CN103247512A - 脉冲式光电离装置 - Google Patents

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徐国宾
杨芃原
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Abstract

本发明提供一种脉冲式光电离装置，其包括：用于提供光源的光源装置；用于输出调制脉冲以使所述光源装置输出经过调制的光源的调制装置；以及光子分子反应器，用于基于所述光源装置所提供的光源使所引入的气体分子发生电离。本发明的优点包括：能有效减少光源工作时间，延长光源寿命，降低透镜污染；此外，本发明结构简单，成本低。

Description

脉冲式光电离装置
技术领域
本发明涉及光电离领域，特别是涉及一种脉冲式光电离装置。
背景技术
质谱仪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。离子源是质谱的关键技术，最常用的经典是电子轰击源(electron ionization/electron impact ionization)，其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。
为了解决上述问题，产生了以下一系列的真空内软电离(soft ionization)方法：
1、化学电离源(CI，chemical ionization)：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，所生成的样品分子离子主要由反应气分子电离产生。CI源的电离能小，产生的质谱峰数目少，能够提供很强的分子离子峰，可以方便的确定分子量。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。
2、利用质子转移反应(PTR，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。其缺点是，装置复杂，真空消耗大。
3、为了弥补上述真空内软电离的缺点，发展了光离子化技术。光离子化与EI源的装置很类似，只是电子束被2.5～20eV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，又能得到离子分子反应产物，以及少数碎片离子峰，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(VUVPI)。现有方法使用的是真空紫外灯(如氘灯)、稀有气体激发的EBEL灯、连续紫外激光直接照射；但是，部分有机物会在紫外光的照射下发生自聚合反应，在光路的透镜上形成聚合物薄膜，从而导致光路的效率急剧下降，使得电离强度在数百小时候就下降1/2以上，不能满足在线监测以及临床应用的基本要求。此外，气体放电灯的寿命很短，仅2000～3000小时。因此，PI源很少有成功的商品化实例。
有多种方式可以避免光路效率的下降。如在每一片透镜处增加高纯度惰性气体以保护镜面，但是这样会极大的增加真空系统的负担。经常的更换透镜或抛光透镜，可以去除透镜表面的聚合物，但这样会增加维护成本，减少连续使用时间。
因此，迫切需要一种成本低、透镜污染小的光电离装置。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种寿命长、成本低、且透镜污染小的脉冲式光电离装置。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种脉冲式光电离装置，其至少包括：用于提供光源的光源装置；用于输出调制脉冲以使所述光源装置输出经过调制的光源的调制装置；以及光子分子反应器，用于基于所述光源装置所提供的光源使所引入的气体分子发生电离。
优选地，所述光源装置包括：气体放电灯、激光二极管、LED灯等，更为优选地，所述光源装置包括150～400nm的紫外LED灯。
优选地，所述光子分子反应器包括：线性离子阱、3D离子阱、射频多极杆、或圆筒状电极等。
如上所述，本发明的脉冲式光电离装置基于脉冲来调制光源装置所产生的光源，由此可有效减少光源工作时间，延长光源寿命，降低透镜污染：且本发明的脉冲式光电离装置结构简单，成本低。
附图说明
图1显示为本发明的脉冲式光电离装置示意图。
图2a及2b显示为本发明的脉冲式光电离装置的实施例一示意图。
图3显示为本发明的脉冲式光电离装置的实施例二示意图。
图4显示为本发明的脉冲式光电离装置的实施例三示意图。
元件标号说明
1        脉冲式光电离装置
11       光源装置
12       调制装置
13       光子分子反应器
21       LED灯
22       入端盖
23       出端盖
