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▷ TGA-GCMS介绍

将热重分析仪（TGA）与质谱仪联用可以检测到非常低含量的杂质，通过热重加热样品，样品会因挥发物的存在或者燃烧分解出气体，这些气体被传输到质谱仪(MS)中，MS对受热过程中逸出的挥发性组分加以检测，可以研究反应进程从而推断反应机理。

热重分析-气相色谱质谱联用仪（TGA-GCMS）

▷ TGA-GCMS构成

热重分析仪(TGA)：热重分析法是在受控制的温度程序下，测量物质质量与温度关系的一种技术；

气相色谱(GC)：将各种裂解产物在色谱柱中彼此分离；

质谱(MS)：为检测器，按质荷比（M/Z）不同，根据MS谱图检索，对裂解产物进行定性定量。

▷ TGA-GCMS优点

应用范围广泛：‌该技术可广泛应用于各种有机、‌无机等化合物的热解研究，‌以及其他需要分析物质热稳定性和热分解过程的领域。‌

高灵敏度：‌由于使用了高灵敏度的质谱仪，‌该技术能够检测到非常微量的气体产物，‌提供了对样品热分解过程的详细信息。‌

实验条件灵活：‌实验条件的选择十分灵活，‌可以根据不同的研究需求调整温度范围、‌加热速率和气氛条件等。‌

提供更完整的解释分析：‌通过与其他技术（‌如红外光谱仪、‌气相色谱仪）‌的联用，‌可以对从热分析仪器中逸出的残留气体和固体物进行检测，‌从而对整个试样得到更完整的解释分析。‌

▷ TGA-GCMS应用

聚合物材料

药物

催化剂

阻燃剂

半导体材料

陶瓷材料

电池材料的热分析

分解气体产物分析。

▷ TGA-GCMS检测标准

JC/T 2019-2010陶瓷材料的热分析-质谱同时联用测定方法

GB/T 36402-2018陶瓷材料的热分析-质谱联用测试方法

GB/T 38397-2019煤焦油 组分含量的测定 气相色谱-质谱联用和热重分析法

ASTM C1909-2021用热重质谱法(TGA-MS)对二氧化钚(PuO2)进行水分分析的标准试验方法

▷ TGA-GCMS检测的因素影响

气体的浮力和对流：‌样品周围的气体因温度的升高而膨胀，‌比重减小，‌可能影响TGA值。

挥发物的再凝聚：‌物质分解产生的挥发物质可能凝聚在与称重皿相连而又较冷的部位上，‌影响失重的测定结果。

样品与称量皿的反应：‌某些物质在高温下会与称量皿发生化学反应而影响测定结果。‌

升温速率：‌升温速率太快，‌TGA曲线会向高温移动；‌速度太慢，‌实验效率降低。‌

样品用量和粒度：‌样品用量大，‌挥发物不易逸出，‌影响曲线清晰度；‌样品细，‌反应会提前影响曲线低温移动。

 环境气氛：‌环境气氛对热失重曲线有影响。‌

▷ TGA-GCMS案列分析

金属钴粉中氧化钴测试

材料介绍

钴是一种重要的工业原料，其广泛应用于冶金、电子、陶瓷等领域。钴在空气中可迅速氧化为氧化钴（Co3O4），为了防止氧化，常常在其表面涂覆一层非常薄的石蜡、聚乙二醇或聚乙烯保护膜，尽管有保护涂层，长时间在空气中久置后其仍然会形成氧化钴。氧化钴的性质虽然稳定，但其应用受到较大限制。因此，钴金属中氧化钴含量的测量就尤为重要。

图1 样品信息

测试原理

氧化钴的含量可以热重分析仪与质谱仪联用（TGA-MS）来确定。从TGA出气口进入电离室的气体分子受到电子的轰击，分子被电离并形成带正电荷的分子离子和许多碎片离子，之后进入交变电磁场，即所谓的质量过滤器，该电磁场分离离子，以便在任何时刻只有特定质荷比（m/z）的离子到达检测器。通过过滤器后，特定m/z的离子到达检测器，并测量其强度。

测试谱图：

图2 钴金属粉末在H2-Ar混合气体中的TGA-MS测试图

图3 氧化钴在H2-Ar混合气体中的TGA-MS测试图

结果分析：

图2显示了TGA-MS测量曲线，该图显示了TGA和DTG（一阶导数）曲线以及氢（m/z 2）、水（m/z 18）和CO2（m/z 44）的MS曲线。TGA曲线上可以看到三个质量损失步骤，步对应于水分的损失；第二步主要是由于样品中氧化钴的还原，该过程消耗氢气并产生水作为反应产物（m/z 2信号减少时为“负”峰，m/z 18信号增加时为“正”峰），同时，部分涂层会降解（m/z 44曲线上的信号），涂层的其余部分从大约400°C开始分解，主要产生CO2。然而，由于涂层的分解失重和氧化钴的还原失重过程重叠。因此，样品中氧化钴的含量无法通过TGA测量可靠地确定。

然而，如果我们知道减少已知量的氧化钴需要多少氢气，则可以确定氧的含量。在这个实验中，氧化钴被氢还原成金属钴。这可以从 m/z 2 和 m/z 18 的相反 MS 曲线中看出。图3显示，还原42.75 mg Co3O4需要321.5 nsA的氢当量（m/z 2曲线中宽峰的积分）。图2中的MS曲线显示，需要13.28 nsA的氢当量来减少钴粉中存在的Co3O4。该计算结果给出钴粉样品中Co3O4的质量为1.77mg Co3O4，对应于Co3O4含量1.44%。