一种热重分子束质谱联用装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种热重分子束质谱联用装置。包括热重分析仪、质量分析器、电离源、和分子束取样机构；所述电离源包括依次连接的三个电极；所述分子束取样机构具有二级差分抽气结构，其一端连通着热重分析仪的加热炉，另一端连接电离源的电离腔，并对应着电离区域；分子束取样机构为二级差分结构，包括管状的加热炉和取样喷嘴，加热炉内坩埚上的被测物在温度作用下产生逸出产物，逸出产物在气压作用下经过分子束取样机构进入电离源，再进入质量分析器，气压逐级递减，逸出产物在电离源的电离腔内形成分子束。
【专利说明】一种热重分子束质谱联用装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于物质质量定量分析【技术领域】，具体涉及生物质燃料和热分析领域的实验技术，将这种技术用于生物质燃料热解或其它样品的热分析逸出气体分析，能够避免活性成分的猝灭。
【背景技术】
[0002]热重技术是一种测量样品在加热、冷却或恒温时质量变化与温度或时间关系的定量分析技术。该技术的特点是定量能力强，能准确地测量物质的质量变化和速率变化。热重技术本身没有定性能力，一般通过与其它分析技术联用实现定性分析。目前与热重联用的分析技术包括光谱、色谱和质谱三类技术。
[0003]使用较广泛的光谱技术主要是傅立叶变换红外光谱(FTIR)技术。该技术可以根据分子振动光谱的不同直接对热解产物进行官能团鉴定，同时获得多种气体的红外光谱信息，并能对逸出组分进行连续扫描。但不足之处是，它难以分析具有相似官能团的混合物，通常得到的是某一类或几类产物的信息。这种技术无法测定氮气、氧气等不具有红外活性的气体分子，对与鉴别C、H原子数较多的碳氢化合物也比较困难。尽管FTIR能够根据已知的化合物对红外光的吸收系数信息进行定量分析，但实验参数对信号强度的影响十分复杂。色谱技术是一种使用广泛，并具有有效分离和鉴别能力的技术。为了保证较高的分离能力，色谱柱的长度一般有数十米，这导致分离时间过长，无法对热解产物进行连续分析。由于色谱柱狭长的管壁形状增强了壁面和气相的碰撞效应，气相色谱只能检测不发生反应的、具有热稳定性和挥发性的物种，对不稳定的中间体(如自由基)等组分无能为力。质谱技术是一种普适的检测技术，检测速度快，灵敏度高，并能对样品进行在线分析。通常热重通过一根毛细管与质谱等分析仪器连接，但样品热解逸出的活泼物种极易在毛细管中猝灭，这种连接技术只适合探测稳定组分。另外，在测量时毛细管一般要加热至约200°C，以防止稳定组分的凝结。
实用新型内容
[0004]为了解决热重和质谱联用分析时，存在被测物热解逸出的活泼物种极易在毛细管中猝灭的问题，通过改进本实用新型提供一种热重分子束质谱联用装置。
[0005]一种热重分子束质谱联用装置包括热重分析仪I和质量分析器4，还包括电离源3和分子束取样机构2 ；
[0006]所述电离源3包括管状的电离腔和依次连接的第一电极31、第二电极32、第三电极33，第三电极33的末端连接着质量分析器4的加速电极；
[0007]分子束取样机构2为二级差分结构，包括管状的加热炉12和取样喷嘴，加热炉12内中部同轴设有坩埚13，坩埚13的底部连通着支撑杆的上端，支撑杆的下端连通着热重分析仪I的天平；加热炉12内上部同轴设有取样喷嘴，取样喷嘴为二级差分结构，其下端为进口，且进口位于坩埚13的上方；加热炉12的上端连接电离源3的电离腔，且对应着第一电极31和第二电极32之间的电离区域；加热炉12的下端密封连接着热重分析仪I的外壳体；
[0008]所述坩埚13上的被测物在温度作用下形成逸出产物23，逸出产物23在气压作用下经过分子束取样机构2进入电离源3，再进入质量分析器4，气压逐级递减，逸出产物23在电离源3的电离腔内形成分子束。
[0009]本实用新型热重分子束质谱联用装置取样后传输速度快，没有活性成分的猝灭，取样后的成分电离后由质量分析器进行分析，该装置既能实现实时、在线地探测逸出气体成分，又能实现定性和定量同步分析。
