CN102573260A

CN102573260A - 等离子体离子源的发生装置

Info

Publication number: CN102573260A
Application number: CN2010105794907A
Authority: CN
Inventors: 陈应; 徐国宾; 杨芃原
Original assignee: SHANGHAI HUAZHI BIOTECHNIC CO Ltd
Current assignee: Zhejiang Fuhua quality core Biotechnology Co., Ltd.
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2030-12-08
Also published as: CN102573260B

Abstract

一种应用于质谱仪的等离子体离子源的发生装置，包括：等离子体发生腔体，包括作为等离子体发生区的腔室；高压射频源，包括电源以及设于所述等离子体发生腔体外表面的射频电极；与所述等离子体发生腔体相通的传输结构，用于将样品气体和载气引入到所述等离子体发生腔体中；密封件，用于密封所述传输结构与所述等离子体发生腔体之间的连通，为所述等离子体发生腔体提供真空环境。相较于现有技术，本发明的等离子体离子源的发生装置，利用等离子体发生腔体，在低真空环境下可以产生出高密度的等离子体离子源。

Description

等离子体离子源的发生装置

技术领域

本发明涉及一种质谱分析技术，尤其涉及一种在低真空环境下的等离子体离子源的发生装置。

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，其中，离子源是质谱的关键技术。

最常用的离子源为电子电离源(Electron Ionization，EI)，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，即在质谱分析中采用较低的能量使样品分子电离的技术，常用的例如为化学电离源(chemical ionization，CI)。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。相比于EI源，CI源的电离使用的电子能量较小，产生的质谱峰数目少，能够提供很强的分子离子峰，可以方便地确定分子量。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，并且对真空系统消耗较大。

另外，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，但其存在装置复杂、真空消耗大等缺点。

后来，为了弥补这些缺点，业界又发展出了光离子化(Photo Ionization)源。光离子化源与EI源很类似，只是电子束被5eV～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)。

光离子化的能量还是比较高，对于大分子的有机物(例如石油)而言，如果产生碎片就会使得谱图很复杂，分析起来就比较困难，这样分析样品得到的结果的准确性不高。并且光离子化需要产生电离光子，且需要透光体暴露于被分析样品中，这样很容易降低透光体的寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体离子源的发生装置，提供高密度的等离子体。

为解决上述及其他问题，本发明提供一种等离子体离子源的发生装置，应用于质谱仪中，所述装置包括：等离子体发生腔体，包括作为等离子体发生区的腔室；高压射频源，包括电源以及设于所述等离子体发生腔体外表面的射频电极；与所述等离子体发生腔体相通的传输结构，用于将样品气体和载气引入到所述等离子体发生腔体中；密封件，用于密封所述传输结构与所述等离子体发生腔体之间的连通，为所述等离子体发生腔体提供真空环境。

可选地，所述等离子体发生腔体为中空的玻璃管。

可选地，所述玻璃管的外径为0.2mm至20mm，内径为0.01mm至10mm。

可选地，所述玻璃管的外径为6mm，内径为2mm。

可选地，所述电源为交流电源，其电压范围为10V至10kV，所述射频电极产生的射频的频率范围为100Hz至3GHz。

可选地，所述电压为2kV，所述射频的频率为200kHz。

可选地，所述传输结构包括：与所述等离子体发生腔体相通的支撑管；位于所述支撑管内并探入所述等离子体发生腔体的腔室中、供传输样品气体和载气的毛细管。

可选地，所述毛细管的流量为0.1标准毫升每分钟至2标准毫升每分钟。

可选地，所述等离子体离子源的发生装置还包括用于将所述支撑管密封于所述等离子体发生腔体的第一密封法兰。

可选地，所述密封件为两通阀。

本发明的等离子体离子源的发生装置，具有如下优点：

1、利用等离子体发生腔体，在低真空环境下产生等离子体离子源。由于在低气压环境下，分子密度较低，电子可以被加速到更大的速度，与载气分子撞击时更容易产生出等离子体，且产生的等离子体的密度也越高，便于分析和对离子作进一步的处理，例如串级质谱分析，适用于大分子复杂样品的分析。且在低气压环境下，可以延长产生的等离子体的寿命和传输距离，并更易与质谱分析器结合。

2、利用本发明的等离子体离子源的发生装置产生的等离子体中自由电子和激发态粒子能量较小，形成的离子碎片少，有利于复杂有机物的分子离子峰形成，使得谱图简单，便于进行分析，获得准确性较高的分析结果。

3、包括电源和射频电极的高压射频源设置在等离子体发生腔体之外的大气压下，不容易放电，也不易产生污染，最大限度的减少了其对离子源中等离子体的传输以及对分析器的运行的影响。

