教學(xué)質(zhì)譜儀的設(shè)計(jì)、構(gòu)造及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

蘇海峰，鄧順柳,＊，李云凱，吳迪，林志敏，黃曉圳，梁曼玉，盧文和，邱源，鄭蘭蓀

1 廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(廈門大學(xué))，福建 廈門 361005

2 中元匯吉生物技術(shù)股份有限公司，重慶 400039

化學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論和實(shí)踐相結(jié)合、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的重要途徑，然而傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的諸多問(wèn)題已難以適應(yīng)當(dāng)前高等院校對(duì)人才培養(yǎng)的需要[1]。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，教學(xué)內(nèi)容陳舊。目前高校的化學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，盡管設(shè)計(jì)巧妙，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能很好地反映學(xué)科與技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。第二，教學(xué)模式單一。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多采用教師講授，學(xué)生“照方抓藥”的教學(xué)模式，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。第三，分析儀器配備不足。我國(guó)僅少數(shù)高校本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室能夠配備質(zhì)譜儀、拉曼光譜儀、X射線衍射儀等常見(jiàn)分析儀器，這些儀器基本都是從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，學(xué)生缺乏動(dòng)手操作這些分析儀器的機(jī)會(huì)。同時(shí)，這些商品化的分析儀器往往都是“黑箱子”模式，儀器的設(shè)計(jì)和功能并沒(méi)有考慮教學(xué)的需求，極大地限制了學(xué)生對(duì)儀器內(nèi)部構(gòu)造和原理的深入學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后不能很好地適應(yīng)實(shí)際工作或科研的需求。

讓學(xué)生自主搭建和調(diào)試看起來(lái)高不可攀的分析儀器，進(jìn)而掌握儀器的工作原理及應(yīng)用，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)造力最直接和有效的途徑。廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院自主研發(fā)儀器的歷史悠久，在國(guó)內(nèi)高校久負(fù)盛名，這也是廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院始終恪守“自強(qiáng)不息、止于至善”的校訓(xùn)，形成的“敢為先、重細(xì)節(jié)、合為貴”的學(xué)科文化的體現(xiàn)[2]。近年來(lái)，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院將教學(xué)理念融入到儀器研發(fā)之中，以科研帶動(dòng)教學(xué)內(nèi)容更新，開發(fā)出了一系列成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化、可自主拆裝和調(diào)試的教學(xué)型儀器，如教學(xué)質(zhì)譜儀、教學(xué)型多功能拉曼光譜儀等[3,4]，服務(wù)于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)與人才培養(yǎng)，彰顯了化學(xué)學(xué)科的科研優(yōu)勢(shì)與特色，也實(shí)現(xiàn)了科研成果反哺本科教學(xué)。

本文以教學(xué)質(zhì)譜儀為例，介紹了儀器的設(shè)計(jì)理念及儀器基本構(gòu)造，并對(duì)其在高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，以期為教學(xué)儀器的研發(fā)以及高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供新的思路。

1 教學(xué)質(zhì)譜儀設(shè)計(jì)理念

質(zhì)譜儀是物質(zhì)定性和定量分析不可或缺的重要分析儀器，質(zhì)譜分析具有分析速度快、化學(xué)特異性強(qiáng)、樣品用量少的特點(diǎn)，在化學(xué)、生命、材料、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生及國(guó)際反恐等領(lǐng)域具有不可替代的作用和舉足輕重的地位[5-7]。廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院早在20世紀(jì)80年代就開始了質(zhì)譜儀器的研發(fā)[8-10]，近年來(lái)，我們以實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際需求為導(dǎo)向，按照以下設(shè)計(jì)理念不斷開拓和創(chuàng)新教學(xué)用質(zhì)譜儀的研發(fā)：

(1) 簡(jiǎn)化儀器構(gòu)造，降低儀器成本，滿足普通院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求；

