新型便攜式水質實時監測質譜儀的研制

侯炳江++劉超

摘 要：本文基于新型離子源四極桿質譜儀負離子檢測模式研發的便攜式水質實時監測質譜儀，提高了小型四極桿質譜儀對對江、河、湖、泊水質及空氣質量現場檢測能力。本文以國內外最新研發成果為基礎，建立了小分子有機物的高靈敏度檢測方法，開發了應用于水質現場實時監測的新型便攜式在線質譜分析儀器。

關鍵詞：便攜式質譜儀 水質污染物監控 研發

中圖分類號：O657 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0076-02

質譜儀是一類將物質粒子（原子、分子）電離成離子，并通過適當的穩定或變化的電磁場將他們按空間位置、時間先后等實現質荷比分離，并檢測其強度進行定性、定量分析的分析儀器。近年來，隨著質譜技術的快速發展，質譜分析以及靈敏度高，樣品需求小等，分析速度快等優點在水質污染物監控中應用越來越廣。

目前，應用廣泛的大多為臺式大型質譜分析儀器。但由于臺式質譜儀的體積大、耗能高、價格昂貴，使質譜儀器的應用多僅局限于大型實驗室，不僅限制了質譜儀器的普及，也不便于現場快速檢測與分析。作為現場快速檢測手段，便攜式質普分析儀器具有儀器成本低、樣品用量少、靈敏度高、測量速度快等特點，它可以快速給出待測水質中小分子污染物質的種類與濃度，有利于水利管理部門提高應急反應的速率和對突發事件有效處置。因此，研究開發針對水質實時監測的便攜的小型質譜儀，對樣品進行現場、實時、快速、準確地分析和檢測具有重要現實意義。

本文提出通過氣體放電離子化的方式實現小型四極桿質譜儀的負離子模式檢測，提高小型四極桿質譜儀對水體污染物、爆炸物、農藥殘留、化學武器制劑等重要檢測對象進行高靈敏度檢測。

1 便攜式水質實時監測質譜儀設計

1.1 機械部分

四極桿質譜對真空度的要求通常在1.0 E-4～1.0E-5 Torr之間，真空獲取系統通常由兩級真空泵組成，即前級泵——機械泵和后級泵——渦輪分子泵。樣機前級泵采用BOC EDWARDS RV3機械泵，抽速3.7 m3/h，后級真空采用PFEIFFER小型渦輪分子泵TMH71P，抽速抽速70 L/s。可以獲得較小的體積和較低的功率消耗。

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

1.2 質譜電子系統：射頻電源

射頻信號源與控制信號幅度進行調制，調制后的信號通過差分放大完成信號雙端到單端的轉換，然后經過放大器放大，將小信號進行放大，經過中間級放大電路放大后的信號幅度達到10 Vp-p，輸出電流幾十個毫安到幾百個毫安，然后這個信號直接作為功率放大電路的輸入信號。已經開發出的測控系統適合應用在四極桿和四極桿兩種質譜儀器。主要技術指標包括：系統控制使用100 Mbps以太網控制接口，系統控制板使用32位嵌入式系統，48路12位100 kHzADC，16路12位60 kHzDAC，1路12位50 MHzDAC，6路TTL電平數字輸出，16路TTL電平數字輸入，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 測控系統

首先通過劃分模塊，使用PC104總線技術將各個模塊連接在一起，用計算機主板技術進行控制，并編寫嵌入式控制軟件控制儀器，與計算機通信。然后，在模塊化的測控系統在指標和儀器控制上能夠達到目標后，將測控功能合并到一起，研制出一體化的測控系統，更適合于小型化的儀器。

