在线质谱仪的构造及其在发酵过程中的应用
1 质谱分析原理
质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3~10-5 Pa）
质量分析器（10-6 Pa）
(1) 大量氧会烧坏离子源的灯丝；
(2) 用作加速离子的几千伏高压会引起放电；
(3) 引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。
图1 质谱仪的结构图
2 质谱分析法和工业质谱仪的组成
质谱分析法是通过对被测样品离子质荷比的测定来分析其组成的一种方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场中运动行为的不同，把离子按质荷比(m/z)分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。
实验室质谱仪种类很多，从应用的角度可以分为有机、无机、同位素、气体分析质谱仪几类。其中，数量最多，用途最广的是有机质谱仪，包括各种色谱-质谱联用仪。从所用质量分析器的不同，可分为扇形磁场、四极杆、飞行时间、离子阱、傅里叶变换质谱仪等。
工业质谱仪是工业生产流程中使用的在线质谱仪，它是一种小型的气体分析质谱仪，目前使用的质量分析器有扇形磁场、四极杆、飞行时间三种。
工业质谱仪一般由检测系统、真空系统、电学系统和数据处理系统几个部分组成。
(1)检测系统由进样系统、离子源、质量分析器和离子检测器组成。样品由进样系统导入离子源，在离子源中被电离成正离子或负离子，离子束按质荷比大小由质量分析器分开，被检测系统接收并记录而获得质谱图。
图2 质谱仪检测系统的基本组成
(2)真空系统提供和维持质谱仪正常工作所需要的高真空，通常在10－3～10－9 Pa。
(3)电学系统为质谱仪的各个部件提供电源和控制电路。
(4)数据处理系统快速、高效地计算和处理质谱仪获得的大量数据，并承担仪器控制的任务。
2.1电子轰击型离子源
离子源是质谱仪的主要组成部件之一，其作用是使被分析的物质电离成为离子，并将离子会聚成有一定能量和一定几何形状的离子束。
在质谱分析中，常用的电离方法有电子轰击、离子轰击、原子轰击、真空放电、表面电离、场致电离、化学电离和光致电离等。各种电离方法是通过对应的各种离子源来实现的。
利用具有一定能量的电子束使气态样品分子或原子电离的离子源称为电子轰击型离子源。工业质谱仪的离子源都采用电子轰击型离子源。
对离子源的要求除有高的灵敏度，高的离子流稳定性外，还要求离子源具备高的抗污染能力。所以大都采用封闭离子源。一方面减少真空本底对谱图的影响，也减少灯丝碳化效应的影响。
图3电子轰击型离子源简图
1—出口缝；2—加速极；3—聚焦极；4—引出极；5—阴极；
6—电子束；7—电离室；8—离子束；9—直流稳压电源
常见的电子轰击型离子源采用钨(或铼、钽)丝作为直热式阴极，在高真空条件下施加Vc电压，使阴极升温而发射电子；在电离室与阴极之间加电压Ve的作用下，电子得到加速，成为具有10～100eV能量的慢电子；电子通过电离室到达阳极的过程中，与存在于电离室中的被分析气体(或蒸气)样品中的原子(分子)碰撞，或撞出原子(分子)中的电子形成正离子，或被原子(分子)俘获而成为负离子；利用引出极、聚焦极、加速极与电离室之间形成的静电场(场的分布与强度取决于电极的几何形状及Vd、Vf、Va等电压值)，将离子引出电离室，并且聚焦成为具有102～104eV能量的矩形(或圆形，取决于出口缝的形状)截面的离子束。
在电子轰击源中，被测物质的分子(或原子)或是失去价电子生成正离子，或是捕获电子生成负离子：
M + e → M＋ + 2e
M + e → M－