(2) 儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化，方便質(zhì)譜原理教學(xué)；

(3) 主要部件采用模塊化設(shè)計(jì)，便于學(xué)生自主拆卸與組裝；

(4) 參數(shù)調(diào)節(jié)采用全手動(dòng)設(shè)計(jì)，方便學(xué)生自主調(diào)節(jié)并考察各參數(shù)對(duì)儀器性能的影響；

(5) 設(shè)計(jì)保護(hù)電路，防止學(xué)生誤操作和損壞儀器，確保教學(xué)過(guò)程中儀器的穩(wěn)定運(yùn)行。

2020年，新一代教學(xué)型電子轟擊-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀研制成功，并在廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院中心科學(xué)實(shí)驗(yàn)班進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

2 教學(xué)質(zhì)譜儀基本構(gòu)造

圖1為教學(xué)質(zhì)譜儀構(gòu)造示意圖，由進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分組成，其中離子源、質(zhì)量分析器和檢測(cè)器是教學(xué)質(zhì)譜儀的核心部分，離子源為電子轟擊電離源(Electron Impact，EI)，質(zhì)量分析器為飛行時(shí)間質(zhì)量分析器(Time-of-Flight Mass Analyzer，TOF)，檢測(cè)器為微通道板(Microchannel Plates，MCP)。

圖2為電子轟擊-飛行時(shí)間教學(xué)質(zhì)譜儀三維設(shè)計(jì)圖(不含計(jì)算機(jī)系統(tǒng))，其中1為進(jìn)樣系統(tǒng)，2為電子轟擊離子源，3為飛行時(shí)間質(zhì)量分析器，4為檢測(cè)器，5為真空泵，6為控制系統(tǒng)。

圖2 電子轟擊-飛行時(shí)間教學(xué)質(zhì)譜儀三維設(shè)計(jì)圖(不含計(jì)算機(jī)系統(tǒng))

2.1 進(jìn)樣系統(tǒng)

圖3為進(jìn)樣系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖。教學(xué)質(zhì)譜儀采用脈沖電磁閥結(jié)合毛細(xì)管進(jìn)樣。電磁閥的功能是在進(jìn)樣后及時(shí)切斷進(jìn)氣，保證儀器的真空度能快速恢復(fù)，達(dá)到質(zhì)量分析器的工作要求。毛細(xì)管則選用內(nèi)徑65 μm、長(zhǎng)度90 mm的不銹鋼管，避免進(jìn)樣過(guò)程低沸點(diǎn)樣品發(fā)生爆沸。教學(xué)質(zhì)譜儀的進(jìn)樣系統(tǒng)主要適合氣體或易揮發(fā)液體化合物的定性分析。為了保證更好地氣化樣品，同時(shí)加速樣品切換過(guò)程的殘留去除，可以采用加熱電阻絲對(duì)毛細(xì)管進(jìn)行加熱。

圖3 進(jìn)樣系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)圖(a)和實(shí)物圖(b)

2.2 離子源

離子源是使樣品電離形成帶電離子的裝置。根據(jù)被分析物質(zhì)的特性及分析要求的差異，常見(jiàn)的電離方法[5]有電子轟擊(Electron Impact，EI)、化學(xué)電離(Chemical Ionization，CI)、電噴霧電離(Electro Spray Ionization，ESI)、場(chǎng)電離(Field Ionization，F(xiàn)I)、快原子轟擊(Fast Atom Bombardment，F(xiàn)AB)、基質(zhì)輔助激光解析電離(Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization，MALDI)和大氣壓化學(xué)電離(APCI)等。

教學(xué)質(zhì)譜儀采用應(yīng)用最為廣泛，原理也較為簡(jiǎn)單的EI電離源(圖4)，其基本工作原理是：在離子源內(nèi)，金屬鎢絲被加熱至2000 °C，電子從發(fā)熱的燈絲表面逃逸后在電場(chǎng)的作用下朝陽(yáng)極方向加速運(yùn)動(dòng)形成高能電子束，當(dāng)氣態(tài)樣品分子與高能電子發(fā)生碰撞，分子受激失去電離電位較低的價(jià)電子形成分子離子[M]·+，并部分裂解形成各種碎片離子。不同質(zhì)荷比的離子在推斥電壓和電離室電壓的共同作用下離開電離室，并通過(guò)狹縫壓縮成窄帶離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器的脈沖加速區(qū)。

