一種熱重分子束質譜聯用裝置製造方法
2023-05-07 20:42:21 4
一種熱重分子束質譜聯用裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種熱重分子束質譜聯用裝置。包括熱重分析儀、質量分析器、電離源、和分子束取樣機構；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具有二級差分抽氣結構，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，並對應著電離區域；分子束取樣機構為二級差分結構，包括管狀的加熱爐和取樣噴嘴，加熱爐內坩堝上的被測物在溫度作用下產生逸出產物，逸出產物在氣壓作用下經過分子束取樣機構進入電離源，再進入質量分析器，氣壓逐級遞減，逸出產物在電離源的電離腔內形成分子束。
【專利說明】一種熱重分子束質譜聯用裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於物質質量定量分析【技術領域】，具體涉及生物質燃料和熱分析領域的實驗技術，將這種技術用於生物質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】
[0002]熱重技術是一種測量樣品在加熱、冷卻或恆溫時質量變化與溫度或時間關係的定量分析技術。該技術的特點是定量能力強，能準確地測量物質的質量變化和速率變化。熱重技術本身沒有定性能力，一般通過與其它分析技術聯用實現定性分析。目前與熱重聯用的分析技術包括光譜、色譜和質譜三類技術。
[0003]使用較廣泛的光譜技術主要是傅立葉變換紅外光譜(FTIR)技術。該技術可以根據分子振動光譜的不同直接對熱解產物進行官能團鑑定，同時獲得多種氣體的紅外光譜信息，並能對逸出組分進行連續掃描。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物的信息。這種技術無法測定氮氣、氧氣等不具有紅外活性的氣體分子，對與鑑別C、H原子數較多的碳氫化合物也比較困難。儘管FTIR能夠根據已知的化合物對紅外光的吸收係數信息進行定量分析，但實驗參數對信號強度的影響十分複雜。色譜技術是一種使用廣泛，並具有有效分離和鑑別能力的技術。為了保證較高的分離能力，色譜柱的長度一般有數十米，這導致分離時間過長，無法對熱解產物進行連續分析。由於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生反應的、具有熱穩定性和揮發性的物種，對不穩定的中間體(如自由基)等組分無能為力。質譜技術是一種普適的檢測技術，檢測速度快，靈敏度高，並能對樣品進行在線分析。通常熱重通過一根毛細管與質譜等分析儀器連接，但樣品熱解逸出的活潑物種極易在毛細管中猝滅，這種連接技術只適合探測穩定組分。另外，在測量時毛細管一般要加熱至約200°C，以防止穩定組分的凝結。
【發明內容】
[0004]為了解決熱重和質譜聯用分析時，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，通過改進本發明提供一種熱重分子束質譜聯用裝置。
[0005]一種熱重分子束質譜聯用裝置包括熱重分析儀I和質量分析器4，還包括電離源3和分子束取樣機構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的末端連接著質量分析器4的加速電極；
分子束取樣機構2為二級差分結構，包括管狀的加熱爐12和取樣噴嘴，加熱爐12內中部同軸設有坩堝13，坩堝13的底部連通著支撐杆的上端，支撐杆的下端連通著熱重分析儀I的天平；加熱爐12內上部同軸設有取樣噴嘴，取樣噴嘴為二級差分結構，其下端為進口，且進口位於坩堝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物23，逸出產物23在氣壓作用下經過分子束取樣機構2進入電離源3，再進入質量分析器4，氣壓逐級遞減，逸出產物23在電離源3的電離腔內形成分子束。
[0006]本發明熱重分子束質譜聯用裝置取樣後傳輸速度快，沒有活性成分的猝滅，取樣後的成分電離後由質量分析器進行分析，該裝置既能實現實時、在線地探測逸出氣體成分，又能實現定性和定量同步分析。
[0007]本發明的有益技術效果體現在以下方面:
1、現有的熱重技術通常通過毛細管與光譜、色譜、質譜等相聯，實現對熱解產物的定性分析。在毛細管中，活潑物種極易猝滅，穩定組分容易凝結，這極大限制了檢測的準確性和全面性。本發明通過增設分子束取樣機構能有效降低分子間的碰撞機率，有利於活性組分的探測，並具有極高的靈敏度；
2、現有的熱重技術通過毛細管與光譜、色譜、質譜等相聯，毛細管長度有數米，待測物在毛細管中停留時間長，不能實現對熱解產物的實時、快速測量。本發明採用的分子束取樣機構長度僅有十幾釐米，待測成分的通過分子束取樣機構的時間為微秒量級，很容易實現對熱解產物的實時、快速測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為本發明結構示意圖。
[0009]圖2為兩級差分的分子束取樣機構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時的逸出產物質譜圖。
[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時的逸出產物質譜圖。
[0014]上圖中序號:熱重分析儀1、分子束取樣機構2、電離源3、質量分析器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]下面結合附圖，通過實施例對本發明作進一步地說明。
[0016]實施例1
