H2S放電產(chǎn)生等離子體團(tuán)簇的飛行時(shí)間質(zhì)譜研究

向前蘭 王益軍

摘 要：質(zhì)子化的硫化氫團(tuán)簇是生物學(xué)、環(huán)境學(xué)和材料科學(xué)中重要的研究對象。對其氣相存在形態(tài)的研究是研究其性質(zhì)的基礎(chǔ)。為了研究制備質(zhì)子化硫化氫團(tuán)簇的可行性，采用脈沖高壓放電技術(shù)，利用自制的放電裝置對40 psi的H2S和Ar超聲射流脈沖混合氣體（其中H2S的濃度為2%）進(jìn)行放電來制備質(zhì)子化的硫化氫團(tuán)簇分子。利用自主搭建的飛行時(shí)間質(zhì)譜儀探測產(chǎn)生的離子團(tuán)簇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備的團(tuán)簇分子為H+（H2S）n（n=1～15），搭建的裝置能有效產(chǎn)生和探測離子團(tuán)簇。

關(guān)鍵詞：團(tuán)簇;質(zhì)譜;硫化氫

中圖分類號(hào)：O657.63

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

團(tuán)簇是由幾個(gè)乃至上千個(gè)原子、分子或離子通過物理或化學(xué)結(jié)合力形成的相對穩(wěn)定的微觀或亞微觀聚集體，對其形成、結(jié)合和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，有助于發(fā)展和完善原子結(jié)合理論以及研究各種大分子和固體的形成規(guī)律。此外，團(tuán)簇也是宇宙分子、塵埃、大氣煙霧、溶膠、云層形成和發(fā)展等在實(shí)驗(yàn)室條件下的一種模擬，因此，研究團(tuán)簇分子還可能為天體演化、大氣污染控制和人工調(diào)節(jié)氣候的研究提供線索。以硫?yàn)橹行牡臍滏I（sulfur-centered hydrogen bonds）在生物系統(tǒng)以及材料科學(xué)中普遍存在并具有重要意義，近年來越來越受到關(guān)注[1-2]。然而，SCHB網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的團(tuán)簇研究非常少[3-7]。其中，對于H+（H2S）n團(tuán)簇的研究更少，目前為止只有兩個(gè)相關(guān)的研究工作。YAMABE等[8]采用從頭計(jì)算對H+（H2S）n（n=0～5）進(jìn)行了基礎(chǔ)級別的計(jì)算（HF/4-31G）。WANG等[9]采用紅外光譜和從頭計(jì)算研究了H+（H2S）n（n=3～9）團(tuán)簇的分子結(jié)構(gòu)。

本研究對H2S和Ar的超聲射流脈沖混合氣體進(jìn)行脈沖高壓放電產(chǎn)生團(tuán)簇離子，利用自主設(shè)計(jì)的Wiley型脈沖式質(zhì)譜分析儀[10]探測H+（H2S）n（n=1～15）離子團(tuán)簇。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置的詳細(xì)介紹見文獻(xiàn)[10]。這里簡單介紹一下實(shí)驗(yàn)條件。2%H2S和Ar的混合氣體（40 psi）經(jīng)脈沖閥（Parker，General Valve series 9，額定電壓為12 V）進(jìn)入真空腔室。采用中科科儀生產(chǎn)的FF-160/700復(fù)合型分子泵保證腔室的真空度，腔室內(nèi)的動(dòng)態(tài)氣壓為7.6×10-3 Pa。在放電區(qū)瞬間加載脈沖高壓對混合氣體放電（放電裝置中直流電源的電壓設(shè)置為40 V，放電電容為1.88 μF），放電產(chǎn)生的等離子體經(jīng)絕熱膨脹后進(jìn)入引出區(qū)被偏轉(zhuǎn)電場加速，加速電壓為1 000 V。用微通道板（MCP）收集質(zhì)譜信號(hào)，據(jù)信號(hào)的具體情況將微通道板的電源電壓設(shè)置為-1 600 V或-1 700 V。