一般情况下，生成的正离子是负离子的103倍。如果不特别指出，常规质谱只研究正离子。轰击电子的能量至少应等于被测物质的电离电位，才能使被测物质电离生成正离子。元素周期表中各元素的电离电位在(3～25)eV(电子伏特)之间，其中绝大部分低于15eV。
2.2质量分析器（四极杆质量分析器）
四极杆质量分析器又称为四极滤质器。它由四根相互平行并均匀安置的金属杆构成，全属杆的截面是双曲线形的。由于加工理想的双曲线截面电极杆比较困难，在仪器中往往用圆柱形电极棒替代，实际电场与理想双曲线形场的偏差小于1％。
图4四极杆质量分析器原理图
图4是一种双曲截面四极杆质量分析器的示意图。相对的两根极杆为一组，在两组极杆上分别施加极性相反的电压。电压由直流电压和频率为射频(无线电波的频率，频率范围从3～3000MHz)的交流电压叠加而成。因此，电压含有直流分量和交流分量。
这样，在电极间形成一个对称于z轴的电场分布。离子束进入电场后，在交变电场作用下产生了振荡，在一定的电场强度和频率下，只有某种质量的离子能通过电场到达检测器，其他离子则由于振幅增大，最后撞到极杆上而被“过滤”掉，并被真空泵抽走。
四极杆质量分析的优点:
（1）没有笨重的磁铁，结构简单，体积小、成本低；
（2）对入射离子的初始能量要求不高，可采用有一定能量分散的离子源；
（3）用电子学方法可方便调节质量分辨率和检测灵敏度；
（4）改变高频电压的幅度，可以进行质谱扫描，不存在滞后等问题，扫描速度快；
（5）离子源离子进入质谱仪的加速电压不高，样品表面几乎没有电荷现象；
（6）离子在质谱计内受连续聚焦力的作用，不易受中性粒子散射的影响，因此对仪器的真空度要求不高，允许在1.33×10－2 Pa左右。
由于以上的优点，四极杆质谱计被广泛应用于要求并不高的质谱仪中。与磁质谱计相比，四极杆质谱计的质量分辨率和检测灵敏度都比较低。
2.3离子检测器
在质谱仪器中，离子源生成的离子经过质量分析器分离后，由离子检测器按离子质荷比大小接收和检测。根据工作原理的差别，离子的接收和检测方法主要有以下两种：
(1)直接电测法: 离子流直接为金属电极所接收，并用电学方法记录离子流。例如用法拉第筒作为离子接收器。
(2)二次效应电测法: 利用离子引起的两次效应，产生二次电子或光子，然后用相应的倍增器或电学方法记录离子流。二次电子倍增器就属于这一类。
2.3.1法拉第筒检测器
图5 法拉第筒检测器
1— 离子束；2—入口缝；3—离子抑制极；4—接地缝；5—二次电子抑制极；6—离子接收器
通过入口缝隙的离子(其它离子撞击入口缝板而接地)相继经过。离子抑制极(此电极上施加与离子加速电压的极性相同、数值相近的电压，以抑制杂散离子，后者的能量远小于被分析离子的能量)，和二次电子抑制极(此电极上施加101～102V负电压，以抑制被分析离子撞击法拉第筒时溅射出的二次电子，后者导致质谱峰高与峰形的畸变)，最终进入法拉第筒。这种检测器不存在固有噪音，无质量歧视效应且使用寿命很长，但无放大作用。
所谓质量歧视效应(mass discrimination effects)是指质谱仪中的一些部件，如离子检测器，对不同质量的离子产生不同响应的现象。
通常采用高输入阻抗的高增益放大器，把来自法拉第筒的离子流放大到足以用电测仪表指示的程度。采用的输入电阻越大，检测灵敏度越高、时间常数也越大。例如，采用静电计电子管或场效应管组成的直流放大器，当输入电阻取109～1012Ω时，最小可检测电流约10－13～10－15 A，时间常数约10～10－2 s。
2.3.2静电聚焦式电子倍增器
静电聚焦式电子倍增器是质谱仪器中应用最广的离子检测器。它是一种二次电子倍增器，其工作原理见图6。
图6静电聚焦式电子倍增器
1—离子束；2—阴极；3—打拿极（二次极）；4—阳极
一定能量的正离子打击阴极的表面，产生若干二次电子，然后用多级瓦片状的二次电极(或称打拿极)使二次电子不断倍增，最后为阳极所检测。
2.4真空系统
