CN110797252A

CN110797252A - 一种大气压辉光放电离子源装置

Info

Publication number: CN110797252A
Application number: CN201810863960.9A
Authority: CN
Inventors: 汪正; 彭晓旭
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2038-08-01
Also published as: CN110797252B

Abstract

本发明提供一种大气压辉光放电离子源装置，其是可应用于质谱分析的高通用大气压敞开式离子源装置。该装置包括：第一T型三通阀和第二T型三通阀；设置在所述第一T型三通阀上的大气压辉光放电发生区；向所述大气压辉光放电发生区输入载气以及待分析样品并设置在所述第二T型三通阀的载气/样品输入端；用于对所述大气压辉光放电发生区进行冷却的冷却***；接收并传输所述大气压辉光放电区生成的电离产物的离子传输通道；以及为所述大气压辉光放电发生区放电提供电能的电源***。

Description

一种大气压辉光放电离子源装置

技术领域

本发明属于质谱分析领域，涉及质谱离子源装置技术领域，更具体地，涉及一种大气压辉光放电离子源装置。

背景技术

随着国民经济建设和社会生活的快速发展，对当今分析测试技术提出了新的挑战。质谱作为一种用于物质成分、结构分析的核心技术手段，介于其高灵敏以及高分辨的分析特性，为复杂物质的鉴定和结构分析打开了一个便捷的窗口。如何将分析物以合适的离子形式引入到质谱中，即离子源，直接关系到质谱的分析性能以及分析领域。电感耦合等离子体这一类具有高电离能的硬电离技术，能够保证目标分析物中痕量元素的充分电离，应用于元素定性定量分析、同位素比测定等方面时灵敏度较高、质谱干扰较小以及精确度较高。但需消耗大量的惰性气体，且体积大、功耗较高，同时高电离能量使得一些分子或分子聚合物等以裸元素离子形式进入到质谱中，不能保证其结构的完整性。此时需选用能够实现温和电离的软电离技术。因此必须针对分析物特性以及分析需求选择特定的电离技术，这一定程度上增加了物质分析过程的复杂程度。

常压敞开式离子源凭借快速、原位、实时离子化样品等优势，已成为当今离子源的研究热点。大气压辉光放电所产生的微等离子体具备构建成为常压敞开式离子源的条件，其产生的微等离子体的尺寸限制在毫米量级甚至更低，通过调谐放电条件以及添加辅助试剂，能够显著地改变大气压辉光放电微等离子体的放电特性。一方面可实现部分元素的电离，另一面能够保证分子以及配合物结构的完整性，这是其他常压敞开式离子源所不具备的。现有技术中，一般大气压辉光放电产生的微等离子体暴露在大气环境中，应用于元素检测时，其较低的能量密度导致元素的电离效率较低。同时，大气压辉光放电装置的离子产生以及离子传输设计同质谱的离子采集设计适配性，导致离子由辉光放电部分到质谱检测部分的传输效率较低，一定程度上限制了其分析性能的进一步提升。

综上，如何针对质谱分析的特点，对大气压辉光放电装置进行改进性设计，提高其应用于质谱分析时对于不同种类物质的电离性能，实现利用单一便携式低功耗离子源同时能够对多种分析物进行高灵敏、高选择性分析是目前本领域亟待解决的关键问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种大气压辉光放电离子源装置，其是可应用于质谱分析的高通用大气压敞开式离子源装置。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大气压辉光放电离子源装置，该装置包括：

第一T型三通阀和第二T型三通阀；

设置在所述第一T型三通阀上的大气压辉光放电发生区；

向所述大气压辉光放电发生区输入载气以及待分析样品并设置在所述第二T型三通阀的载气/样品输入端；

用于对所述大气压辉光放电发生区进行冷却的冷却***；

接收并传输所述大气压辉光放电区生成的电离产物的离子传输通道；以及

为所述大气压辉光放电发生区放电提供电能的电源***。

本发明对大气压辉光放电微等离子装置的离子产生以及离子传输进行优化设计，提高了大气压辉光放电离子源应用于质谱分析时的电离效率以及离子传输效率，保证对于不同分析物的电离性能表现。本发明结构简单，同时集成度高。实现利用单一便携式低功耗离子源同时能够对多种分析物进行有效电离。优选的，上述大气压辉光放电离子源装置中，所述大气压辉光放电发生区包括第一耐高温石英管、以及与所述第一高温石英管不同尺寸的第二耐高温石英管，以及空心电极和空心对电极。