基于Wiley型脈沖式質(zhì)譜分析儀的原理[11]， 質(zhì)量為m，帶電量為q的離子在脈沖加速電場U中獲得動(dòng)能：

qU=12mv2（1）

接著，離子在無場區(qū)漂移做勻速運(yùn)動(dòng)，時(shí)間與飛行距離d的關(guān)系為t=d/v，于是得出飛行時(shí)間和離子質(zhì)量的關(guān)系如下：

mq=2Udt（2）

由式（1）和（2）式可知，在一定的加速電場下，離子的質(zhì)荷比與時(shí)間的平方成正比。實(shí)際情況中，由于加載到電極上脈沖電壓和粒子探測器響應(yīng)的延遲，需要對離子飛行時(shí)間做修正，修正量設(shè)為t0，則實(shí)際測量的飛行時(shí)間tm為

tm=t+t0（3）

故有

mq=2Udtm-2Udt0（4）

實(shí)驗(yàn)中，先測量出已知離子氬離子和硫離子的飛行時(shí)間，利用（4）式擬合出系數(shù)，再用此系數(shù)和測量的待歸屬離子的飛行時(shí)間即可得到質(zhì)荷比。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，我們制備的離子一般為一價(jià)離子，因此根據(jù)質(zhì)荷比可以得到離子質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

測量了偏轉(zhuǎn)加速電場相對脈沖放電不同延時(shí)時(shí)MCP探測的質(zhì)譜信號(hào)。圖1至圖3分別是延時(shí)為419 μs、469 μs和779 μs 時(shí)測量的質(zhì)譜圖。從圖1可以看到，當(dāng)延時(shí)為419 μs時(shí)，MCP僅探測到質(zhì)荷比為35的離子。由圖2，延時(shí)為469 μs時(shí)，探測到的離子質(zhì)荷比為35和69。圖3顯示探測到的離子質(zhì)荷比從103遞增到512，相鄰兩個(gè)峰間距為34。在延時(shí)小于419 μs時(shí)仍然只探測到質(zhì)荷比為35的離子，故我們認(rèn)為圖1至圖3中的離子分別為H+（H2S）、H+（H2S）和H+（H2S）2及H+（H2S）n（n=3～15）團(tuán)簇。當(dāng)延時(shí)較小時(shí)，只探測到較輕的離子，這是因?yàn)檩^輕的離子在被偏轉(zhuǎn)加速電場加速時(shí)獲得較大的速度，從而在漂移區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)所用時(shí)間較短，先到達(dá)探測器，故圖1和圖2中能探測到較輕的離子H+（H2S）和H+（H2S）2，而圖3中H+（H2S）和H+（H2S）2的離子信號(hào)幾乎為零，重離子的信號(hào)較強(qiáng)。文獻(xiàn)[9]采用與本文中同樣的方法制備了H+（H2S）n（n=3～9）團(tuán)簇，并用紅外光譜研究了其結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[12]采用放電產(chǎn)生的等離子體與室溫下空氣中的水分子反應(yīng)產(chǎn)生了H+（H2O）n（n=3～37）團(tuán)簇，并用三重四極桿質(zhì)譜儀進(jìn)行探測。結(jié)合這些文獻(xiàn)以及本文前面的分析，將實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的團(tuán)簇離子歸屬為H+（H2S）n團(tuán)簇是合理的。根據(jù)測量的H+（H2O）n質(zhì)譜圖可到質(zhì)量分辨率（m/Δm）為240。

3 結(jié)論

首次采用脈沖高壓放電技術(shù)對H2S/Ar的超聲射流混合氣體放電，制備了氣相團(tuán)簇分子，并采用自主搭建的飛行時(shí)間質(zhì)譜儀測定了H+（H2S）n（n=1～15）團(tuán)簇。本文的研究工作為后續(xù)研究質(zhì)子化氫硫團(tuán)簇的性質(zhì)打下了基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：曾 晶）

Study on Time-of-Flight Mass Spectrometry of Plasma

Clusters Generated by H2S Discharge

XIANG Qianlan*， WANG Yijun

（Ion beam & Optical Physical Joint Laboratory of Xianyang Normal University and Institute of Modern Physics， Chinese Academy of Sciences， Xianyang 712000， China）

Abstract：

Protonated hydrogen sulfide clusters are important research objects in biology， environment and materials science. The study of its gas phase existence form is the basis for studying its properties. Using pulsed high voltage discharge technology， the 40 psi H2S and Ar ultrasonic jet pulsed mixed gas （where the concentration of H2S is 2%） was discharged to prepare protonated hydrogen sulfide cluster molecules. The generated ion clusters were detected by a self-built time of flight mass spectrometer. The experimental result shows that the prepared cluster molecule is H+（H2S）n（n=1～15）， and it also shows that the device we built can effectively generate and detect ionic clusters.

Key words：

cluster; mass spectrometry; hydrogen sulfide

2440500520246