CN110289203A - 一种电晕放电电离源结构及离子迁移谱仪 - Google Patents

一种电晕放电电离源结构及离子迁移谱仪 Download PDF

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Abstract

一种电晕放电电离源结构及离子迁移谱仪，该电晕放电电离源结构包括电离腔、设置在所述电离腔内的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间施加高压以在所述电离腔内形成电晕放电，所述电离腔上设置有用于输送吹扫气的进气口和出气口，所述第一电极设置成针型电极，所述进气口和出气口经设置使所述电离腔内的气体流动方向沿着所述针型电极的轴线方向吹过所述针型电极的尖端。使用本发明的电离源结构可以增强电晕放电电离源工作的稳定性，使其持续稳定放电，保持高效且稳定的离子产量。

Description

一种电晕放电电离源结构及离子迁移谱仪
技术领域
本发明涉及离子迁移谱领域，特别是一种电晕放电电离源结构及离子迁移谱仪。
背景技术
离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)技术是一种检测痕量化物质的技术，该技术是基于气相离子在电场中迁移速度的差异来对化学物质进行表征，从而将不同物质分离、检测出来。样品由载气带入电离区后，载气分子和样品分子在离子源的作用下发生一系列的电离反应和离子-分子反应，形成各种产物离子。在电离区电场驱动下，经过离子门斩切出片状的离子团，团内的不同类型的离子在漂移管(迁移管用分压电阻产生出匀强电场)开始以不同速度定向迁移，然后在法拉第盘检测到离子信号，形成离子迁移谱图，从最后的谱图信息里我们将待测物质进行辨别区分。
离子迁移谱仪的电离源是其重要组成部分之一，一直以来，迁移谱仪中样品离子的产生都是通过样品分子与电离区的离子团发生反应来完成的。电晕放电(CoronaDischarge，DC)电离源是一种常用的电离源，其基本原理是狭小空间内的不均匀放电使其在一定空间内具有强烈电场及微小的电流通道，这使得在该区域内的氛围气体发生质子转移反应，从而形成等离子体聚集区，当样品分子进入离子区时，就会发生一系列的电荷转移反应，发生电离，形成离子。
电晕放电会形成一定数量的氮氧化物，当电离腔内聚集了一定的氮氧化物时，会干扰电晕放电，甚至造成灭晕，想要使这个问题得到缓解，采用的办法是使用吹扫气逆向(即电场反方向)吹过电离区。如何通过结构设计来优化电离区吹扫气的吹扫方式，保持放电区域的等离子体环境尽可能稳定，获得尽可能稳定持续的电晕放电，是现有技术所面临的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种电晕放电电离源结构以及具有该电晕放电电离源结构的离子迁移谱仪，增强电晕放电电离源工作的稳定性，使其持续稳定放电，保持高效且稳定的离子产量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电晕放电电离源结构，包括电离腔、设置在所述电离腔内的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间施加高压以在所述电离腔内形成电晕放电，所述电离腔上设置有用于输送吹扫气的进气口和出气口，所述第一电极设置成针型电极，所述进气口和出气口经设置使所述电离腔内的气体流动方向沿着所述针型电极的轴线方向吹过所述针型电极的尖端。
进一步地：
所述进气口包括相对于所述针型电极的轴线方向对称设置的一对进气口，所述出气口包括相对于所述针型电极的轴线方向对称设置的一对出气口，且所述一对进气口和所述一对出气口在所述针型电极的轴线方向上的投影位置相互错开，所述针型电极的尖端位于所述一对进气口和所述一对出气口在所述针型电极的轴线方向上的投影位置之间。
所述一对进气口和所述一对出气口垂直于所述针型电极的轴线方向而设置。
所述针型电极的轴线方向沿水平方向，所述一对进气口和所述一对出气口沿上下方向设置。
所述进气口设置在所述针型电极的尖端的前侧，所述出气口设置在所述针型电极的尖端的后侧。
所述电晕放电电离源结构还包括具有凹腔的针型电极固定支架和进气环结构，所述电离腔形成在由所述针型电极固定支架和所述进气环结构围合成的腔体的内部，所述针型电极由外至内穿设在所述针型电极固定支架的凹腔底壁上，所述第二电极为环型电极，所述环型电极夹设在所述针型电极固定支架和所述进气环结构之间，所述进气口设置在所述针型电极固定支架上，所述出气口设置在所述进气环结构上。
所述针型电极固定支架和进气环结构为特氟龙材料制成。
所述第一电极为钨钢材料制成，所述第二电极为不锈钢材料制成。
