CN114093748A - 一种结构紧凑的光电离离子源及光电离飞行时间质谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于分析仪器技术领域，具体涉及一种结构紧凑的光电离离子源及光电离飞行时间质谱仪。本发明的光电离离子源，包括依次设置的紫外灯和电极组，所述电极组中相邻的电极之间设置有绝缘密封环，所述电极组中的电极的中部均设置有通孔结构，所述绝缘密封环和所述电极组中的电极共同构成柱状腔体；所述电极组中的电极包括依次设置的漂移首电极、至少一个漂移电极和漂移尾电极，所述漂移首电极的侧面设置有用于进样的毛细管，所述紫外灯设置在柱状腔体中靠近漂移首电极的一端。将该光电离离子源应用于飞行时间质谱仪，能够有效简化仪器的结构，减小仪器的体积并降低仪器的能耗，有利于飞行时间质谱仪的推广使用，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于分析仪器技术领域，具体涉及一种结构紧凑的光电离离子源及光电离飞行时间质谱仪。
背景技术
飞行时间质谱仪(Time of Flight Mass Spectrometer，TOF)是一种常用的质谱仪。这种质谱仪的质量分析器是一个离子漂移管。由离子源将样品处理为离子束，离子束加速后进入无场漂移管，并以恒定速度飞向离子接收器。离子质量越大，到达接收器所用时间越长，离子质量越小，到达接收器所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子按m/z值大小进行分离，进而分析样品产生的离子。
在TOF中，离子源是非常重要的组成部分。离子源对样品的电离效果关系到检测结果的灵敏度等性能。中国发明专利“CN200610011793.2飞行时间质谱仪中真空紫外灯电离装置”提供了一种光电离离子源，这是一种利用紫外灯照射样品离子使其电离的离子源设备。为了避免空气对样品电离的影响，该现有技术中的光电离离子源配制了独立的机械泵或者分子泵，以维持离子源的电离区所在的腔室的真空度达到样品电离的需求。除了离子源的电离区外，TOF中通常还有离子传输区等其他需要维持真空度的区域，因此，现有的光电离飞行时间质谱仪通常都有多个用于抽真空的机械泵或者分子泵，这使得仪器结构复杂、体积庞大，且使用时能源消耗较高，不利于其推广应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种结构紧凑的光电离离子源及光电离飞行时间质谱仪，目的在于：通过合理设计光电离离子源，省略其抽真空装置，使其结构紧凑；应用于飞行时间质谱仪后，能够进一步简化飞行时间质谱仪的结构，减小仪器的体积，方便使用。
一种结构紧凑的光电离离子源，包括依次设置的紫外灯和电极组，所述电极组中相邻的电极之间设置有绝缘密封环，所述电极组中的电极的中部均设置有通孔结构，所述绝缘密封环和所述电极组中的电极共同构成柱状腔体；
所述电极组中的电极包括依次设置的漂移首电极、至少一个漂移电极和漂移尾电极，所述漂移首电极的侧面设置有用于进样的毛细管，所述紫外灯设置在柱状腔体中靠近漂移首电极的一端。
优选的，还包括流量控制器和压力控制器，所述流量控制器和压力控制器通过旁路引出连接在毛细管上。
优选的，所述漂移首电极和所述漂移电极的通孔结构的孔径为1mm-15mm，所述绝缘密封环的中心孔大小为1-20mm，所述漂移尾电极的通孔结构的孔径为0.3-3mm，所述柱状腔体的长度为30-300mm。
优选的，所述漂移首电极与所述紫外灯的灯头电极接触。
优选的，所述漂移尾电极的通孔结构为锥形孔。
优选的，所述电极组中的电极还包括样品汇聚漂移电极，所述汇聚漂移电极位于所述漂移首电极和漂移电极之间，所述样品汇聚漂移电极的通孔结构的孔径为1mm-3mm，所述样品汇聚漂移电极的通孔结构与所述紫外灯的光束同轴设置。
优选的，所述电极组中的电极还包括真空测量漂移电极，所述真空测量漂移电极的侧面设置有用于检测所述柱状腔体的真空度的真空规。
优选的，所述电极组中的电极之间设置有分压电阻。
本发明还提供一种光电离飞行时间质谱仪，所述光电离飞行时间质谱仪的离子源采用上述光电离离子源。
优选的，所述光电离离子源后端设置有离子传输区真空腔，所述离子传输区真空腔连接有用于抽真空的装置，所述离子传输区真空腔中设置有离子传输器，所述离子传输区真空腔后端设置有用于引出离子束的小孔电极，所述小孔电极上设置有孔径0.5-2mm的小孔。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
