侯炳江++劉超

摘 要：本文基于新型離子源四極桿質(zhì)譜儀負(fù)離子檢測(cè)模式研發(fā)的便攜式水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)質(zhì)譜儀，提高了小型四極桿質(zhì)譜儀對(duì)對(duì)江、河、湖、泊水質(zhì)及空氣質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)能力。本文以國(guó)內(nèi)外最新研發(fā)成果為基礎(chǔ)，建立了小分子有機(jī)物的高靈敏度檢測(cè)方法，開發(fā)了應(yīng)用于水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的新型便攜式在線質(zhì)譜分析儀器。

關(guān)鍵詞：便攜式質(zhì)譜儀 水質(zhì)污染物監(jiān)控 研發(fā)

中圖分類號(hào)：O657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（b）-0076-02

質(zhì)譜儀是一類將物質(zhì)粒子（原子、分子）電離成離子，并通過適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定或變化的電磁場(chǎng)將他們按空間位置、時(shí)間先后等實(shí)現(xiàn)質(zhì)荷比分離，并檢測(cè)其強(qiáng)度進(jìn)行定性、定量分析的分析儀器。近年來，隨著質(zhì)譜技術(shù)的快速發(fā)展，質(zhì)譜分析以及靈敏度高，樣品需求小等，分析速度快等優(yōu)點(diǎn)在水質(zhì)污染物監(jiān)控中應(yīng)用越來越廣。

目前，應(yīng)用廣泛的大多為臺(tái)式大型質(zhì)譜分析儀器。但由于臺(tái)式質(zhì)譜儀的體積大、耗能高、價(jià)格昂貴，使質(zhì)譜儀器的應(yīng)用多僅局限于大型實(shí)驗(yàn)室，不僅限制了質(zhì)譜儀器的普及，也不便于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)與分析。作為現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)手段，便攜式質(zhì)普分析儀器具有儀器成本低、樣品用量少、靈敏度高、測(cè)量速度快等特點(diǎn)，它可以快速給出待測(cè)水質(zhì)中小分子污染物質(zhì)的種類與濃度，有利于水利管理部門提高應(yīng)急反應(yīng)的速率和對(duì)突發(fā)事件有效處置。因此，研究開發(fā)針對(duì)水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的便攜的小型質(zhì)譜儀，對(duì)樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地分析和檢測(cè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文提出通過氣體放電離子化的方式實(shí)現(xiàn)小型四極桿質(zhì)譜儀的負(fù)離子模式檢測(cè)，提高小型四極桿質(zhì)譜儀對(duì)水體污染物、爆炸物、農(nóng)藥殘留、化學(xué)武器制劑等重要檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)。

1 便攜式水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)質(zhì)譜儀設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械部分

機(jī)械部分主要包括真空腔體和真空獲取系統(tǒng)。如圖1所示。

四極桿質(zhì)譜對(duì)真空度的要求通常在1.0 E-4～1.0E-5 Torr之間，真空獲取系統(tǒng)通常由兩級(jí)真空泵組成，即前級(jí)泵——機(jī)械泵和后級(jí)泵——渦輪分子泵。樣機(jī)前級(jí)泵采用BOC EDWARDS RV3機(jī)械泵，抽速3.7 m3/h，后級(jí)真空采用PFEIFFER小型渦輪分子泵TMH71P，抽速抽速70 L/s?？梢垣@得較小的體積和較低的功率消耗。

真空檢測(cè)使用MKS Micropirani 925C，檢測(cè)范圍1.0E-5Torr到大氣壓，帶一組繼電器輸出，用于真空保護(hù)，保護(hù)電子倍增器和離子源燈絲等。

機(jī)械設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分包括EI離子源、小型真空插頭。特別是離子源，它將氣體分子轉(zhuǎn)換成離子效率的高低，直接關(guān)系整臺(tái)儀器的靈敏度。圖2為便攜式質(zhì)譜儀EI源設(shè)計(jì)圖。