圖4 電子轟擊(EI)電離源

2.3 質(zhì)量分析器

質(zhì)量分析器是利用不同方法將離子源電離產(chǎn)生的離子按質(zhì)荷比(m/z)進(jìn)行分離的裝置。常見(jiàn)的質(zhì)量分析器有[5,11]：扇形磁場(chǎng)(Magnetic Sector)質(zhì)量分析器、離子回旋共振(Ion Cyclotron Resonance，ICR)質(zhì)量分析器、四極桿(Quadrupole)質(zhì)量分析器、離子阱(Ion Trap)質(zhì)量分析器、軌道阱(Orbitrap)質(zhì)量分析器和飛行時(shí)間(Time-of-Flight，TOF)質(zhì)量分析器等。

教學(xué)質(zhì)譜儀采用結(jié)構(gòu)和原理最為簡(jiǎn)單的直線型飛行時(shí)間質(zhì)量分析器，分析器實(shí)物采用全透明觀察窗設(shè)計(jì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全可視化，離子在分析器內(nèi)的無(wú)場(chǎng)區(qū)飛行距離(L)為0.43 m (圖5)。TOF質(zhì)量分析器基本工作原理是[5]：電離源產(chǎn)生的離子在雙脈沖(包括引出脈沖和加速脈沖)電壓作用下加速進(jìn)入到分析器的無(wú)場(chǎng)區(qū)，根據(jù)所施加的脈沖電壓值(U)，離子所獲得的動(dòng)能為E=zeU，由可計(jì)算得到離子的飛行速度(其中z為離子的電荷數(shù)，m為離子的質(zhì)量)，不同質(zhì)量數(shù)的離子運(yùn)動(dòng)速度不同。經(jīng)過(guò)一段距離為L(zhǎng)的無(wú)場(chǎng)飛行，離子到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間，不同質(zhì)量的離子因到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間不同得以分離并檢測(cè)。通過(guò)離子到達(dá)時(shí)間t即可計(jì)算得到離子的質(zhì)荷比。實(shí)際工作中由于存在各種脈沖及采集卡延時(shí)，需要對(duì)分析器進(jìn)行校準(zhǔn)以得到離子的質(zhì)量數(shù)。分析器內(nèi)同時(shí)設(shè)置偏轉(zhuǎn)電極，偏轉(zhuǎn)電極用于對(duì)抗離子引入加速區(qū)的垂直方向運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，保證離子束能有效到達(dá)檢測(cè)器區(qū)域。

2.4 檢測(cè)器

檢測(cè)器用于探測(cè)和放大質(zhì)量分析器中分離開的離子的信號(hào)。常見(jiàn)的檢測(cè)器有[5]：法拉第筒(Faraday Cup)、打拿極電子倍增器(Discrete Dynode Electron Multipliers)、通道電子倍增器(Channel Electron Multipliers)和微通道板(Microchannel Plates，MCP)。

教學(xué)質(zhì)譜儀以MCP為檢測(cè)器(圖6)，MCP由許多排列在一起的微通道構(gòu)成，微通道內(nèi)壁涂有二次電子發(fā)射材料。在MCP兩端加以-1--2 kV的直流高電壓，正離子經(jīng)過(guò)加速后高速撞擊到微通道板表面產(chǎn)生大量的二次電子，這些二次電子在微通道中進(jìn)一步撞擊管壁后產(chǎn)生更多的電子。如此往復(fù)，形成電子的雪崩效應(yīng)，輸入的信號(hào)得以放大最終轉(zhuǎn)化為電流，從而提高信號(hào)檢測(cè)效率。

圖6 微通道板(MCP)檢測(cè)器

2.5 真空系統(tǒng)

