高灵敏度膜进样VOCs在线检测质谱仪的研制

　　挥发性有机物(VOCs)广泛存在于大气环境中，组成复杂，含量甚微，其中许多物质有致癌、致畸、致突变性，主要来源可分为自然源和人为源，传统的离线检测技术如气相色谱质谱法(GC-MS)[1-5]，虽然检测准确度高、稳定性强，但是采样及样品前处理复杂、检测周期长，满足不了快速、实时、在线的检测需要。而传统的 VOCs 在线检测技术大多依靠光谱技术，在实际应用中都存在一些局限性[6]。实时、在线的质谱检测技术是今后环境监测仪器的重要研究方向。

　　目前应用于现场在线检测的便式携或移动式质谱仪，如美国 Inficon 公司的 HAPSITE 便携气质 联 用 仪[7];德 国 Bruker 公 司 的 MM1 车 载 质 谱仪、MM2 小型车载质谱仪;此外，英国 Kore 公司的MS-200 飞行时间质谱仪，以及美国普度大学研制的Mini10、Mini11 微型式手持质谱仪等都可以实现VOCs 的在线检测。此类仪器一般都采用膜进样技术。膜进样与质谱联用技术，已经广泛应用于各种环境介质(气体、液体、固体)中挥发性有机物的检测，生物、化学反应过程和反应机理研究，以及现场突发事故检测、工业在线检测、环境监测等诸多领域。

　　本工作在搭建垂直加速反射式飞行时间质量分析器的基础上[8-9]，以膜进样系统作为进样接口，并采用真空紫外灯单光子软电离技术，研制了膜进样 VOCs 在线检测质谱仪。其特点为：灵敏度高，能够检测 ppb 级浓度样品;响应快，能够实现环境中VOCs 的快速实时连续检测;能够实现定性、定量检测。

　　1 仪器结构及原理

　　仪器整机示意图见图 1 所示。包括真空系统、膜进样系统、真空紫外灯电离源、垂直加速反射式飞行时间质量分析器、供电及控制系统、数据采集系统等部分。其中供电及控制系统、数据采集系统均由广州禾信分析仪器有限公司研发制造。仪器真空系统，使用一个抽速为 110L/min 的涡旋式干泵(SH110，Varian)作为前级泵，一个抽速为 270L/s 涡轮分子泵(V301，Varian)，确保质量分析器的真空度优于1×10-3Pa。仪器总重量约为 70kg，可实现车载、移动式在线检测。

　　1.1　膜进样系统

　　膜进样系统包括进样气路、排空气路、PDMS 膜(TP，INC. of GEORGIA, USA)、金 属 支 撑 网、聚四氟乙烯垫圈等。膜前部分设置进样气路、排空气路两个气体流通通道，利用微型真空泵(抽速 1L/min)将气体引入到膜表面，VOCs 分子通过膜的吸附、扩散、解吸附的作用渗透进入膜后部分，并由毛细管引入到电离室。采用的 PDMS 膜厚度为 50μm，通过置于膜前、后部分的聚四氟乙烯垫圈加紧固定，并由尺寸匹配的金属支撑网支撑，避免膜因大气压压差而发生形变。经过优化，进样、排空气路直径为1mm，膜 前、后 腔 的 深 度 分 别 为 2mm、4mm，PDMS膜的有效直径为 14mm。