一種熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置。包括熱重分析儀、質(zhì)量分析器、電離源、和分子束取樣機構(gòu)；所述電離源包括依次連接的三個電極；所述分子束取樣機構(gòu)具有二級差分抽氣結(jié)構(gòu)，其一端連通著熱重分析儀的加熱爐，另一端連接電離源的電離腔，并對應著電離區(qū)域；分子束取樣機構(gòu)為二級差分結(jié)構(gòu)，包括管狀的加熱爐和取樣噴嘴，加熱爐內(nèi)坩堝上的被測物在溫度作用下產(chǎn)生逸出產(chǎn)物，逸出產(chǎn)物在氣壓作用下經(jīng)過分子束取樣機構(gòu)進入電離源，再進入質(zhì)量分析器，氣壓逐級遞減，逸出產(chǎn)物在電離源的電離腔內(nèi)形成分子束。
【專利說明】一種熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于物質(zhì)質(zhì)量定量分析【技術(shù)領域】，具體涉及生物質(zhì)燃料和熱分析領域的實驗技術(shù)，將這種技術(shù)用于生物質(zhì)燃料熱解或其它樣品的熱分析逸出氣體分析，能夠避免活性成分的猝滅。

【背景技術(shù)】
[0002]熱重技術(shù)是一種測量樣品在加熱、冷卻或恒溫時質(zhì)量變化與溫度或時間關(guān)系的定量分析技術(shù)。該技術(shù)的特點是定量能力強，能準確地測量物質(zhì)的質(zhì)量變化和速率變化。熱重技術(shù)本身沒有定性能力，一般通過與其它分析技術(shù)聯(lián)用實現(xiàn)定性分析。目前與熱重聯(lián)用的分析技術(shù)包括光譜、色譜和質(zhì)譜三類技術(shù)。
[0003]使用較廣泛的光譜技術(shù)主要是傅立葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)。該技術(shù)可以根據(jù)分子振動光譜的不同直接對熱解產(chǎn)物進行官能團鑒定，同時獲得多種氣體的紅外光譜信息，并能對逸出組分進行連續(xù)掃描。但不足之處是，它難以分析具有相似官能團的混合物，通常得到的是某一類或幾類產(chǎn)物的信息。這種技術(shù)無法測定氮氣、氧氣等不具有紅外活性的氣體分子，對與鑒別C、H原子數(shù)較多的碳氫化合物也比較困難。盡管FTIR能夠根據(jù)已知的化合物對紅外光的吸收系數(shù)信息進行定量分析，但實驗參數(shù)對信號強度的影響十分復雜。色譜技術(shù)是一種使用廣泛，并具有有效分離和鑒別能力的技術(shù)。為了保證較高的分離能力，色譜柱的長度一般有數(shù)十米，這導致分離時間過長，無法對熱解產(chǎn)物進行連續(xù)分析。由于色譜柱狹長的管壁形狀增強了壁面和氣相的碰撞效應，氣相色譜只能檢測不發(fā)生反應的、具有熱穩(wěn)定性和揮發(fā)性的物種，對不穩(wěn)定的中間體(如自由基)等組分無能為力。質(zhì)譜技術(shù)是一種普適的檢測技術(shù)，檢測速度快，靈敏度高，并能對樣品進行在線分析。通常熱重通過一根毛細管與質(zhì)譜等分析儀器連接，但樣品熱解逸出的活潑物種極易在毛細管中猝滅，這種連接技術(shù)只適合探測穩(wěn)定組分。另外，在測量時毛細管一般要加熱至約200°C，以防止穩(wěn)定組分的凝結(jié)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決熱重和質(zhì)譜聯(lián)用分析時，存在被測物熱解逸出的活潑物種極易在毛細管中猝滅的問題，通過改進本發(fā)明提供一種熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置。