质谱仪的离子源、质量分析器及检测器工作时，必须处于高真空状态，离子源的真空度一般应＜10－3 Pa，质量分析器应＜10－4 Pa。若真空度低，则会发生以下现象：
(1)微量的氧就会烧坏离子源的灯丝；
(2)会使本底增高，干扰质谱图；
(3)引起额外的离子-分子反应，改变裂解模型，使质谱解释复杂化；
(4)干扰离子源中电子束的正常调节；
(5)用作加速离子的几千伏高压会引起放电，等等。
工业质谱仪的真空系统通常由低真空泵(前级机械真空泵)、高真空泵 (主泵)、电磁阀、真空计等组成。
工业质谱仪中的高真空泵通常采用涡轮分子泵，以获得清洁的高真空，满足质谱仪的工作条件。涡轮分子泵启动快，有时不到10min就能进入工作状态。
2.4.1低真空泵——前级机械真空泵
低真空泵有两个用途：一是作为高真空泵的前级泵，提供高真空泵正常工作所需要的前级真空；二是预抽真空，为进样系统、离子源或整个仪器暴露大气后预抽真空。由于机械泵的运用范围是从大气压开始，所以适合于作质谱仪器的低真空泵。有各种各样的机械泵可供选择，只要抽速和极限真空符合要求即可。一般要求抽速在120~360L/min，极限真空0.1Pa。最常用的机械泵是旋转式油封泵。
2.4.2高真空泵——涡轮分子泵
涡轮分子泵是利用高速旋转的涡轮叶片不断对被抽气体施以定向的动量和压缩作用，将气体排走的。图7是涡轮分子泵的基本结构，它有四个基本部分：
①带进气口法兰的泵壳；
②装有15～20对动轮叶和静轮叶的涡轮排；
③中频电动机和润滑油循环系统构成的驱动装置；
④用于安装涡轮排和电动机的底座。
图7涡轮分子泵结构图
1—动轮叶；2—静轮叶；3—泵壳；4—中频电动机；5—底座；
6—电机冷却水管
图8涡轮分子泵的动轮叶(a)和静轮叶(b)
涡轮分子泵所能达到的极限真空主要与涡轮排上动、静轮叶的个数有关，一般15～20级的泵可达到10－5～10－6Pa。其抽速主要与动轮叶的转速有关，可以从160L/s到1600L/s。
涡轮分子泵对质谱仪器来说有许多优点：它除有大的抽速和可以达到高的极限真空外；还因没有泵液而无本底污染；对所有气体有近似的抽速；偶尔暴露大气不会受损伤等。其主要缺点是价格太贵。
2.5进样系统
2.5.1多路进样阀系统
可装备16、32、64个取样点的多路进样阀，由气动或电动步进马达驱动样品流的选择。多路进样阀的外形如图9所示。
图9多路进样阀外形图
在任何时刻，只要选定一路气流，该气流就以20mL/min的流量，通过加热毛细管被送到保持在3×102 Pa压力的“T”形三通处，大部分样气通过减压毛细管被前级机械泵抽走，只有很小一部分样气通过分子漏孔被送入离子源。
该系统的响应时间小于0.5s，这是靠使用死容积很小的阀及全部系统保持在80℃而达到的，系统加热可使不易挥发的物质的响应时间减至最小。进样系统的控制由机内处理器实现。
2.5.2电磁阀进样系统
采用电磁阀进行多流路切换的进样系统见图10。系统内气体样品的流通回路和毛细管被加热到120℃，以保持样品的气化状态。绝大部分样品由前级机械泵抽走(返回到质谱仪外部的样品管路中)，仅有很小一部分样品(约2.5×10－4 mL/s)通过分子漏孔进入质谱仪的离子源。流路切换和进样过程由时间程序控制，每个流路进样气流的滞留时间约为5s。
图10流动毛细管进样口系统
1—电磁阀；2—不锈钢毛细管；3—前级机械泵；4—去MS分子漏孔
2.6计算机、数据处理系统
在计算机未问世前，用反射式电流计，即被检测的每个 m/e 值的离子电流作用于电流计上，电流计的发射镜就把光束反射到光敏纸上，从而实行记录。
计算机系统的功能是对质谱仪进行控制，包括对质谱数据的采集、处理和打印。现有电子轰击源 (EI) 的质谱仪的均有 NIST 标准谱库，谱库中有十几万张标准谱图及用于环保、农药、兴奋剂, 代谢产物等专用谱库。可进行谱库检索。高分辨质谱仪其数据系统的软件则更丰富，还能给出分子离子和其他碎片离子的元素组成及理论计算值、偏差值 (百万分之一), 饱和度等其他有关信息。