附图说明

图1为本发明等离子体离子源的发生装置的在一个实施方式中的立体示意图；

图2为本发明等离子体离子源的发生装置沿着图1中A-A线的剖面示意图；

图3显示了本发明中等离子体离子源的发生装置在一个具体实施例中的工作示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中产生的一些离子源(例如EI源、CI源、PI源)出现的一些问题，本发明的发明人通过创造性设计，提出了一种可以应用于低气压环境下的等离子体离子源的发生装置，采用一体化的制作工艺制作电极矩阵，制作工艺简单且加工精度较高，而制作出的电极矩阵具有空间利用率高、电场性能稳定、尺寸在不同应用环境下可以多种选择等优点。

以下将通过具体实施例来对本发明的等离子体离子源的发生装置进行详细说明。

请一并参阅图1和图2，其中图1为本发明等离子体离子源的发生装置在一个实施方式中的立体示意图，图2为本发明等离子体离子源的发生装置沿着图1中A-A线的剖面示意图。如图1和图2所示，本发明的等离子体离子源的发生装置包括：等离子体发生腔体11、包括电源以及设于等离子体发生腔体外表面的射频电极12的高压射频源、与等离子体发生腔体相通的传输结构13、用于将传输结构13密封于等离子体发生腔体11的第一密封法兰14、以及用于密封传输结构13与等离子体发生腔体11之间连通的密封件15。

等离子体发生腔体11，具有中空的腔室，所述腔室可以作为等离子体发生区。在实际应用中，等离子体发生腔体11可以采用绝缘材料制作而成，所述绝缘材料例如为陶瓷、云母、玻璃、绝缘纤维及其制品，但并不以此为限。优选地，在本实施例中，等离子体发生腔体11采用的是中空的厚壁玻璃管，由于玻璃管是透明的，从而可以使得观察者能够看见等离子体形成过程中能量释放的光，进而能够实时观察等离子体的产生情况。具体地，所述玻璃管的外径(OD)的范围为0.2mm至20mm，优选为6mm；其内径(ID)的范围为0.01mm至10mm，优选为2mm。

所述高压射频源包括电源(未在图式中予以显示)和与所述电源相连的射频电极12。电源可以是具有高电压的交流电源。射频电极12设于等离子体发生腔体11的外表面，包括与所述电源正极相连的阳极和与所述电源负极相连的阴极，在导电的情况下，射频电极产生电场，受电激发出电子。在本实施例中，射频电极12为包覆于等离子体发生腔体11的筒形电极。

传输结构13与等离子体发生腔体11相通，用于将样品气体和载气引入到等离子体发生腔体11中。在本实施例中，传输结构13包括：支撑管130和毛细管132。支撑管130与等离子体发生腔体11相通，主要起到支撑毛细管132的作用，支撑管130具体可以是金属管，例如不锈钢管。毛细管132插置于支撑管130内并将其一端口探入到等离子体发生腔体11的腔室中，这样，在等离子体发生腔体11的腔室内，射频电极12产生电子与毛细管132引入的载气相互碰撞产生等离子体。在这里，毛细管是用于引入样品气体和载气，按此功能，用于引入样品气体和载气的管道内径越粗越好，进入量就越大，越有利于等离子体的发生，但是，由于本发明是利用在低气压环境下产生等离子体，为确保真空环境，才选用了毛细管以实现在真空环境下引入样品和载气。所述样品为易挥发性有机物，所述载气可以选用氮气、空气或者其他类似气体。

另外，本发明提供了位于所述传输结构13的支撑管130和等离子体发生腔体11之间的第一密封法兰14，利用第一密封法兰14，可以将传输结构13中的支撑管130密封于等离子体发生腔体11上。在本实施例中，第一密封法兰14为不锈钢密封法兰。由于不锈钢密封法兰的结构及其工作原理已为本领域技术人员所熟知的现有技术，故不在此赘述。

再有，本发明提供了设于密封传输结构13的支撑管130的密封件15，利用密封件15，可以密封传输结构13中毛细管132与等离子体发生腔体11之间的连通。具体来讲，当密封件15开通的情况下，毛细管132与等离子体发生腔体11之间连通，利用毛细管132将样品气体和载气引入至等离子体发生腔体11内；当密封件15关闭的情况下，毛细管132与等离子体发生腔体11之间关断，确保等离子体发生腔体11处于真空状态(1Pa至20kPa)。在本实施例中，密封件15为不锈钢制的两通阀。由于两通阀的结构及其工作原理已为本领域技术人员所熟知的现有技术，故不在此赘述。

在样品分析中，要求样品在处于稳定的外部环境下，因此，需要对毛细管132进行恒温等恒条件处理，这样才可能作质谱离子源的定量分析，所以本发明还包括用于对所述毛细管作恒温处理的恒温装置(未在图式中予以显示)。

进一步地，为便于等离子体离子源的发生装置的装配，本发明提供了用于等离子体发生腔体11于质谱仪的真空腔密封相连的第二密封法兰16和密封圈17。在本实施例中，第二密封法兰16为不锈钢密封法兰，由于不锈钢密封法兰以及密封圈的结构及其工作原理已为本领域技术人员所熟知的现有技术，故不在此赘述。