教學(xué)質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)量分析器和檢測(cè)器都必須在真空條件下工作：EI電離源需要在真空條件下才能將樣品分子(或原子)離子化；為了使離子能夠安全地通過(guò)TOF質(zhì)量分析器的無(wú)場(chǎng)區(qū)并最終到達(dá)檢測(cè)器，離子在飛行管里自由飛行時(shí)不能與其他氣體分子發(fā)生碰撞，因此質(zhì)譜儀需要在一定的真空環(huán)境下運(yùn)行。教學(xué)質(zhì)譜儀TOF質(zhì)量分析器中離子的飛行距離為0.43 m，根據(jù)分子平均自由程計(jì)算公式(其中λ為分子平均自由程，kB為玻爾茲曼常數(shù)，d為分子有效直徑，P為氣體壓強(qiáng))，儀器的真空度須低于1.55 × 10-2Pa離子才能安全地飛抵檢測(cè)器。要達(dá)到這一真空度要求，教學(xué)質(zhì)譜儀配置兩級(jí)真空泵：第一級(jí)真空泵采用隔膜泵，第二級(jí)真空泵采用渦輪分子泵(油泵也能滿足真空需求，但可能存在油的擴(kuò)散污染問(wèn)題)。

2.6 控制系統(tǒng)

教學(xué)質(zhì)譜儀的離子源、質(zhì)量分析器和檢測(cè)器參數(shù)調(diào)節(jié)采用全手動(dòng)設(shè)計(jì)，方便學(xué)生自主調(diào)節(jié)，掌握各參數(shù)對(duì)質(zhì)譜儀器性能的影響?？烧{(diào)參數(shù)包括脈沖電壓(包括引出脈沖和加速脈沖)、發(fā)射電流、電離能電壓、電離室電壓，推斥極電壓、偏轉(zhuǎn)電極電壓和檢測(cè)器電壓等(圖2)。

為了防止學(xué)生誤操作損壞儀器，儀器設(shè)有完善的保護(hù)電路，確保教學(xué)過(guò)程儀器穩(wěn)定運(yùn)行。

2.7 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)裝有自行編寫的EXS 800質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集軟件，圖7為軟件界面。

圖7 EXS 800質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集軟件界面

這款專門為教學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)譜儀能滿足高校開設(shè)與質(zhì)譜儀相關(guān)的組裝、調(diào)試及應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)的需求：儀器體積小、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定，性能符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求(質(zhì)量范圍 ＞ 500 Da，質(zhì)量分辨 ＞ 300)；主要部件采用透明觀察窗和模塊化設(shè)計(jì)，便于原理講解和學(xué)生自主拆裝；參數(shù)調(diào)節(jié)為全手動(dòng)設(shè)計(jì)，便于學(xué)生自主調(diào)節(jié)并掌握各參數(shù)對(duì)儀器性能的影響；儀器配備完善的保護(hù)電路，可以確保教學(xué)過(guò)程儀器穩(wěn)定運(yùn)行。

3 教學(xué)實(shí)踐

應(yīng)用這款教學(xué)質(zhì)譜儀，廈門大學(xué)化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心率先開設(shè)了“教學(xué)質(zhì)譜儀的搭建、調(diào)試及應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)，并在中心科學(xué)實(shí)驗(yàn)班進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，取得了非常好的教學(xué)效果。現(xiàn)以“教學(xué)質(zhì)譜儀的搭建、調(diào)試與應(yīng)用”為例，介紹相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)效果。

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生掌握質(zhì)譜儀基本構(gòu)造及質(zhì)譜分析方法基本原理；掌握EI離子源、TOF質(zhì)量分析器、MCP檢測(cè)器等主要部件工作原理，并用其搭建電子轟擊-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀；掌握儀器性能參數(shù)調(diào)試方法，熟悉各參數(shù)對(duì)儀器性能的影響；應(yīng)用搭建的電子轟擊-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀進(jìn)行實(shí)際樣品測(cè)試，掌握質(zhì)譜圖解析方法。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