1、通过紫外灯、电极和绝缘密封环的组合，共同围成了用于电离的密封腔体，结构紧凑，没有多余的部件，能够有效维持光电离离子源密封腔体的体积在合理的范围内，使其能够与后端的离子传输区真空腔共用抽真空设备。由此，本发明的光电离离子源成功省略了独立的抽真空设备。
2、本发明的优选方案通过流量控制器和压力控制器控制毛细管的进样压力和进样流量，进一步降低了电离区域维持真空的难度，使得独立抽真空设备的省略更加容易，同时使得电源内部的气压可调，也避免了样品在调压、调流装置上的污染并干扰检测的可能性。
3、本发明的优选方案通过合理设置各部件的尺寸，控制电离区域的直径长度和出口大小等参数，进一步降低了电离区域维持真空的难度，使得独立抽真空设备的省略更加容易。
4、本发明的优选方案中，漂移首电极与所述紫外灯的灯头电极接触使得两者等电势，有利保证生成的离子不被紫外灯电压干扰，提高离子传输效率，并减少电源的设置降低成本。
5、本发明的优选方案中，样品汇聚漂移电极可以使送入电离室内的所有被测气体汇聚并通过被紫外灯的有效电离半径内，该设计可以将电离效率提高3-10倍。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为实施例1中的结构紧凑的光电离离子源及其后端连接的离子传输区真空腔的结构示意图；
图2为实施例2的光电离飞行时间质谱仪对苯标准样品的高灵敏度、全谱、在线检测；
图3为实施例2的光电离飞行时间质谱仪对浓度为16.8ppbv的苯进行检测的结果。
其中，1-毛细管，2-紫外灯，3-漂移首电极，4-绝缘密封环，5-样品汇聚漂移电极，6-真空测量漂移电极，7-漂移电极，8-漂移尾电极，9-离子传输器，10-离子传输区真空腔，11-小孔电极，12-分子泵，13-真空规，14-流量控制器，15-压力控制器，16-直流电源，17-分压电阻，18-射频电源。
具体实施方式
实施例1一种结构紧凑的光电离离子源
本实施例提供一种结构紧凑的光电离离子源，如图1所示，其包括紫外灯2和电极组，所述电极组中相邻的电极之间设置有绝缘密封环4，电极组中的电极由不锈钢或者其它金属制成，绝缘密封环由四氟乙烯或其他非金属材料制成。所述电极组中的电极的中部均设置有通孔结构，所述绝缘密封环4和所述电极组中的电极共同构成柱状腔体，即为样品的电离区。所述紫外灯2设置在柱状腔体中靠近漂移首电极3的一端。构成柱状腔体的各部件的接触部位具有气密性，以便于维持真空度。紫外灯2的灯头电极与漂移首电极3接触安装，使得两者等电势，有利保证生成的离子不被紫外灯2的电压干扰，提高离子传输效率，并减少电源的设置，降低成本。
所述电极组中的电极包括依次设置的漂移首电极3、汇聚漂移电极5、真空测量漂移电极6和漂移电极7和漂移尾电极8。漂移电极7的数量为3个。所述电极组中的电极之间设置有分压电阻17。在光电离离子源工作时，通过两个或多个直流电源16从漂移首电极到漂移尾电极施加均匀或者不均匀的下降电压，为电离区提供离子迁移动力。施加的电压差范围为5-500V。
所述漂移首电极3的侧面设置有用于进样的毛细管1，漂移首电极3上设置样品引入孔，毛细管1中的样品通过该孔引入电离区。所述毛细管1的侧面设置有流量控制器和压力控制器。通过流量控制器和压力控制器能够同时控制外界进入毛细管1的样品流量以及样品进入电离区内部的流量(即离子源进样压力)，使得电离区的真空度维持更加容易。特别的，本实施例的流量控制器通过旁路引出连接在毛细管的侧面，既能完成任意时刻对离子源内气压的调整，又可以避免在毛细管进样管路上串接流量计带来的样品污染问题。
所述漂移首电极3、真空测量漂移电极6和所述漂移电极7的通孔结构的孔径为10mm，所述绝缘密封环4的中心孔大小为10mm，绝缘密封环4的厚度为1mm，所述漂移尾电极8的通孔结构的孔径为1.5mm，所述柱状腔体的长度为100mm。
所述样品汇聚漂移电极5的通孔结构的孔径为2mm，所述样品汇聚漂移电极5的通孔结构与所述紫外灯2的光束同轴设置。样品汇聚漂移电极5的设置可以使送入电离室内的所有被测气体汇聚并通过被紫外灯的有效电离半径内，该设计可以将电离效率提高3-10倍。
所述真空测量漂移电极6的侧面设置有用于检测所述柱状腔体的真空度的真空规13。
