CN101592628B - 一种增强光离子化效率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增强光离子化效率的方法及装置，该装置包括产生光子的光源、光子在其中运动的光学谐振腔，施加在光学谐振腔上的电场以及与光学谐振腔连通的进样口，由于光子在谐振腔中反复震荡，可以大幅度提高光子和样品分子的作用机会，从而提高光离子化的效率。光学谐振腔中光子谐振的方向、样品从进样口进入的方向以及电场形成的离子运动方向在三维空间处于正交结构，从而减少污染，延长使用寿命。

Description

一种增强光离子化效率的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光离子化领域，尤其涉及一种增强光离子化效率的装置及方法。

背景技术

质谱是对分子结构分析最精确的方法之一，通常用来对未知物进行定性分析和对混合物中已知组分进行定量检测。离子源是质谱的关键技术，最常用的经典是EI源(electron ionization)，它采用高能电子束轰击样品，从而使样品发生电离产生电子和分子离子。原理如下：

M+e→M⁺+2e

M⁺继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种碎片离子。EI源的使用及其广泛，电离效率高，谱库最完整。然而由于EI源使用的电子能量很高，谱图中碎片峰占较多，分子离子峰强度很弱并且受到其他样品碎片峰的干扰，谱图复杂，对于混合未知物的解谱非常困难。

为了解决这一问题，产生了一系列的软电离(soft ionization)方法。

CI源(chemical ionization)。样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通常是甲烷等)稀释，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生面的样品分子离子主要由反应气分子电离产生。CI源的电离能小，产生的质谱峰数目少，能够提供很强的分子离子峰，可以方便的确定分子量。但是CI源产生的碎片离子和反应的温度、离子源压力、反应气等因素有关，没有标准谱不具有可比性，并且对真空***消耗较大。

利用质子转移反应(proton transfer reaction)也可以产生较完整的分子离子峰，特别对小分子有机物有突出效果。其缺点是，装置复杂，真空消耗大。

为了弥补这些缺点，发展了光离子化技术。光离子化与EI源很类似，只是电子束被5～15eV真空紫外光子所代替，它可以使电离能小于光子能量的样品分子得到电离。光离子化的反应机理为：

M+hv→M⁺+e

光离子化既可以得到分子离子峰，又能得到少数碎片离子峰，对未知物的鉴定有重要意义。光离子化可以分为大气压光离子化(APPI)和真空紫外光离子化(VUV-PI)。但是传统方法使用的是真空紫外灯(如氘灯)直接照射，光离子流是不充分的。使用稀有气体激发的EBEL灯或者紫外激光器(UV-SPI)可以得到较高的光强度，解决这样的问题。但体积较大、成本较高、寿命较短。

光学谐振腔是光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。它是激光器的必要组成部分，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触；沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，即激光。为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。

光学谐振腔已经被使用在增强红外光学吸收领域。在谐振腔中充入气体，气体分子阻挡了光子的传播，一部分被吸收。这一吸收符合朗伯-比尔定律，即：

$T=\frac{I}{I_0}=e^{-\mathrm{\αl}}=e^{-\mathrm{\σlN}}$

光学谐振腔在吸收过程中的作用有：

1、提供较长的吸收光程1；

2、反射光子，提供更多作用机会，提高量子效率

鉴于此，现提出一种结构简单，价格低廉并且可以大幅度增强光离子化的效率的装置及方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种增强光离子化效率的装置及方法，将样品汽化后引入光学谐振腔，由于光子在谐振腔中反复震荡，可以大幅度提高光子和样品分子的作用机会，从而提高光离子化的效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种增强光离子化效率的装置，该装置包括

光源，用于产生光子；

与光源相邻的光学谐振腔，光源产生的光子进入后产生谐振；

施加在光学谐振腔上的电场，用于引出离子，该电场包括推斥电极以及与推斥电极相向设置并设有通孔的地电极；

所述光学谐振腔、推斥电极以及地电极围成一个收容腔；

进样口，与光学谐振腔连通用于进入汽化后的样品分子。

作为本发明的优选方式之一，所述进样口位于光学谐振腔的焦点处并且所述样品分子进入方向与光子谐振方向以及离子引出垂直。

作为本发明的优选方式之一，所述光学谐振腔由半透反射镜和全反射镜相向设置构成。

作为本发明的优选方式之一，在与设有通孔的地电极相邻的位置设有聚焦极，所述聚焦极设有与地电极的通孔相通的第二通孔。

作为本发明的优选方式之一，在所述聚焦极远离地电极的一侧设有侵入极，所述侵入极设有与聚焦极的第二通孔相通的第三通孔。

作为本发明的优选方式之一，所述进样口为毛细管进样口。

作为本发明的优选方式之一，所述光源为Kr气体真空紫外灯。

作为本发明的优选方式之一，所述半透反射镜采用双面镀膜的BeF₂透镜。

作为本发明的优选方式之一，所述光学谐振腔为半共焦腔、半共心腔、对称共焦腔或共心腔。

本发明还包括一种增强光离子化的方法，该方法包括以下步骤：

1>，光源产生的光子通过反射镜进入光学谐振腔内反复震荡；

2>，汽化后的样品分子通过进样口进入光学谐振腔内；

3>，两个电极共同形成的电场将正离子或负离子从地电极的通孔中引出，其中光子震荡方向、样品分子进入方向和离子引出方向互相垂直。

本发明增强光离子化效率的方法及装置。可以大幅度提高光子和样品分子的作用机会，从而提高光离子化的效率。光学谐振腔中光子谐振的方向、样品从进样口进入的方向以及电场形成的离子运动方向在三维空间处于正交结构，从而减少污染，延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明增强光离子化效率的装置结构示意图；

