质谱分析的好帮手，微量气体自动进样装置
气相色谱仪和质谱仪是气体组分分析的常用仪器，两类仪器原理不同，测试数据可以互补，对于某些特殊要求的分析，质谱仪更方便。
用于气体组分分析的样品，其压强一般要求不低于1atm(1atm = 1.013×105Pa)。高压气体样品可以减压到1atm。质谱仪一般工作在高真空状态，气体组分质谱仪的工作压强往往小于10-7atm。因此，须要将各种不同压强的气体样品调整到小于10-7atm，才能进行质谱测试。
稳定同位素质谱仪和在线过程质谱仪采用细长毛细管，将样品引入相应质谱仪的离子源，样品以微小的流量源源不断流入，质谱仪的高真空系统不断地将流入的气体排出，形成动态高真空，满足了质谱仪高真空的要求[2]。其要求毛细管两端的压强差较大以维持气体流动。样品在流动过程中，只有通过离子源的那部分样品才能得到分析，所以灵敏度受到限制。稀有气体同位素质谱仪在高真空密封系统内，将小体积样品扩散到大体积容器中，以获得质谱分析所需要的微量样品，要求进气系统达到静态超高真空，所以运行维护难度较大，系统成本也较高。某些天然气体(如温泉气)样品在采集时可能处于较高的温度，实验室分析时其压强小于1atm；岩石真空脱气产生的气体样品压强一般也小于1atm，且气体量很少，往往不便采用细长毛细管将样品引入质谱仪。
MAT271型质谱仪的进样装置，通过将小体积样品扩散到大体积容器中，使气体压强降低。样品气体再通过微小漏孔不断漏人质谱仪的离子源，从而达到质谱仪高真空测量的要求。气体通过微漏孔进入质谱仪的流动服从分子流运动规律，有成熟的理论作为指导，数据处理公式简单。但是，该型质谱仪的进样装置的样品容器容积较大(约2000cm3)，当气体样品总量较少(标准状态下微升量级)时，样品容器中气体的压强很低，进入质谱仪的气体量少，从而灵敏度低。
前人研制了各种不同的进样装置，以满足了质谱仪对特殊样品的检测需求。这些装置通用性不强，一般为手动。为解决微升量气体的检测问题，研制了通用型气体自动进样装置。该装置有两个大小不同的样品容器，与MAT271型质谱仪的进样装置相比，样品总量变化范围更大，从微升变化到毫升；灵敏度更高，即便是微升量级气体，也可以测量其主要化学组成。该装置与气体组分分析用四极质谱仪结合，可以组成微升量级气体组分质谱分析系统。
1仪器设备
研制的进样装置包括进气部分、真空部分和自动控制部分。
1.1进气部分和真空部分(见图1)
进气部分由进样口、气动阀、储气罐、气体管线、薄膜真空计、金属漏孔组成。真空部分由机械泵、分子泵、真空计和真空管线组成。两部分均能达到≤10-4Pa的真空。
图1高真空气体进样及高真空获得和测量部分示意图
Inlet—进样口 DP—薄膜真空计 GL—孔板 PG—真空计 TP—分子泵 RP—机械泵 V1~V8—气动高真空阀
1.2自动控制部分(见图2)
由计算机(PC)接口板(RS232)，控制I/O输出一个电压，在该电压驱动下，控制继电器板的8个接线端子，输出0V或24V直流电压，开启或关闭8个二位三通电磁阀SV1~SV8中的一个或多个，使压缩空气通过气路到达或离开气动高真空阀V1~V8中的一个或多个，控制其开闭。同时薄膜真空计的信号输出到计算机(PC)接口(USB)，以监测气体压强信息。实现气体在高真空下流动路线的控制，以及气体进入质谱仪之前的绝对压强的测量。图2中的V1~V8与图1中的气动高真空阀一一对应。
图2进样装置的自动控制部分示意图
1.3进样装置的特点
与常规气体分析质谱仪的进样装置相比，该装置具有操作自动化、高真空样品引入、微少量气体分析、气体压强易测控和定量方法简单等特点，可作为高真空质谱仪的进样系统，以满足微量气体质谱分析的要求。
1.3.1岩石样品中微升量气体的分析
从进样口注入已知量的空气，可以建立薄膜真空计压强与气体体积的关系曲线。由于薄膜真空计的压强与气体种类无关，由一种气体建立的压强与气体体积的关系曲线也适应于其它类型气体。岩石样品脱气装置连接到进样口，产生的微升量气体在压差的作用下被引入到薄膜真空计测量区域，记录其压强，从而确定其气体量。
1.3.2 气体压强控制
当气体量较多时，可将进样口的气体分段引入到薄膜真空计检测区，并利用两个不同体积的样品容器调节气体的压强，使得通过金属漏孔进入质谱仪的气体流量达到要求，质谱仪压强处于最佳范围。
1.3.3高真空阀的自动控制
由计算机控制高真空阀门的打开和关闭，避免了手动控制高真空阀关闭不严或关闭过死，造成高真空阀漏气或损伤的问题，也避免了操作人员由于频繁开关高真空阀而产生的劳累。
1.3.4自动控制程序
进样装置的自动控制程序在32位Windows操作系统下设计，程序代码用Visual Basic 6.0编写。
代码举例：为了打开或关闭某一电磁阀而不影响其它电磁阀的状态，必须将字节某一位置0或置1，其它位的值保持不变，这个程序涉及到位操作，用Visual Basic编程比较不便，所以将其代码列出，供参考，代码如下：
Private Sub BitSet(Byte1, N, Value1)
Dim I As Integer, Bit(7) As Integer, Byte2 As Byte
Byte2 = Byte1
For I = 0 To 7
Bit(I) = Byte2 Mod 2
Byte2 = Byte2 \ 2
Next I
Bit(N) = Value1
Byte2 = &H0
For I = 0 To 7
Byte2 = Byte2 + (2 ^ I) * Bit(I)
Next I
Byte1 = Byte2
End Sub
代码中，Byte1是须要改变的字节，N是字节的某一位，Value1是Byte1字节的第N位须要设置的值(0或1)，返回Byte1。
2 结语
微量气体自动进样装置实现了毫升量级气体到微升量级气体质谱分析的自动进样和气体总量的测量，不但可以开展常规气体组分的检测，而且可以开展低真空和微量气体的组分检测，定量检测效果均很好。
目前该气体自动进样装置连接在MAT271质谱仪前端，代替了原有旧的系统，完成了大量的分析测试任务。而由微量气体自动进样装置和气体组分四极质谱仪组成的分析系统，因具有价格等方面的优势，在气体组分定量分析方面，更有可能获得广泛的应用。
(资讯来源:《现代科学仪器》期刊，由“现代科学仪器网”官方发布，转载请注明来源)
关注本网官方微信 随时订阅权威资讯
