CN103018313B - 离子迁移率谱仪半透膜预富集进样方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样方法及装置，涉及离子迁移率谱仪技术，该装置包括采样部分、半透膜进样部分和解吸部分，其中半透膜进样部分包括半透膜、半透膜温控装置；在离子迁移率谱仪半透膜富集进样过程中，采样时半透膜处于室温，而解吸时利用半透膜温控装置将半透膜加热至80℃～300℃。由于采样过程中半透膜处于室温，有利于被测物在半透膜中的富集；而解吸过程中半透膜加热至80℃～300℃，有利于其中富集的被测物在热解吸的同时更有效地透过半透膜进入离子迁移率谱仪漂移管。采用本发明装置及方法有效地降低离子迁移率谱仪的检测下限。

Description

离子迁移率谱仪半透膜预富集进样方法及装置

技术领域

本发明涉及离子迁移率谱仪技术领域，是一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样方法及装置。

背景技术

离子迁移率谱技术是利用气相离子在弱电场中迁移率的不同来检测物质的方法，其原理与飞行时间质谱相似，主要的区别是离子迁移率谱技术中离子的分离是在大气压或接近大气压的环境下进行。离子迁移率谱仪(IMS：Ion mobility spectrometer)主要由漂移管以及外围的气路系统、电路系统组成，其中漂移管包括离化区、离子门、离子漂移区以及法拉第盘等。在利用离子迁移率谱仪进行检测时，被检测物质进入漂移管离化区，在离化源作用下形成带电离子，然后通过离子门进入漂移区，漂移区的电场强度一般在10²V/cm的量级，具有特定迁移率的离子在电场作用下，经过一定时间后到达法拉第盘并给出离子电流信号。由于各种物质离子的迁移速率互不相同，根据漂移时间的不同可以实现对样品的分离和检测。

离子迁移率谱仪在大气环境气压下工作，与质谱等分析仪器相比具有体积小、重量轻、功耗小、携带方便等优点，同时还能保证非常低的检测下限(皮克量级)，主要用于痕量化学战剂、毒品以及爆炸物的实时检测。随着技术的发展，离子迁移率谱仪已经应用于战场环境中的实时毒剂勘察、机场和重要地域的安全检查、环境中可挥发有机污染物的长期监测以及化学工业中泄漏检测等。

为了提高离子迁移率谱仪的抗干扰能力，降低外界环境水汽及杂质的影响，商品化的漂移管多为封闭式结构，被测样品通过半透膜进入漂移管。由于半透膜对化学战剂、爆炸物以及可挥发有机污染物等的透过率比较高，而对水汽的透过率较低，样品气体中所含有的被测物可以通过半透膜，并被内部载气带入漂移管离化区，而水汽等干扰物质通过半透膜的速度很慢，大部分被挡在漂移管外。半透膜进样方法大大降低了环境水汽对离子迁移率谱仪的影响。

以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为代表的有机硅材料早在上世纪80年代就被用于离子迁移率谱仪以分离气体样品中的有机被测物和水汽。传统的膜进样方法中，待测样品完全依靠有机分子在半透膜前后分压的不同而自由扩散通过半透模，由于样品渗透效率及速度与半透膜温度有很大关系，所以需要将半透膜稳定在50℃～300℃之间某个温度。中国专利200510028968.6、200810116735.5都提出通过维持半透膜内外一定压差，加快待测样品在半透膜中扩散速度的方法。这种方法有效提高了离子迁移率谱仪半透膜的进样效率，减少了样品残留。但这种方法中半透膜内外存在一定压差，机械强度不高的半透膜在压差作用下容易破损，不能加大半透膜面积以提高进样效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样方法及装置，以解决现有技术中离子迁移率谱仪半透膜进样方法效率不高的问题，能有效提高进样效率，降低离子迁移率谱仪的检测下限。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样方法，其包括步骤：

a)在采样过程中，半透膜处于室温；

b)而在解吸过程中，用半透膜温控装置或半透膜自加热功能，将半透膜加热至80℃～300℃。

一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其包括采样部分、半透膜进样部分和解吸部分；采样部分位于管路上游，后端与半透膜进样部分前端固接，并连通，解吸部分位于管路下游，前端与半透膜进样部分后端固接，并连通；采样部分的前端为采样口，采样部分管路侧面设有采样泵抽气口；解吸部分管路侧面设有载气入口，解吸部分的后端为与离子迁移率谱仪接口；

其中，半透膜进样部分位于管路中，包括半透膜、半透膜温控装置；半透膜热容量很小，径向设置，周缘固接于管路内壁；

使用时，采样泵抽气口与采样泵相连通，载气入口与载气源相连通，解吸部分后端的接口与离子迁移率谱仪漂移管相连通。

所述的离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其所述半透膜，为聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜，厚度为4微米～100微米；由金属网进行机械加固。

