基本介紹
- 中文名：質譜熱分析
- 外文名：mass spectrometric thermal analysis
- 簡稱：MSTA
- 學科：有機化學
- 出現時間：1963
- 作用：有機物熱分解
介紹,質譜與熱分析的串聯原理,套用,有機材料領域,無機材料領域,
介紹
熱分析法（TA）是套用熱天平在程式控制溫度和一定氣氛下，測量物質的某種物理性質與溫度或時間關係的一類技術；具有套用廣泛、方法和技術具有多樣性、對樣品的物理狀態無特殊要求、所需樣品量可以很少、儀器的靈敏度很高、實驗條件的選擇十分靈活等眾多優點使得熱分析技術得到了快速地發展。
熱分析只能給出試樣的重量變化及吸熱或放熱情況，解釋曲線一般情況下比較困難，尤其對多組分樣品做的熱分析曲線特別困難。因此，熱分析與其他技術的連用成為解決問題的重要手段，其中最理想的辦法就是其他儀器與熱分析進行間歇聯用或串接，常用質譜儀、紅外光譜儀、氣相色譜儀等對從熱分析儀器中逸出的殘留氣體和固體物進行檢測，從而可以對整個試樣得到更完整的解釋分析。
質譜是可以非常靈敏地快速鑑別和檢測微量氣體物質。原子和分子可以由此技術得以量化，此技術還可以提供官能團和側鏈等化合物的結構的信息。在質譜聯用技術中，通過一個離子源樣品分子進入質譜，在離子源中高能電子束轟擊樣品分子，因而不同的正電荷碎片離子通過複雜的途徑而形成。通過這些碎片離子峰，從而判斷試樣的組成。
質譜與熱分析的串聯原理
熱分析(TA)與質譜(MS)串接聯用，同步測試樣品在熱過程中質量、熱焓和析出氣體組成的變化，對剖析物質的組成、結構以及研究熱分解或熱合成機理都是極為有用的一種聯用技術。質譜在定性定量分析揮發性物質和物質的熱分解分子等碎片方面是很有用的工具。因此TA．MS首先在高聚物領域得到廣泛的套用，並迅速擴展到無機物、有機物、配合物、金屬、陶瓷和煤等領域，體現出這種聯用技術的潛在力量。
從熱分析儀樣品杯上方引出反應氣體，組合連線到質譜儀，檢測氣體的質荷比。依據質譜儀檢測到的氣體產物質荷比的離子流強度，以及各種物質的特徵峰來判斷氣體成分。
串接聯用技術的關鍵是接口技術，它要求從熱分析儀產生的揮發性物質成分不變地並及時地引入聯用的分析儀器，在接口傳輸過程不發生冷凝，不發生二次反應。另外，質譜分析是在高真空下進行，因此與質譜聯用的接口還需考慮真空的問題。目前連線方法有兩種：
(1)毛細管法。採用一根直徑很細(如
0.32mm)內襯石英玻璃的不鏽鋼毛細管把熱分析儀和質譜連線，為防止傳輸過程揮發物的冷凝，毛細管可加熱到170～250℃。連線設計要求使熱分析儀與MS之間信號沒有延遲現象，防止逸出氣體發生冷凝或降解，能夠調整進入MS的氣體體積並能維持MS所需的真空度。
(2)集氣法。接口由節流孔和集氣器兩部分組成。熱分析產生的揮發物先通過節流孔抽入初級真空，然後採用負壓通過集氣器輸入到MS系統(10-4～10-6Pa)。接口直接放在爐子裡與熱分析樣品溫度接近(採用碳纖維最高溫度可達2000℃)，樣品到質譜離子源之問距離僅幾個厘米，從而避免了毛細管法揮發性物質可能發生凝結和二次反應，並降低質譜噪聲和提高了分析靈敏度，尤其對大分子量產物的測定效果更佳。
套用
熱分析質譜法的套用範圍十分廣闊。就所研究的材料而言，它不僅在有機材料、無機材料，還可以在機—無機等複合材料的研製工作中得到廣泛套用。
有機材料領域
對於有機材料，尤其是對聚合物(Polymer)的熱分解、熱降解過程的研究具有重要意義。在合成和聚合物的處理過程中，聚合物常處於一種熔化狀態，而在其存在周期中，聚合物常遭受熱和熱氧化過程，常常不是一種聚合的物質而是一種混合物或化合物以及常有各種添加劑和填充劑的變體(例如火焰阻燃劑)。因此，可以預料在這些複雜的系統中會產生各組份和添加劑間的化學反應或者一些物理現象如遷移、結晶、升華等出現。而熱分析和質譜分析聯用技術恰恰是一種非常合適的分析工具,因為它可以分析在材料受熱而產生的質量以及熱分解等化學過程或物理過程中逸出介質的成份。根據逸出氣體的信息，加上熱分析的數據，就可對各種材料的熱分解途徑給出相當全面的表征。這些熱學行為包括聚合物的熱降解的測定，添加劑(作為穩定劑)的回響關係的測定，降解產物的鑑定，熱降解機理的解釋(任意鏈的分裂，端鏈的分裂，鏈的脫落和交叉連線)，材料性質的內部比較，不溶性聚合物的表征等等。在套用於聚合物的結構表征和化學分析時，主要包括聚合物質的組成，化合價和結構，指紋鑑定(相匹配產物的分類)，在添加劑混合物中鑑別其組成分析，在反應或硫化過程中，合成路徑的縮短，流化過程的表征，以及在產物生成過程中，產物的定性和批量控制，最終使用條件的決定等。對於合成過程中的逸出氣體和合成的工藝及循環來說，要研究放氣現象；對於微量溶劑，要進行單體不溶性或雜質分析；對穩定劑的影響的測定，對於腐蝕性和燃燒時的毒性以及聚合降解時的環境要進行研究。
除了上述各種研究外，熱分析和質譜分析聯用技術還可對聚合物研製中的化學反應動力學和聚合物的壽命預測進行研究。據統計，熱分析和質譜分析聯用技術在聚合物研究的套用中占了相當大的份量。
無機材料領域
熱分析和質譜分析聯用技術在無機材料特別是高溫無機材料方面的套用。在各種無機材料，像矽酸鹽和粉末冶金材料的生產中，熱處理往往是必不可少的方法。材料經過熱處理後，其物理和化學性能會發生變化。研究表明，材料的最初受熱階段特別重要，在這一階段對材料所造成的損傷是材料製備過程的後期難以彌補的。各種無機材料在受熱過程中，往往會發生質量的變化(脫蠟、分解、放氣、氣體反應等)，體積和幾何形狀的變化(收縮、緻密化、膨脹等)，熱焓的變化(相的形成，相的轉變等)，電導和其它電學，磁學和光學性能的變化等。
熱分析和質譜分析聯用技術不僅可以測得各種無機材料在受熱過程中發生的質量、體積和其它性能的變化，同時可對逸出的氣體組份進行表征。這對分析無機材料的熱分解機理，改進材料的製備工藝都有著極其重要的意義。值得一提的是，近代新型無機材料的發展中正崛起一種無機—有機複合材料。通過將有機官能團引入無機材料的網路之中，對無機材料加以改性，使材料同時兼有無機和有機材料的某些特性，大大改進了材料的性能，擴大了材料的套用範圍。利用熱分析和質譜分析聯用技術可以研究有機—無機複合材料的複合網路的熱分解行為。從揮發的有機官能團或者它們的碎片離子質譜表征分析，可以推導出該種有機—無機複合材料的鍵的斷裂方式以及與溫度的關係。這對有機先驅體的選擇有極大幫助。