优选的，上述大气压辉光放电离子源装置中，所述大气压辉光放电发生区域中，将所述空心电极内嵌于尺寸相匹配的第一耐高温石英管中，所述空心电极的外壁同所述第一耐高温石英管的内壁贴合。更优选的，所述第一耐高温石英管内径1.4~1.8 mm、外径2.8~3.2 mm。

本发明中，通过将大气压辉光放电发生区的空心电极内嵌于适配尺寸的耐高温石英管中，限制辉光放电的有效体积，有效提高了放电能量密度。

优选的，上述大气压辉光放电离子源装置中，所述大气压辉光放电发生区采用第二耐高温石英管将内嵌有所述空心电极的所述第一耐高温石英管与空心对电极固定成为一体，并保持所述空心电极和所述空心对电极同轴。更优选的，所述第二耐高温石英管内径2.8~3.2 mm、外径3.8~4.2 mm。

借助于此，本发明中大气压辉光放电发生区的设计保证了大气压辉光放电区具有较高的集成度，同时通过使空心电极和空心对电极同轴，保证了电离产物的传输效率。

优选的，上述大气压辉光放电离子源装置中，所述大气压辉光放电发生区采用惰性气体（He或Ar）作为大气压辉光放电的放电介质以及样品传输载气。

借助于此，本发明中使用的惰性气体一方面为触发并维持大气压辉光放电微等离子体提供一定的介质基础，产生稳定的微等离子体。

优选的，上述大气压辉光放电离子源装置中，所述离子传输通道为大气压辉光放电发生区中的空心对电极，空心对电极同时作为大气压辉光放电发生区对电极以及电离产物的传输通道。

本发明中，大气压辉光放电发生区的空心对电极同时作为离子传输通道，缩短了离子的传输路径，同时基于对电极较高的温度，保证了离子在传输过程中的稳定性，显著提高了离子的传输效率。

优选的，上述大气压辉光放电离子源装置中，所述第一T型三通阀采用适配尺寸的PTFE（英文poly tetra fluoroethylene的简称，聚四氟乙烯）管将大气压辉光放电发生区固定在第一T型三通阀靠近第二T型三通阀的一端。

借助于此，一定程度上提高了整体装置的集成度。

优选的，上述大气压辉光放电离子源装置中，所述冷却***通过向安装在第一T型三通阀一端的外侧耐高温石英管与内嵌有空心电极的耐高温石英管之间引入冷却气进行冷却。

本发明中，冷却***保证在高强度放电下，空心电极和空心对电极不会过度的损耗。

优选的，上述大气压辉光放电离子源装置中，所述载气/样品输入端所述载气/样品输入端通过载气携带气体样品进入大气压辉光放电发生区，液体样品通过注射泵，经耐高温石英毛细管传输至大气压辉光放电发生区，并且所述耐高温石英毛细管通过适配尺寸的PTFE管设置于第二T型三通阀的一端。

借助于此，本发明中载气/样品输入端保证了气体样品以及微量液体样品能够进入到大气压辉光放电发生区中。优选的，上述大气压辉光放电离子源装置中，所述大气压辉光放电发生区中通过串接阻值为2.5～12kΩ左右的稳流电阻，将空心电极与空心对电极直接接触来触发产生大气压辉光放电微等离子体。

