基于叠型场线性离子阱的便携式质谱仪研制与应用

　　质谱小型化和便携式是当今质谱领域关注的热点。仪器的小型化和便携式是各种在线分析和现场快速检测应用的重要主题,这些应用包括环境分析、过程监控、化学和生物武器探测,以及突发应急事件的快速响应等。

　　质谱小型化已经取得了许多突破性的进展。Johns Hopkins应用物理实验室于2005年设计了一个带有4个并行飞行时间质量分析器的小型TOF质谱系统[1];同年,Jet Propulsion实验室设计了一个基于全尺寸Paul离子阱的小型质谱仪[2]。在2006年匹兹堡会议上,同时出现了3种小型质谱仪,它们是Syms及合作者共同搭建的采用MEMS技术的四极杆小型质谱仪;Griffin Analytical Technologies展出的基于柱型离子阱(CIT)的GCAT 600手持式质谱仪;以及美国普度大学展出的基于矩型线性离子阱(RIT)[3]的Mini 10[4]。此外,Lauritsen开发了一个重12 kg的,基于Ferran微型四极杆阵列[5]的小型膜进样质谱仪[6]。2007年匹兹堡会议上展出了重11 kg的,基于环型离子阱[7]的商业小型质谱仪[8]。2008年,美国普渡大学报道了其最新的Mini 11[9]。

　　本工作将介绍一种基于叠型场线性离子阱[10]的便携式质谱仪,装载了介质阻挡放电离子(DBDI)源[11]作为大气压离子源,可以检测气体、固体和液体,而不需要复杂的前处理,可以实现快速的在线检测。仪器整机重10 kg,功耗低于100 W,长33 cm、宽20 cm、高20 cm。

　　1　仪器的结构

　　仪器系统内部结构示于图1。除了将介质阻挡放电离子源作为大气压离子源外,在腔体内部装载了辉光放电电子轰击电离源(GDEI)[12]作为内离子源,主要用于挥发性有机气体的在线检测。

　　质量分析器采用叠型场线性离子阱A。样品电离有两种方式:一种是离子阱内电子轰击电离,电子由辉光放电电子轰击电离源(GDEI)B产生;另一种是大气压下直接电离,通过非连续大气压接口(DAPI)[13]D直接引入离子阱A内部。大气压下的电离采用DBDI源,此外,还可以采用ESI、DESI、LTP、APCI、APPI等各种大气压离子源。真空系统采用涡轮分子泵(TPD011, Pfeiffer)和隔膜泵(N84. 3ANDC,KNF)组合的方式。

　　系统采用膜进样和大气压进样两种方式。在膜进样方式下,质谱真空腔内的气压始终保持在1.33×10-2~1.33×10-3Pa之间;而在大气压进样方式下,当DAPI接口打开的瞬间,真空迅速降低到13.3 Pa附近,20 ms后关闭,然后真空在几百个毫秒内恢复到1.33×10-3Pa附近,此时,打开倍增器高压进行信号检测,随后再关闭倍增器高压,从而避免因为DAPI接口打开的瞬间而造成倍增器的损坏。

　　膜进样方式是气态样品通过PDMS半透膜渗透的方式进样。在真空腔体内部,连接进气口E和出气口F的是一段PDMS半透膜。为了能够较好的进样,需要用一微型气泵(VM8001,成都气海)在F处进行抽气,形成一定的气流,从而将E附近的气体吸入气体管中,气体在经过PDMS膜时,其中一部分挥发性气体渗透进入真空腔内部,实现气体直接进样。当采用PDMS膜进行时,内部的GDEI作为电离源,GDEI源结构示于图2。放电气体为空气,用一根内径50μm,长60 cm的毛细管引入GD室,阴极上加-500 V左右的直流电压,电子通过阳极上0.1mm小孔引入离子阱内,实现阱内电离。大气压进样是根据DAPI的时序控制[13]来实现的。为了保护倍增器和延长其使用寿命,选择了能够在低气压(0.133 Pa)下工作的电子倍增器(5903 Magnum,Burle)。