[0005]一種熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置包括熱重分析儀I和質(zhì)量分析器4，還包括電離源3和分子束取樣機構(gòu)2 ；
所述電離源3包括管狀的電離腔和依次連接的第一電極31、第二電極32、第三電極33，第三電極33的末端連接著質(zhì)量分析器4的加速電極；
分子束取樣機構(gòu)2為二級差分結(jié)構(gòu)，包括管狀的加熱爐12和取樣噴嘴，加熱爐12內(nèi)中部同軸設有坩堝13，坩堝13的底部連通著支撐桿的上端，支撐桿的下端連通著熱重分析儀I的天平；加熱爐12內(nèi)上部同軸設有取樣噴嘴，取樣噴嘴為二級差分結(jié)構(gòu)，其下端為進口，且進口位于坩堝13的上方；加熱爐12的上端連接電離源3的電離腔，且對應著第一電極31和第二電極32之間的電離區(qū)域；加熱爐12的下端密封連接著熱重分析儀I的外殼體；
所述坩堝13上的被測物在溫度作用下形成逸出產(chǎn)物23，逸出產(chǎn)物23在氣壓作用下經(jīng)過分子束取樣機構(gòu)2進入電離源3，再進入質(zhì)量分析器4，氣壓逐級遞減，逸出產(chǎn)物23在電離源3的電離腔內(nèi)形成分子束。
[0006]本發(fā)明熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置取樣后傳輸速度快，沒有活性成分的猝滅，取樣后的成分電離后由質(zhì)量分析器進行分析，該裝置既能實現(xiàn)實時、在線地探測逸出氣體成分，又能實現(xiàn)定性和定量同步分析。
[0007]本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面:
1、現(xiàn)有的熱重技術(shù)通常通過毛細管與光譜、色譜、質(zhì)譜等相聯(lián)，實現(xiàn)對熱解產(chǎn)物的定性分析。在毛細管中，活潑物種極易猝滅，穩(wěn)定組分容易凝結(jié)，這極大限制了檢測的準確性和全面性。本發(fā)明通過增設分子束取樣機構(gòu)能有效降低分子間的碰撞幾率，有利于活性組分的探測，并具有極高的靈敏度；
2、現(xiàn)有的熱重技術(shù)通過毛細管與光譜、色譜、質(zhì)譜等相聯(lián)，毛細管長度有數(shù)米，待測物在毛細管中停留時間長，不能實現(xiàn)對熱解產(chǎn)物的實時、快速測量。本發(fā)明采用的分子束取樣機構(gòu)長度僅有十幾厘米，待測成分的通過分子束取樣機構(gòu)的時間為微秒量級，很容易實現(xiàn)對熱解產(chǎn)物的實時、快速測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖2為兩級差分的分子束取樣機構(gòu)及電離源部分的剖視圖。
[0010]圖3為煤在升溫速率為10 °C/min時的熱重曲線。
[0011]圖4為煤在450°C時的逸出產(chǎn)物質(zhì)譜圖。
[0012]圖5為纖維素在升溫速率為30 °C/min時的熱重曲線。
[0013]圖6為纖維素在350°C時的逸出產(chǎn)物質(zhì)譜圖。
[0014]上圖中序號:熱重分析儀1、分子束取樣機構(gòu)2、電離源3、質(zhì)量分析器4、第一分子泵5、第二分子泵6、加熱爐12、坩堝13、噴嘴管21、準直漏勺22、逸出產(chǎn)物23、第一電極31、第二電極32、第三電極33。

【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明作進一步地說明。
[0016]實施例1
參見圖1，一種熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置包括熱重分析儀1、分子束取樣機構(gòu)2、電離源3和質(zhì)量分析器4。
