CN102938361B - 一种高灵敏在线分析爆炸物的质谱电离源及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种添加空气作为反应气体的介质阻挡放电电离源，该电离源使用30千赫兹的射频电源作为放电电极，另外一个电极接地。石英玻璃外径6毫米，内径4毫米，放电电极使用铜片直接贴在石英玻璃外表面，地电极置于玻璃管内轴。以氦气作为放电气体，流速控制在0.5-1.5升/秒。反应气体空气在放电高压电极下面的玻璃管口引入，该玻璃管尺寸与放电区域的玻璃管尺寸一致。该放电源添加了空气后，对于吸收电子电离的化合物其灵敏度可以提高5倍。该设计在放电管最前端接地电极，有效抑制放电尾焰，放出的热量提高了难挥发性爆炸物的蒸气压，与微型质谱联用可以快速检测难挥发性爆炸物。

Description

一种高灵敏在线分析爆炸物的质谱电离源及其应用

技术领域

本发明属于分析仪器，特别涉及一种原位、在线快速分析爆炸物的新电离源。

背景技术

原位、在线的分析在环境分析，食品分析，安检等方面具有得天独厚的优势，长期以来，人们一直在寻求这样的分析方法。质谱分析法以其强大的定性功能受到广泛的应用。在质谱分析发展的初期，由于质谱需要在高真空中运行，需要多级的真空差分系统来满足仪器的真空需要。大气压下化学电离源以及后来的电喷雾电离源可以在大气压下电离样品，但是为了减少其本地干扰，这些电离源一般是在高纯气体，比如氮气氛围下运行。2005年，普度大学的Cooks教授首先报到了一种新型的完全的大气压下电离源，解析电喷雾电离源，可以在空气中直接使用，实现大气压下直接电离样品，样品无需任何的前处理，该技术使快速原位分析成为可能。由于其广泛的应用前景，这类大气压下的直接电离源发展非常迅速，如今已经发展出30多种，由于其是放置于质谱外部进行电离，更换容易，操作方便，针对不同分析目标可快速更换不同功能的电离源。这类大气压下的直接电离源结构简单、造价低，与微型质谱联用，可直接用于现场快速分析。

质谱需要在真空中运行，所以在质谱的微型化中真空系统在整个体系的重量中占据了很大的比例，特别是在与大气压下电离源联用时，样品离子从大气压下传输到处于真空中的质量分析器中，需要进行多级的真空差分，因此需要几个分子泵和前级泵。在微型质谱的设计中，为了避免沉重的真空系统，采用脉冲式的进样设计，可以大大降低真空系统的要求，目前已经研制出了整机重量8kg微型离子阱质谱。但是，分子泵体积、重量的降低也意味着抽气速率的降低，所用的10L/s的小型分子泵不能承受大的进气量，而且在微型离子阱质谱中为了减小体积和重量，直接使用了毛细管离子传输代替了多级差分离子传输系统。大气压电离源得到的样品离子是脉冲进样阀打开，在气体的携带下进入质谱分析器。进气量小，所以对于挥发性差的爆炸物很难检测。使用普通的低温等离子体放电电离源难以得到样品信号。

发明内容：

针对安检快速检测爆炸物和违禁化合物的需求，本发明设计一种用于在线质谱分析的原位电离源。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于在线分析爆炸物的质谱电离源，以一端封闭、另一端开口的圆管状结构的玻璃或者陶瓷作为放电介质，于圆管状放电介质的封闭端沿圆管的中心轴线上设置有一线电极，于介质的封闭端设有放电气体进气口；

于圆管状放电介质的中部外壁面上设有环状放电电极，于圆管状放电介质的开口端一侧的外壁面上设有环状地电极；环状放电电极和地电极与介质外壁面相贴接；

于环状放电电极和环状地电极之间的圆管状放电介质上设有试剂气体进口。

环状放电电极放置于管状介质的外表面，线电极放置于管状介质的内中心轴；线电极的与靠近其一侧的环状放电电极的端面位于圆管状放电介质的同一径向截面上。

所述圆管状放电介质为一直型管。

所述质谱电离源的应用：

该电离源利用介质阻挡放电原理进行设计，于环状放电电极上施加高频的射频电压；线电极和地电极与大地连接；

以氦气或者氩气作为放电气体，在放电尾焰处添加空气作为反应试剂气体；

该电离源处于大气压下，直接放置于样品表面上方，进行解吸电离，其环状地电极一侧接近被分析物体，另外一端是放电地电极、即线电极的引入口，该引入口由四氟塑料进行密封。

放电气体流量由气体流量计控制，放电气体流速控制在0.5-1.5升/秒。

所述样品为爆炸物，电离源直接放置于物体表面，爆炸物可直接被电离，该电离源与质谱进样口的角度为30-60度，质谱内部腔体处于真空状态，样品离子将被自动吸入质谱中直接进样。

当采用微型质谱时，进样气体少，于所述质谱进样口处设置有一气动辅助装置，通过气动辅助装置携带离子进入到质谱进样口处；

所述气动辅助进样装置包括T型管和抽气泵；T型管第一个端口套设于质谱进样口外壁上、并与质谱进样口外壁间相密封连接，T型管第二个端口与抽气泵的进气口相连，T型管第三个端口置于圆管状介质开口端的内侧。

本发明电离源采用介质阻挡放电，放电尾焰处添加空气作为反应气体，实现短时间内物体表面积爆炸物的快速高灵敏稽查。

本发明进一步改造了普通的低温等离子体放电源，在放电尾焰添加了空气作为试剂气体，实验发现对于吸电子电离化合物，灵敏度提高5倍，可以顺利检测出难挥发的爆炸物。

附图说明

具体实施方式

本发明利用介质阻挡放电原理，设计了一种在放电尾焰处添加空气作为反应气体的介质阻挡放电电离源，该电离源使用30kHz的射频电源作为放电电极，另外一个电极接地。石英玻璃外径6毫米，内径4毫米，放电电极使用铜片直接贴在石英玻璃外表面，地电极置于玻璃管内轴。以氦气作为放电气体，流速控制在0.5-1.5升/秒。反应气体空气在放电高压电极下面的玻璃管口引入，该玻璃管尺寸与放电区域的玻璃管尺寸一致。该放电源添加了空气后，对于吸收电子电离的化合物其灵敏度可以提高5倍。反该设计在放电管最前端接地电极，有效抑制放电尾焰，放出的热量提高了难挥发性爆炸物的蒸气压，与微型质谱联用可以快速检测难挥发性性爆炸物。

该装置总图如图1所示，一种用于在线分析爆炸物的质谱电离源，以一端封闭、另一端开口的直型圆管状结构的玻璃作为放电介质，于圆管状放电介质的封闭端沿圆管的中心轴线上设置有一线电极，于介质的封闭端设有放电气体进气口；

于圆管状放电介质的中部外壁面上设有环状放电电极，于圆管状放电介质的开口端一侧的外壁面上设有环状地电极；环状放电电极和地电极与介质外壁面相贴接；于环状放电电极和环状地电极之间的圆管状放电介质上设有试剂气体进口。

环状放电电极放置于管状介质的外表面，线电极放置于管状介质的内中心轴；线电极的与靠近其一侧的环状放电电极的端面位于圆管状放电介质的同一径向截面上。

该放电管为玻璃，玻璃管的壁厚为1mm，玻璃管上有两个分支管口，上面管口通入放电的氦气，下面的管口通入试剂气体空气，使用铜作为电极直接粘贴在玻璃的外表面，上面的电极接射频的高压，频率为31kHz，电压为6kV，地电极放置于放电管的中心轴，使用四氟垫圈进行密封，地电极刚好深入到高压放点电极的平面处，不深入到环状放电电极形成的圆筒中在玻璃管的下端，放置了另外一个接地的电极，该电极使用铜带直接粘贴在玻璃管上，该接地电极与高压电极之间的距离为10.5毫米。通入放电气体氦气，流速为1.2L/min，试剂气体空气依靠自吸入原理被放电气体带到系统中，放电电离源的整体图如图1所示。放电时将会产生两个区域的放电区，高压放点电极与中心轴的地电极之间的放电区域；另一个放电区在高压电极与下端的接地铜电极之间发生。放电气体携带放电产生的亚稳态氦气分子解析电离物体表面的化合物。用该电源源用于质谱分析时，将该电离源置于分析物体表面上方2-3mm处，空气将参与到分子离子反应中，利于吸电子电离的爆炸物进行电离。而第二个接地的铜电极加入后，放电区域将会产生更多的热量在放电氦气的携带下吹扫向分析物表面，利于难挥发性化合物的挥发，如太恩，黑索金，从而更加利于这类化合物的检出。