電子轟擊-飛行時(shí)間教學(xué)質(zhì)譜儀主要由進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等模塊組成，其中離子源為EI電離源，質(zhì)量分析器為TOF質(zhì)量分析器，檢測(cè)器為MCP。各模塊工作原理詳見(jiàn)第2節(jié)“教學(xué)質(zhì)譜儀基本構(gòu)造”。

樣品分子(或原子)在電離室中離子化后形成各種質(zhì)荷比(m/z)的離子，經(jīng)脈沖加速電場(chǎng)作用形成離子束并進(jìn)入TOF質(zhì)量分析器，經(jīng)過(guò)一段無(wú)場(chǎng)飛行后不同質(zhì)荷比的離子分別被檢測(cè)器檢測(cè)，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集軟件得到相應(yīng)質(zhì)譜圖。質(zhì)譜圖橫坐標(biāo)為離子的質(zhì)荷比，縱坐標(biāo)為離子的豐度或相對(duì)豐度。

通過(guò)質(zhì)譜分析，根據(jù)待測(cè)化合物的分子離子峰和相關(guān)碎片峰，可推測(cè)出待測(cè)化合物的分子結(jié)構(gòu)式及元素組成信息。

3.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1) 主要模塊的組裝。

要求學(xué)生在熟悉教學(xué)質(zhì)譜儀基本構(gòu)造和工作原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)小組合作的方式，自主完成質(zhì)譜儀主要模塊的組裝，包括EI離子源、脈沖加速器和MCP檢測(cè)器。

如圖8所示，用內(nèi)六角扳手和開口雙頭扳手依次將離子源底座、電離室的peek支架柱子、屏蔽罩支架柱子、燈絲底座、燈絲、電離室等組裝起來(lái)，然后用六角套筒將屏蔽罩安裝到離子源上得到完整的EI離子源。

圖8 EI離子源組裝示意圖(a)及組裝實(shí)物圖(b)

如圖9所示，用六角套筒將脈沖加速器底座、O圈、支架柱子、加速器屏蔽罩、絕緣柱子、加速脈沖電極、引出脈沖電極、接地電極、絕緣墊圈依次組裝，得到完整的脈沖加速器。

圖9 脈沖加速器組裝示意圖(a)及組裝實(shí)物圖(b)

如圖10所示，用六角套筒將檢測(cè)器底座、O圈、支架柱子、微通道板、接地電極依次組裝成得到完整微通道板檢測(cè)器(說(shuō)明：MCP檢測(cè)器為精密儀器組件，初學(xué)者需在教師指導(dǎo)下進(jìn)行組裝)。

圖10 微通道板檢測(cè)器組裝示意圖(a)及組裝實(shí)物圖(b)

(2) 教學(xué)質(zhì)譜儀的自搭建。

根據(jù)教學(xué)質(zhì)譜儀構(gòu)造示意圖(圖1)及三維設(shè)計(jì)圖(圖2)，通過(guò)小組合作的方式，利用組裝完整的EI離子源、脈沖加速器、MCP檢測(cè)器等主要模塊，完成教學(xué)質(zhì)譜儀的自搭建，連接好各模塊與控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的連接線(圖11)。

檢查各模塊連接線正確無(wú)誤后，開啟計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)電源，并對(duì)儀器進(jìn)行抽真空操作：打開隔膜泵，等待真空降至1× 103Pa以下，開啟渦輪分子泵，真空度降至1 × 10-3Pa以下才符合樣品測(cè)試要求。

(3) 儀器性能參數(shù)的調(diào)試。

在圖11的基礎(chǔ)上，依次打開離子源供電、脈沖供電、檢測(cè)器供電，進(jìn)行EI離子源、TOF質(zhì)量分析器及檢測(cè)器各參數(shù)調(diào)節(jié)，直至出現(xiàn)穩(wěn)定、分辨率較好的質(zhì)譜峰型，觀察各參數(shù)對(duì)儀器性能的影響?？烧{(diào)節(jié)參數(shù)包括離子源脈沖高壓、發(fā)射電流、電離能電壓、電離室電壓，以及推斥極和偏轉(zhuǎn)電極電壓參數(shù)等。