1.4 四極桿質譜軟件系統

射頻頻率可以實現手動和自動調節，可以精確到1 Hz。掃描時序可以通過添加、刪除、插入等任意配置四極桿的掃描段，可以設定射頻電壓的掃描幅度、經歷的時間、同步DA的大小以及何時同步、AC的大小和頻率等等。提供燈絲70 eV能量，發射電流的控制，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調節順序、調節范圍與調節的精度，完成自動調節，然后根據調節的結果——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置。提供數字輸入輸出，可以完成對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閉的控制，離子源加熱開始與結束的控制等等。通過對標志峰進行識別，從而建立射頻電壓幅度與質量數之間的關系式，完成對譜峰的識別。

2 結論

目前，在線小型在線四極桿質譜儀的檢測方法研究還未見報道，本文基于對放電離子化的小型四極桿質譜負離子模式檢測研究，實現了水質小分子有機物污染物在線檢測的技術創新，成功設計出便攜式污染物現場檢測質譜儀。本裝置可對樣品進行現場、實時、快速、準確地分析和檢測，不僅有利于質譜儀器的普及，也是在線檢測技術的一項重大創新。

參考文獻

[1] Blain，M.G.；Riter，L.S.；Cruz，D.； Austin，D.E.；Wu，G.X.； Plass，W.R.； Cooks，R.G.，Towards the hand-held mass spectrometer：design considerations，simulation， and fabrication of micrometer-scaled cylindrical ion traps，Int.J.Mass Spectrom[Z]. 2004（236）：91.

[2] Laughlin，B.C.；Mulligan，C.C.； Cooks，R.G.，High through-put mass spectrometer using atmospheric pressure ionization with a cylindrical ion trap array，Anal.Chem[Z].2005（77）： 2928.

[3] Ouyang，Z.；Wu，G.X.；Song，Y.S.； Li， H.Y.；Plass，W.R.；Cooks，R.G.， Rectilinear Ion Trap：Concepts， Calculations，and Analytical Performance of a New Mass Analyzer，Anal.Chem[Z].2004（76）：4595.

[4] Gao，L.；Song，Q.Y.；Patterson，G.E.；Cooks，R.G.Ouyang，Z，Handheld rectilinear ion trap mass spectrometer， Anal.Chem.，2006（78）：5994.

[5] Zhang SC，Zhang，C；Xing Z and Zhang XR，Simultaneous determination of-fetoprotein and free-human chorionic gonadotropin by element-tagged immunoassay with detection by inductively coupled plasma mass spectrometry，Clin.Chem[Z].2004（50）：1214.

[6] Van Hulle，M；Zhang，C；Schotte，B； Mees，L；Vanhaecke，F；Vanholder，R； Zhang，XR；Cornelis，R Identification of some arsenic species in human urine and blood after ingestion of Chinese seaweed Laminaria，J.Anal. Atom. Spectrom[Z].2004（19）：58.endprint

摘 要：本文基于新型離子源四極桿質譜儀負離子檢測模式研發的便攜式水質實時監測質譜儀，提高了小型四極桿質譜儀對對江、河、湖、泊水質及空氣質量現場檢測能力。本文以國內外最新研發成果為基礎，建立了小分子有機物的高靈敏度檢測方法，開發了應用于水質現場實時監測的新型便攜式在線質譜分析儀器。

關鍵詞：便攜式質譜儀 水質污染物監控 研發

中圖分類號：O657 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0076-02

質譜儀是一類將物質粒子（原子、分子）電離成離子，并通過適當的穩定或變化的電磁場將他們按空間位置、時間先后等實現質荷比分離，并檢測其強度進行定性、定量分析的分析儀器。近年來，隨著質譜技術的快速發展，質譜分析以及靈敏度高，樣品需求小等，分析速度快等優點在水質污染物監控中應用越來越廣。

