CN102683151B - 一种选择控制反应离子的化学电离质谱仪 - Google Patents

一种选择控制反应离子的化学电离质谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种选择控制反应离子的化学电离质谱仪，包括产生混合离子的离子源、对混合离子中某一种离子选择通过的反应离子选择腔、化学电离反应腔和质谱探测腔，离子选择腔内设有两片平行板电极，平行板电极连接可控的射频电源。本发明通过控制加载在平行板电极上的射频电压交流分量对混合离子进行分离，利用直流分量对一种离子进行选择，从而实现选择控制任意一种离子通过，该离子进入化学电离反应腔作为化学电离的反应离子，实现对待测物电离，并进入质谱探测腔被检测。本发明装置可在大气压下工作，具有技术简单、成本低廉的特点，选择控制多种反应离子扩大了化学电离质谱仪可检测物质的范围，提高了仪器对未知样品的鉴别分析能力。

Description

一种选择控制反应离子的化学电离质谱仪
技术领域
本发明涉及质谱分析领域，具体涉及一种选择控制反应离子的化学电离质谱仪。
背景技术
基于选择控制反应离子的化学电离质谱技术主要有选择离子流动管质谱、选择离子质子转移反应质谱和离子-分子反应质谱等，可用于环境污染、国家安全、医学辅助诊断、食品安全等多领域中痕量有机物快速检测与监控，因此，对该技术的研究近年来备受重视。选择离子化学电离质谱技术受到青睐的原因是：软电离、灵敏度高、分析速度快、定性定量可靠、检测范围可改变，在气/液/固体痕量有机物检测中有广阔的应用潜力。
选择离子化学电离质谱技术的基本原理是：在多种可供选择的反应离子中选择一种反应离子A±，在反应区与待测物B发生碰撞，通过离子-分子反应A±+B→C±将待测物离子化为C±，最终可通过质谱检测到的C±和A±反演B的分子量和浓度信息等。
目前，选择离子化学电离质谱技术中选择控制多种高强度纯净反应离子方法主要有两类：
(1)气体放电产生的高强度混合离子经滤质器快速选择。选择离子流动管质谱技术就是基于此原理，采用四极杆滤质器从潮湿空气放电的混合离子中选择产生三种纯净反应离子(H3O+、O2 +和NO+)。这种方法获得的反应离子纯度高、切换反应离子速度快，然而，SIFT-MS中采用的四极杆滤质器，加工装配技术难度大，且在真空下工作，需要配备体积大、价格昂贵的真空组件。
(2)不同放电气体经气路切换分别通入离子源，经电子轰击、放电或放射源辐照制备多种高强度纯净反应离子。如：水蒸气、氨气、氧气放电或放射源辐照可分别产生高强度H3O+、NH4 +、O2 +，通过反应气体气路切换则可以选择产生多种纯净反应离子。这种方法简单、方便、成本低，但目前仅针对少数几种反应离子有效，大多数气体经放电或辐照产生的都是含杂质的多种混合离子；另外，由于放电气体在仪器中的记忆效应以及放电条件的差异性，这种方式难以实现反应离子间的快速切换。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型选择控制反应离子的化学电离质谱仪，本发明具有大气压下工作、成本低、可选择反应离子、离子切换速度快、技术简单等优点，不仅扩大了化学电离质谱仪可检测物质的范围，还提高了仪器对未知样品的鉴别分析能力。
为实现上述目的，本发明提供一种选择控制反应离子的化学电离质谱仪，包括产生混合离子的离子源、对混合离子中某一种离子选择通过的反应离子选择腔、化学电离反应腔和质谱探测腔。所述的离子源与离子选择腔相连，离子选择腔前端设有混合离子入口和载气入口，所述的离子选择腔后端设有被选择出的反应离子出口和载气出口，所述的离子选择腔内设有两片平行板电极，所述平行板电极连接可控的射频电源，所述载气出口设有微型真空泵，所述的反应离子出口与化学电离反应腔前端相连，所述化学电离反应腔由多片环状电极和绝缘垫片组成，所述化学电离反应腔的侧面具有待测气体入口，所述化学电离反应腔后端连接质谱探测腔。
所述的离子源内混合离子利用试剂气体放电、光照或放射源辐照的方式制备。
所述的离子源内制备混合离子的试剂气体可以是潮湿或干燥空气、水蒸气、甲烷、氧气或其他混合气体。
所述的两片平行板电极间的距离在0.1mm~10mm。