1.2 質(zhì)譜電子系統(tǒng)：射頻電源

頻率1 MHz左右，峰峰值 4KV的四極桿射頻電源結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

射頻信號(hào)源與控制信號(hào)幅度進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)通過差分放大完成信號(hào)雙端到單端的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過放大器放大，將小信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)過中間級(jí)放大電路放大后的信號(hào)幅度達(dá)到10 Vp-p，輸出電流幾十個(gè)毫安到幾百個(gè)毫安，然后這個(gè)信號(hào)直接作為功率放大電路的輸入信號(hào)。已經(jīng)開發(fā)出的測(cè)控系統(tǒng)適合應(yīng)用在四極桿和四極桿兩種質(zhì)譜儀器。主要技術(shù)指標(biāo)包括：系統(tǒng)控制使用100 Mbps以太網(wǎng)控制接口，系統(tǒng)控制板使用32位嵌入式系統(tǒng)，48路12位100 kHzADC，16路12位60 kHzDAC，1路12位50 MHzDAC，6路TTL電平數(shù)字輸出，16路TTL電平數(shù)字輸入，1路1 MHz16位ADC模塊，1路16位200 kHzDAC輸出，1路16位50 MHzDAC（帶2.5 MHz截至頻率濾波器）。

1.3 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，首先通過劃分模塊，使用PC104總線技術(shù)將各個(gè)模塊連接在一起，用計(jì)算機(jī)主板技術(shù)進(jìn)行控制，并編寫嵌入式控制軟件控制儀器，與計(jì)算機(jī)通信。然后，在模塊化的測(cè)控系統(tǒng)在指標(biāo)和儀器控制上能夠達(dá)到目標(biāo)后，將測(cè)控功能合并到一起，研制出一體化的測(cè)控系統(tǒng)，更適合于小型化的儀器。

1.4 四極桿質(zhì)譜軟件系統(tǒng)

射頻頻率可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以精確到1 Hz。掃描時(shí)序可以通過添加、刪除、插入等任意配置四極桿的掃描段，可以設(shè)定射頻電壓的掃描幅度、經(jīng)歷的時(shí)間、同步DA的大小以及何時(shí)同步、AC的大小和頻率等等。提供燈絲70 eV能量，發(fā)射電流的控制，倍增器高壓的控制，離子源溫度的控制，以及各路電子透鏡的控制等，多路DA控制。配置DA調(diào)節(jié)順序、調(diào)節(jié)范圍與調(diào)節(jié)的精度，完成自動(dòng)調(diào)節(jié)，然后根據(jù)調(diào)節(jié)的結(jié)果——峰高的大小確定最佳的電壓值組合，從而完成電子透鏡的設(shè)置。提供數(shù)字輸入輸出，可以完成對(duì)分子泵開啟與停止的控制，離子源燈絲的通斷的控制以及倍增器和打拿極高壓打開與關(guān)閉的控制，離子源加熱開始與結(jié)束的控制等等。通過對(duì)標(biāo)志峰進(jìn)行識(shí)別，從而建立射頻電壓幅度與質(zhì)量數(shù)之間的關(guān)系式，完成對(duì)譜峰的識(shí)別。

2 結(jié)論

目前，在線小型在線四極桿質(zhì)譜儀的檢測(cè)方法研究還未見報(bào)道，本文基于對(duì)放電離子化的小型四極桿質(zhì)譜負(fù)離子模式檢測(cè)研究，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)小分子有機(jī)物污染物在線檢測(cè)的技術(shù)創(chuàng)新，成功設(shè)計(jì)出便攜式污染物現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)質(zhì)譜儀。本裝置可對(duì)樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地分析和檢測(cè)，不僅有利于質(zhì)譜儀器的普及，也是在線檢測(cè)技術(shù)的一項(xiàng)重大創(chuàng)新。

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