便攜式氣相色譜—質譜聯用儀的研制及應用

摘要：

目的：研制便攜式氣相色譜-質譜聯用儀并驗證其應用。方法：將低熱容氣相色譜技術與雙曲面三維離子阱質譜技術相結合，研制出了便攜式氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）。本儀器主要由低熱容氣相色譜模塊、小型化離子阱質譜模塊、進樣系統以及氣質接口組成，體積參數為44cm×36cm×22cm，主機的質量在14kg以內，功耗在100W以內。此儀器中離子阱質譜儀系統具的測量范圍是15～550amu，質量分辨率在全質量范圍內優于0.5amu（FWHM），掃描速率最高可達10000amu/s，另外此次研制的系統還具有三級質譜分析功能。關于應用方面的驗證方法是采用此便攜式氣相色譜-質譜聯用儀分別測試環境標準樣品EPA 624和EPA TO-14。結果：應用此儀器檢測出了環境樣品EPA 624和EPA TO-14中的總離子流圖。結論：此儀器具有分析速度快、定性能力強、功耗小、檢測靈敏度高以及便攜性能優等特點，可現場分析和檢測固態廢棄物、水體、空氣中的有毒有害物質。

關鍵詞：便攜式；氣相色譜-質譜聯用儀；研制；應用

【中圖分類號】

R453 【文獻標識碼】B 【文章編號】1002-3763（2014）06-0076-01

近年來突發性環境污染事故不斷發生，像松花江化工原料泄漏等事故都對社會穩定和公眾健康造成了極其惡劣影響，為了提高我國在環境和安全領域的應急監測裝備水平和檢測的能力，改變長期依賴外國進口儀器的不利現狀，本文特別介紹了色譜分離、質量分析器、串聯質譜技術、樣品前處理、離子源等關鍵環節的設計，突破了長期以來的技術難題，完成了便攜式氣相色譜-質譜聯用儀的研制，并檢驗其應用。

1 實驗部分

1.1 儀器系統設計：

便攜式氣相色譜-質譜聯用儀體積參數為44cm×36cm×22cm，主機的質量在14kg以內，功耗在100W以內。在現場分析的時候，附件箱里面有可支持儀器工作12h以上的壓氦氣瓶和一塊續航能力超過2h的可充電的鋰電池，可以提供載氣和電源，其中質量在3kg以內。因為儀器有LCD觸摸屏和內置工控機系統，所以不需要額外的計算機就可以實現數據處理和樣品分析等所有的功能。便攜式氣相色譜-質譜聯用儀的數據處理系統具備背景扣除、重疊峰解卷積、譜峰識別等功能，能對多組分的被測物質進行準確定性和定量分析。

1.2 離子阱質譜模塊：

離子阱質譜模塊中以經典的雙曲面三維離子阱作為質量分析器。為了降低儀器的功耗，離子阱的幾何尺寸只有常規離子阱的二分之一，從而減小射頻電壓的幅度，進而可以達到降低功耗的目標。同時，為了提高離子阱的分析性能，在離子阱的兩個端蓋電極之間添加了適當比例的正八級場成分，并且兩個端蓋電極之間的距離拉伸了百分之十一，這樣可以有效的補償由于電極切割和端蓋電極開孔帶來的電場畸變。離子阱在高于1.2MHz的射頻電壓下可以正常工作，更高的射頻電壓頻率可提高離子阱的存儲效率和質量分辨率。離子阱的電極在表面都經過了惰性化處理，采用不銹鋼工藝加工而成，可以降低噪聲，并且提高自身的抗污染能力。

1.3 氣相色譜模塊：

氣相色譜模塊在對樣品進行分離時使用了可實現七階八段程序控制升溫的LTM色譜柱（25m×0.32mm×1.0μm），最大的升溫速率可以達到100℃/min，最高的溫度可以達到250℃。同時為了讓此色譜系統在恒流控制模式和恒壓控制模式下都可以正常工作，氣相色譜模塊中的高精度電子流量/壓力控制模塊都是自主設計的。本儀器可以檢測和分析樣品的主要原因是采用了膜分離技術的氣質接口。這樣可以保證氣相色譜系統分離后的樣品更加高效的進入質譜儀，同時可以維持儀器測試所需要的真空條件。

2 結果與討論

可以使用PFTBA測試這個儀器的多級質譜分析性能，實驗方法如下：在質量隔離窗口為3amu的條件下，通過質量隔離得到m/z502的離子的質譜峰；為了得到二級質譜圖，也就是子離子的質譜峰，可以對隔離后的離子進行碰撞誘導解離（CID）；用同樣的的方法對二級質譜分析中產生的m/z264的子離子進行隔離和CID，就得到了三級質譜圖；以此類推，在理論上可以得到四級及以上的多級質譜分析。

3 應用檢測

3.1 環境空氣監測：

便攜式氣相色譜-質譜聯用儀的吸附熱解吸裝置可以對空氣中的微量及痕量VOCs進行有效的捕捉，檢測的量級可以達到十的負九次方，對部分物質更是達到了驚人的十的負十次方。此儀器可以實現幾乎所有化合物的檢測，但是對氯甲烷還不可以進行檢測。

3.2 水中VOC監測：

吹掃/捕集技術對樣品需求量少，并且此技術的富集倍率高，當便攜式氣相色譜-質譜聯用儀和此技術結合使用的時候就可以對水中的痕量VOCs進行準確定性和定量分析。便攜式氣相色譜-質譜聯用儀可以利用自身的便攜式吹掃捕集儀進行被污染水體中的揮發性有機物的檢測。實驗中的吹掃氣為氦氣，吹掃時間為10min，吹掃速率為40mL/min，被測樣品為EPA 624混合標樣的水溶液（濃度：體積：20mL，50μg/L）。實驗結果表明，便攜式氣相色譜-質譜聯用儀可對水中揮發性有機物進行快速分析和鑒定。

4 結論

便攜式氣相色譜-質譜聯用儀具有分析速度快、定性能力強、功耗小、檢測靈敏度高以及便攜性能優等特點，滿足了應急監測的準確、快速、靈敏的要求，可現場分析和檢測固態廢棄物、水體、空氣中的有毒有害物質。

參考文獻

[1] 李曉旭，劉立鵬，馬喬等.便攜式氣相色譜-質譜聯用儀的研制及應用[J].分析化學，2011，39（10）：1476-1481.

[2] 吳婧.基于單光子電離飛行時間質譜的樣品前處理技術研究及其在揮發性有機污染物塊速檢測中的應用[D].鄭州大學，2011.

[3] 鄭毅，劉立鵬，馬喬等.便攜式氣相色譜-質譜聯用分析儀的研制及應用[J].現代科學儀器，2011，（6）：171-172.