[0017]參見圖2，電離源3包括管狀的電離腔和依次連接的第一電極31、第二電極32、第三電極33，第三電極33的末端連接著質(zhì)量分析器4的加速電極；第一電極31、第二電極32、第三電極33均為環(huán)形聚焦電極；電離源3為電子轟擊電離。
[0018]參見圖2，分子束取樣機構(gòu)2為二級差分結(jié)構(gòu)，包括管狀的加熱爐12，加熱爐12內(nèi)中部同軸設有坩堝13，坩堝13的底部連通著支撐桿的上端，支撐桿的下端連通著熱重分析儀I的天平；加熱爐12內(nèi)上部同軸設有取樣噴嘴。取樣噴嘴包括結(jié)構(gòu)相同的噴嘴管21和準直漏勺22，準直漏勺22同軸位于噴嘴管21內(nèi)；二者的上部均為直管，下部為圓錐管，圓錐管的下端為圓錐口 ；準直漏勺22下端的圓錐口位于噴嘴管21下端的圓錐口的上方，噴嘴管21下端的圓錐口為進口。噴嘴管21下端的圓錐口位于坩堝13的上方；加熱爐12的上端固定密封連接著電離源3的電離腔，且與電離源3中的第一電極31和第二電極32之間的電離區(qū)域相對應；加熱爐12的下端密封連接著熱重分析儀I的外殼體。
[0019]噴嘴管21的材料為陶瓷；噴嘴管21和加熱爐12安裝時，二者之間采用石墨材料密封。
[0020]電離源3位于取樣噴嘴的上方，與坩堝13中逸出氣體形成的分子束垂直交叉；電離腔的上端固定密封連接著第一分子泵5 ;電離源3加電壓形成聚焦電場，第一分子泵5維持電離腔內(nèi)的真空，在使用過程中，電離源3既可以使用電子轟擊電離，也可以使用光電離。
[0021]加熱爐12的坩堝13處的被測物在溫度作用下形成逸出產(chǎn)物23，逸出產(chǎn)物23在氣壓作用下經(jīng)過分子束取樣機構(gòu)2進入電離源3，再進入質(zhì)量分析器4，氣壓逐級遞減，逸出產(chǎn)物在電離源3的電離腔內(nèi)形成分子束。
[0022]質(zhì)量分析器4內(nèi)為真空狀態(tài)，真空度由第二分子泵6維持，質(zhì)量分析器4為飛行時間質(zhì)譜。
[0023]本發(fā)明的工作原理如下:
被測物置于加熱爐12的坩堝13處，加熱爐12按照設定的程序升溫，被測物在溫度作用下經(jīng)歷升華、汽化、分解等過程并形成逸出產(chǎn)物23，被測物的質(zhì)量發(fā)生變化，熱重分析儀I記錄坩堝13內(nèi)的被測物的質(zhì)量隨溫度的變化關(guān)系。與此同時，逸出產(chǎn)物23經(jīng)過分子束取樣系統(tǒng)2，由于壓力逐級降低，逸出產(chǎn)物23形成分子束，并進入電離腔。在電離腔內(nèi)逸出產(chǎn)物23被電離成離子，離子在第一電極31、第二電極32、第三電極33作用下進入質(zhì)量分析器
4。質(zhì)量分析器4可以獲得每個溫度下被測物逸出的產(chǎn)物的成分。
[0024]圖4和圖6中的質(zhì)譜圖是以飛行時間質(zhì)譜獲得。具有相同能量的離子飛行一段距離后到達探測器，質(zhì)量小的離子速度快，較早到達探測器，質(zhì)量大的離子速度慢，較晚到達探測器。根據(jù)到達的時間先后順序確定質(zhì)荷比，從而獲得質(zhì)譜圖。
[0025]圖3是煤在升溫速率為10 V /min時的熱重曲線，圖4是煤在450°C獲取的質(zhì)譜圖，采用的電離方式為同步輻射光電離，光子能量為10.5 eV。在質(zhì)譜圖中可以觀測到含氧(質(zhì)荷比m/z 110、124、138、146)和含甲基(質(zhì)荷比m/z 158、172)的酚類化合物，以及質(zhì)荷比為m/z 240-350的多環(huán)芳香族化合物。
[0026]圖5是纖維素在升溫速率為30 °C/min時的熱重曲線，圖6是纖維素在350°C獲取的質(zhì)譜圖，采用的電離方式為光電離，光子能量為9.5 eV和10.5 eV。在9.5 eV時，主要是以纖維素長鏈斷鏈得到的產(chǎn)物為主，包括質(zhì)荷比m/z 144、126、114、97、91，同時，也出現(xiàn)了部分衍生物，如質(zhì)荷比m/z 166、180，當光子能量增加到10.5 eV時，可以檢測到多糖產(chǎn)物(質(zhì)荷比 m/z 85、73、55)。