目前，應用廣泛的大多為臺式大型質譜分析儀器。但由于臺式質譜儀的體積大、耗能高、價格昂貴，使質譜儀器的應用多僅局限于大型實驗室，不僅限制了質譜儀器的普及，也不便于現場快速檢測與分析。作為現場快速檢測手段，便攜式質普分析儀器具有儀器成本低、樣品用量少、靈敏度高、測量速度快等特點，它可以快速給出待測水質中小分子污染物質的種類與濃度，有利于水利管理部門提高應急反應的速率和對突發事件有效處置。因此，研究開發針對水質實時監測的便攜的小型質譜儀，對樣品進行現場、實時、快速、準確地分析和檢測具有重要現實意義。

本文提出通過氣體放電離子化的方式實現小型四極桿質譜儀的負離子模式檢測，提高小型四極桿質譜儀對水體污染物、爆炸物、農藥殘留、化學武器制劑等重要檢測對象進行高靈敏度檢測。

1 便攜式水質實時監測質譜儀設計

1.1 機械部分

四極桿質譜對真空度的要求通常在1.0 E-4～1.0E-5 Torr之間，真空獲取系統通常由兩級真空泵組成，即前級泵——機械泵和后級泵——渦輪分子泵。樣機前級泵采用BOC EDWARDS RV3機械泵，抽速3.7 m3/h，后級真空采用PFEIFFER小型渦輪分子泵TMH71P，抽速抽速70 L/s。可以獲得較小的體積和較低的功率消耗。

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

1.2 質譜電子系統：射頻電源

射頻信號源與控制信號幅度進行調制，調制后的信號通過差分放大完成信號雙端到單端的轉換，然后經過放大器放大，將小信號進行放大，經過中間級放大電路放大后的信號幅度達到10 Vp-p，輸出電流幾十個毫安到幾百個毫安，然后這個信號直接作為功率放大電路的輸入信號。已經開發出的測控系統適合應用在四極桿和四極桿兩種質譜儀器。主要技術指標包括：系統控制使用100 Mbps以太網控制接口，系統控制板使用32位嵌入式系統，48路12位100 kHzADC，16路12位60 kHzDAC，1路12位50 MHzDAC，6路TTL電平數字輸出，16路TTL電平數字輸入，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 測控系統

首先通過劃分模塊，使用PC104總線技術將各個模塊連接在一起，用計算機主板技術進行控制，并編寫嵌入式控制軟件控制儀器，與計算機通信。然后，在模塊化的測控系統在指標和儀器控制上能夠達到目標后，將測控功能合并到一起，研制出一體化的測控系統，更適合于小型化的儀器。

1.4 四極桿質譜軟件系統

射頻頻率可以實現手動和自動調節，可以精確到1 Hz。掃描時序可以通過添加、刪除、插入等任意配置四極桿的掃描段，可以設定射頻電壓的掃描幅度、經歷的時間、同步DA的大小以及何時同步、AC的大小和頻率等等。提供燈絲70 eV能量，發射電流的控制，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調節順序、調節范圍與調節的精度，完成自動調節，然后根據調節的結果——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置。提供數字輸入輸出，可以完成對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閉的控制，離子源加熱開始與結束的控制等等。通過對標志峰進行識別，從而建立射頻電壓幅度與質量數之間的關系式，完成對譜峰的識別。

2 結論

目前，在線小型在線四極桿質譜儀的檢測方法研究還未見報道，本文基于對放電離子化的小型四極桿質譜負離子模式檢測研究，實現了水質小分子有機物污染物在線檢測的技術創新，成功設計出便攜式污染物現場檢測質譜儀。本裝置可對樣品進行現場、實時、快速、準確地分析和檢測，不僅有利于質譜儀器的普及，也是在線檢測技術的一項重大創新。

參考文獻

[1] Blain，M.G.；Riter，L.S.；Cruz，D.； Austin，D.E.；Wu，G.X.； Plass，W.R.； Cooks，R.G.，Towards the hand-held mass spectrometer：design considerations，simulation， and fabrication of micrometer-scaled cylindrical ion traps，Int.J.Mass Spectrom[Z]. 2004（236）：91.