所述的射频电源能产生正负不对称的射频电压，并在此不对称射频电压上叠加可调节的直流电压，其中不对称射频电压形成的电极间电场为2~15kV/cm，频率为50kHz~5MHz，叠加的直流电压可调范围为-100V~100V。
所述离子选择腔气压是105Pa大气压或略低于此值。
所述载气为空气、氮气、氢气、氦气或其它稀有气体。
所述的离子选择腔设有加热恒温装置。
所述的离子选择腔入口和出口孔径在0.1mm~3mm。
所述的化学电离反应腔气压范围为60Pa~105Pa。
所述的化学电离反应腔内电场范围10V/cm~700V/cm。
由此，本发明通过控制加载在平行板电极上的射频电压对通过板间的混合离子进行分离，通过叠加的直流电压实现选择控制一种离子通过离子选择腔作为化学电离质谱的反应离子。本发明所述的一种选择控制反应离子的化学电离质谱仪可以选择多种纯净的反应离子对待测物进行电离检测，降低了选择离子化学电离的难度和成本。
附图说明
图1为本发明的选择控制反应离子的化学电离质谱仪示意图；
图2为本发明的不对称脉冲射频电压波形示意图；
图3为本发明的反应离子分离选择效果图；
图4为本发明的反应离子选择腔侧视剖面图。
具体实施方式
参见图1-图4。
图1为本发明的选择控制反应离子的化学电离质谱仪示意图，包括产生混合离子的离子源、对混合离子中某一种离子选择通过的反应离子选择腔、化学电离反应腔和质谱探测腔。所述的离子源1与离子选择腔2相连，离子选择腔2前端设有混合离子入口3和载气入口4，所述的离子选择腔2后端设有被选择出的反应离子出口5和载气出口6，所述的离子选择腔2内设有两片平行板电极7，所述平行板电极连接可控的射频电源8，所述载气出口6设有微型真空泵9，所述的反应离子出口5与化学电离反应腔10前端相连，所述化学电离反应腔10由多片环状电极和绝缘垫片组成，所述化学电离反应腔10的侧面具有待测气体入口，所述化学电离反应腔10后端连接质谱探测腔11。
试剂气体通入离子源1内，经放电/光照/放射源辐照等方式产生的混合离子通过离子入口3进入离子选择腔2，在高速载气的作用下向离子选择腔下游漂移。可控射频电源8产生如图2所示的不对称波形射频电压，该电压在正负状态下电压幅值不相等UH≠UL，但电压与其持续的时间存在如下关系：(t2-t1)/t1=UH/UL，从而形成电压波形的正负面积Sa=Sb。离子在0~t1时间内沿电场方向迁移距离s1=KHUHt1/d，在t1~t2时间内向反方向迁移距离为s2=KLUL(t2-t1)/d，其中d为平行板电极的间距，KH和KL分别为高场和低场下的离子迁移率。由于离子在高低场下的迁移率一般是不相等的，所以s1不等于s2，当s1>s2时或s1<s2时，则在每个周期内均有电场平行方向的微小偏移量，多个周期后，混合离子则被分离为向下或向上的多个离子束，只有s1=s2的离子束顺利通过反应离子选择腔。射频电源8同时产生的可调节直流电压叠加在射频电压上，直流电压在平行板电极7间形成的电场作用在离子上，达到抵消其中一种离子的偏移量的目的，从而可以选择这种离子顺利通过离子选择腔。
图3为反应离子分离选择效果图。各种离子在不对称双极脉冲电场和载气的作用下震荡前进并被分离，通过调节叠加的直流电压可选择一种离子顺利通过离子选择腔。图4为本发明的反应离子选择腔侧视剖面图。
如图1，经反应离子选择腔选择出的离子作为反应离子进入化学电离反应腔10，与待测气体中的有机物发生离子-分子反应，反应离子和待测物的产物离子在反应腔内电场作用下进入质谱探测腔后被质谱仪检测。
所述的试剂气体可以是潮湿或干燥空气、水蒸气、甲烷、氧气或其他混合气体，所述的载气可以是空气、氮气、氢气、氦气或其它稀有气体，在微型气泵9作用下向离子分离腔下游运动；所述的平行板电极间距离一般为：0.1mm~10mm；所述的不对称双极脉冲电场强度为2~15kV/cm，频率为50kHz~5MHz，叠加的直流电压可调范围为-100V~100V；所述离子选择腔是密封腔，避免外界空气的干扰，腔内气压是105Pa大气压或略低于此值；所述的离子选择腔设有加热恒温装置，以保证装置的稳定性；所述的离子选择腔入口和出口孔径大小需根据化学电离反应区气压高低来选择，一般在0.1mm~3mm。所述化学电离反应腔10由多片环状电极和绝缘垫片组成，其气压范围为60Pa~105Pa，化学电离反应腔内电场范围为10V/cm~700V/cm，质谱腔的高真空由分子泵及其前级泵维持。