所述进气口和所述出气口包括与所述电离腔相接的半径1mm的通孔，优选地，所述通孔的外端连接外径较所述通孔扩大的螺纹孔。
一种离子迁移谱仪，具有所述的电晕放电电离源结构。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种电晕放电电离源结构，其中将电离腔内放电用的第一电极设置为针型电极，并通过对电离腔上用于输送吹扫气的进气口和出气口进行设置，使所述电离腔内的气体流动方向沿着所述针型电极的轴线方向吹过所述针型电极的尖端，通过这种设计，可以有效地降低在电离腔内形成涡流的可能性，保持放电区域的等离子体环境稳定，保证电离反应的稳定和平衡性，获得结构稳定的离子团。
与现有技术相比，使用本发明的电晕放电电离源结构可以获得稳定持续的电晕放电，且使电晕放电电离源具有更强的电离能力，获得更高的电离离子密度，可以持续地产生高离子电流信号。在相同的实验条件下，使用本发明的电晕放电电离源结构获得的信号强度可达到紫外电离源的10倍以上。
附图说明
图1a为本发明一种实施例的电晕放电电离源结构的剖面图；
图1b为本发明一种实施例的电晕放电电离源结构的原理简图；
图2为使用本发明一种实施例的气流场仿真建模图；
图3为使用本发明一种实施例的气流场仿真结果；
图4为使用本发明一种实施例的紫外电离源及电晕放电电离源谱图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1a至图1b，在一种实施例中，一种电晕放电电离源结构，包括电离腔、设置在所述电离腔内的第一电极1和第二电极2，所述第一电极1和所述第二电极2之间施加高压以在所述电离腔内形成电晕放电，所述电离腔上设置有用于输送吹扫气的进气口3和出气口4，所述第一电极1设置成针型电极，所述进气口3和出气口4经设置使所述电离腔内的气体流动方向沿着所述针型电极的轴线方向吹过所述针型电极的尖端。
在优选的实施例中，所述进气口3包括相对于所述针型电极的轴线方向对称设置的一对进气口3，所述出气口4包括相对于所述针型电极的轴线方向对称设置的一对出气口4，且所述一对进气口3和所述一对出气口4在所述针型电极的轴线方向上的投影位置相互错开，所述针型电极的尖端位于所述一对进气口3和所述一对出气口4在所述针型电极的轴线方向上的投影位置之间。
在更优选的实施例中，所述一对进气口3和所述一对出气口4垂直于所述针型电极的轴线方向而设置。
在进一步优选的实施例中，所述针型电极的轴线方向沿水平方向，所述一对进气口3和所述一对出气口4沿上下方向设置。
在优选的实施例中，所述进气口3设置在所述针型电极的尖端的前侧，所述出气口4设置在所述针型电极的尖端的后侧。
在优选的实施例中，所述电晕放电电离源结构还包括具有凹腔的针型电极固定支架5和进气环结构6，所述电离腔形成在由所述针型电极固定支架5和所述进气环结构6围合成的腔体的内部，所述针型电极由外至内穿设在所述针型电极固定支架5的凹腔底壁上，所述第二电极2为环型电极，所述环型电极夹设在所述针型电极固定支架5和所述进气环结构6之间，所述进气口3设置在所述针型电极固定支架5上，所述出气口4设置在所述进气环结构6上。
在优选的实施例中，所述针型电极固定支架5和进气环结构6为特氟龙材料制成。
在优选的实施例中，所述第一电极1为钨钢材料制成，所述第二电极2为不锈钢材料制成。
在优选的实施例中，所述进气口3和所述出气口4包括与所述电离腔相接的半径1mm的通孔，更优选地，所述通孔的外端连接外径较所述通孔扩大的螺纹孔。
在优选的实施例中，样品气的流量设置为100ml/min，每个进气孔的吹扫气的流量设置为200ml/min。
在另一些实施例中，一种离子迁移谱仪，具有前述任一实施例所述的电晕放电电离源结构。
以下结合附图进一步描述本发明典型的具体实施例及工作原理。
如图1a所示，一种具体实施例的电晕放电电离源结构包括针型电极1、针型电极固定支架5、环型电极2、进气环结构6。针型电极1和环型电极2组成电晕放电电离源的放电结构。针型电极与环型电极间施加高压用以形成电晕，进气环与针型电极固定支架5上分别设计有对称的进气口3和出气口4以保证结构内的气体流动方向沿着所述针型电极的轴线方向吹过针型电极。
在环型电极的前侧设置两对称的进气口3；在针型电极尖端的后方设置有对称的出气孔4。本实施例的对称方式呈上下对称。但对称方式不仅限于上下对称。
针型电极1使用一根钨钢加工制成，曲率半径在0.01mm等级。环型电极2使用一片不锈钢加工制成。
针型电极固定支架5和进气环结构6使用特氟龙制成。
进气环结构6上设有两对称的半径1mm的通孔作为进气口3，通孔外侧接1/4英寸的螺纹孔。针型电极固定支架5上同样地设有两对称的出气口4。由此，使气流方向从环型电极吹向针型电极。
