四极质谱用于内燃机排气分析检测的研究

　　引言

　　随着排放法规的日趋严格,探讨变工况的排放状况以便进一步降低内燃机的排气污染已成为国内外内燃机界感兴趣的课题。采用传统的NDIR、CLD、色谱法等测试方法不能对内燃机排气成分进行动态测试,FID则只能测试总碳氢,而质谱法相对以上方法有如下几个优点:分析对象范围广泛;灵敏度高;效率高、分析速度快;分辨本领高;所需的样品极少等特点。本文介绍的方法就是利用四极质谱对发动机的废气成分进行动态研究。四极质谱具有较高的离子传输率,对离子初始能量的分散要求不高,分析速度较快,而且四极场是纯电场,较为轻巧,非常适用于发动机废气检测。

　　1　动态测试原理

　　1.1　四极质谱基本原理和特点

　　质谱是按照物质的质量与电荷的比值(质荷比)顺序排列成的图谱。质谱仪器则是利用电磁学原理使离子按照质荷比进行分离,从而测定物质的质量与含量的科学仪器。四极质谱又称四极滤质器。仪器由4个柱形电极组成,对角电极相连接,从而构成2组,其结构如图1所示。四极质谱的工作原理如下:在两对电极上分别加上直流电压U和高频电压Vcos (ωt)(V为高频电压幅值;ω为高频电压角频率;t为时间),在电极包围的空间产生双曲型电场四极磁场。该复合场可使离子围绕其传播中心轴振动,并只使具有一定质荷比的离子才能通过阵列,而不致因其与某根极棒碰撞而被除去。

　　四极质谱的谱图是利用电扫描获得的。在直流-高频四极场中含有3个参变量U、V、ω,只要给定其中2个参变量并同时保持U/V比值不变,则质量M便会单值地取决于第3个参数,改变这个参数就可以扫描质谱。

　　1.2　主要性能参数

　　1.2.1　分辨率

　　分辨率又称分辨本领,它是用以表征质谱系统对离子束分离和成像总效果的参数,是质谱仪器最重要的总体指标之一,一般定义为

　　式中:R为分辨率;m为被测离子的质量;Δm为在质量m附近能够分辨的最小质量差。

　　四极质谱的分辨率m/Δm和传输率T与仪器的电参数选择有关。在低分辨率的条件下,进入四极场的某一质荷比的离子能够全部到达检测器(即传输率T为100%),且与分辨率无关,质谱峰为平顶的梯形。在高分辨率的情况下,传输率随分辨率的提高而急剧下降,质谱峰为三角形。

　　1.2.2　灵敏度

　　灵敏度是描述质谱仪器对样品的检测能力,表征仪器的电离效率、传输效率、检测效率以及本底噪声等状况的综合技术指标。本文所采用的四极质谱可以达到10-5。

　　2　总体设计

　　测试系统主要由进样装置、质谱仪、前置放大器、数据采集及处理系统构成,系统流程如图2所示。其中,进样系统将样气导入,并保持恒温、恒流;质谱系统将气体进行分离;前置放大器使质谱信号放大;高速数据采集系统主要完成对数据进行采集、加和、平均和压缩等功能。