所述漂移尾电极8的通孔结构为锥形孔，以通孔结构附近的孔壁厚度。样品在电离区电离后，生成的离子束经由漂移尾电极8的通孔结构离开电离区，进入光电离离子源后端连接的设备。
实施例2一种光电离飞行时间质谱仪
本实施例提供一种光电离飞行时间质谱仪，其离子源采用实施例1的光电离离子源。光电离离子源通过一个离子传输区真空腔10与后端的离子透镜和飞行时间质量分析器等装置连接。本实施例中离子透镜和飞行时间质量分析器等未具体说明其结构的装置均属于现有技术。
所述离子传输区真空腔10中设置有离子传输器9，离子传输器9优选为四极杆离子传输器。所述离子传输区真空腔10后端设置有用于引出离子束的小孔电极11，所述小孔电极11上设置有孔径1.5mm的小孔。
本实施例的离子传输区真空腔10连接有一个抽速10L/s-300L/s的涡轮分子泵12，该分子泵12能够同时维持电离区的柱状腔体和离子传输区的离子传输区真空腔10的真空度。在本实施例中，电离区的柱状腔体的真空度可维持在100-800Pa，离子传输区真空腔的10真空度可以在0.05-10Pa之间，能够满足各种样品的测试需求。
采用本实施例的光电离飞行时间质谱仪对苯标准样品进行测试的结果如图2所示。可见，本实施例能够用于对挥发性有机物的高灵敏度、全谱、在线检测。对于含有16.8ppbv苯的苯标准样品进行检测，如图3所示，其产生的分子离子峰信号强度为171099，噪声31.66，信噪比5404，检出限0.009，表明本实施例的仪器能够达到很高的精密度。
通过上述实施例可以看到，本发明提供了一种结构紧凑、能够与后端的的离子传输区真空腔共用抽真空装置的光电离离子源，将该光电离离子源应用于飞行时间质谱仪，能够有效简化仪器的结构，减小仪器的体积并降低仪器的能耗，有利于飞行时间质谱仪的推广使用，具有很好的应用前景。
Claims (10)
1.一种结构紧凑的光电离离子源，其特征在于：包括依次设置的紫外灯(2)和电极组，所述电极组中相邻的电极之间设置有绝缘密封环(4)，所述电极组中的电极的中部均设置有通孔结构，所述绝缘密封环(4)和所述电极组中的电极共同构成柱状腔体；
所述电极组中的电极包括依次设置的漂移首电极(3)、至少一个漂移电极(7)和漂移尾电极(8)，所述漂移首电极(3)的侧面设置有用于进样的毛细管(1)，所述紫外灯(2)设置在柱状腔体中靠近漂移首电极(3)的一端。
2.按照权利要求1所述的光电离离子源，其特征在于：还包括流量控制器(14)和压力控制器(15)，所述流量控制器(14)和压力控制器(15)通过旁路引出连接在毛细管(1)上。
3.按照权利要求1所述的光电离离子源，其特征在于：所述漂移首电极(3)和所述漂移电极(7)的通孔结构的孔径为1mm-15mm，所述绝缘密封环(4)的中心孔大小为1-20mm，所述漂移尾电极(8)的通孔结构的孔径为0.3-3mm，所述柱状腔体的长度为30-300mm。
4.按照权利要求1所述的光电离离子源，其特征在于：所述漂移首电极(3)与所述紫外灯(2)的灯头电极接触。
5.按照权利要求1所述的光电离离子源，其特征在于：所述漂移尾电极(8)的通孔结构为锥形孔。
6.按照权利要求1所述的光电离离子源，其特征在于：所述电极组中的电极还包括样品汇聚漂移电极(5)，所述汇聚漂移电极(5)位于所述漂移首电极(3)和漂移电极(7)之间，所述样品汇聚漂移电极(5)的通孔结构的孔径为1mm-3mm，所述样品汇聚漂移电极(5)的通孔结构与所述紫外灯(2)的光束同轴设置。
7.按照权利要求1所述的光电离离子源，其特征在于：所述电极组中的电极还包括真空测量漂移电极(6)，所述真空测量漂移电极(6)的侧面设置有用于检测所述柱状腔体的真空度的真空规(13)。
8.按照权利要求1-7任一项所述的光电离离子源，其特征在于：所述电极组中的电极之间设置有分压电阻(17)。
9.一种光电离飞行时间质谱仪，其特征在于：所述光电离飞行时间质谱仪的离子源采用权利要求1-8任一项所述的光电离离子源。
10.按照权利要求9所述的光电离飞行时间质谱仪，其特征在于：所述光电离离子源后端设置有离子传输区真空腔(10)，所述离子传输区真空腔(10)连接有用于抽真空的装置，所述离子传输区真空腔(10)中设置有离子传输器(9)，所述离子传输区真空腔(10)后端设置有用于引出离子束的小孔电极(11)，所述小孔电极(11)上设置有孔径0.5-2mm的小孔。
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