volatile organic compounds, VOCs）的质谱仪器是现代气态有机质谱的重要发展方向。本研究自行研制了小型高性能质子转移反应飞行时间质谱仪（proton transfer reaction time of flight mass spectrometry, PTR-TOF MS）,仪器采用结构简单可靠的空心阴极放电源作为水蒸气电离源,以产生水合质子;线性漂移管作为分子离子反应管。该离子源产生的水合离子纯度高,为水合离子与VOCs的分子离子反应提供可控的反应条件。传输接口部分使用射频四极杆作为离子导向装置,以提高离子传输效率;配合小尺寸飞行时间质量分析器,兼顾仪器的灵敏度与分辨率。质子转移反应的测定原理使该仪器可以分析除少数烷烃外的绝大多数VOCs,同时分析过程不受空气组分的影响。分子离子峰为主的产物离子形式使谱图便于解析,适合高通量分析。测试结果表明,该仪器在m/z 115处全高半峰宽（full width half maximum, FWHM）分辨率优于2 500,对丙酮、苯、甲苯的检出限在6×10^-12~9.6×10^-11 mol/mol之间。将该仪器应用于人体呼吸气的成分分析,取得了良好的结果。     

高灵敏VOCs在线真空紫外单光子电离飞行时间质谱仪的研制

研制了一种高灵敏度在线膜进样真空紫外电离源飞行时间质谱仪（MI-SPI-TOF MS）用于检测低浓度挥发性有机物（VOCs）。仪器包括真空系统、膜进样接口、真空紫外单光子电离源、垂直加速反射式飞行时间质量分析器和数据采集系统等。该仪器使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜作为大气压下直接进样的接口,膜的选择透过性能直接、快速地富集大气中VOCs,可实现快速在线进样检测。真空紫外单光子灯作为电离源,能将电离能低于10.6 eV的VOCs电离,形成分子离子峰。结果表明,该仪器的分辨率优于750 FWHM,对苯、甲苯、二甲苯和氯苯的检测限达10^-12 mol/mol级别,检测速度达秒级,可用于低浓度VOCs的实时在线检测。     

用于低质荷比离子传输的射频四极杆导向装置的研制

离子传输系统是质谱仪的重要组成部分，主要作用是将离子高效率地传输到质量分析器。本工作研制了一种用于质子转移反应飞行时间质谱（PTR-TOF MS）系统的射频四极杆离子导向装置，四极杆长80 mm，杆半径2.6 mm，内切圆半径2.25 mm，该装置可针对性地实现低质荷比挥发性有机化合物（VOCs）离子的聚焦传输。利用SIMION 8.1离子光学模拟平台对装置的运行环境进行仿真，然后在自行搭建的测试平台上对装置的工作条件，如气压、频率和电压幅值进行测试。结果表明，仿真和测试结果具有较好的一致性，装置的工作气压范围较宽，在0.2~0.3 Pa时的传输效率最高；当频率为3~4 MHz，电压幅值（V_p-p）为500 V左右时，对丙酮、甲苯等低质荷比VOCs（相似文献   

小型飞行时间质谱装置的构建

飞行时间质谱仪（TOF MS）在准确度、分辨率、灵敏度、质量上限、分析速度等方面具有优势，在生命科学等领域发挥着重要作用。目前商用飞行时间质谱仪已经比较成熟，但仪器尺寸普遍较大，且价格昂贵，维护困难；而小型仪器则面临分辨率较低等问题。提高小型飞行时间质谱仪的分辨率，降低购置成本和维护成本，对于飞行时间质谱仪的大范围推广有着重要意义。本工作构建了一套分辨率较高的小型飞行时间质谱装置，包括真空系统、离子源、锥孔、引出加速及偏转模块、离子反射镜模块、探测器模块、电路系统等。该仪器主体尺寸较小（0.5 m×0.5 m×0.7 m），飞行管长度仅0.25 m。由于采用了模块化设计思路，各个模块之间独立封装，仪器的维护、升级工作简单易行。该仪器的关键模块采用创新设计，使得在m/z 2 000处分辨率可达4 200。     

质子转移反应-飞行时间质谱仪控制器设计

为了实现对质子转移反应-飞行时间质谱仪的集中控制,满足仪器控制要求,设计了基于ARM内核微控制器STM32F407和实时嵌入式操作系统μC/OS-Ⅲ的质子转移反应-飞行时间质谱仪控制器。控制器通过TCP/IP协议建立与上层应用软件的通信,并采用自定义命令格式实现对高压电源、分子泵、质量流量计、射频电源、进样温度的控制和真空度的测量以及仪器的状态监控等功能。     

