CN103311089B - 基于碳纳米管的光电效应的离子源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于碳纳米管的光电效应的离子源，包括紫外线发射装置和电源，所述电源正极与对电极连接；所述电源负极连接有碳纳米管电极，所述碳纳米管电极包括碳纳米管层和衬底，所述碳纳米管层与所述对电极相对，在所述碳纳米管层与所述对电极中间留有样品通过的通道；紫外线发射装置对所述碳纳米管电极进行照射；本发明采用碳纳米管进行光电效应来产生离子，碳纳米管对光的反射系数非常低，光吸收效率很高，其独特的一维结构更容易发射电子，并且可以在大气压状态下使用，解决了现有技术中利用碳纳米管进行场效应发射离子必须采用真空的问题，扩大了使用范围并且更加方便。

Description

基于碳纳米管的光电效应的离子源
技术领域
本发明涉及一种离子源，具体是一种基于碳纳米管的光电效应的离子源。
背景技术
离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置，是用于质谱仪等各种分析仪器中的关键器件。气体放电、电子束对气体原子或分子的碰撞，带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离过程都能产生离子，并被引出成束。根据不同的使用条件和用途，目前已研制出多种类型的离子源。
传统的离子迁移谱常采用的电离源是放射性63Ni电离源，但放射源带来的安全检查及特殊的安全措施给它的实际应用带来很多的麻烦，不管在生产制造及用户使用都要特别部门审批。并且，放射源产生的离子浓度不高，导致离子迁移谱的信号比较弱，线性范围小，同时也存在使用过程中不安全的问题。
针对放射性63Ni电离源产生的离子浓度不高、安全性差的问题，中国发明专利CN101667518A中公布了一种光电发射电离源,这种光电发射电离源利用了紫外光照射金属产生的光电效应以及照射载气产生的光化学反应，它包括三个部分:紫外光源、金属网或金属环以及载气。紫外光照射金属网表面或金属环的内圈能够产生低能量的光电子。光电子能够吸附到待测物上使其电离,同时光电子可以吸附到载气光化学反应的产物O3上,得到O3 -。O3 -或其水合离子O3 -(H2O)N和空气中的CO2反应生成CO3 -(H2O)N(N=0-3),CO3 -(H2O)N可以作为试剂离子和待测物发生反应,使待测物得到电离。但是该技术方案中，不管采用金属栅网还是金属环，光照的金属表面都有限，光的利用率不高，另外，金属对光的反射率也较高，进一步降低了光的吸收效率。此外，基于金属的光电效应稳定性较差，金属表面容易受污染、氧化等因素，降低了光电子的发射效率。因此通过紫外光照射金属产生的光电子总量较少，转化效率较低。
为解决上述问题，我国发明专利CN1961403A公开了一种用在质谱分析器中的碳纳米管离子源,包括:电子发射器,配置其以发射电子束,其中电子发射器组件包括固定在衬底上用于发射电子束的碳纳米管束、配置以控制电子束发射的第一控制栅格和配置以控制电子束能量的第二控制栅格;电离腔,其具有使电子束进入电离腔的电子束入口、用于样本引入的样本入口和为电离样本分子提供出口的离子束出口;电子透镜,其位于电子发射器组件和电离腔之间以聚集电子束;和至少一个电极,其位于离子束出口附近以聚集排出电离腔的电离样本分子；但是该技术方案中使用碳纳米管的离子源利用场发射效应，以产生电子束来实现样本分子的电离，因此所述电离腔必须采用真空，限制了样品的引入及使用范围，在实际应用中非常不方便，并且该发明由于受到真空环境的制约，仅能用在质谱分析器中，无法适用于在大气压环境下工作的离子迁移谱仪。
从以上公开的方案中可以看出，现有技术中通过金属的光电效应或者通过碳纳米管的场发射效应来产生电子，形成离子源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中金属光电发射的电离源转化效率低，而采用的碳纳米管的电离源必须使电离腔保持真空状态，对于现实应用十分的不便，从而提供一种使用范围更广、效果更好的基于碳纳米管的光电效应的离子源。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于碳纳米管的光电效应的离子源，包括电源，所述电源正极与对电极连接；所述电源负极连接有碳纳米管电极，所述碳纳米管电极包括碳纳米管层和衬底，所述碳纳米管层设置在所述衬底的内侧且与所述对电极相对，在所述碳纳米管层与所述对电极中间留有样品通过的通道；紫外线发射装置对所述碳纳米管电极进行照射。