Claims (8)

1.一种选择控制反应离子的化学电离质谱仪，包括产生混合离子的离子源、对混合离子中某一种离子选择通过的反应离子选择腔、化学电离反应腔和质谱探测腔，所述的离子源(1)与离子选择腔(2)相连，离子选择腔(2)前端设有混合离子入口(3)和载气入口(4)，所述的离子选择腔(2)后端设有被选择出的反应离子出口(5)和载气出口(6)，所述的离子选择腔(2)内设有两片平行板电极(7)，所述平行板电极连接可控的射频电源(8)，所述载气出口(6)设有微型真空泵(9)，所述的反应离子出口(5)与化学电离反应腔(10)前端相连，所述化学电离反应腔(10)由多片环状电极和绝缘垫片组成，所述化学电离反应腔(10)的侧面靠近反应离子出口(5)处具有待测气体入口，所述化学电离反应腔(10)后端连接质谱探测腔(11)；所述的离子源内混合离子利用试剂气体放电、光照或放射源辐照的方式制备；所述的离子源内制备混合离子的试剂气体可以是潮湿或干燥空气、水蒸气、甲烷、氧气或其他混合气体；所述载气为空气、氮气、氢气、氦气或其它稀有气体，在微型真空泵(9)作用下向离子选择腔(2)下游运动。
2.根据权利要求1所述的选择控制反应离子的化学电离质谱仪，其特征在于：所述的两片平行板(7)电极间的距离在0.1mm～10mm。
3.根据权利要求1所述的选择控制反应离子的化学电离质谱仪，其特征在于：所述的射频电源能产生正负不对称的射频电压，并在此不对称射频电压上叠加可调节的直流电压，其中不对称射频电压形成的电极间电场为2～15kV/cm，频率为50kHz～5MHz，叠加的直流电压可调范围为-100V～100V。
4.根据权利要求1所述的选择控制反应离子的化学电离质谱仪，其特征在于：所述离子选择腔气压是105Pa大气压或略低于此值。
5.根据权利要求1所述的选择控制反应离子的化学电离质谱仪，其特征在于：所述的离子选择腔设有加热恒温装置。
6.根据权利要求1所述的选择控制反应离子的化学电离质谱仪，其特征在于：所述的离子选择腔入口和出口孔径在0.1mm～3mm。
7.根据权利要求1所述的选择控制反应离子的化学电离质谱仪，其特征在于：所述的化学电离反应腔气压范围为60Pa～105Pa。
8.根据权利要求1所述的选择控制反应离子的化学电离质谱仪，其特征在于：所述的化学电离反应腔内电场范围10V/cm～700V/cm。
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