所述的离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其所述半透膜温控装置，包括具有低热容的加热器、测温元件、气路盘；加热器是由金属丝或金属薄皮绕制成的加热电阻，测温元件为微型热敏电阻或热电偶，气路盘与半透膜相适配，其后表面上有多个同心圆状气体通道，通过中心贯通孔与采样口相通连；加热器、测温元件固定于气路盘前表面，半透膜位于气路盘后面，半透膜前表面与气路盘后表面上的多个同心圆状气体通道紧贴。

一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其包括采样部分、半透膜进样部分和解吸部分；采样部分位于管路上游，后端与半透膜进样部分前端固接，并连通，解吸部分位于管路下游，前端与半透膜进样部分后端固接，并连通；采样部分的前端为采样口，采样部分管路侧面设有采样泵抽气口；解吸部分管路侧面设有载气入口，解吸部分的后端为与离子迁移率谱仪接口；

其中，半透膜进样部分位于管路中，包括气路盘、半透膜；半透膜热容量很小，径向设置，周缘固接于管路内壁；

半透膜为聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜，在薄膜表面固接双螺旋结构的金属丝，并有边框，边框固接于管路内壁，金属丝作为聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜的骨架，起到加固薄膜，提高薄膜机械强度的作用，同时金属丝是半透膜的加热电极及测温电阻，具有自加热功能，以实现半透膜加热控温；

气路盘与半透膜相适配，其后表面上有多个同心圆状气体通道，通过中心贯通孔与采样口相通连；气路盘覆于半透膜前面，气路盘后表面上的多个同心圆状气体通道紧贴半透膜表面；

使用时，采样泵抽气口与采样泵相连通，载气入口与载气源相连通，解吸部分后端的接口与离子迁移率谱仪漂移管相连通。

所述的离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其所述半透膜，厚度在4～100微米之间；其边框为非金属材料制备的框架，厚度在0.5～1mm之间；金属丝为双螺旋结构，以铂丝或镍铬丝制作，位于半透膜的中心部分。

所述的离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其工作流程是：

1)在半透膜处于室温时，启动采样泵，气体样品由采样口进入，经气路盘同心圆状气体通道放出，流经半透膜前表面后，经采样泵抽气口排出；

2)经过一段时间完成采样后，关闭采样泵；

3)启动半透膜温控装置对半透膜加热，或启动半透膜自加热功能加热，将半透膜升温至80℃～300℃之间的恒定温度，使富集于半透膜的被测物解吸后，被从载气入口进入的载气携带，由接口带入离子迁移率谱仪漂移管。

本发明的进样装置，优点是：

被测物在半透膜的富集基于吸收或吸附机理。被测物在半透膜上的吸收或吸附过程是一个放热过程，采样过程中半透膜温度越高，被测物在半透膜中的分配系数就越低，半透膜的富集效率就越低。在本发明离子迁移率谱仪半透膜预富集进样方法中，通过采样过程中控制半透膜处于较低温度，促进被测物在半透膜中的富集；采样过程结束后，通过半透膜温控装置加热半透膜，实现半透膜中被测物的热解吸，从而使得半透膜具有样品预富集的功能，降低了离子迁移率谱仪的检测下限。

附图说明

图1为离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置的结构示意图；

图2为一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置的剖面结构示意图；

图3为传统半透膜进样方法及本发明方法得到的一种被测样品离子迁移率谱图；

图4为另一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置的剖面结构示意图；

图5为一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置的具有自加热功能的半透膜结构示意图。

图中：

1-采样部分        2-半透膜进样部分        3-解吸部分

11-采样口         12-采样泵抽气口         13-气路盘

21-半透膜         22-半透膜温控装置；     31-载气入口

32-与离子迁移率谱仪接口

具体实施方式

参阅图1，为离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置的结构示意图。本发明的进样装置，由采样部分1、半透膜进样部分2以及解吸部分3组成。其中：

采样部分1的前端为采样口11，侧面设置有采样泵抽气口12与采样泵相连。采样口11由金属材料(包括但不限于不锈钢、铝合金)或者非金属材料(包括但不限于聚四氟乙烯、聚醚醚酮、经过共混、填充、纤维复合等加强改性的聚醚醚酮复合材料)制备。采样过程中，在采样泵作用下，样品气体或微粒经采样口11进入采样部分1内部，流过半透膜21表面，此时半透膜21处于室温状态；完成采样后，采样泵停止运转，半透膜21在半透膜温控装置22作用下快速升温至80℃～300℃，半透膜21中富集的被测物热解吸并被从解吸部分3的载气入口31进入的载气通过与离子迁移率谱仪接口32带入离子迁移率谱仪漂移管。