所述碳纳米管电极还包括可控温加热装置，所述可控温加热装置设置在所述衬底的外侧。
所述紫外线发射装置直接照射在所述碳纳米管层上。
所述可控温加热装置为可控温加热板。
所述碳纳米层的厚度大于50纳米。
所述可控温加热装置为可控温加热环，所述紫外线发射装置照射在所述可控温加热环所在侧的所述衬底上，所述衬底采用透明材料。
所述透明材料为石英玻璃。
所述碳纳米管层的厚度为10-200纳米。
所述碳纳米管电极中的碳纳米管层为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或者其组合。
所述对电极采用平板状或栅网状的电极。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
（1）本发明所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，包括电源，所述电源正极与对电极连接；所述电源负极连接有碳纳米管电极，所述碳纳米管电极包括碳纳米管层和衬底，所述碳纳米管层设置在所述衬底的内侧且与所述对电极相对，在所述碳纳米管层与所述对电极中间留有样品通过的通道；通过紫外线发射装置对所述碳纳米管电极进行照射。所述碳纳米管电极采用的碳纳米管对光的反射系数非常低，光吸收效率大大提高，其独特的一维结构更容易发射电子，具备更好的化学稳定性并且可以在大气压状态下使用，避免了现有技术中利用碳纳米管进行场效应发射离子必须采用真空的问题，扩大了使用范围并且更加方便；利用加电场的方式，提升碳纳米管顶端局部电场，提高电子遂穿几率，使碳纳米管更容易发射电子；同时，该电场还会使产生出来的电子获得部分的能量，使电离过程更加容易。
（2）本发明所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，所述碳纳米管电极还包括可控温加热装置，通过加热所述碳纳米管电极的方式，帮助电子克服功函数的势垒，进一步提高光电发射的量子系数。
（3）本发明所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，本发明不仅可以在低真空下使用，还可以直接在大气压的环境下使用，使样品的引入更加方便，应用范围更宽。
（4）本发明所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，包括紫外线发射装置的设置可以分为直照式和背照式两种，对于直照式的，所述紫外线发射装置直接照射在所述碳纳米管层上，所述可控温加热装置为可控温加热板，所述碳纳米层的厚度大于50纳米；对于背照式的，所述可控温加热装置为可控温加热环，所述紫外线发射装置照射在所述可控温加热环所在侧的所述衬底上，所述衬底采用透明材料，为了保证背照式的照射效果，所述碳纳米管层的厚度为10-200纳米。通过直照式和背照式两种方式，可以根据需要来放置紫外线发射装置，可以提供更大的适用范围。背照式的结构避免了在内部设置光源的问题，降低了内部的复杂结构。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明所述基于碳纳米管的光电效应的离子源的一个实施例结构示意图；
图2是本发明所述基于碳纳米管的光电效应的离子源的另一个实施例结构示意图；
图3是本发明所述基于碳纳米管的光电效应的离子源应用于高场不对称波形离子迁移谱仪中的结构示意图；
图中附图标记表示为：1-碳纳米管电极，2-对电极，3-紫外线发射装置，4-分离电极，5-检测器，11-碳纳米管层，12-衬底，13-可控温加热装置。
具体实施方式
下面提供本发明所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源的具体实施方式。
实施例 1
本发明所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源的结构如图1所示，其包括电源，所述电源正极与对电极2连接；所述对电极2优先的采用栅网状的电极。所述电源负极连接有碳纳米管电极1，所述碳纳米管电极1包括碳纳米管层11和衬底12，所述碳纳米管电极1中的所述碳纳米管层11为单壁碳纳米管。所述碳纳米管层11设置在所述衬底12的内侧其与所述对电极2相对，本实施例所述碳纳米层为300纳米,在所述碳纳米管层11与所述对电极2中间留有样品通过的通道。紫外线发射装置3对所述碳纳米管电极1进行照射，本实施例中所述紫外线发射装置3直接对碳纳米管层11进行照射，此处的紫外线发生装置3可以为真空紫外灯。