[2] Laughlin，B.C.；Mulligan，C.C.； Cooks，R.G.，High through-put mass spectrometer using atmospheric pressure ionization with a cylindrical ion trap array，Anal.Chem[Z].2005（77）： 2928.

[3] Ouyang，Z.；Wu，G.X.；Song，Y.S.； Li， H.Y.；Plass，W.R.；Cooks，R.G.， Rectilinear Ion Trap：Concepts， Calculations，and Analytical Performance of a New Mass Analyzer，Anal.Chem[Z].2004（76）：4595.

[4] Gao，L.；Song，Q.Y.；Patterson，G.E.；Cooks，R.G.Ouyang，Z，Handheld rectilinear ion trap mass spectrometer， Anal.Chem.，2006（78）：5994.

[5] Zhang SC，Zhang，C；Xing Z and Zhang XR，Simultaneous determination of-fetoprotein and free-human chorionic gonadotropin by element-tagged immunoassay with detection by inductively coupled plasma mass spectrometry，Clin.Chem[Z].2004（50）：1214.

[6] Van Hulle，M；Zhang，C；Schotte，B； Mees，L；Vanhaecke，F；Vanholder，R； Zhang，XR；Cornelis，R Identification of some arsenic species in human urine and blood after ingestion of Chinese seaweed Laminaria，J.Anal. Atom. Spectrom[Z].2004（19）：58.endprint

摘 要：本文基于新型離子源四極桿質譜儀負離子檢測模式研發的便攜式水質實時監測質譜儀，提高了小型四極桿質譜儀對對江、河、湖、泊水質及空氣質量現場檢測能力。本文以國內外最新研發成果為基礎，建立了小分子有機物的高靈敏度檢測方法，開發了應用于水質現場實時監測的新型便攜式在線質譜分析儀器。

關鍵詞：便攜式質譜儀 水質污染物監控 研發

中圖分類號：O657 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0076-02

質譜儀是一類將物質粒子（原子、分子）電離成離子，并通過適當的穩定或變化的電磁場將他們按空間位置、時間先后等實現質荷比分離，并檢測其強度進行定性、定量分析的分析儀器。近年來，隨著質譜技術的快速發展，質譜分析以及靈敏度高，樣品需求小等，分析速度快等優點在水質污染物監控中應用越來越廣。

目前，應用廣泛的大多為臺式大型質譜分析儀器。但由于臺式質譜儀的體積大、耗能高、價格昂貴，使質譜儀器的應用多僅局限于大型實驗室，不僅限制了質譜儀器的普及，也不便于現場快速檢測與分析。作為現場快速檢測手段，便攜式質普分析儀器具有儀器成本低、樣品用量少、靈敏度高、測量速度快等特點，它可以快速給出待測水質中小分子污染物質的種類與濃度，有利于水利管理部門提高應急反應的速率和對突發事件有效處置。因此，研究開發針對水質實時監測的便攜的小型質譜儀，對樣品進行現場、實時、快速、準確地分析和檢測具有重要現實意義。

本文提出通過氣體放電離子化的方式實現小型四極桿質譜儀的負離子模式檢測，提高小型四極桿質譜儀對水體污染物、爆炸物、農藥殘留、化學武器制劑等重要檢測對象進行高靈敏度檢測。

1 便攜式水質實時監測質譜儀設計

1.1 機械部分

四極桿質譜對真空度的要求通常在1.0 E-4～1.0E-5 Torr之間，真空獲取系統通常由兩級真空泵組成，即前級泵——機械泵和后級泵——渦輪分子泵。樣機前級泵采用BOC EDWARDS RV3機械泵，抽速3.7 m3/h，后級真空采用PFEIFFER小型渦輪分子泵TMH71P，抽速抽速70 L/s。可以獲得較小的體積和較低的功率消耗。

