污染对四极质谱计性能的影响

　　一、引　　言

　　四极质谱计(QMS)已得到了广泛应用^[1],人们也认识到质谱管污染对性能的严重影响,如灵敏度和分辨能力下降,峰形畸变,峰高稳定性、重复性差等,但缺少对污染及其影响的分析研究。由于污染影响的复杂性,本文主要就离子源和极杆的污染在简化假设下进行了分析研究。希望本文在克服和减轻污染影响,进一步提高四极质谱计性能方面有所帮助。

　　二、QMS工作原理及表面污染层产生的基本过程

　　图1a为普通工作模式QMS工作原理图^[1]。在离子源栅网中由电子轰击形成的离子在静电场作用下会聚并通过出口孔进入在均匀分布四极杆相邻二组电极上分别加±Φ=±(U+Vcosωt)电压形成的四极场。根据离子运动方程可得出离子在四极场中运动的稳定图(图1b)。在一般情况下只有X、Y二个方向都稳定的离子能通过四极杆到达收集极,其余非稳定离子都不能通过四极杆。当直交比U/V保持常数并满足0

　　QMS性能主要取决于四极场的精度和稳定度。由于暴露于真空的电极表面总会不断吸附来自残气和样品的各种中性的和带电的粒子,吸附时间取决于粒子种类和电极温度,因此许多高质量数粒子如各种油类有机化合物以及某些高质量数的分析样品的分子及其碎片,可长期沉积在极杆表面形成污染层。一般污染层导电性很差,在后续带电粒子作用下很易因表面荷电而改变电场分布,使离子轨迹紊乱质谱性能恶化。在有油真空系统中扩散泵油(特别是硅油)产生的污染层导电性最差,目前在质谱分析真空系统中大都使用裂解产物的挥发性和导电性较好的聚苯醚作泵油或采用无油系统,但是由分析样品本身产生的污染仍是不可避免。

　　三、离子源污染对性能的影响

　　图2为国产SZ-200型QMS离子源的离子引出电流Ii与离子能量UE的关系曲线,曲线1为无污染情况。栅网内大部分离子在电场作用下会聚并通过出口孔,部分离子也会碰撞并粘附在出口孔电极表面,长期工作后逐步形成污染层。该污染层同时受到电子流和离子流的撞击,由于电子流比离子流要大得多而使出口孔电极带负表面电荷,离子易趋向出口孔四周运动使灵敏度下降。同时在栅丝表面也会产生沉积物,因累积电子使栅网内空间电位下降,这更进一步降低了灵敏度。曲线2为严重污染后情况。

　　当前商品QMS的离子源结构形式很多,在应用中都有逐步形成沉积层的过程,污染效应不可避免。选择和评价离子源的主要依据是有高的离子引出灵敏度和选择适中的电子发射电流。对污染离子源可以通过在有机溶剂中浸泡、对出口孔擦洗烘干、在真空中对栅网电子轰击加热等方法处理。采取以上步骤后离子源性能可得到明显恢复如曲线3所示。