实施例1

当该电离源与在线质谱联用时，样品置于玻璃片表面上，使用取样枪取1微升样品滴于玻璃片上，得到的样品点直径6mm，样品点距离质谱进样口为5mm，电离源置于玻璃片上方2mm处。放电气体氦气的流速为1.2L/min，放电电压为6kV，高压射频电源的频率为31kHz。分析时间为3s，5ng1,3,5三硝基苯使用该电离源分析信号如图2所示，其信号强度比使用普通的放电电离源的信号高3倍，对于梯恩梯信号强度提高了5倍，二硝基甲苯的信号也提高了3倍。当条件优化时，对于梯恩梯的可以检测到0.25ng，其谱图如图3所示。使用的三种样品，1,3,5三硝基苯，梯恩梯和二硝基甲苯，得到的样品谱图简单，没有多余的碎片峰，利于微型质谱用于在线的快速分析。

实施例2

在普通的放电电离源中，由于仅含有一个放电区域，放电产生的热量比较少，不能有效的使挥发性差的化合物得到电离，得不到样品的信号。新的电离源由于引入了第二放电区域，放电的氦气可以更有效的携带热量解吸附物体表面的爆炸物，所以可以顺利的得到难挥发性爆炸物的信号。当该电离源与在线质谱联用时，样品置于玻璃片表面上，使用取样枪取1微升样品滴于玻璃片上，得到的样品点直径6mm，样品点距离质谱进样口为5mm，电离源置于玻璃片上方2mm处。放电气体氦气的流速为1.2L/min，放电电压为6kV，高压射频电源的频率为31kHz。5ng的梯恩梯，黑索金和特屈儿样品置于玻璃片表面上，每个样品点直径约为6mm，电离源置于玻璃片上方2mm处。放电气体氦气的流速为1.2L/min，放电电压为10kV，频率为31kHz。分析时间为3s，5ng太恩，5ng特屈儿，5ng的黑索金的谱图如图4所示。

Claims (7)

1.一种用于在线分析爆炸物的质谱电离源，其特征在于：

以一端封闭、另一端开口的圆管状结构的玻璃或者陶瓷作为放电介质，于圆管状放电介质的封闭端沿圆管的中心轴线上设置有一线电极，该线电极与大地连接，于圆管状放电介质的封闭端设有放电气体进气口；

于圆管状放电介质的中部外壁面上设有环状放电电极，于圆管状放电介质的开口端一侧的外壁面上设有环状地电极；环状放电电极和环状地电极分别与圆管状放电介质外壁面相贴接；环状放电电极与环状地电极发生放电，环状放电电极与线电极发生放电，电离源存在两处放电区域；于环状放电电极和环状地电极之间的圆管状放电介质上设有试剂气体进口。

2.根据权利要求1所述的质谱电离源，其特征在于：

环状放电电极放置于圆管状放电介质的外表面，线电极放置于圆管状放电介质的内中心轴；线电极与靠近其一侧的环状放电电极的端面位于圆管状放电介质的同一径向截面上。

3.根据权利要求1所述的质谱电离源，其特征在于：所述圆管状放电介质为一直型管。

4.一种权利要求1所述质谱电离源的应用，其特征在于：

该电离源利用介质阻挡放电原理进行设计，于环状放电电极上施加高频的射频电压；

以氦气或者氩气作为放电气体，在放电尾焰处添加空气作为反应试剂气体；

该电离源处于大气压下，直接放置于样品表面上方，进行解吸电离，其环状地电极一侧接近被分析样品，另外一端是线电极的引入口，该引入口由四氟塑

料进行密封。

5.按照权利要求4所述的应用，其特征在于：放电气体流量由气体流量计控制，放电气体流速控制在0.5-1.5升/秒。

6.按照权利要求4所述的应用，其特征在于：所述样品为爆炸物，电离源直接放置于爆炸物所在的物体表面上方，该电离源与质谱进样口的角度为30-60度，爆炸物可直接被电离，质谱内部腔体处于真空状态，样品离子将被自动吸入质谱中直接进样。

7.按照权利要求6所述的应用，其特征在于：

当采用微型质谱时，进样气体少，于所述质谱进样口处设置有一气动辅助装置，通过所述气动辅助装置携带离子进入到所述质谱进样口处；

所述气动辅助装置包括T型管和抽气泵；所述T型管第一个端口套设于质谱进样口外壁上、并与所述质谱进样口外壁间相密封连接，所述T型管第二个端口与抽气泵的进气口相连，所述T型管第三个端口置于圆管状放电介质开口端的内侧。