电子轰击源垂直加速式飞行时间质谱仪的研制

　　电子轰击离子源(EI)[1-2]是重要的气相离子源之一,广泛应用于化学、化工、环境、能源、医药等领域。离子源通过发射具有一定能量的电子撞击气相分子实现电离。早在20世纪初,质谱行业的起步阶段电子轰击离子源就成为了经典的电离方法,现在它依旧是分析中、弱极性有机成分的重要技术,分析物的质量上限达到1 000 u。人们对EI源电离过程中的物理化学变化已经有充分的认知,在特定条件下,还有标准质谱图库帮助解谱。飞行时间质谱仪(TOFMS)以微秒级的快速检测速度、高离子传输率、高灵敏度和精度,以及理论上无质量检测上限等众多优点,广泛应用于气相色谱-质谱联用仪、液相色谱-质谱联用仪中,在环境分析、工业检测、生物领域都有着不可替代的作用,特别是TOFMS高分辨和高精度的特点,将为气体成分快速定性监测提供重要手段,而作为快速气相色谱需要的快速检测器也只有TOF MS能达到要求。

　　我国对EI和TOF MS的研究都还比较缺乏,目前仅有少数几家单位从事相关研究工作,其中北京市东西电子技术研究所在2007年推出了我国第一台商品色质联用仪。根据EI的基本原理,本实验室采用钨铼合金灯丝作为电子发射阴极,研制了结构紧凑的电子轰击源。结合本实验室对高分辨TOF MS[3-4]的成功研发经验,研制了国内首台电子轰击离子源垂直引入飞行时间质谱仪[5-6],其分辨率优于2 000(full width athalf maximum, FWHM),质量精度优于4×10-5,仪器的外部尺寸为660 mm×450 mm×405 mm。

　　1　仪器结构

　　仪器的整体结构示于图1,其结构可分为气体进样口、电子轰击源、飞行时间质量分析器三部分。仪器采用差动抽真空系统,分子泵使用德国Peffier公司(TMH261)双连泵,确保离子源处真空度优于5×10-4Pa,质量分析器的真空度优于1×10^-4Pa。

　　1.1　气体进样口

　　仪器接口设计采用内径50μm,长30 cm的熔融石英毛细管(美国Upchurch Scientific公司产品)将空气样品直接引入到离子源电离区域中。毛细管参数的选择与分子泵的抽速相协调,保证离子源区域的真空度要求。

　　1.2　离子源结构

　　本实验室研制的紧凑型电子轰击源结构示于图2,其结构由灯丝、电子接收阱、引出电极、聚焦电极、传输电极组成。灯丝采用WRe20合金材料,比纯钨具有更好的韧性,直径为0.2mm,有效长度10 mm。当通电受热的灯丝温度达到1 500 K时,在电场的作用下电子会从钨铼合金材料的表面逃逸出来,并被加速,最后被电子接收阱收集,最大电子发射电流可达1 mA。在实验中只需要几十到几百微安的发射电流即可得到足够的离子流。电子所获得的能量是由灯丝与电子接收阱间的相对电压值决定,能量在10~70 eV之间,可调。灯丝的加热电压由发射电流反馈电路控制,这可以保证发射电流在几百微安时的稳定性超过1μA。引出电极和聚焦电极是厚度1.5 mm的不锈钢圆片,中间开直径分别为4.5 mm和1.5 mm的圆孔,形成离子透镜。电极圆孔的大小和间距直接影响到离子源的灵敏度[7],通过simion软件模拟确定电极间距为3 mm。为了减小离子在离子源中的停留时间,避免多余的分子-离子反应,采用连续引出的方式。传输电极由四片圆周均布的直流四极杆(DCQ)组成,对离子起到空间导向作用,提高灵敏度。离子在传输电极的作用下垂直进入质量分析器。