小型十六极阵列质谱计的研究现状及前景

　　1　概述

　　四极质谱计是一种用于化学分析、环境监测和残余气体成份分析的常用仪器之一,也是宇宙探索的最常用仪器之一,常用于宇宙飞船和空间站舱内大气污染物质的监测、宇宙星体大气物理学研究、行星表面研究和地质老化研究等,而且最近几年它在宇宙探索和航天领域的应用呈现出增长的趋势[1,2]。

　　四极质谱计采用的是鲍尔(Paul)和其同事在1953年提出的质量选择原理[3],由于它利用四极杆代替笨重的电磁铁,而使其体积减小、质量减轻、成本降低,加上具有较高的灵敏度和较好的分辨率,因而成为近年来发展较快的质谱仪器[4]。在四极质谱计的发展过程中,出现了单极质谱计和十六极阵列质谱计(Quadrupole Mass Spectrometer Array)。单极质谱计的研究起源于1963年,它用直角型电极或V型电极代替四极质谱计的四极杆电极,具有结构简单、功耗小的特点,适合于航天应用。我所从70年代开始研制单极质谱计,80年代完成桌面实验,其综合性能指标达到国际先进水平,并可用于精确定量分析,现已装备我国潜艇进行应用[5]。

　　十六极阵列质谱计是用十六根电极按4×4阵列排列形成九个四极滤质器进行工作的。它由美国人Robert J. Ferran在二十世纪九十年代初期研制成功,1993年提出美国专利申请并于1995年获得批准[6],1996年他和S. Bumsellek发表与此相关的文献[7]。1997年,美国人O. J. Orient等人发表了他们研制的另一种十六极阵列质谱计的相关文章[1]。十六极阵列质谱计的综合性能指标与四极质谱计持平,甚至在某些方面优于后者,并且具有体积更小、质量更轻功耗低等特点,而这些正好满足空间飞行所需仪器体积越小越好、质量越轻越好、功耗越低越好的特点,因此决定它在航天技术领域具有很高的应用价值,亦可作成便携式仪器,用于过程监测和和野外环境监测。

　　2　工作原理

　　十六极阵列质谱计由进样系统(Inlet system)、离子源(Ion source)、质量分析场(Massanalyzer)、离子检测器(Detector)和真空系统(Vacuum system)五大部分组成,此文主要讨论质谱计的分析场工作原理。

　　2.1　十六极滤质器原理

　　十六极阵列质谱计是基于四极质谱计的工作原理发展而来的,其滤质原理与四极滤质原理相同。十六极滤质器由十六根电极按4(4阵列排列形成九个四极滤质器而构成,十六根电极按八个一组分成两组,一组电极上施加+(u+νcosωt)的射频电压,另一组电极上施加-(u+νcosωt)的射频电压,而且相邻电极上施加的射频电压极性相反,相对电极上施加的射频电压极性相同,如图1。

　　2.2　十六极阵列质谱计性能分析

　　四极质谱计的灵敏度与分析场离子入口面积成正比。如果分析场尺寸缩小k倍,则体积缩小k3倍,实心体积的质量的缩小量小于k3倍,与灵敏度相关的入口面积减少k2倍,使得质谱计灵敏度降低。为维持质谱计灵敏度,就必须补偿损失的入口面积,而十六极阵列质谱计采用将四极杆安装成平行的k×k阵列的方法,这样k-2(损失的)×k2(阵列的)=1,使灵敏度得到恢复,同时体积和质量大致降低k倍。另外,由于每个电极产生的电场可以被与其相邻的电极利用,这就更有效地利用供给电极的电源功率,从而节省电能。因此,十六极阵列形成的九个四极场的功耗不是增加到九倍,而是4.5倍,所以明显地节省电源功耗。由此可知,十六极阵列质谱计具有体积小、重量轻、功耗小的特点。同时,四极分析场可分离的最大离子质量M_max为: