四極桿質(zhì)譜儀的歷史、發(fā)展及趨勢

文/Patrick Walther

四極桿質(zhì)譜儀是如何發(fā)展到今天這個地步的呢？未來又會是什么樣呢？// 盡管最初四極桿質(zhì)譜儀的研發(fā)的主要目的是科學研究，但如今它已經(jīng)被廣泛地應用在各個領(lǐng)域的檢測分析中了。在過去的30年里，這種變化如何發(fā)生的呢？今后的發(fā)展趨勢又是什么呢？

在過去的30年里，四極桿質(zhì)譜儀（簡稱為QMS）從外形到功能都發(fā)生了很大的變化，它變得更加緊湊、堅固耐用，應用領(lǐng)域也更加多元化，甚至智能化。當初為科學研究而開發(fā)的四極桿質(zhì)譜儀已經(jīng)在半導體工業(yè)、冷凍干燥，以及密封性檢測等領(lǐng)域中得到了廣泛地應用。

歷史回顧

20世紀80年代后，第一臺正式上市的四極桿質(zhì)譜儀，即QMS 420型四極桿質(zhì)譜儀，見圖1所示，只有19英寸的大小，通過電纜將分析儀和其他組件連接起來。這臺四極桿質(zhì)譜儀既可以用只顯示四行文字的LCD顯示器來控制，也可以用控制單元上的鍵盤或者計算機軟件來控制儀器運行。與計算機進行信息傳輸?shù)慕涌谑荝S-232-C型串行接口，同時顯示屏下方每個軟鍵的功能都有文字注釋。與其配套使用的通訊模塊有模擬信號和數(shù)字信號兩種輸入輸出模塊。檢測分析的結(jié)果就可以通過數(shù)據(jù)記錄儀對外輸出，也可以通過示波器通道對外輸出。

當時使用的控制軟件由多個子程序組成，利用這些子程序完成檢測任務及四極桿質(zhì)譜儀的各種操作設置，例如，在做檢測分析操作時，要打開某個特定的子程序，如果想查看一些保存的檢測數(shù)據(jù)就要打開另一個子程序，這些子程序保證了控制軟件可以隨時切換不同的操作。

圖1 上世紀80年度使用的四極桿質(zhì)譜儀擴展器QMS 420。

到了上世紀90年代初期，新一代四極桿質(zhì)譜儀取代了第一代的四極桿質(zhì)譜儀，新一代的質(zhì)譜儀的質(zhì)量檢測范圍高達300amu原子質(zhì)量單位，電子控制系統(tǒng)也有了較大改變，新一代的質(zhì)譜儀不再需要安裝電子設備的機架，而是將電子控系統(tǒng)直接安裝在分析儀器的真空饋通上，使結(jié)構(gòu)變的更加緊湊。當然，與帶有機架和電子設備的老一代四極桿相比較，緊湊型四極桿質(zhì)譜儀的價位相對要便宜一些，但檢測功能卻稍遜一籌，尤其是在靈敏度、指示極限和測量速度等方面也略有下降，因此，這種四極桿質(zhì)譜儀非常適合完成一些相對簡單的任務，例如殘留氣體分析、泄露檢測或者特定時間段內(nèi)的某些物質(zhì)質(zhì)量的監(jiān)測等等，如圖2所示，是第一款緊湊型四極桿質(zhì)譜儀QMS。新一代質(zhì)譜儀也有使用不便的地方，例如，為了能夠在UHV超高真空范圍內(nèi)使用四極桿質(zhì)譜儀進行檢測分析，需要對分析儀進行加熱，這就要求必須從分析儀上取下電子裝置。

圖2 Pfeiffer Vacuum公司研發(fā)生產(chǎn)的第一代緊湊型質(zhì)譜儀QMS實例。

直到21世紀第一個十年的中期，市場中大多數(shù)四極桿質(zhì)譜儀配備的還都是串行接口。在一個網(wǎng)絡中利用一套軟件控制多臺檢測分析儀器設備，所謂的“多路復用技術(shù)”通過Arcnet令牌總線和光纖電纜來實現(xiàn)連接。后來，又開發(fā)了采用RS-485、USB或者以太網(wǎng)接口的四極桿質(zhì)譜儀，利用太網(wǎng)接口技術(shù)可以將各種四極桿質(zhì)譜儀集成到辦公網(wǎng)絡和生產(chǎn)制造網(wǎng)絡中去，當然也可以通過WLAN實現(xiàn)無線通訊。

圖3 Pfeiffer Vacuum公司當前的緊湊型四極桿質(zhì)譜儀Prosma Pro的接口。

在不斷地發(fā)展中，四極桿質(zhì)譜儀的操作系統(tǒng)得到了不斷的完善。利用控制器的操作幾乎全部被軟件所取代。在基于Windows操作系統(tǒng)的控制程序中，設置、校準、測量、評估等所有的功能都包含在一個軟件中，數(shù)據(jù)操作更加便捷性，界面顯示更加友好。此外，借助于模塊化的的編程指令，設備對一些超常規(guī)測量已經(jīng)實現(xiàn)了全自動化檢測，同時，像設置物質(zhì)質(zhì)量等級或者測定靈敏度等任務，軟件系統(tǒng)已經(jīng)有了自動設定程序。更有許多制造商還開發(fā)出通過集成矩陣計算進行自動定量分析的選項。

當前的儀器設備

當今的緊湊型四極桿質(zhì)譜儀是市場中的主導產(chǎn)品，只有在個別要求非常高的領(lǐng)域，才使用獨立電子系統(tǒng)的四極桿質(zhì)譜儀。今天的四極桿質(zhì)譜儀借助其高質(zhì)量的分析器，在工作使用過程中有著更好的穩(wěn)定性。另外，它還可以在許多特定的環(huán)境及研究領(lǐng)域中應用，例如可以在有電離輻射和強磁場的環(huán)境中使用；能夠出色地完成粒子加速或者核聚變實驗。