【權(quán)利要求】
1.一種熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置，包括熱重分析儀(I)和質(zhì)量分析器(4)，其特征在于:還包括電離源(3)和分子束取樣機構(gòu)(2);所述電離源(3)包括管狀的電離腔和依次連接的第一電極(31)、第二電極(32)、第三電極(33)，第三電極(33)的末端連接著質(zhì)量分析器(4)的加速電極；分子束取樣機構(gòu)(2)為二級差分結(jié)構(gòu)，包括管狀的加熱爐(12)和取樣噴嘴，加熱爐(12)內(nèi)中部同軸設有坩堝(13)，坩堝(13)的底部連通著支撐桿的上端，支撐桿的下端連通著熱重分析儀(I)的天平；加熱爐(12)內(nèi)上部同軸設有取樣噴嘴，取樣噴嘴為二級差分結(jié)構(gòu)，其下端為進口，且進口位于坩堝(13)的上方；加熱爐(12)的上端連接電離源(3)的電離腔，且對應著第一電極(31)和第二電極(32)之間的電離區(qū)域；加熱爐(12)的下端密封連接著熱重分析儀(I)的外殼體；所述坩堝(13)上的被測物在溫度作用下形成逸出產(chǎn)物(23)，逸出產(chǎn)物(23)在氣壓作用下經(jīng)過分子束取樣機構(gòu)(2)進入電離源(3)，再進入質(zhì)量分析器(4)，氣壓逐級遞減，逸出產(chǎn)物(23)在電離源(3)的電離腔內(nèi)形成分子束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置，其特征在于:二級差分結(jié)構(gòu)的取樣噴嘴包括結(jié)構(gòu)相同的噴嘴管(21)和準直漏勺(22)，所述準直漏勺(22)同軸位于噴嘴管(21)內(nèi)；二者的上部均為直管，下部為圓錐管，圓錐管的下端為圓錐口 ；準直漏勺(22)下端的圓錐口位于噴嘴管(21)下端的圓錐口的上方，噴嘴管(21)下端的圓錐口為進口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置，其特征在于:所述取樣噴嘴的材料為石英、陶瓷、玻璃碳；取樣噴嘴和加熱爐(12)安裝時，二者之間采用石墨材料密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置，其特征在于:所述電離源(3)中的第一電極(31)、第二電極(32)、第三電極(33)均為環(huán)形聚焦電極，所述電離源(3)位于取樣噴嘴的上方，與坩堝(13)中逸出產(chǎn)物(23)形成的分子束垂直交叉；電離源(3)中的電離腔的下端固定密封連接著加熱爐(12)的上端，電離腔的上端固定密封連接著第一分子泵(5 );電離源(3 )加電壓形成聚焦電場，第一分子泵(5 )維持電離腔內(nèi)的真空，在使用過程中，電離源(3 )既可以使用電子轟擊電離，也可以使用光電離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種熱重分子束質(zhì)譜聯(lián)用裝置，其特征在于:所述質(zhì)量分析器(4)內(nèi)為真空狀態(tài)，真空度由第二分子泵(6)維持，在使用過程中，質(zhì)量分析器(4)既可以是飛行時間質(zhì)譜，也可以是四極質(zhì)譜或離子阱質(zhì)譜。
【文檔編號】G01N27/64GK104237058SQ201410488896
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】周忠岳, 齊飛, 潘洋, 楊玖重, 王國情 申請人:中國科學技術(shù)大學