[0010]本实用新型的有益技术效果体现在以下方面:
[0011]1、现有的热重技术通常通过毛细管与光谱、色谱、质谱等相联，实现对热解产物的定性分析。在毛细管中，活泼物种极易猝灭，稳定组分容易凝结，这极大限制了检测的准确性和全面性。本实用新型通过增设分子束取样机构能有效降低分子间的碰撞几率，有利于活性组分的探测，并具有极高的灵敏度；
[0012]2、现有的热重技术通过毛细管与光谱、色谱、质谱等相联，毛细管长度有数米，待测物在毛细管中停留时间长，不能实现对热解产物的实时、快速测量。本实用新型采用的分子束取样机构长度仅有十几厘米，待测成分的通过分子束取样机构的时间为微秒量级，很容易实现对热解产物的实时、快速测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型结构示意图。
[0014]图2为两级差分的分子束取样机构及电离源部分的剖视图。
[0015]图3为煤在升温速率为10 °C/min时的热重曲线。
[0016]图4为煤在450°C时的逸出产物质谱图。
[0017]图5为纤维素在升温速率为30 0C /min时的热重曲线。
[0018]图6为纤维素在350°C时的逸出产物质谱图。
[0019]上图中序号:热重分析仪1、分子束取样机构2、电离源3、质量分析器4、第一分子泵5、第二分子泵6、加热炉12、坩埚13、喷嘴管21、准直漏勺22、逸出产物23、第一电极31、第二电极32、第三电极33。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地说明。
[0021]实施例1
[0022]参见图1，一种热重分子束质谱联用装置包括热重分析仪1、分子束取样机构2、电离源3和质量分析器4。
[0023]参见图2，电离源3包括管状的电离腔和依次连接的第一电极31、第二电极32、第三电极33，第三电极33的末端连接着质量分析器4的加速电极；第一电极31、第二电极32、第三电极33均为环形聚焦电极；电离源3为电子轰击电离。
[0024]参见图2，分子束取样机构2为二级差分结构，包括管状的加热炉12，加热炉12内中部同轴设有坩埚13，坩埚13的底部连通着支撑杆的上端，支撑杆的下端连通着热重分析仪I的天平；加热炉12内上部同轴设有取样喷嘴。取样喷嘴包括结构相同的喷嘴管21和准直漏勺22，准直漏勺22同轴位于喷嘴管21内；二者的上部均为直管，下部为圆锥管，圆锥管的下端为圆锥口 ；准直漏勺22下端的圆锥口位于喷嘴管21下端的圆锥口的上方，喷嘴管21下端的圆锥口为进口。喷嘴管21下端的圆锥口位于坩埚13的上方；加热炉12的上端固定密封连接着电离源3的电离腔，且与电离源3中的第一电极31和第二电极32之间的电离区域相对应；加热炉12的下端密封连接着热重分析仪I的外壳体。
[0025]喷嘴管21的材料为陶瓷；喷嘴管21和加热炉12安装时，二者之间采用石墨材料密封。
[0026]电离源3位于取样喷嘴的上方，与坩埚13中逸出气体形成的分子束垂直交叉；电离腔的上端固定密封连接着第一分子泵5 ;电离源3加电压形成聚焦电场，第一分子泵5维持电离腔内的真空，在使用过程中，电离源3既可以使用电子轰击电离，也可以使用光电离。
[0027]加热炉12的坩埚13处的被测物在温度作用下形成逸出产物23，逸出产物23在气压作用下经过分子束取样机构2进入电离源3，再进入质量分析器4，气压逐级递减，逸出产物在电离源3的电离腔内形成分子束。
[0028]质量分析器4内为真空状态，真空度由第二分子泵6维持，质量分析器4为飞行时间质谱。
[0029]本实用新型的工作原理如下:
[0030]被测物置于加热炉12的坩埚13处，加热炉12按照设定的程序升温，被测物在温度作用下经历升华、汽化、分解等过程并形成逸出产物23，被测物的质量发生变化，热重分析仪I记录坩埚13内的被测物的质量随温度的变化关系。与此同时，逸出产物23经过分子束取样系统2，由于压力逐级降低，逸出产物23形成分子束，并进入电离腔。在电离腔内逸出产物23被电离成离子，离子在第一电极31、第二电极32、第三电极33作用下进入质量分析器4。质量分析器4可以获得每个温度下被测物逸出的产物的成分。