參見圖1，一種熱重分子束質譜聯用裝置包括熱重分析儀1、分子束取樣機構2、電離源3和質量分析器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2為二級差分結構，包括管狀的加熱爐12，加熱爐12內中部同軸設有坩堝13，坩堝13的底部連通著支撐杆的上端，支撐杆的下端連通著熱重分析儀I的天平；加熱爐12內上部同軸設有取樣噴嘴。取樣噴嘴包括結構相同的噴嘴管21和準直漏勺22，準直漏勺22同軸位於噴嘴管21內；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下端的圓錐口位於噴嘴管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下端的圓錐口位於坩堝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，二者之間採用石墨材料密封。
[0020]電離源3位於取樣噴嘴的上方，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物23，逸出產物23在氣壓作用下經過分子束取樣機構2進入電離源3，再進入質量分析器4，氣壓逐級遞減，逸出產物在電離源3的電離腔內形成分子束。
[0022]質量分析器4內為真空狀態，真空度由第二分子泵6維持，質量分析器4為飛行時間質譜。
[0023]本發明的工作原理如下:
被測物置於加熱爐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歷升華、汽化、分解等過程並形成逸出產物23，被測物的質量發生變化，熱重分析儀I記錄坩堝13內的被測物的質量隨溫度的變化關係。與此同時，逸出產物23經過分子束取樣系統2，由於壓力逐級降低，逸出產物23形成分子束，並進入電離腔。在電離腔內逸出產物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作用下進入質量分析器
4。質量分析器4可以獲得每個溫度下被測物逸出的產物的成分。
[0024]圖4和圖6中的質譜圖是以飛行時間質譜獲得。具有相同能量的離子飛行一段距離後到達探測器，質量小的離子速度快，較早到達探測器，質量大的離子速度慢，較晚到達探測器。根據到達的時間先後順序確定質荷比，從而獲得質譜圖。
[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獲取的質譜圖，採用的電離方式為同步輻射光電離，光子能量為10.5 eV。在質譜圖中可以觀測到含氧(質荷比m/z 110、124、138、146)和含甲基(質荷比m/z 158、172)的酚類化合物，以及質荷比為m/z 240-350的多環芳香族化合物。
[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獲取的質譜圖，採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物為主，包括質荷比m/z 144、126、114、97、91，同時，也出現了部分衍生物，如質荷比m/z 166、180，當光子能量增加到10.5 eV時，可以檢測到多糖產物(質荷比 m/z 85、73、55)。
【權利要求】
1.一種熱重分子束質譜聯用裝置，包括熱重分析儀(I)和質量分析器(4)，其特徵在於:還包括電離源(3)和分子束取樣機構(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)的末端連接著質量分析器(4)的加速電極；分子束取樣機構(2)為二級差分結構，包括管狀的加熱爐(12)和取樣噴嘴，加熱爐(12)內中部同軸設有坩堝(13)，坩堝(13)的底部連通著支撐杆的上端，支撐杆的下端連通著熱重分析儀(I)的天平；加熱爐(12)內上部同軸設有取樣噴嘴，取樣噴嘴為二級差分結構，其下端為進口，且進口位於坩堝(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物(23)，逸出產物(23)在氣壓作用下經過分子束取樣機構(2)進入電離源(3)，再進入質量分析器(4)，氣壓逐級遞減，逸出產物(23)在電離源(3)的電離腔內形成分子束。
2.根據權利要求1所述的一種熱重分子束質譜聯用裝置，其特徵在於:二級差分結構的取樣噴嘴包括結構相同的噴嘴管(21)和準直漏勺(22)，所述準直漏勺(22)同軸位於噴嘴管(21)內；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)下端的圓錐口位於噴嘴管(21)下端的圓錐口的上方，噴嘴管(21)下端的圓錐口為進口。
3.根據權利要求1所述的一種熱重分子束質譜聯用裝置，其特徵在於: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，二者之間採用石墨材料密封。
4.根據權利要求1或2所述的一種熱重分子束質譜聯用裝置，其特徵在於:所述電離源(3)中的第一電極(31)、第二電極(32)、第三電極(33)均為環形聚焦電極，所述電離源(3)位於取樣噴嘴的上方，與坩堝(13)中逸出產物(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.根據權利要求1或2所述的一種熱重分子束質譜聯用裝置，其特徵在於:所述質量分析器(4)內為真空狀態，真空度由第二分子泵(6)維持，在使用過程中，質量分析器(4)既可以是飛行時間質譜，也可以是四極質譜或離子阱質譜。
【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 優先權日:2014年9月23日
【發明者】周忠嶽, 齊飛, 潘洋, 楊玖重, 王國情 申請人:中國科學技術大學