便携式气相色谱―质谱联用仪的研制及应用

　　近年来突发性环境污染事故不断发生，像松花江化工原料泄漏等事故都对社会稳定和公众健康造成了极其恶劣影响，为了提高我国在环境和安全领域的应急监测装备水平和检测的能力，改变长期依赖外国进口仪器的不利现状，本文特别介绍了色谱分离、质量分析器、串联质谱技术、样品前处理、离子源等关键环节的设计，突破了长期以来的技术难题，完成了便携式气相色谱-质谱联用仪的研制，并检验其应用。 
　　1 实验部分 
　　1.1 仪器系统设计： 
　　便携式气相色谱-质谱联用仪体积参数为44cm×36cm×22cm，主机的质量在14kg以内，功耗在100W以内。在现场分析的时候，附件箱里面有可支持仪器工作12h以上的压氦气瓶和一块续航能力超过2h的可充电的锂电池，可以提供载气和电源，其中质量在3kg以内。因为仪器有LCD触摸屏和内置工控机系统，所以不需要额外的计算机就可以实现数据处理和样品分析等所有的功能。便携式气相色谱-质谱联用仪的数据处理系统具备背景扣除、重叠峰解卷积、谱峰识别等功能，能对多组分的被测物质进行准确定性和定量分析。 
　　1.2 离子阱质谱模块： 
　　离子阱质谱模块中以经典的双曲面三维离子阱作为质量分析器。为了降低仪器的功耗，离子阱的几何尺寸只有常规离子阱的二分之一，从而减小射频电压的幅度，进而可以达到降低功耗的目标。同时，为了提高离子阱的分析性能，在离子阱的两个端盖电极之间添加了适当比例的正八级场成分，并且两个端盖电极之间的距离拉伸了百分之十一，这样可以有效的补偿由于电极切割和端盖电极开孔带来的电场畸变。离子阱在高于1.2MHz的射频电压下可以正常工作，更高的射频电压频率可提高离子阱的存储效率和质量分辨率。离子阱的电极在表面都经过了惰性化处理，采用不锈钢工艺加工而成，可以降低噪声，并且提高自身的抗污染能力。 
　　1.3 气相色谱模块： 
　　气相色谱模块在对样品进行分离时使用了可实现七阶八段程序控制升温的LTM色谱柱（25m×0.32mm×1.0μm），最大的升温速率可以达到100℃/min，最高的温度可以达到250℃。同时为了让此色谱系统在恒流控制模式和恒压控制模式下都可以正常工作，气相色谱模块中的高精度电子流量/压力控制模块都是自主设计的。本仪器可以检测和分析样品的主要原因是采用了膜分离技术的气质接口。这样可以保证气相色谱系统分离后的样品更加高效的进入质谱仪，同时可以维持仪器测试所需要的真空条件。 
　　2 结果与讨论 
　　可以使用PFTBA测试这个仪器的多级质谱分析性能，实验方法如下：在质量隔离窗口为3amu的条件下，通过质量隔离得到m/z502的离子的质谱峰；为了得到二级质谱图，也就是子离子的质谱峰，可以对隔离后的离子进行碰撞诱导解离（CID）；用同样的的方法对二级质谱分析中产生的m/z264的子离子进行隔离和CID，就得到了三级质谱图；以此类推，在理论上可以得到四级及以上的多级质谱分析。 
　　3 应用检测 
　　3.1 环境空气监测： 
　　便携式气相色谱-质谱联用仪的吸附热解吸装置可以对空气中的微量及痕量VOCs进行有效的捕捉，检测的量级可以达到十的负九次方，对部分物质更是达到了惊人的十的负十次方。此仪器可以实现几乎所有化合物的检测，但是对氯甲烷还不可以进行检测。 
　　3.2 水中VOC监测： 
　　吹扫/捕集技术对样品需求量少，并且此技术的富集倍率高，当便携式气相色谱-质谱联用仪和此技术结合使用的时候就可以对水中的痕量VOCs进行准确定性和定量分析。便携式气相色谱-质谱联用仪可以利用自身的便携式吹扫捕集仪进行被污染水体中的挥发性有机物的检测。实验中的吹扫气为氦气，吹扫时间为10min，吹扫速率为40mL/min，被测样品为EPA 624混合标样的水溶液（浓度：体积：20mL，50μg/L）。实验结果表明，便携式气相色谱-质谱联用仪可对水中挥发性有机物进行快速分析和鉴定。 
　　4 结论 
　　便携式气相色谱-质谱联用仪具有分析速度快、定性能力强、功耗小、检测灵敏度高以及便携性能优等特点，满足了应急监测的准确、快速、灵敏的要求，可现场分析和检测固态废弃物、水体、空气中的有毒有害物质。