作为其它可以变换的实施方式，对电极2也可采用平板状的电极。在采样接口本身与所述碳纳米管电极1正对时，则也可以采用采样接口来作为对电极使用；所述碳纳米管层还可以选择多壁碳纳米管或者单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的组合，也可以为无缺陷的、平行的、有序的碳纳米管阵列；所述紫外线发生装置3可以选择二极管、氙灯、氪灯、汞灯或紫外激光器等能够产生紫外光的设备。另外，对于所述紫外线发射装置3直接对多数碳纳米管层11进行照射的方式，碳纳米管层的厚度可以选择大于50纳米。
本发明所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源的工作原理如下：当样品由通道进入碳纳米管电极1与对电极2之间的电离区，本实施例中所述紫外线发射装置3发射紫外线从正面照射到所述碳纳米管电极1上，外加电场的碳纳米管在紫外线的照射下发生光电效应向样品发射电子，使样品带电。
实施例 2
本发明所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源的另一种实施例如图2所示，本实施例中，所述紫外线发射装置3设置于所述碳纳米管电极1背后，紫外线可以通过背照式照射在所述衬底12上，由于所述衬底12采用透明材料如采用石英玻璃片，保证有效的紫外线可以顺利穿过。紫外线再透过所述衬底12照射到所述碳纳米管层11上，所述碳纳米管层11的厚度为10-200纳米以便紫外线可以穿透。
实施例 3
本发明所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，在以上实施例1的基础上，在所述衬底12的外侧设置有可控温加热装置13，所述可控温加热装置13优选的采用可控温加热板；所述可控温加热装置13在碳纳米管进行光电效应时对其进行加热，帮助电子克服功函数的势垒，进一步提高光电发射的量子系数。
实施例 4
本发明所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，在实施例2的基础上，所述可控温加热装置13优选采用可控温加热环，置于所述衬底12外侧，以便紫外线可以直接照射在可控温加热环中间的所述衬底12上。
实施例 5
本发明所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，如图3所示，在本发明装置上再连接分离电极4和检测器5，就可以将以上实施例的本发明应用于FAIMS中，也可以将本发明应用于质谱仪等检测仪器。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种基于碳纳米管的光电效应的离子源，包括电源，所述电源正极与对电极连接；其特征在于：所述电源负极连接有碳纳米管电极，所述碳纳米管电极能够在大气压状态下使用；所述碳纳米管电极包括碳纳米管层和衬底，所述碳纳米管层设置在所述衬底的内侧且与所述对电极相对，在所述碳纳米管层与所述对电极中间留有样品通过的通道；紫外线发射装置对所述碳纳米管电极进行照射；所述碳纳米管电极还包括可控温加热装置，所述可控温加热装置设置在所述衬底的外侧；所述可控温加热装置为可控温加热环，所述紫外线发射装置照射在所述可控温加热环所在侧的所述衬底上，所述衬底采用透明材料，所述碳纳米管层的厚度为10-200纳米。
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，其特征在于：所述紫外线发射装置直接照射在所述碳纳米管层上。
3.根据权利要求2所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，其特征在于：所述可控温加热装置为可控温加热板。
4.根据权利要求2所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，其特征在于：所述碳纳米层的厚度大于50纳米。
5.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，其特征在于：所述透明材料为石英玻璃。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，其特征在于：所述碳纳米管电极中的碳纳米管层为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或者其组合。
7.根据权利要求1-5任一项所述的基于碳纳米管的光电效应的离子源，其特征在于：所述对电极采用平板状或栅网状的电极。
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