质谱仪在内燃机排气成分动态检测中的应用

　　前言

　　为了适应更为严格的排放标准,国外工业发达国家已在研究废气的动态测试方法[1,2]。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虽然可以进行动态测试,但只能测试总碳氢成分,因此,需要找到一种可以对内燃机废气的全组分进行动态检测的方法。质谱法相对以上方法有如下优点:分析对象范围广泛,灵敏度高,效率高,分析速度快,分辨能力强,所需的样品极少。作者利用四极质谱仪和飞行时间质谱仪对发动机废气成分进行了动态研究。

　　1　动态测试原理及性能参数

　　质谱谱图是按照物质的质量与电荷的比值(质荷比m/z,mass-charge ratio)顺序排列成的图谱。质谱仪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。四极质谱仪和飞行时间质谱仪是动态质谱仪器,即采用了随时间而变化的电磁场实现质量分离[3]。

　　1.1　质谱仪基本原理

　　四极质谱仪又称四极滤质器[4]。仪器由4根截面为双曲线或圆形的棒状电极组成,两组电极间施加一定的直流电压和频率为射频范围的交流电压,其结构见图1。四极质谱仪的工作原理:当离子束进入筒形电极所包围的空间后,离子作横向摆动,在一定的直流电压、交流电压和频率,以及一定的尺寸条件下,只有某一种(或一定范围)质荷比的离子能够到达收集器并发出信号(这些离子称共振离子),其他离子在运动过程中撞击在筒形电极上而被“过滤”掉,最后被真空泵抽走(称为非共振离子)。

　　四极质谱仪的谱图是靠电扫描获得的。使交流电压的频率不变而连续地改变直流和交流电压的大小(但保持比例不变),就可使不同质荷比的离子依次到达检测器而得到质谱图。飞行时间质谱仪是现有的静态、动态质谱仪器中原理最简单、而分析速度最快的仪器[5],其原理详细介绍参见文献[6]。

　　1.2　质谱仪主要性能参数

　　质谱仪的性能参数主要有分辨率、灵敏度和扫描速度等。分辨率参见文献[6],其中有详细的分析。灵敏度:它是描述质谱仪器对样品的检测能力,

　　是仪器的电离效率、传输效率、检测效率以及本底噪声等状况的综合技术指标。因使用场合不同,灵敏度有不同的提法。一般认为,灵敏度是指仪器区别具有微小差异浓度分析能力的度量。扫描速度:对于四极质谱仪而言,它是通过连续改变四极场电压实现质量扫描的。所谓扫描速度是指得到某个范围的质谱所需要的时间。四极质谱仪以扫描全程所用的时间表示扫描速度。

　　2　测试系统构成