借助于此，本发明中稳流电阻一方面避免空心电极和空心对电极接触触发产生大气压辉光放电微等离子体的过程中转变为电弧，同时提高了大气压辉光放电微等离子体的稳定性。

附图说明

为对本发明实施例或现有技术中的技术方案进行更加清晰的阐述，下面对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍。下面介绍中的附图为仅为本发明的实施例，相关领域的技术人员还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施形态的大气压辉光放电离子源装置的整体结构示意图；

图2为本发明一实施形态的大气压辉光放电离子源装置的辉光放电发生区的内部结构示意图；

图3 为本发明一实施形态的大气压辉光放电离子源装置的载气/样品输入端的内部结构示意图；

附图标记：

1-耐高温石英毛细管； 2-聚乙烯T型三通阀（第二T型三通阀）； 3-空心电极； 4-PTFE管； 5-不锈钢T型三通阀（第一T型三通阀）； 6-第一耐高温石英管； 7-第二耐高温石英管；8-外侧耐高温石英管； 9-空心对电极； 10-PTFE管； 11-PTFE管；12-质谱采样锥口； 13-高压电源；14-稳流电阻； 15-铜导线； 16-样品传输硅胶管； 17-注射泵； 18-气体管路； 19-气体流量计。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图和实施方式对本发发明进行清晰、完整地描述，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的大气压辉光放电离子源装置，包括：用于固定和连接装置各元件的聚乙烯T型三通阀2和不锈钢T型三通阀5；设置在不锈钢T型三通阀5一端的大气压辉光放电发生区，主要由空心电极3、第一耐高温石英管6、第二耐高温石英管7以及空心对电极9组成；载气/样品输入端均设置于聚乙烯T型三通阀2上，通过将大气压辉光放电发生区延伸出的一段空心电极3设置在聚乙烯T型三通阀2一端，连通载气/样品输入端与大气压辉光放电发生区；离子传输通道即为空心对电极9，大气压辉光放电发生区产生的离子直接由放电区经离子传输通道传输至质谱采样锥口12；外侧耐高温石英管8设置于不锈钢T型三通阀5一端，在外侧耐高温石英管8与第一耐高温石英管6之间输入冷却气。

本实施例中，如图1和图2所示，大气压辉光放电发生区内、外径分别为1.1和1.6mm的空心电极3内嵌于内外径分别为1.6和3 mm的第一耐高温石英管6中，空心电极3外壁与第一耐高温石英管6内壁紧密贴合，同时保持空心电极3端口限制于第一耐高温石英管6端口之内2-6 mm。空心对电极9的内径等于或略大于第一耐高温石英管6的内径，同时空心对电极9的外径同第一耐高温石英管6的外径相同，保持空心对电极9面向空心电极3的端口紧密贴合第一耐高温石英管6的端口，保证大气压辉光放电发生区产生的辉光放电束缚于第一耐高温石英管6的有限体积中。安装内、外径分别为3和4 mm的第二耐高温石英管7于第一耐高温石英管6与空心对电极9的外侧，保持第二耐高温石英管7的内壁同第一耐高温石英管6与空心对电极9的外壁同时紧密贴合，保证内嵌有空心电极3的第一耐高温石英管6与空心对电极9同轴设置。内嵌有空心电极3的第一耐高温石英管6通过内外径分别为3.0 mm与6.0 mm的PTFE（英文poly tetra fluoroethylene的简称，聚四氟乙烯）管4设置于不锈钢T型三通阀5的一端，外侧石英管8设置于不锈钢T型三通阀5的另一端，并且保持空心对电极9能够延伸至外侧石英管8端口外侧3-6 mm。PTFE材料具有耐腐蚀、耐高温、不粘附、电绝缘等特性，较为适合本实施例提供的大气压辉光放电离子源装置的使用要求。

此外，利用内、外径分别为1.6和6 mm的PTFE管11将从不锈钢T型三通阀5左端延伸出的空心电极3设置于聚乙烯T型三通阀2中靠近不锈钢T型三通阀5的一端，并且保持有限长度的空心电极3延伸进入到聚乙烯T型三通阀2中，实现载气/样品输入端与大气压辉光放电发生区进行连通，如图3所示，并将载气/样品输入端与大气压辉光放电发生区结合为一体。