圖11 教學(xué)質(zhì)譜儀搭建實(shí)物圖

(4) 教學(xué)質(zhì)譜儀的應(yīng)用及譜圖解析。

已知樣品測(cè)試：用移液槍在樣品管中加入約50 μL已知樣品(如乙腈、無(wú)水乙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷、環(huán)己烷等)，將樣品管與進(jìn)樣系統(tǒng)連接。打開進(jìn)樣脈沖開關(guān)，依次調(diào)節(jié)離子源脈沖高壓、發(fā)射電流、電離能電壓、電離室電壓、推斥極電壓和偏轉(zhuǎn)電極電壓等參數(shù)，觀察譜圖的變化，直至出現(xiàn)穩(wěn)定、分辨率較好的質(zhì)譜峰型，記錄各參數(shù)數(shù)據(jù)，并對(duì)質(zhì)譜圖進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)譜圖信息對(duì)各峰進(jìn)行歸屬分析。

未知樣品測(cè)試：用移液槍在樣品管中加入約50 μL的未知樣品，將樣品管與進(jìn)樣系統(tǒng)連接。打開脈沖進(jìn)樣開關(guān)，記錄質(zhì)譜圖，根據(jù)譜圖信息對(duì)各峰進(jìn)行歸屬分析，推斷未知樣品為何種化合物。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉檢測(cè)器供電、脈沖供電、EI離子源供電，然后關(guān)閉分子泵，等待分子泵的轉(zhuǎn)速降至0，最后關(guān)閉隔膜泵以及電腦和電源控制箱。

3.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1) MCP檢測(cè)器為精密儀器組件，初學(xué)者須在教師指導(dǎo)下進(jìn)行組裝。

(2) 儀器搭建完成后須檢查各模塊連接線正確無(wú)誤。

(3) 需等待高真空規(guī)數(shù)值達(dá)到 1 × 10-3Pa以下方可連接各模塊電源供電。

根據(jù)圖8不難看出，隨著交替循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件的質(zhì)量損失率變化的趨勢(shì)為先減小后增大。經(jīng)過(guò)2次、3次和5次交替循環(huán)后，其質(zhì)量損失率分別為-1.67%、0.13%以及2.13%。交替作用下混凝土質(zhì)量損失率變化主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)階段：

(4) 參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)可先粗調(diào)節(jié)，然后再微調(diào)，直至出線穩(wěn)定、分辨較好的質(zhì)譜峰型。

3.5 實(shí)驗(yàn)要求

(1) 掌握EI離子源、脈沖加速器和MCP檢測(cè)器的組裝方法。

(2) 掌握教學(xué)質(zhì)譜儀的自搭建方法。

(3) 掌握儀器參數(shù)包括離子源脈沖高壓、發(fā)射電流、電離能電壓、電離室電壓，以及推斥極和偏轉(zhuǎn)電極電壓參數(shù)對(duì)質(zhì)譜信號(hào)的影響規(guī)律。