图2为本发明装置中谐振腔方向、样品进入方向和离子引出方向示意图；

图3为本发明增强光离子化效率的装置另一结构示意图。

主要元件符号说明

光源          11        半透反射镜      12

全反射镜      13        毛细管进样口    14

谐振腔方向    21、y     样品进入方向    22、x

离子引出方向  23、z     第二半透反射镜  32

Kr光源        31        第二全反射镜    33

毛细管进样口  34        推斥电极        35

地电极        36        聚焦极          37

浸入极        38        离子传输        39

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤。

一种增强光离子化效率的装置，该装置包括

光源31(或11)，用于产生光子；

光学谐振腔，与光源相邻，光子进入后产生谐振，光学谐振腔由半透反射镜32(或12)和全反射镜33(或13)相向设置形成；

电场，施加于光学谐振腔上，用于引出离子，包括推斥电极35以及与推斥电极35相向设置并且设有通孔的地电极36；该通孔位于地电极的中部。

所述半透反射镜32、全反射镜33、推斥电极35以及地电极36围成一个收容腔；

进样口34(或14)，与光学谐振腔连通用于进入汽化后的样品分子；进样口34(或14)位于光学谐振腔的焦点处并且所述样品分子进入方向与光子谐振方向以及离子引出垂直。

所述样品分子进入方向22(或x方向)；谐振腔内的光子谐振方向21(或y方向)；以及离子引出方向23(或z方向)垂直。

在与设有通孔的地电极36相邻的位置设有聚焦极37，所述聚焦极37设有与地电极36的通孔相通的第二通孔。

在所述聚焦极37远离地电极的一侧设有侵入极38，所述侵入极38设有与聚焦极37的第二通孔相通的第三通孔。

使用时，光源31产生的光子通过反射镜32(全反射镜也可以)进入光学谐振腔内反复震荡；汽化后的样品分子通过毛细管进样口34进入光学谐振腔内；两个电极共同形成的电场将正离子或负离子从地电极36的通孔中引出，其中光子震荡方向、样品分子进入方向和离子引出方向互相垂直。该正交结构可以减少污染，延长使用寿命。谐振腔方向、样品束方向以及离子束方向在三维空间处于正交结构，如图2所示，可以减少：

1、样品对反射镜的污染；

2、样品对质谱仪的污染

3、光子对质谱仪的干扰

从而提高无人值守状况下的可靠性，延长平均无故障时间(MTBF)。

与CI源类似，谐振腔内的真空度可以10^-5～10Pa之间，较高的气压可以减少碎片离子的产生。

从地电极36的通孔中引出的正离子或负离子依次经过聚焦极37上设有的第二通孔、侵入极38设有的第三通孔后进入离子传输路径39中。

按组成谐振腔的两块反射镜的形状及它们的相对位置，可将光学谐振腔分为：平行平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。气态样品分子在焦点处进入谐振腔可以得到较好的光离子化效果，如图1所示。

如图3所示另一具体实施例，光源31采用Kr气体真空紫外灯；进入透镜32采用双面镀膜的BeF₂透镜，镀膜的厚度能够让紫外光进入谐振腔但不能逃出；反射透镜33采用的是对紫外光全反射的镀膜透镜，它与32共同组成光学谐振腔；不锈钢进样口34垂直于纸面，将气体导入谐振腔；35、36电极共同形成电场，当35施加正电压时将引出正离子，反之引出负离子，离子从36上的小孔引出；37、38电极是聚焦离子的需要，可以根据实际需要增减；最终离子束进入离子传输39，并由其传入质谱的质量分析器。

本发明将样品汽化后引入光学谐振腔，由于光子在谐振腔中反复震荡，可以大幅度提高光子和样品分子的作用机会，从而提高光离子化的效率。

上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims (7)

1.一种增强光离子化效率的装置，其特征在于：该装置包括

Kr气体真空紫外灯光源，用于产生光子；

与光源相邻的光学谐振腔，光子进入后产生谐振，由半透反射镜和全反射镜相对形成；

电场，用于引出离子，包括推斥电极以及与推斥电极相向设置并设有通孔的地电极；

所述半透反射镜、全反射镜、推斥电极以及地电极围成一个收容空间；

进样口，与光学谐振腔连通用于进入汽化后的样品分子；

所述样品分子进入方向与光子谐振方向以及离子引出方向垂直。

2.如权利要求1所述的一种增强光离子化效率的装置，其特征在于：在与设有通孔的地电极相邻的位置设有聚焦极，所述聚焦极设有与地电极的通孔相通的第二通孔。

3.如权利要求2所述的一种增强光离子化效率的装置，其特征在于：在所述聚焦极远离地电极的一侧设有侵入极，所述侵入极设有与聚焦极的第二通孔相通的第三通孔。

4.如权利要求1所述的一种增强光离子化效率的装置，其特征在于：所述进样口位于光学谐振腔的焦点处。

5.如权利要求1所述的一种增强光离子化效率的装置，其特征在于：所述进样口为毛细管进样口。

6.如权利要求1所述的一种增强光离子化效率的装置，其特征在于：所述半透反射镜采用双面镀膜的BeF₂透镜。

7.如权利要求1所述的一种增强光离子化效率的装置，其特征在于：所述光学谐振腔为半共焦腔、半共心腔、对称共焦腔或共心腔。