本实施例中，内、外径分别为0.35和0.5 mm的耐高温石英毛细管1设置于聚乙烯T型三通阀2中远离不锈钢T型三通阀5的一端，并使用适配尺寸的PTFE管10固定于聚乙烯T型三通阀，保持耐高温石英毛细管1与空心电极3同轴设置，并保证耐高温石英毛细管1的末端位于空心电极3端口外部。通过使用气体管路18连通气体流量计19，向大气压辉光放电的发生区提供大气压辉光放电发生的载气，气体样品可随载气一同进入大气压辉光放电发生区。同时使用样品传输硅胶管16连接耐高温石英毛细管1与注射泵17，以一定流速向大气压辉光放电发生区平稳无脉动地进行液体样品传输，如图3所示。

优选的，载气/样品输入端向大气压辉光放电发生区提供的载气为He气。He气作为介质所产生的大气压辉光放电呈柱状，有利于分析物的有效电离。但作为载气也可为Ar气等惰性气体。

本实施例中，通过将外侧包裹有绝缘材料的铜导线15连接在空心电极3与延伸至外侧耐高温石英管8端口外侧的空心对电极9之上，在两电极之间串接阻值为大致为2.5～12 kΩ的稳流电阻14，随后分别连接于高压电源13的正负极，高压电源13输出一定电压（该电压同串接电阻的阻值大小有关）为大气压辉光放电发生区中大气压辉光放电的发生提供一定高压。

优选的，当高压电源13在空心电极3与空心对电极9之间输出一定高压时，所述大气压辉光放电发生区中空心电极3和空心对电极9之间具有稳定的载气流量（> 60 mL∙min^-1）时，采取空心电极3与空心对电极9直接接触的方式来触发产生大气压辉光放电微等离子体。稳流电阻一方面保证空心电极3与空心对电极9之间的放电过渡为电弧，同时防止空心电极3与空心对电极9接触时电路发生短路。

本实施例中，大气压辉光放电离子源装置的工作过程如下：首先由载气/样品输入端通过气体流量计19以适合气体流速（> 60 mL∙min^-1）向大气压辉光放电发生区输送并提供一定的He气作为放电介质，高压电源13向空心电极3与空心对电极9输出一定高压，通过推动聚乙烯T型三通阀2向不锈钢T型三通阀5移动，使得固定在聚乙烯T型三通阀2上的空心电极3向空心对电极9靠近，直至两电极能够直接接触。待电极之间触发产生微等离子体后，通过推动聚乙烯T型三通阀2，使得空心电极3与空心对电极9之间的间距恢复至合适距离，即可产生并稳定维持大气压辉光放电微等离子。根据大气压辉光放电强度调节由第一耐高温石英管6 与外侧耐高温石英管8之间冷却气的流量。随后样品可通过载气/样品输入端的注射泵17或随载气输入到大气压辉光放电发生区。在大气压辉光发生区产生的电离产物在载气作用下沿着空心对电极9传输至质谱采样锥口12。

综上，本实施例提供的大气压辉光放电离子源装置结构简单，同时采用第一耐高温石英管6限制产生大气压辉光放电的有效体积，一定程度上提高其放电能量密度。同时采用空心对电极9同时作为放电电极以及离子的传输通道，有效缩短了离子的传输路径，基于对电极具有较高的温度，有效提高了电离产物传输过程中的稳定性，使大气压辉光放电离子源装置更合适应用于质谱分析领域。