更进一步地，由于等离子体发生腔体11的电源用的是高压射频，所述电源具有较高能量辐射，为免于对操作人员的身体造成辐射伤害，需要对辐射作一定的屏蔽，因此本发明还提供罩设于等离子体发生腔体11、用于将高压射频源与外界隔离的屏蔽外罩18。

本发明的等离子体离子源的发生装置，离子源主要由呈真空状态的等离子体发生腔体和位于大气压下的高压射频源构成，可以在低真空环境下的等离子体发生腔体内产生等离子体离子源。由于在低气压环境下，分子密度较低，电子可以被加速到更大的速度，与载气分子撞击时更容易产生出等离子体，且产生的等离子体的密度也越高，便于分析和对离子作进一步的处理，例如串级质谱分析，适用于大分子复杂样品的分析。另外，可以延长产生的等离子体的寿命和传输距离，并更易与质谱分析器结合。

另一方面，利用本发明的等离子体离子源的发生装置产生的等离子体中自由电子和激发态粒子能量较小，形成的离子碎片少，有利于复杂有机物的分子离子峰形成，使得谱图简单，便于进行分析，获得准确性较高的分析结果。

再一方面，高压射频源是设置在等离子体发生腔体之外的在大气压环境下，相对而言不容易放电，也不易产生污染，最大限度的减少了其对离子源中等离子体的传输以及对分析器的运行的影响。

请继续参阅图3，图3显示了本发明中等离子体离子源的发生装置在一个具体实施例中的工作示意图。如图3所示，离子源主要由呈真空状态(1Pa至20kPa)的等离子体发生腔体11和设于等离子体发生腔体11之外、处于大气压状态的高压射频源构成，高压射频源包括作为阳极和阴极的两个射频电极12以及连接于两个射频电极12的交流电源，所述交流电压的电压范围为10V至10kV，在本实施例中，优选地，电压为2kY，产生的射频的频率范围为100Hz至3GHz，在本实施例中，优选地，射频频率为200kHz，波形可以是方波、正弦波以及其他周期性波形。

另外，还包括与等离子体发生腔体11相通的毛细管132，毛细管132用于向等离子体发生腔体11引入样品气体和载气(例如为氮气)。其中，毛细管的流量可以为0.1标准毫升每分钟(Standard Cubic Centimeter per Minute，SCCM)至2标准毫升每分钟(SCCM)。

在工作时，两个射频电极12在受电作用下产生电场，激发出电子，所述电子与毛细管132引入的载气相互碰撞产生等离子体。毛细管132引入的样品气体，则在等离子体中进行电离形成正负离子。具体来讲，通过电离将样品气体用射频激发到等离子体状态，然后过滤掉负离子(正离子分析)或者正离子(负离子分析)，分析出其中的物质及分析出样品的含量。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种等离子体离子源的发生装置，应用于质谱仪中，其特征在于，所述发生装置包括：

等离子体发生腔体，包括作为等离子体发生区的腔室；

高压射频源，包括电源以及设于所述等离子体发生腔体外表面的射频电极；

与所述等离子体发生腔体相通的传输结构，用于将样品气体和载气引入到所述等离子体发生腔体中；

密封件，用于密封所述传输结构与所述等离子体发生腔体之间的连通，为所述等离子体发生腔体提供真空环境。

2.如权利要求1所述的等离子体离子源的发生装置，其特征在于，所述等离子体发生腔体为中空的玻璃管。

3.如权利要求2所述的等离子体离子源的发生装置，其特征在于，所述玻璃管的外径为0.2mm至20mm，内径为0.01mm至10mm。

4.如权利要求2所述的等离子体离子源的发生装置，其特征在于，所述玻璃管的外径为6mm，内径为2mm。

5.如权利要求1所述的等离子体离子源的发生装置，其特征在于，所述电源为交流电源，其电压范围为10V至10kV，所述射频电极产生的射频的频率范围为100Hz至3GHz。

6.如权利要求4所述的等离子体离子源的发生装置，其特征在于，所述电压为2kV，所述射频的频率为200kHz。

7.如权利要求1或2所述的等离子体离子源的发生装置，其特征在于，所述传输结构包括：与所述等离子体发生腔体相通的支撑管；

位于所述支撑管内并探入所述等离子体发生腔体的腔室中、供传输样品气体和载气的毛细管。

8.如权利要求7所述的等离子体离子源的发生装置，其特征在于，所述毛细管的流量为0.1标准毫升每分钟至2标准毫升每分钟。

9.如权利要求7所述的等离子体离子源的发生装置，其特征在于，还包括用于将所述支撑管密封于所述等离子体发生腔体的第一密封法兰。

10.如权利要求1所述的等离子体离子源的发生装置，其特征在于，所述密封件为两通阀。