緊湊型四極桿質(zhì)譜儀的技術(shù)性能也得到了明顯的改進、提升。今天，即便是小型的四極桿質(zhì)譜儀（桿長125毫米，極桿直徑6毫米）檢測速度也可以達到1ms/amu，并在E-15hPa的壓力范圍下使用，最大功率30W，功耗非常低。

現(xiàn)代化的緊湊型四極桿質(zhì)譜儀可以配用多種多樣不同的接口，如圖3所示（一個接口示例）。它采用了D-Sub連接器（EXT I/O和AUX I/O），可以提供大量的模擬和數(shù)字式的輸入傳輸。數(shù)字輸入端提供了選擇和啟動原先創(chuàng)建的測量方案，數(shù)字輸出端則提供了更高級別的控制功能，其中就包括了四極桿質(zhì)譜儀的狀態(tài)信息，例如:排放狀態(tài)、錯誤報警等等。通過模擬輸入端可以讀取外部信號，例如溫度或者氣流等。模擬輸出端能將測量到的離子電流數(shù)據(jù)或者濃度數(shù)據(jù)等測量值傳輸?shù)礁呒墑e的控制系統(tǒng)中去。此外，外部的總壓力測量管可以直接用于單極保護或者承擔校準任務。利用太網(wǎng)接口可以與計算機進行通信，利用USB接口可以與技術(shù)服務用的裝備進行通訊。除了利用計算機軟件進行通訊之外，在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中也可以利用PLC可編程序控制器直接通訊。一些供應商還提供Labview驅(qū)動程序（Labview是美國國家儀器公司推出的一種編程語言），這些驅(qū)動程序主要應用于一些大學的實驗室檢測設備。

不同的觀點和發(fā)展趨勢

一些潛在應用領(lǐng)域不斷擴大，數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和不斷變化的市場需求為質(zhì)譜儀帶來了新的挑戰(zhàn)，因此，質(zhì)譜技術(shù)也必須不斷地優(yōu)化改進，以適應不斷變化的條件。未來幾年四極桿質(zhì)譜儀技術(shù)的發(fā)展主要有兩大趨勢：一個是操作軟件的進一步開發(fā)，另一個趨勢就是小型化?，F(xiàn)在用戶都希望有一個易于使用、設置簡單的操作界面，而不必理會質(zhì)譜儀的細節(jié)和理論。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，企業(yè)和高等院校的實驗室用在熟悉質(zhì)譜儀操作使用上的時間將越來越少，只有特殊需求的實驗室才能使用更深層次的質(zhì)譜儀操作，例如離子源的參數(shù)設置等等。有些質(zhì)譜儀生產(chǎn)廠家還提供了基于瀏覽器的用戶界面，作為PC程序的替代解決方案，四極桿質(zhì)譜儀的控制程序?qū)⒃赪eb服務器上運行的，在瀏覽器中輸入IP地址與質(zhì)譜儀建立連接。大多數(shù)Web用戶界面的都是瘦身版的，質(zhì)譜儀功能通常也只能完成某些測量模式下的檢測分析，甚至無法導出測量結(jié)果，因此Web-UI功能的優(yōu)化是軟件未來發(fā)展最重要的方向。Web-UI用戶界面是獨立于計算機的操作系統(tǒng)，計算機上無需安裝質(zhì)譜儀操作軟件，而且利用各種無線通信設備也可以實現(xiàn)四極桿質(zhì)譜儀的控制。

而質(zhì)譜儀未來發(fā)展的另一個趨勢就是小型化，尤其是分析器的小型化。相對較小的極桿系統(tǒng)（例如12毫米長）已經(jīng)出現(xiàn)在市場中了。由于它的外形尺寸相對較小，因此這種分析器在不降低壓力的情況下，可以在壓力范圍為E-2hPa內(nèi)使用，并且能夠在不單獨配用泵系統(tǒng)的情況下用于過程監(jiān)控。當然，質(zhì)譜儀的檢測靈敏度是有所下降的（尺寸縮小十分之一，檢測靈敏度降低百分之一）。儀器廠商經(jīng)發(fā)明出采用MEMS微機電系統(tǒng)的微型QMS原型機了。但這種產(chǎn)品目前還沒有上市，該產(chǎn)品的最大缺點是對顆粒物的靈敏度不高，另外，只有大批量的生產(chǎn)制造這樣的質(zhì)譜儀才能與傳統(tǒng)的四極桿質(zhì)譜儀相互競爭。在這樣的背景條件下，基于MEMS微機電系統(tǒng)的QMS是否會在廣闊的市場中站穩(wěn)腳跟還有待觀察。

LP本刊提示

QMS是如何檢測的？

四極桿質(zhì)譜儀中的四極桿兩兩一組，分別受到兩個同樣強度的正電荷和負電荷的作用而形成反向交變電壓。四極桿質(zhì)譜儀的工作原理就是質(zhì)量過濾，在給定的物理條件下，只允許單一荷質(zhì)比(m/z)的離子通過檢測器。利用四個相互平行的、正方形配置的金屬電極以及它們在交流和直流電場的交互作用下產(chǎn)生振蕩，從而只允許有一定荷質(zhì)比的離子可以直線飛行，穩(wěn)定的通過電場。當極桿上的電壓被設定之后，質(zhì)量過小或者過大的離子的飛行軌跡都不穩(wěn)定，最終會碰撞到金屬桿或者飛出電場而無法通過質(zhì)量選擇器，到達檢測器。