[0031]图4和图6中的质谱图是以飞行时间质谱获得。具有相同能量的离子飞行一段距离后到达探测器，质量小的离子速度快，较早到达探测器，质量大的离子速度慢，较晚到达探测器。根据到达的时间先后顺序确定质荷比，从而获得质谱图。
[0032]图3是煤在升温速率为10 V /min时的热重曲线，图4是煤在450°C获取的质谱图，采用的电离方式为同步辐射光电离，光子能量为10.5 eV。在质谱图中可以观测到含氧(质荷比m/z 110、124、138、146)和含甲基(质荷比m/z 158、172)的酚类化合物，以及质荷比为m/z 240-350的多环芳香族化合物。
[0033]图5是纤维素在升温速率为30 °C/min时的热重曲线，图6是纤维素在350°C获取的质谱图，采用的电离方式为光电离，光子能量为9.5 eV和10.5 eV。在9.5 eV时，主要是以纤维素长链断链得到的产物为主，包括质荷比m/z 144、126、114、97、91，同时，也出现了部分衍生物，如质荷比m/z 166、180，当光子能量增加到10.5 eV时，可以检测到多糖产物(质荷比 m/z 85、73、55)。
【权利要求】
1.一种热重分子束质谱联用装置，包括热重分析仪(I)和质量分析器(4)，其特征在于:还包括电离源(3)和分子束取样机构(2);所述电离源(3)包括管状的电离腔和依次连接的第一电极(31)、第二电极(32)、第三电极(33)，第三电极(33)的末端连接着质量分析器(4)的加速电极；分子束取样机构(2)为二级差分结构，包括管状的加热炉(12)和取样喷嘴，加热炉(12)内中部同轴设有坩埚(13)，坩埚(13)的底部连通着支撑杆的上端，支撑杆的下端连通着热重分析仪(I)的天平；加热炉(12)内上部同轴设有取样喷嘴，取样喷嘴为二级差分结构，其下端为进口，且进口位于坩埚(13)的上方；加热炉(12)的上端连接电离源(3)的电离腔，且对应着第一电极(31)和第二电极(32)之间的电离区域；加热炉(12)的下端密封连接着热重分析仪(I)的外壳体；所述坩埚(13)上的被测物在温度作用下形成逸出产物(23)，逸出产物(23)在气压作用下经过分子束取样机构(2)进入电离源(3)，再进入质量分析器(4)，气压逐级递减，逸出产物(23)在电离源(3)的电离腔内形成分子束。
2.根据权利要求1所述的一种热重分子束质谱联用装置，其特征在于:二级差分结构的取样喷嘴包括结构相同的喷嘴管(21)和准直漏勺(22)，所述准直漏勺(22)同轴位于喷嘴管(21)内；二者的上部均为直管，下部为圆锥管，圆锥管的下端为圆锥口 ；准直漏勺(22)下端的圆锥口位于喷嘴管(21)下端的圆锥口的上方，喷嘴管(21)下端的圆锥口为进口。
3.根据权利要求1所述的一种热重分子束质谱联用装置，其特征在于:所述取样喷嘴的材料为石英、陶瓷、玻璃碳；取样喷嘴和加热炉(12)安装时，二者之间采用石墨材料密封。
4.根据权利要求1或2所述的一种热重分子束质谱联用装置，其特征在于:所述电离源(3)中的第一电极(31)、第二电极(32)、第三电极(33)均为环形聚焦电极，所述电离源(3)位于取样喷嘴的上方，与坩埚(13)中逸出产物(23)形成的分子束垂直交叉；电离源(3)中的电离腔的下端固定密封连接着加热炉(12)的上端，电离腔的上端固定密封连接着第一分子泵(5 );电离源(3 )加电压形成聚焦电场，第一分子泵(5 )维持电离腔内的真空，在使用过程中，电离源(3 )既可以使用电子轰击电离，也可以使用光电离。
5.根据权利要求1或2所述的一种热重分子束质谱联用装置，其特征在于:所述质量分析器(4)内为真空状态，真空度由第二分子泵(6)维持，在使用过程中，质量分析器(4)既可以是飞行时间质谱，也可以是四极质谱或离子阱质谱。
【文档编号】G01N27/64GK204086065SQ201420547763
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】周忠岳, 齐飞, 潘洋, 杨玖重, 王国情 申请人:中国科学技术大学