[发明专利]一种原位中间体探测质谱分析装置

说明书

技术领域

本发明涉及原位质谱分析，尤其是涉及一种原位中间体探测质谱分析装置。

背景技术

化学反应不是一个一步完成的过程，从反应物到最终生成物往往需要经过一系列的中间过程。对反应过程中自由基与反应中间体的认识是控制反应过程的关键。自由基和反应中间体不易分离和检验，目前一般都是通过量子化学计算等研究手段间接推测其存在。在有机反应历程的研究中，需要说明反应物如何变成活性中间体、活性中间体又如何变成产物。活性中间体的确定是化学反应历程研究的核心环节。

在催化反应中迫切需要高效、准确的自由基与反应中间体的探测分析技术。例如在甲烷无氧转化、甲醇制烯烃过程中，催化剂产生的自由基和自由基之间的相互反应是控制反应选择性的关键；催化剂表面吸附与脱附的机理研究，也需要高灵敏度的原位分析仪器([1]Yang,Huayan；Wang,Yu；Lei,Jing；Shi,Lei；Wu,Xiaohu；Makinen,Ville；Lin,Shuichao；Tang,Zichao；He,Jian；Hakkinen,Hannu.J.Am.Chem.Soc.2013,135(26),9568–9571)。由于中间体反应活性高，在反应过程中难以检测，而高效气/液相色谱、高分辨质谱、激光荧光光谱等现代分析手段主要被用来进行最终产物的分析与鉴别。目前还没有一种针对催化反应过程中自由基和反应中间体的分析测试装置。

分子束取样技术可以有效解决短寿命活性反应中间体、自由基难探测的问题([2]R.Horn；G.Mestl；M.Thiede；F.C.Jentoft；P.M.Schmidt；M.Bewersdorf；R.Weber；R.Phys.Chem.Chem.Phys.2004,6,4514-4521)。当气体在低真空的区域通过一个小孔喷射入高真空的区域时，会产生绝热膨胀，形成超声分子束，在这个绝热膨胀过程中分子间没有碰撞，可以最大限度的避免反应中间体发生化学反应。

发明内容

本发明的目的在于为了解决催化反应过程中活性中间体、自由基无法检测的问题，提供一种原位中间体探测质谱分析装置。

本发明设有石英反应管、U型石英反应管、原位反应炉腔体、电加热炉、漏勺、光电离源、离子调制区、飞行时间质谱加速区、飞行时间质谱无场区、飞行时间质谱反射区、检测器、第1分子泵和第2分子泵；所述石英反应管的入口和石英反应管的出口穿过原位反应炉腔体与U型石英反应管相连，U型石英反应管嵌套在电加热炉中，U型石英反应管在末端开有取样孔，取样孔正对着漏勺，离子调制区、漏勺和飞行时间质谱加速区三者处于同一轴线上，光电离源垂直安装于离子调制区上，离子调制区上设有3个圆形电极；从反应管经漏勺到离子调制区真空度依次增加，第2分子泵连接在原位反应炉腔体，第1分子泵位于离子调制区和飞行时间质谱分析器所在腔室。

所述飞行时间质谱加速区、飞行时间质谱无场区、飞行时间质谱反射区和检测器共同组成飞行时间质谱分析器。

所述取样孔的直径可为0.1mm。

所述漏勺可为喇叭锥形状，漏勺的进口直径可为1～2mm，取样孔与漏勺的前端距离可为5～7mm，所述漏勺的材料可采用黄铜。

所述光电离源的电压可为-1500V。

所述离子调制区上的3个圆形电极可分别依次为20～30V，5～15V，-50V，所述离子调制区中轴线和飞行时间质谱分析器垂直正交装配；所述离子调制区材料可均为不锈钢。

所述飞行时间质谱加速区、飞行时间质谱无场区和飞行时间质谱反射区的材料均可为不锈钢。

从反应管经漏勺到离子调制区真空度依次增加，所述真空度保持在10^-5Torr量级；第1分子泵位于离子调制区和飞行时间质谱分析器所在腔室的真空度保持在10^-6Torr量级。

本发明将新型原位反应器与光电离飞行时间质谱结合，可以对复杂催化反应过程的中间产物进行原位表征，研究和确定催化反应机理，可以有效地对复杂催化反应进行跟踪研究。

本发明的有益技术效果如下：

1、本发明是在反应器上进行原位分子束取样，是反应的实际条件，实验结果更加可靠。

2、本发明将原位反应炉置于真空腔体中，可以实现反应体系中间产物的无碰撞冷冻取样。大大提高了活性中间体、自由基的存活寿命，进而实现中间产物的检测。

3、本发明采用光电离源对中间产物进行离子化，该离子化方式温和，无碎片便于复制催化体系的研究分析。