另外，在针型电极固定支架5朝向的环型电极的凹腔底壁上设有一1/4英寸的螺纹孔，螺纹孔内侧设置一半径1mm的通孔，用于安装针型电极1。
可通过使用1/4英寸手紧接头配合锥面刃环夹紧针型电极，通过使用1/4英寸手紧接头配合锥面刃环夹紧进气管。进气管可通入高纯氮气进行对称地进气。
在针型电极1及环型电极2两端施加高压，形成电晕放电过程，获得稳定且持续的离子信号。
将尾吹气的流量设置为1000ml/min，样品气的流量设置为100ml/min，吹扫气的流量设置为200ml/min(每个进气口)，使用仿真软件对本发明的实施例气路设计进行验证，得到的流线图如图3所示，在电离区部分，吹过环型电极和针型电极尖端的气流保持稳定以水平方向吹过电离区，保证了电离区内的离子均匀程度及反应的平衡性，获得了稳定持续的电晕放电，且保持高效且稳定的离子产量，具有高电离密度，可以获得高离子电流信号。
一种具体实施例的离子迁移谱仪包括：实施例的电晕放电电离源、紫外电离源、不锈钢与绝缘材料交叉堆叠组装成的迁移管部分、不锈钢制作的离子门机械结构及检测底座、提供均匀迁移电场的高压电源及提供电晕放电电压的高压电源、紫外灯供电的分压电路、控制离子门的门控电路以及为门控电路提供外部输入信号的信号发生器。
提供迁移管高压的高压电源选择输出电压为5500V，电晕放电环型电极连接在迁移管的分压电路中，获得5500V的电势，迁移管第一环获得5000V的电势，即工作状态中离子迁移谱迁移区域分得5000V迁移电压，迁移电场强度为40V/cm。提供电晕放电的高压电源输出电压为9000V，即工作状态中电晕放电电压为3500V。
其对比实例为紫外电离源的离子迁移谱，条件为高压电源选择输出电压为5250V，通过分压电路使紫外灯分得启辉电压1200V、维持电压250V。即工作状态中离子迁移谱迁移区域分得5000V迁移电压，迁移电场强度为40V/cm。
离子门接入参考电压为3850V，关门电压为80V，开门时间为120μs。利用微电流放大器进行放大，示波器进行信号接收，获取谱峰，获得两种电离源的谱图如图4所示。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电晕放电电离源结构，包括电离腔、设置在所述电离腔内的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间施加高压以在所述电离腔内形成电晕放电，所述电离腔上设置有用于输送吹扫气的进气口和出气口，其特征在于,所述第一电极设置成针型电极，所述进气口和出气口经设置使所述电离腔内的气体流动方向沿着所述针型电极的轴线方向吹过所述针型电极的尖端。
2.如权利要求1所述的电晕放电电离源结构，其特征在于,所述进气口包括相对于所述针型电极的轴线方向对称设置的一对进气口，所述出气口包括相对于所述针型电极的轴线方向对称设置的一对出气口，且所述一对进气口和所述一对出气口在所述针型电极的轴线方向上的投影位置相互错开，所述针型电极的尖端位于所述一对进气口和所述一对出气口在所述针型电极的轴线方向上的投影位置之间。
3.如权利要求2所述的电晕放电电离源结构，其特征在于,所述一对进气口和所述一对出气口垂直于所述针型电极的轴线方向而设置。
4.如权利要求3所述的电晕放电电离源结构，其特征在于,所述针型电极的轴线方向沿水平方向，所述一对进气口和所述一对出气口沿上下方向设置。
5.如权利要求1至4任一项所述的电晕放电电离源结构，其特征在于,所述进气口设置在所述针型电极的尖端的前侧，所述出气口设置在所述针型电极的尖端的后侧。
6.如权利要求1至5任一项所述的电晕放电电离源结构，其特征在于,还包括具有凹腔的针型电极固定支架和进气环结构，所述电离腔形成在由所述针型电极固定支架和所述进气环结构围合成的腔体的内部，所述针型电极由外至内穿设在所述针型电极固定支架的凹腔底壁上，所述第二电极为环型电极，所述环型电极夹设在所述针型电极固定支架和所述进气环结构之间，所述进气口设置在所述针型电极固定支架上，所述出气口设置在所述进气环结构上。
7.如权利要求6所述的电晕放电电离源结构，其特征在于,所述针型电极固定支架和进气环结构为特氟龙材料制成。
8.如权利要求1至7任一项所述的电晕放电电离源结构，其特征在于,所述第一电极为钨钢材料制成，所述第二电极为不锈钢材料制成。
9.如权利要求1至8任一项所述的电晕放电电离源结构，其特征在于,所述进气口和所述出气口包括与所述电离腔相接的半径1mm的通孔，优选地，所述通孔的外端连接外径较所述通孔扩大的螺纹孔。
10.一种离子迁移谱仪，其特征在于,具有如权利要求1至9任一项所述的电晕放电电离源结构。
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