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

1.2 質譜電子系統：射頻電源

射頻信號源與控制信號幅度進行調制，調制后的信號通過差分放大完成信號雙端到單端的轉換，然后經過放大器放大，將小信號進行放大，經過中間級放大電路放大后的信號幅度達到10 Vp-p，輸出電流幾十個毫安到幾百個毫安，然后這個信號直接作為功率放大電路的輸入信號。已經開發出的測控系統適合應用在四極桿和四極桿兩種質譜儀器。主要技術指標包括：系統控制使用100 Mbps以太網控制接口，系統控制板使用32位嵌入式系統，48路12位100 kHzADC，16路12位60 kHzDAC，1路12位50 MHzDAC，6路TTL電平數字輸出，16路TTL電平數字輸入，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 測控系統

首先通過劃分模塊，使用PC104總線技術將各個模塊連接在一起，用計算機主板技術進行控制，并編寫嵌入式控制軟件控制儀器，與計算機通信。然后，在模塊化的測控系統在指標和儀器控制上能夠達到目標后，將測控功能合并到一起，研制出一體化的測控系統，更適合于小型化的儀器。

1.4 四極桿質譜軟件系統

射頻頻率可以實現手動和自動調節，可以精確到1 Hz。掃描時序可以通過添加、刪除、插入等任意配置四極桿的掃描段，可以設定射頻電壓的掃描幅度、經歷的時間、同步DA的大小以及何時同步、AC的大小和頻率等等。提供燈絲70 eV能量，發射電流的控制，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調節順序、調節范圍與調節的精度，完成自動調節，然后根據調節的結果——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置。提供數字輸入輸出，可以完成對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閉的控制，離子源加熱開始與結束的控制等等。通過對標志峰進行識別，從而建立射頻電壓幅度與質量數之間的關系式，完成對譜峰的識別。

2 結論

目前，在線小型在線四極桿質譜儀的檢測方法研究還未見報道，本文基于對放電離子化的小型四極桿質譜負離子模式檢測研究，實現了水質小分子有機物污染物在線檢測的技術創新，成功設計出便攜式污染物現場檢測質譜儀。本裝置可對樣品進行現場、實時、快速、準確地分析和檢測，不僅有利于質譜儀器的普及，也是在線檢測技術的一項重大創新。

參考文獻

[1] Blain，M.G.；Riter，L.S.；Cruz，D.； Austin，D.E.；Wu，G.X.； Plass，W.R.； Cooks，R.G.，Towards the hand-held mass spectrometer：design considerations，simulation， and fabrication of micrometer-scaled cylindrical ion traps，Int.J.Mass Spectrom[Z]. 2004（236）：91.

[2] Laughlin，B.C.；Mulligan，C.C.； Cooks，R.G.，High through-put mass spectrometer using atmospheric pressure ionization with a cylindrical ion trap array，Anal.Chem[Z].2005（77）： 2928.

[3] Ouyang，Z.；Wu，G.X.；Song，Y.S.； Li， H.Y.；Plass，W.R.；Cooks，R.G.， Rectilinear Ion Trap：Concepts， Calculations，and Analytical Performance of a New Mass Analyzer，Anal.Chem[Z].2004（76）：4595.

[4] Gao，L.；Song，Q.Y.；Patterson，G.E.；Cooks，R.G.Ouyang，Z，Handheld rectilinear ion trap mass spectrometer， Anal.Chem.，2006（78）：5994.

[5] Zhang SC，Zhang，C；Xing Z and Zhang XR，Simultaneous determination of-fetoprotein and free-human chorionic gonadotropin by element-tagged immunoassay with detection by inductively coupled plasma mass spectrometry，Clin.Chem[Z].2004（50）：1214.

[6] Van Hulle，M；Zhang，C；Schotte，B； Mees，L；Vanhaecke，F；Vanholder，R； Zhang，XR；Cornelis，R Identification of some arsenic species in human urine and blood after ingestion of Chinese seaweed Laminaria，J.Anal. Atom. Spectrom[Z].2004（19）：58.endprint