大气压离子源真空接口的研制及其在电喷雾电离飞行时间质谱仪上的应用

研制了一种大气压离子源真空接口,并已将其用于自制高分辨率垂直引入式电喷雾电离飞行时间质谱仪.初步研究了该接口的性能,包括射频四极杆、进样片对仪器灵敏度的影响.利用该接口检测了利血平样品.结果表明,接口能有效地提高离子的传输效率,使飞行时间质谱仪达到较高的灵敏度.     

热电离飞行时间质谱仪性能评价

本工作介绍了实验室自制的热电离飞行时间质谱仪（TI-TOF-MS）的基本结构、仪器运行参数和性能特点等。离子源产生的离子在推斥电压作用下进入聚焦透镜,然后进入垂直引入反射式的飞行时间质量分析器,最后到达检测器。信号通过数据采集卡处理后传输给计算机,采用编写的LabVIEW软件采集信号和处理数据。结果表明：仪器可测量的质量范围为m/z 6~320,在m/z 208位置的质量分辨率可达2000,2 h质量稳定性为7.76×10^-5,测量²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb、²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb和²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb同位素比值的精密度分别为0.85%、0.27%和0.55%。该仪器在研究热电离离子源电离行为、同位素比值测定和多原子离子信号监测等方面具有广泛的应用前景。     

激光溅射离子源垂直引入式飞行时间质谱仪的研制

介绍了两台自行研制的激光溅射离子源垂直引入式飞行时间质谱仪(LAI-oa-TOFMS),相比于其他固体样品直接分析法,该仪器具有样品预处理简单、样品更换速度快(数分钟)、可进行微区分析、谱图干扰峰少和绝对灵敏度高(10-15g级)等众多优点。两台质谱仪的最佳质量分辨率分别达到7 000和4 000(FWHM)。重点对比分析了不同样品的电离方式和离子传输系统对仪器性能的影响。     

基于膜进样的紫外光电离飞行时间质谱仪研制及其在工作场所苯系物检测中的应用

近年来,挥发性有机物（VOCs）快速、在线分析的应用需求促进了各类VOCs在线分析质谱仪的发展。本研究自行研制基于膜进样技术的小型紫外光电离飞行时间质谱仪,并阐述设计原理、性能表征及其对工作场所VOCs的检测应用。仪器采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为进样界面,既保证了仪器的真空,又起到富集VOCs并降低检出限的作用。电离源使用发射10.6 eV光子的氪灯作为光源,可电离低于10.6 eV电离能的VOCs,并产生分子离子峰,这一特性便于谱图识别与高通量分析。飞行时间质量分析器采用小型化设计,总长度小于360 mm。结果表明,该仪器在m/z 170处全高半峰宽（FWHM）分辨率为2 000,苯、甲苯、对二甲苯的检出限在5×10^-10~3×10^-9 mol/mol之间。将该仪器用于工作场所中苯系物成分分析,取得了良好的靶向分析结果。     

便携式飞行时间质谱仪在汽车尾气在线检测中的应用

汽车尾气中的挥发性有机物（VOCs）是主要的人为排放污染源之一,排放到大气环境中的VOCs具有很高的反应活性,能够参与臭氧的生成,是形成二次有机气溶胶等污染物的重要前体物质。因此,研制开发适用于现场实时、在线检测VOCs的便携式分析仪器,是现代科学仪器发展的重要方向之一。本工作利用苯系物标准气体对自行研制的便携式膜进样真空紫外灯单光子电离飞行时间质谱仪整机进行性能测试,仪器的质量分辨率优于350,质量精度优于1×10^-4,对苯系物的检测限可达μg/m³级,动态范围优于3个数量级,仪器的总质量小于25 kg。将仪器放置户外对汽车尾气进行现场测试,基于该仪器高时间分辨率的特点,初步研究了汽车尾气排放VOCs的变化趋势与发动机工作状态的相关性。该仪器有望应用于环境应急事故、现场长期监测、化工园区生产工艺过程监控以及无组织排放等领域。     

A homemade high-resolution orthogonal-injection time-of-flight mass spectrometer with a heated capillary inlet

We describe a homemade high-resolution orthogonal-injection time-of-flight (O-TOF) mass spectrometer combing a heated capillary inlet. The O-TOF uses a heated capillary tube combined with a radio-frequency only quadrupole (rf-only quadrupole) as an interface to help the ion transmission from the atmospheric pressure to the low-pressure regions. The principle, configuration of the O-TOF, and the performance of the instrument are introduced in this paper. With electrospray ion source, the performances of the mass resolution, the sensitivity, the mass range, and the mass accuracy are described. We also include our results obtained by coupling atmospheric pressure matrix-assisted laser deporption ionization with this instrument.     