传统IMS半透膜进样装置的半透膜工作中处于80℃～300℃之间的恒定温度，而本发明中的半透膜在采样过程中处于室温，有利于样品中被测物在半透膜上的吸附或吸收，使得被测物在半透膜上得到富集；在采样结束后采样泵停止运转，半透膜温度升高，一方面使得半透膜中富集的被测物解吸释放，另一方面加热也提高了被测物在半透膜的透过率。与传统IMS半透膜进样装置中半透膜处于恒温状态的工作方式相比，本发明在采样过程中使半透膜处于室温，提高了被测物在半透膜中的富集效果，同时在解吸时使半透膜处于80℃～300℃的高温，保证了被测物的透过率。

实施例1：

如图2所示：一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其特征在于：所述的半透膜预富集进样装置包括采样口11，采样泵抽气口12、气路盘13、半透膜21、半透膜温控装置22以及载气入口31、进样装置与离子迁移率谱仪接口32。

采样过程中，半透膜处于室温，在采样泵作用下，样品气体经过采样口11流到气路盘13经过半透膜21表面后经采样泵抽气口12排出。气路盘与半透膜接触的一面有很多同心圆状气体通道，保证了样品气体与半透膜表面的充分接触，进一步促进样品气体中被测物在半透膜中的富集。

采样结束后，采样泵停止运转。半透膜21在半透膜温控装置22作用下，迅速升温至80℃～300℃之间的恒定温度，富集于半透膜的被测物解吸后被从载气入口31进入的载气携带，经进样装置与离子迁移率谱仪接口32而进入离子迁移率谱仪漂移管。由于在采样泵停止运转后气路盘13与半透膜21之间形成相对密封的空间很小，保证半透膜中富集的被测物大部分通过进样装置与离子迁移率谱仪接口32进入离子迁移率谱仪漂移管。为了提高半透膜温控装置22对半透膜的加热效率，气路盘13采用高热导率的材料包括但不限于铝合金、铜制备，而进样装置其它部分采用热导率低、热稳定性好的非金属材料(包括但不限于聚四氟乙烯、聚醚醚酮、经过共混、填充、纤维复合等加强改性的聚醚醚酮复合材料)制备。

图3为本发明方法与传统膜进样方法下一种痕量被测物甲基磷酸二甲酯(DMMP)离子迁移率谱图的比较。

本发明方法的工作参数：采样过程：采样流量100毫升/分钟，采样时间200秒，采样时半透膜处于室温；解吸过程：采样泵停止运转，半透膜温度180℃。

传统膜进样方法的工作参数：半透膜温度180℃恒定，采样流量100毫升/分钟，采样时间200秒，采样结束后采样泵停止运转。

可以看出，由于被测物浓度极低，采用传统膜进样方法在谱图中没有出现DMMP离子峰，而采用本发明方法可以在图谱中出现DMMP离子峰，说明采用本发明方法可以有效提高离子迁移率谱仪的响应灵敏度。由于受到环境中有机胺、丙酮等痕量有机气体影响，采用本发明方法得到的图谱中出现其它未知离子峰。

实施例2：

如图4所示：一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其特征在于：所述的预富集膜进样装置包括采样口11，采样泵抽气口12、气路盘13、半透膜21、以及载气入口31、进样装置与离子迁移率谱仪接口32。其中半透膜21具有自加热功能，带有加热及测温电极，可以实现半透膜21的快速升温。

采样过程中，半透膜处于室温，在采样泵作用下，样品气体经过采样口11流到气路盘13经过半透膜21表面后经采样泵抽气口12排出。气路盘与半透膜接触的一面有很多同心圆状气体通道，保证了样品气体与半透膜表面的充分接触，进一步促进样品气体中被测物在半透膜上的吸收和吸附。

采样结束后，采样泵停止运转。半透膜21迅速升温至80℃～300℃，吸附和吸收于半透膜的被测物解吸后被从载气入口31进入的载气携带，经进样装置与离子迁移率谱仪接口32而进入离子迁移率谱仪漂移管。

具有自加热功能的半透膜21热容量小，可以快速升温，解吸速度块，可以获得更窄、更高的被测物脉冲，更有利于离子迁移率谱仪检测下限的降低。

图5为一种具有自加热功能半透膜示意图。边缘部分为非金属材料(聚四氟乙烯、聚醚醚酮、经过共混、填充、纤维复合等加强改性的聚醚醚酮复合材料)制备的框架，厚度在0.5～1mm之间；中心部分为半透膜(优选聚二甲基硅氧烷(PDMS))，厚度在4～100微米之间；中心部分半透膜采用双螺旋结构的金属丝(铂丝、镍铬丝)进行机械加固，同时金属丝也是半透膜的加热电极及测温电阻，可以实现半透膜加热控温。