3 质谱仪在发酵过程中的应用
3.1 质谱仪在avermectin发酵过程中尾气分析的应用
在除虫链霉菌发酵过程中，国内首次成功引入质谱仪进行尾气的在线测定，从而有助于过程的控制与理解。通过进行数据关联，发现质谱测定的数据更为全面和精确，由此计算的间接参数更为合理；呼吸商可以作为葡萄糖浓度过低的预警，参与补料速率控制；另外还找到临界通气量为1600m3/h。
3.1.1 利用质谱仪进行尾气测定
各种在线参数中，尾气中各种气体的浓度有着相当重要的地位。质谱仪是最佳选择。由于响应时间短和自动化技术的运用，一台质谱仪可以同时监测数十组信号，而且取样的气体流量较低。质谱仪可以长时间稳定运行，一般一个月校正一次，且校正过程为计算机控制自动进行，十分方便。质谱仪的最大优点是精度极高，与常规气体分析仪功能上最大的差异体现在质谱仪不但可以分析O2与CO2，还能对于各种挥发性的物质进行高精度定量分析。更多的在线参数为我们的过程分析提供更多有效的信息。质谱仪的主要缺点在于设备昂贵，绝对成本高；但如果是用于大规模在线监测，对于每一个反应器的相对成本就要大大降低。
尾气分析使用VG primaδB型质谱仪，它支持多达56路样品及 7路标准气体。除测定各发酵罐出口气体成分外，还引入一路入口气体作为参比。自动进样系统将会保证在计算机控制下质谱仪循环测定各路样品浓度。如果仅测定常规的N2、Ar、O2、CO2种气体含量百分比，每组数据测定时间为5s，如果不忽略其他气体如乙醇等，则需额外的3s进行测定。
3.1.2 在线数据处理
最后的数据处理汇总和相关分析是通过华东理工大学生化工程中心自行开发的上位机软件包 《发酵过程检测系统BIORADAR 2.0》 完成。
3.2 质谱仪在高炉监测中的应用
随着国际钢铁市场竞争的日益激烈，钢铁企业需不断提高效益，减少消耗，以获得竞争优势。许多世界领先的钢铁公司通过采用连续、在线气体分析装置，获得了显著成功。本节以高炉监测为例，介绍质谱仪在钢铁工业中的应用。
（1） CO、CO2监测。高炉生产中通过提高焦比来提高高炉的效率，在高效的高炉操作中，焦碳消耗必须控制在最少。CO和CO2的水平代表了高炉的还原情况，在炼铁过程中，利用质谱仪对CO和CO2含量进行实时地连续测量可以将焦碳消耗每吨铁减少100 kg。
（2） 氢气分析。使用质谱仪可以对氢气含量的突然增高快速报警，氢气的突然升高预示着冷却水向高炉的泄漏。冷却水泄漏的早期监测可避免高炉冷却，从而避免了焦碳消耗的增加。另外，质谱仪连续、精确地控制氢气可以避免氢气含量达到危险的极限水平，从而防止易爆混合物的产生。
（3） 氮气分析。在用氮气作为吹扫气体的情况下，炉顶气体中氮/氩比是检测取样系统故障的理想标志，按照此比值来设定警报级别，能够提早检测故障并减少高成本。另外，铁的产量主要决定于高炉热量控制的水准，许多工厂利用气体分析数据来计算高炉底部额外热量，从而控制高炉温度来确保连续稳定的铁产量。氮气对于精确计算物质平衡测量是至关重要的。质谱仪可以直接测量氮气，而不像红外分析仪从其它气体的测量中推测出氮气含量。
（4） 上部炉料和下部炉料气体分析。质谱仪的快速分析速度和多流路样气输入系统使利用单一质谱仪监测多个流路成为可能。质谱仪除了可以分析顶气外，还可以分析上部炉料管和下部炉料管中气体组分。
质谱仪用于高炉气体分析的特性和优点是：在3s内快速分析6个成分（H2、CO2、CO、N2、Ar和O2）；每吨铁减少焦碳消耗100 kg；氢气的快速准确检测优化了高炉热量控制，提高了高炉泄漏时的安全性；氮气的直接测量提高了质量平衡计算的精确度；延长了高炉的工作周期；所有数据由一台分析仪提供，从而简化了与控制系统的连接。
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