双势阱平面离子阱的设计与模拟研究

双势阱平面离子阱作为离子收集与聚焦装置,2个势阱可分别实现进入离子的收集和约束离子的可控冷却及抛出,相比于单势阱平面离子阱,其对离子的收集与聚焦更加充分。本工作利用SIMION 8.1离子光学模拟软件,研究离子阱工作的4个阶段,即离子收集、离子转移、离子冷却和离子抛出。模拟得到离子阱的工作周期可从1 ms延长至超过10 ms,总离子传输效率为83%,离子通量上限达1.6×10⁶个。此外,充分冷却的离子从离子阱中抛出,具有1.0、1.0 mm的径向直径,24 mrad、16 mrad的角度标准偏差,15 eV的能量标准偏差。双势阱平面离子阱的工作周期、离子通量、抛出离子均满足多次反射飞行时间质量分析器的工作需要,并可与其耦合,为其提供通量高、状态集中的引入离子。     

Secondary Ion Time-Of-Flight Mass Spectrometers and Data Systems

ABSTRACT

Some recent improvements to the Manitoba linear time-of-flight mass spectrometer are reviewed. A new data system gives greatly improved performance. A detector assembly with a small 45° ion mirror and separate detectors for neutral and charged particles has been added. In conjunction with the new data system, it enables measurement of correlations between neutral and charged fragments resulting from unimolecular decay in the flight tube.

A new time-of-flight spectrometer has been constructed. It is a reflecting instrument with a relatively long ion mirror. Resolution and signal/background ratio are much better than in the linear instrument, and correlation measurements can be made with considerably higher accuracy in mass determination than with the small mirror.     

小型磁偏转质谱计研究

基于磁质谱离子光学成像聚焦原理对其离子光学系统、离子源和质量分析器的物理参数及几何结构尺寸进行优化,研制了新型小型磁偏转质谱计,其质量为4.3 kg,体积为（220×164×162） mm³,功耗为25 W。对质谱计的质量范围、灵敏度、分辨能力、最小可检漏率和稳定性等性能指标开展实验研究。结果表明,该质谱计的质量范围为1~134 u,大通道和小通道50%峰高处的分辨能力分别为56和13,对氩气、氮气和氦气的灵敏度分别为1.63×10^-4、1.17×10^-4、2.3×10^-5 A/Pa,最小可检漏率为1.24×10^-10 Pa·m³/s,仪器在3.5 h内的稳定性为2.5%。     

Automated correction of ion trajectories in a time-of-flight mass spectrometer with an axially symmetric electrostatic field

The possibility of controlling the trajectories of ion beams in a time-of-flight mass analyzer with an axially symmetric electric field is considered. It is shown that a double grid installed at the input of the mass analyzer can change the coordinates of ions entering the mass analyzer, thereby leading to an increase in the analyzer transmission efficiency and, as a result, in its sensitivity.     

Some aspects of experimental in-tube evaporation

The heat transfer characteristics of refrigerant-oil mixture for horizontal in-tube evaporator have been investigated experimentally. A smooth copper tube and a micro-fin tube with nominal 9.5 mm outer diameter and 1500 mm length were tested. For the pure refrigerant flow, the dependence of the axial heat transfer coefficient on quality was weak in the smooth tube, but in the micro-fin tube, the coefficients were 3 to 10 times greater as quality increases. Oil addition to pure refrigerant in the smooth tube altered the flow pattern dramatically at low mass fluxes, with a resultant enhancement of the wetting area by vigorous foaming. The heat transfer coefficients of the mixture for low and medium qualities were increased at low mass fluxes. In the micro-fin tube, however, the addition of oil deteriorates the local heat transfer performance for most of the quality range, except for low quality. The micro-fin tube consequently loses its advantage of high heat transfer performance for an oil fraction of 5%. Results are presented as plots of local heat transfer coefficient versus quality.