这种具有自加热功能的半透膜热容量小，热解吸过程中可以快速升温，具有解吸速度快的优点，可以获得更窄、更高的被测物脉冲，有利于离子迁移率谱仪检测下限的降低。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其特征在于：包括采样部分(1)、半透膜进样部分(2)和解吸部分(3)；采样部分(1)位于管路上游，后端与半透膜进样部分(2)前端固接，并连通，解吸部分(3)位于管路下游，前端与半透膜进样部分(2)后端固接，并连通；采样部分(1)的前端为采样口(11)，采样部分(1)管路侧面设有采样泵抽气口(12)；解吸部分(3)管路侧面设有载气入口(31)，解吸部分(3)的后端为与离子迁移率谱仪接口(32)；

其中，半透膜进样部分(2)位于管路中，包括半透膜(21)、半透膜温控装置(22)；半透膜(21)热容量很小，径向设置，周缘固接于管路内壁；

使用时，采样泵抽气口(12)与采样泵相连通，载气入口(31)与载气源相连通，解吸部分(3)后端的接口(32)与离子迁移率谱仪漂移管相连通；

在离子迁移率谱仪半透膜富集进样过程中，采样时半透膜处于室温，而解吸时利用半透膜温控装置将半透膜加热至80℃～300℃。

2.如权利要求1所述的离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其特征在于：所述半透膜(21)，为聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，厚度为4微米～100微米；由金属网进行机械加固。

3.如权利要求1所述的离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其特征在于：所述半透膜温控装置(22)，包括具有低热容的加热器、测温元件、气路盘(13)；加热器是由金属丝或金属薄皮绕制成的加热电阻，测温元件为微型热敏电阻或热电偶，气路盘(13)与半透膜(21)相适配，其后表面上有多个同心圆状气体通道，通过中心贯通孔与采样口(11)相通连；加热器、测温元件固定于气路盘(13)前表面，半透膜(21)位于气路盘(13)后面，半透膜(21)前表面与气路盘(13)后表面上的多个同心圆状气体通道紧贴。

4.一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其特征在于：包括采样部分(1)、半透膜进样部分(2)和解吸部分(3)；采样部分(1)位于管路上游，后端与半透膜进样部分(2)前端固接，并连通，解吸部分(3)位于管路下游，前端与半透膜进样部分(2)后端固接，并连通；采样部分(1)的前端为采样口(11)，采样部分(1)管路侧面设有采样泵抽气口(12)；解吸部分(3)管路侧面设有载气入口(31)，解吸部分(3)的后端为与离子迁移率谱仪接口(32)；

其中，半透膜进样部分(2)位于管路中，包括气路盘(13)、半透膜(21)；半透膜(21)热容量很小，径向设置，周缘固接于管路内壁；

半透膜(21)为聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，在薄膜表面固接双螺旋结构的金属丝，并有边框，边框固接于管路内壁，金属丝作为聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜的骨架，起到加固薄膜，提高薄膜机械强度的作用，同时，金属丝是半透膜(21)的加热电极及测温电阻，具有自加热功能，以实现半透膜(21)加热控温；

气路盘(13)与半透膜(21)相适配，其后表面上有多个同心圆状气体通道，通过中心贯通孔与采样口(11)相通连；气路盘(13)覆于半透膜(21)前面，气路盘(13)后表面上的多个同心圆状气体通道紧贴半透膜(21)表面；

使用时，采样泵抽气口(12)与采样泵相连通，载气入口(31)与载气源相连通，解吸部分(3)后端的接口(32)与离子迁移率谱仪漂移管相连通；

在离子迁移率谱仪半透膜富集进样过程中，采样时半透膜处于室温，而解吸时利用半透膜温控装置将半透膜加热至80℃～300℃。

5.如权利要求4所述的离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其特征在于：所述半透膜(21)，厚度在4～100微米之间；其边框为非金属材料制备的框架，厚度在0.5～1mm之间；金属丝为双螺旋结构，以铂丝或镍铬丝制作，位于半透膜(21)的中心部分。

6.一种离子迁移率谱仪半透膜预富集进样方法，应用于权利要求1或4所述的离子迁移率谱仪半透膜预富集进样装置，其特征在于：该方法包括：

1)在半透膜(21)处于室温时，启动采样泵，气体样品由采样口(11)进入，经气路盘(13)同心圆状气体通道放出，流经半透膜(21)前表面后，经采样泵抽气口(12)排出；

2)经过一段时间完成采样后，关闭采样泵；

3)启动半透膜温控装置(22)对半透膜(21)加热，或启动半透膜(21)自加热功能加热，将半透膜(21)升温至80℃～300℃之间的恒定温度，使富集于半透膜(21)的被测物解吸后，被从载气入口(31)进入的载气携带，由接口(32)带入离子迁移率谱仪漂移管。