(4) 掌握利用質(zhì)譜推測(cè)未知化合物結(jié)構(gòu)的方法。

3.6 思考題

(1) 如何計(jì)算離子獲取的動(dòng)能？

(2) 儀器的分辨主要取決于什么電壓？

(3) 偏轉(zhuǎn)電壓與哪些參數(shù)相關(guān)？它們的關(guān)系如何？

(4) 如何提高儀器的靈敏度？

4 教學(xué)反饋與教學(xué)建議

該實(shí)驗(yàn)通過(guò)教學(xué)質(zhì)譜儀的自主搭建，并進(jìn)行儀器參數(shù)的手動(dòng)調(diào)試和應(yīng)用研究，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，加深了他們對(duì)質(zhì)譜分析方法、質(zhì)譜儀器原理及構(gòu)造的理解，提高了動(dòng)手能力與實(shí)踐能力。更重要的是，該實(shí)驗(yàn)打破了學(xué)生對(duì)科學(xué)儀器的神秘感，對(duì)啟迪學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維具有重要影響。該實(shí)驗(yàn)在廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2020級(jí)和2021級(jí)中心科學(xué)實(shí)驗(yàn)班連續(xù)進(jìn)行了2年教學(xué)實(shí)踐，由于具有上述教學(xué)特點(diǎn)和獨(dú)特的教學(xué)模式，該實(shí)驗(yàn)開設(shè)后廣受學(xué)生歡迎，學(xué)生普遍認(rèn)為：該實(shí)驗(yàn)有利于擴(kuò)展視野，加深了對(duì)質(zhì)譜儀原理及內(nèi)部構(gòu)造的認(rèn)識(shí)；教學(xué)質(zhì)譜儀的模塊化與可視化設(shè)計(jì)對(duì)于理解其工作原理有很大幫助；通過(guò)拆裝儀器，可以更加清晰地了解質(zhì)譜儀器的組成部件以及工作原理；參數(shù)手動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)可以更直觀地感受到參數(shù)與儀器性能分辨率之間的關(guān)系等。

該實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全，適用于化學(xué)、化學(xué)測(cè)量學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)本科生。實(shí)驗(yàn)由小組合作完成，為保證每位學(xué)生的參與度，建議每臺(tái)儀器2-3人為宜(不超過(guò)5人)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為兩部分：第一部分為教學(xué)質(zhì)譜儀的搭建(約6學(xué)時(shí))，第二部分為教學(xué)質(zhì)譜儀的性能參數(shù)調(diào)試及應(yīng)用(約4學(xué)時(shí))，中間除儀器抽真空(約2 h)可離人外，其余實(shí)驗(yàn)均由學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成。兩部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以用于模塊化教學(xué)，適合不同學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。該實(shí)驗(yàn)的拓展空間大，除本文所列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，還可根據(jù)實(shí)際教學(xué)條件，利用聯(lián)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)譜儀應(yīng)用的靈活拓展，比如將教學(xué)質(zhì)譜儀應(yīng)用于質(zhì)譜熱分析、催化反應(yīng)過(guò)程監(jiān)測(cè)等實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)科學(xué)儀器長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，因價(jià)格昂貴，大部分高校配置這些儀器主要是保證科研需求，同時(shí)，這些分析儀器往往都是“黑箱子”模式，其設(shè)計(jì)和功能并沒(méi)有考慮教學(xué)需求，因而在實(shí)際儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，往往是由教師演示儀器的操作，學(xué)生進(jìn)樣獲得結(jié)果后加以分析。學(xué)生缺乏實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，不了解儀器的構(gòu)造、工作原理，這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，顯然不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。從廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研制的教學(xué)質(zhì)譜儀及教學(xué)實(shí)踐效果來(lái)看，讓學(xué)生自主搭建并調(diào)試這些分析儀器，能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深化學(xué)生對(duì)儀器原理和構(gòu)造的認(rèn)識(shí)，更重要的是破除了學(xué)生對(duì)科學(xué)儀器的神秘感，使得儀器分析實(shí)驗(yàn)從“打一針”轉(zhuǎn)變?yōu)椤按筇?hào)玩具”的拆解組裝，培養(yǎng)了學(xué)生敢想敢做的科學(xué)創(chuàng)新精神。今后需要有更多的教師及工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員參與教學(xué)型分析儀器的研發(fā)，并積極和企業(yè)開展產(chǎn)學(xué)研合作，降低儀器成本，使更多的分析儀器可以被設(shè)計(jì)為可供拆裝的教學(xué)儀器，滿足普通院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。與此同時(shí)，高校也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)地設(shè)計(jì)多樣化的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式，真正發(fā)揮這些教學(xué)分析儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，切實(shí)促進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。