質譜儀適用于對氣相介質或液相介質的蒸氣進行連續、快速準確的在線分析。質譜儀在石油化工領域主要應用于氨合成、煤氣化、環氧乙烷、乙烯、甲醇、聚烯烴、重整等生產裝置。

質譜法是一種通過質量分離器將已經離子化的化合物按照不同荷質比分離分析的分析技術。質譜儀為了達到物質的分析目的，物質分子必須首先離子化，產生與化合物對應的離子，進入質量分離器中進行分離，目標離子通過質量分離器到達檢測器，最后通過特殊的離子檢測器即法拉第杯，將代表的目標離子信號放大并轉換成數字信號。之后將檢測到的離子強度與校正表對比，就可以得到目標物質全面的信息。



1、質譜儀典型應用
①甲醇生產工藝中采用質譜儀對合成塔中反應氣的分析檢測。
②合成氨生產工藝中采用質譜儀監測一段轉化中蒸氣碳數比、一段轉化中甲烷氣含量、甲烷轉化爐出口氫氮比、氨合成塔氫氮比。

2、質譜儀結構
工業在線質譜儀由取樣器、離子源、質量分離器和檢測器等單元組成，如圖所示。



◆取樣器：采用多流路快速取樣器將樣品引入質譜儀，如圖所示。
◆減壓系統 ：質譜儀在真空狀態下工作，必須減小樣氣的壓力。
◆離子源：將樣氣分子轉換為帶電離子。
◆質量分離器：離子由于質量不同而被電場和/或磁場分開。
◆檢測器：對不同質量離子的數量進行測量。

3、離子源
質譜的檢測對象主要是有機物和生命活性物質，離子源通常分為4類，即電子轟擊電離、化學電離、解吸電離、噴 霧電離，表1為常見的用于有機物分析的質譜電離源。

表1 常見的用于有機物分析的質譜電離源表



在線質譜儀的離子源通常采用電子轟擊電離，如圖所示。


電子轟擊型離子源原理示意圖

采用熱燈絲在真空條件下發射電子，并在電離室中加速，與電離室中樣氣的分子碰撞，導致一個或更多電子被脫去從而形成正離子。

4、質量分離器
質量分離器通過適當的電場或磁場將離子源引出的離子在空間或時間上按照質荷比的大小進行分離。目前常見的在線質譜儀的質量分離器為扇形磁場質量分離器和四極桿質量分離器。

1)扇形磁場質量分離器
離子源引出的離子束在加速電極電場的作用下，離子獲得一定速度，離子的運動速度與質量有關：

式中z為離子電荷數；U為加速電壓；m為離子質量；v為離子運動速度。

加速后的離子進入扇形磁場質量分離器，在磁場的作用下改變運動方向做圓周運動，而圓周半徑與離子的質荷比、加速電壓和磁場強度有關：

式中z為離子電荷數；U為加速電壓；m為離子質量；H為磁場強度；R為離子運動半徑。

離子到達檢測器的運動半徑R依質量分離器的結構而固定，通過磁場強度H固定，連續改變加速電壓U, 或加速電壓U固定，不斷改變磁場強度H,控制不同質荷比的離子依次到達檢測器。扇形磁場質量分離器的工作原理如圖所示。



2)四極桿質量分離器
四極桿質量分離器的結構就是在相互垂直的兩個平面上平行放置四根金屬圓柱。如果把水平方向定義為x方向，垂直方向為y方向，與金屬圓柱平行的方向為z方向，在x與y兩支電極上分別 施加±(UV cost)的高頻電壓(V為電壓幅值，U為直流分量，ω為圓頻率，t為時間)，則在四個金屬圓柱之間的空間形成一個形如馬鞍的交變電場。離子束進入電場后，在交變電場作用下產生振蕩，只有某種質量的離子能通過電場到達檢測器，其他離子則由于振幅較大撞到極桿上而無法到達檢測器，如圖所示。


四極桿質量分離器工作原理

四極桿質量分離器能夠通過電場的調節進行質量掃描或質量選擇，質 量分離器的尺寸能夠做到很小，掃描速度快，無論是操作還是機械構造，均相對簡單。但這種儀器的分辨率不高；桿體易被污染；維護和裝調難度較大。

5、檢測器
在線質譜儀中，法拉第杯檢測器和電子倍增器是比較常見的檢測器。
a)法拉第杯檢測器
這種檢測器是將一個具有特定結構的金屬片接入特定的電路中，收集落入金屬片上的電子或離子，然后進行放大等處理，得到質譜信號，如圖 所示。一般來說，這種檢測器沒有增益，其靈敏度非常低，限制了它的用 途，一般用于常量組分的檢測，通常測量范圍為1×10-5~100%。



b)電子倍增器
初始具有一定能量的正離子打擊陰極的表面，產生二次電子。經過多次打擊，使二次電子不斷倍增，最后被檢測。

電子倍增管是質譜儀器中使用比較廣泛的檢測器之一。單個電子倍增管基本上沒有空間分辨能力，難以滿足質譜學日益發展的需要。于是，人 們就將電子倍增管微型化，集成為微型多通道板(MCP)檢測器，如圖所 示，并且在許多實際應用中發揮了重要作用。電子倍增器可用于微量組分的檢測，通常測量范圍為10-8~103。



6、質譜儀特點
①速度快，5~10s/流路。
②全組分測量。
③ 消耗低，無須載氣。
④多流路快速分析。
⑤精度高。
⑤維護量小，一般兩年維護一次。
⑥標定間隔時間長， 6~12月標定質譜儀一次。
⑦質譜儀占地小，節省配套空間和公用工程消耗。

7、質譜儀安裝注意事項
a)預處理系統
①將具有代表性的氣體樣本從取樣點送至質譜分析儀。
②傳輸時間盡量短。
③過濾掉所有固體顆粒和液體。
④提供適當的壓力、溫度和流量。
⑤確保不發生冷凝。
⑥維護簡單。
b)標定氣體
①通常情況下，標定氣瓶的數量與需要測量的氣體組分數相同。
②為了標定靈敏度和重疊峰需要多瓶標定氣。
③分析的精確度與使用的標準氣的精度一致。
c)安裝環境要求
①質譜儀安裝在室內。
②需要空調。
③質譜儀可能需要專用分析小屋。
④需要校準氣。