激光电离飞行时间质谱在固体样品分析中的应用

摘要

长期以来,针对固体样品中组成成分的分析测定十分普遍,尤其是在冶金、环境、地质、空间探索等领域。对于这类样品,传统的分析方法一般是先将所获得的固体样品消解成溶液形态后再进行分析,这一过程不仅费时费力,所用到的强腐蚀性酸碱溶液更大大增加了操作的复杂性和危险性,也可能对样品引入污染,影响测定结果的准确性。因此,为了消除基于溶液的分析方法所暴露出来的种种弊端,针对固体样品的直接分析方法应运而生,这种技术的发展也一直倍受关注。
　　 经过多年的研究,本课题组自行开发了用于固体样品直接分析的新型激光电离飞行时间质谱(Laser Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry,LI-TOFMS)系统,它将工作于低气压下的高能激光溅射离子源与飞行时间质量分析器完美结合,其性能指标处于国际领先水平。本论文主要介绍了这一新型仪器在实际样品分析中的应用,它能实现不同固体样品中元素及分子成分的定性、定量测定。下面是主要研究内容和成果的简要说明:
　　 1、合金、土壤等样品中的元素成分分析。其中描述了两种定量方法的可行性,一种是传统的标准曲线法,另一种方法则是基于不同元素在仪器中离子浓度与信号强度之间稳定、统一的响应,直接通过信号强度来获得元素含量。研究结果表明,激光电离飞行时间质谱技术在对固体样品的多元素分析方面具有巨大优势。与真空激光电离源相比,在新型的低压激光溅射电离过程中,通入离子源中的低压氦气和产生的离子会发生频繁的碰撞,这不仅能大大降低离子的初始动能,提高离子传输效率和仪器分辨率,同时,由于发生了三体碰撞复合反应(Three-body collisional recombination),生成的大量多价离子都被降价为一价离子从而降低了谱图的干扰。基于以上特点,这种新型的激光电离质谱检测技术能够在无需标准样品的情况下也能保证对固体样品定性和定量分析结果的准确性。
　　 2、建立了针对溶液残渣样品的元素成分分析方法。本工作使用简单的样品前处理过程将不同浓度的混合盐溶液蒸发干燥成残渣样品,再通过激光电离质谱技术分析其中的元素成分,通过简单计算就能间接获得溶液中各元素的浓度。该研究的结果不仅证实了激光电离质谱技术拥有低至飞克级(10-15g)的绝对检出限,更将这一技术的应用范围从原先的固体分析扩展到溶液分析中。
　　 3、有机金属化合物的分析鉴定。传统的激光电离技术主要应用于无机分析领域,包括对元素离子或是简单的无机分子(如氧化物、氯化物等)的测定。本研究创新性地将这一技术的应用延伸到有机检测当中,尤其是对含金属元素的有机化合物的分析鉴定。激光电离质谱技术所采用的固体样品直接进样方式特别适合于对难溶、对空气敏感及易分解化合物的测定,而且,只需要少量样品就能同时获得包括分子离子、碎片结构以及元素组成的信息,这为有机金属化合物的准确鉴定提供了一条快速、便捷的新途径。
　　 激光与物质的相互作用是一个极其复杂的过程,到目前为止它的机理还未完善,在某种意义上这也限制了激光电离质谱技术的发展。因此,除了上述工作外,本论文还包含了一些机理研究方面的工作,在此基础上来通过适当调解仪器参数来减少激光电离过程中的基体效应和元素分馏效应等,这些研究将进一步改善这种仪器的定性和定量能力,拓展它在实际检测中的应用范围。