24       环电极
25       检测器
31       LED灯电源
32       LED灯
33       射频八极杆
34       石英毛细管
41       电源
42       激光二极管
43       线性离子阱
44       端盖电极
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图所示，本发明提供一种脉冲式光电离装置，所述脉冲式光电离装置1包括：光源装置11、调制装置12及光子分子反应器13。
所述光源装置11用于提供光源，优选地，其提供波长是100nm～3000nm的光源。具体地，所述光源装置11包括但不限于气体放电灯、激光二极管、LED灯等；其中，所述气体放电灯包括但不限于：真空紫外灯、阴极灯、氘灯、氪灯等；所述LED灯优选为150～400nm的紫外LED灯。
所述调制装置12用于输出调制脉冲以使所述光源装置11输出经过调制的光源，优选地，所述调制装置12通过控制所述光源装置11的电源的输出功率来调制其输出的光源。具体地，所述调制装置12采用脉冲信号来所述光源装置11的电源脉冲式工作输出，优选地，所述调制装置12的工作频率为0.05～100Hz，每次工作时间为10us～1000ms。其输出的脉冲信号可以是脉冲串，即在同一次工作中，可以有多个子脉冲，所述脉冲或子脉冲不必是标准的矩形波或方波等，也可包含充放电等产生的具有斜率的上升沿或下降沿。
所述光子分子反应器13用于基于所述光源装置11所提供的光源使所引入的气体分子发生电离。优选地，所述光子分子反应器13包括但不限于：线性离子阱、3D离子阱、射频多极杆、圆筒状电极等；其中，所述线性离子阱能提供气体分子与光子束最多的反应机会；所述3D离子阱包括双曲面3D离子阱或平面3D离子阱等。
以下将通过具体实施例来详述本发明的脉冲式光电离装置：
实施例一：
如图2a所示，本实施例的脉冲式光电离装置的光源装置11采用215nm 0.2W的LED灯21；调制装置12采用TTL信号控制电路来将LED灯21电源调制在1Hz，发光时间为连续两个子脉冲，长度分别为50ms，输出电压为50kHz3000Vpp的中频，如图2b所示；光子分子反应器13采用双曲面三维离子阱，其配置有入端盖22、出端盖23和环电极24，离子进入检测器25进行质谱分析。
实施例二：
如图3所示，本实施例的脉冲式光电离装置11采用365nm 10W的UV-LED灯32；调制装置采用时钟电路，其周期为2Hz，发光时间优化为100ms，用于调制UV-LED灯32的电源31；光子分子反应器13采用射频八极杆33，后连接3D圆筒离子阱分析器。光子束从八极杆的一端射入，和有机分子在八极杆33内相遇发生光电离反应。通过100ms的反应，离子进入圆柱形离子阱进行质谱分析，其中，八极杆33设置有石英毛细管34。
实施例三
如图4所示，本实施例的脉冲式光电离装置11采用280nm 1W激光二极管42；调制装置控制激光二极管42的电源41以6.5V 1A的功率和5Hz 1ms的频率工作；光子分子反应器为双曲面线性离子阱43，其配置有端盖电极44。
上述各脉冲式光电离装置的光源装置若采用LED灯，其寿命极长，而且在脉冲状态下瞬间可超过额定功率10倍；此外，对于150～400nm的紫外光子与有机分子发生的光电离反应，主要是双光子以及多光子电离的过程。从单光子电离开始，每增加一个光子，其光电离的灵敏度会下降2～3个数量级；然而这样带来的好处是，背景气体的干扰也很快下降；再有，由于光子不受电场的影响，从四极杆或者多极杆之间也可以投射。
综上所述，本发明的脉冲式光电离装置的光源装置由于采用脉冲调制光源，由此可有效减少光源工作时间，延长光源寿命，降低透镜污染。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种脉冲式光电离装置，其特征在于，所述脉冲式光电离装置至少包括：
用于提供光源的光源装置；
用于输出调制脉冲以使所述光源装置输出经过调制的光源的调制装置；
光子分子反应器，用于基于所述光源装置所提供的光源使所引入的气体分子发生电离。
2.根据权利要求1所述的脉冲式光电离装置，其特征在于：所述光源装置包括以下一项：
气体放电灯、激光二极管、LED灯。
3.根据权利要求1或2所述的脉冲式光电离装置，其特征在于：所述光源装置包括150～400nm的紫外LED灯。
4.根据权利要求1所述的脉冲式光电离装置，其特征在于：所述调制装置包括工作频率在0.05～100Hz的调制装置。
5.根据权利要求1所述的脉冲式光电离装置，其特征在于：所述光子分子反应器包括以下一种：线性离子阱、3D离子阱、射频多极杆、圆筒状电极。
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