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(xué)研究，但如今它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域也更加多元化，甚至智能化。當(dāng)初為科學(xué)研究而開發(fā)的四極桿質(zhì)譜儀已經(jīng)在半導(dǎo)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(yīng)用。

歷史回顧

20世紀(jì)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(jī)軟件來控制儀器運(yùn)行。與計算機(jī)進(jìn)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(dāng)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(wù)及四極桿質(zhì)譜儀的各種操作設(shè)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(jì)80年度使用的四極桿質(zhì)譜儀擴(kuò)展器QMS 420。

到了上世紀(jì)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(dá)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(shè)備的機(jī)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(dāng)然，與帶有機(jī)架和電子設(shè)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(wù)，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(jìn)行檢測分析，需要對分析儀進(jìn)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(jì)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(luò)中利用一套軟件控制多臺檢測分析儀器設(shè)備，所謂的“多路復(fù)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(luò)和生產(chǎn)制造網(wǎng)絡(luò)中去，當(dāng)然也可以通過WLAN實現(xiàn)無線通訊。

圖3 Pfeiffer Vacuum公司當(dāng)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(shè)置、校準(zhǔn)、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(shè)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(shè)置物質(zhì)質(zhì)量等級或者測定靈敏度等任務(wù)，軟件系統(tǒng)已經(jīng)有了自動設(shè)定程序。更有許多制造商還開發(fā)出通過集成矩陣計算進(jìn)行自動定量分析的選項。

當(dāng)前的儀器設(shè)備

當(dāng)今的緊湊型四極桿質(zhì)譜儀是市場中的主導(dǎo)產(chǎn)品，只有在個別要求非常高的領(lǐng)域，才使用獨(dú)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(yīng)用，例如可以在有電離輻射和強(qiáng)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(jìn)、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(dá)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(hù)或者承擔(dān)校準(zhǔn)任務(wù)。利用太網(wǎng)接口可以與計算機(jī)進(jìn)行通信，利用USB接口可以與技術(shù)服務(wù)用的裝備進(jìn)行通訊。除了利用計算機(jī)軟件進(jìn)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(yīng)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(yīng)用于一些大學(xué)的實驗室檢測設(shè)備。

不同的觀點和發(fā)展趨勢

一些潛在應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)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(jìn)，以適應(yīng)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(jìn)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(shè)置簡單的操作界面，而不必理會質(zhì)譜儀的細(xì)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(shè)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(wù)器上運(yùn)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(dǎo)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(dú)立于計算機(jī)的操作系統(tǒng)，計算機(jī)上無需安裝質(zhì)譜儀操作軟件，而且利用各種無線通信設(shè)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(dú)配用泵系統(tǒng)的情況下用于過程監(jiān)控。當(dāng)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(jī)電系統(tǒng)的微型QMS原型機(jī)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(jī)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(qiáng)度的正電荷和負(fù)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(dāng)極桿上的電壓被設(shè)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(dá)檢測器。