本发明提供的大气压辉光放电离子源装置，包括聚乙烯T型三通阀、不锈钢T型三通阀、载气/待分析样品输入端、适配尺寸的耐高温石英管、大气压辉光放电发生区以及离子传输通道。聚乙烯/不锈钢T型三通阀用于固定整个离子源的各部分元件，并将大气压辉光放电离子源各部分集成为一体。载气/样品输入端与大气压辉光放电发生区相互配合工作，载气的输入为大气压辉光放电的发生提供介质基础。离子传输通道将大气压辉光放电发生区产生的离子传输到质谱中。在上述大气压辉光放电离子源装置进行工作时，将大气压辉光放电发生区的空心电极内嵌于适配尺寸的耐高温石英管中，束缚辉光放电的体积。在高强度放电条件下，空心电极和空心对电极由冷却***进行冷却。将大气压辉光放电发生区的空心对电极同时作为离子传输通道。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施方法是用于说明而非限制。例如，上述具体实施方式中采用了聚乙烯T型三通阀2作为第二T型三通阀，但其材质亦可为聚四氟乙烯、不锈钢、铁等材料；上述具体实施方式中采用了不锈钢T型三通阀5作为第一T型三通阀，但其材质亦可为聚四氟乙烯、聚乙烯、铁等材料；上述具体实施方式中采用了第一耐高温石英管6、第二耐高温石英管7、外侧耐高温石英管8，但亦可替代石英管而采用氧化铝等耐高温材料；上述具体实施方式中采用了铜导线15，但亦可采用银制或铁制等导电率较高的材料作为导线；上述具体实施方式中采用了PTFE管4、PTFE管10、PTFE管11，但其材质亦可采用如聚丙烯、聚全氟乙丙烯等耐腐蚀等材料。

由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims

1.一种大气压辉光放电离子源装置，其特征在于，包括：

第一T型三通阀和第二T型三通阀；

设置在所述第一T型三通阀上的大气压辉光放电发生区；

用于对所述大气压辉光放电发生区进行冷却的冷却***；

为所述大气压辉光放电发生区放电提供电能的电源***。

2.根据权利要求1所述的大气压辉光放电离子源装置，其特征在于，

所述大气压辉光放电发生区包括第一耐高温石英管、以及与所述第一高温石英管不同尺寸的第二耐高温石英管，以及空心电极和空心对电极。

3.根据权利要求2所述的大气压辉光放电离子源装置，其特征在于，

所述大气压辉光放电发生区中，将所述空心电极内嵌于尺寸相匹配的第一耐高温石英管中，所述空心电极的外壁同所述第一耐高温石英管的内壁贴合。

4.根据权利要求2所述的大气压辉光放电离子源装置，其特征在于，

所述大气压辉光放电发生区采用第二耐高温石英管将内嵌有所述空心电极的所述第一耐高温石英管与空心对电极固定成为一体，并保持所述空心电极和所述空心对电极同轴。

5.根据权利要求1所述的大气压辉光放电离子源装置，其特征在于，

所述大气压辉光放电发生区采用惰性气体作为大气压辉光放电的放电介质以及样品传输载气。

6.根据权利要求1所述的大气压辉光放电离子源装置，其特征在于，

所述离子传输通道为所述大气压辉光放电发生区中的空心对电极，所述空心对电极同时作为大气压辉光放电发生区对电极以及电离产物的传输通道。

7.根据权利要求1所述的大气压辉光放电离子源装置，其特征在于，

所述第一T型三通阀采用适配尺寸的PTFE管将所述大气压辉光放电发生区固定在第一T型三通阀中靠近所述第二T型三通阀的一端。

8.根据权利要求1所述的大气压辉光放电离子源装置，其特征在于，

所述冷却***通过向安装在所述第一T型三通阀的一端的外侧的耐高温石英管与内嵌有空心电极的耐高温石英管之间引入冷却气进行冷却。

9.根据权利要求1所述的大气压辉光放电离子源装置，其特征在于，

所述载气/样品输入端通过载气携带气体样品进入所述大气压辉光放电发生区，液体样品通过注射泵，经耐高温石英毛细管传输至所述大气压辉光放电发生区，并且所述耐高温石英毛细管通过适配尺寸的PTFE管设置于所述第二T型三通阀的一端。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的大气压辉光放电离子源装置，其特征在于，

所述大气压辉光放电发生区通过串接阻值为2.5～12 kΩ的稳流电阻，将空心电极与空心对电极直接接触来触发产生大气压辉光放电微等离子体。