CN103575839B - 一种高灵敏度光离子化检测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高灵敏度光离子化检测器，包括：收集极、发射极以及喷嘴位于光离子化电离室中，真空紫外灯发出的紫外光直接射到喷嘴上，收集极紧贴光离子化电离室的内壁，发射极嵌入在喷嘴中部的凹槽内，紫外光无法直射到收集极和发射极表面。在收集极和发射极之间加载一个直流高压源，形成电场。混合气体被色谱柱分离后，经喷嘴进入光离子化电离室中被真空紫外灯电离成正负离子，正负离子在电场的作用下，分别被收集极和发射极捕获，转化成微弱电流信号，再经微电流放大器放大后输出到数据采集卡。本发明的光离子化检测器具有极小的池体积和超低的噪声干扰，提高了检测器的灵敏度和降低了检测器的检出限。

Description

一种高灵敏度光离子化检测器

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，特别涉及一种用于混合气体组分检测的高灵敏度光离子化检测器，该检测器是基于微机械加工技术加工而成，广泛用于潜艇有害气体检测、大气质量监测、家居安全、食品安全、毒品检测以及癌症预测等领域。

背景技术

在气体检测器中，光离子检测器具有检测范围广、检出限低、分析速度快等特点，已成为一种很重要的分析检测器。其工作原理是混合气体经色谱柱分离后被载气带入光离子化电离室，被UV紫外灯发射出的紫外光轰击，电离成正负离子，在收集极和发射极形成的电场作用下，正负离子分别被收集极和发射极捕获，形成微弱的电流信号，再经微电流放大器放大后，输出到数据采集卡，实现对测量的结果分析和处理。这种检测器它可对几百种有机物和部分无机物进行痕量(浓度达ppb)定性和定量分析，已成为气体检测领域中最常用的一种检测器。

现有的光离子化检测器中，其电离室的池体积都比较大，一般都大于40微升，而且在几乎所有的设计中，收集极或发射极没有被保护，暴露在紫外光的直射之下，由于几乎所有的金属，其电离电位都小于6eV，因此不可避免的会产生光电效应，而光电效应带来的噪声可达几十个pA，大大削弱了检测器的检出限。另外，在这些设计中，几乎都没有考虑到光源驱动电路带来的电磁干扰，这种电磁干扰带来的噪声也达到几十个pA的噪声，也大大削弱了检测器的检出限。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明对光离子化检测器设计了喷嘴结构，以此大幅度减少池体积，并对收集极和发射极进行屏蔽，完全隔离紫外光直射金属，消除光电效应带来的噪声影响。另一方面，设计电磁屏蔽结构，来消除外界以及光源驱动电路带来的电磁噪声。

本发明的高灵敏度光离子化检测器包括：真空紫外灯1、光离子化电离室2、收集极3、发射极4、喷嘴5、色谱柱6，其中，所述收集极3、发射极4以及喷嘴5位于光离子化电离室2中，真空紫外灯1发出的紫外光直接射到喷嘴5上，收集极3紧贴光离子化电离室2的内壁，发射极4嵌入在喷嘴中部的凹槽内，紫外光不能直射到收集极3和发射极4表面，在收集极3和发射极4之间加载一个直流高压源9，形成电场，混合气体被色谱柱6分离后，经喷嘴5进入光离子化电离室2中被真空紫外灯1电离成正负离子，正负离子在电场的作用下，分别被收集极3和发射极4捕获，转化成微弱电流信号，再经微电流放大器10放大后输出到数据采集卡。

本发明所提出的光离子化检测器，其优点在于：1)采用本发明喷嘴的设计，大大减少了电离室的池体积，气体电离效率高，且电离后的离子被捕获的效率大。2)收集极3和发射极4全部被屏蔽起来，真空紫外灯1发出的紫外光无法直射到他们身上，因此避免了光电效应的产生。3)设计的电磁屏蔽8能对光源驱动电路带来的噪声进行屏蔽，消除了外界电磁噪声的影响。因此这种新型光离子化检测器具有超低的噪声水平，大大提高了检测器的灵敏度和降低了检测器的检出限。

附图说明

图1是本发明高灵敏度光离子化检测器的结构示意图。

图2是本发明微弱电流信号采集的结构示意图。

图3是本发明光离子化检测器的分解结构示意图。

图4是本发明喷嘴的结构示意图。

图5是本发明收集极在电离室的位置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

通常来说，影响光离子化检测器灵敏度的因素很多，主要有电离室的结构与池体积，PID光源对电极直射所产生的光电效应以及各种电磁噪声(特别是PID光源的驱动电路)的干扰。因此，本发明将以提高灵敏度为目的，在技术上将解决以下关键问题：1)尽可能减少电离室的池体积，并提高气体的电离效率和离子被捕获效率；2)防止电极(包括发射极和收集极)被PID光源直射而产生光电效应，带来噪声影响；3)消除电磁噪声带来的干扰。

本发明提出的光离子化检测器中，设计了喷嘴结构，一方面能减少电离室的池体积，提高气体电离效率和离子的捕获效率，另一方面，将收集极和发射极屏蔽起来，真空紫外灯发出的紫外光无法直射到收集极和发射极上，因此避免了光电效应的产生。该检测器还设计了电磁屏蔽结构，能消除PID光源驱动电路以及外界的电磁噪声。因此这种光离子化检测器具有超低的噪声水平，大大提高了检测器的检测灵敏度和降低了检测器的检出限。

图1是本发明的高灵敏度光离子化检测器的结构示意图，所述的收集极3、发射极4以及喷嘴5位于光离子化电离室2中，真空PID紫外灯1发出的紫外光直接射到喷嘴5上，收集极3紧贴光离子化电离室2的顶部内壁，而发射极4则嵌入在喷嘴5中部的凹槽内，因此，紫外光都无法直射到收集极3和发射极4的表面，消除了光电效应的影响。在收集极3和发射极4之间加一直流高压源9，形成电场。混合气体经色谱柱6分离后，由于色谱柱的末端直接嵌入在喷嘴5的中心，并与电离室相连通，因此，分离后的气体组分经喷嘴5直接进入光离子化电离室2中，被真空紫外灯1电离成正负离子，正负离子在电场的作用下，分别被收集极3和发射极4捕获，而转化成微弱电流信号，再经微电流放大器10放大后输出到数据采集卡。

所述的喷嘴5，位于电离室2中，并处于真空紫外灯的正下方，距紫外灯发光窗口面的距离可在1mm-9mm选择，优选地，距紫外灯发光窗口面的距离为2mm。喷嘴形状可以是柱形、方形或其它形状，优选地，其形状如图4所示，上部分为圆锥形或圆台形，中间部分有一凹槽，是用来放置发射极4，下部分为圆柱形。整个喷嘴采用聚四氟乙烯(PTEF)、聚醚醚酮(PEEK)聚甲醛、聚砜等材料加工，其体积为电离室的1/3-4/5。优选地，采用聚四氟乙烯加工而成，喷嘴的体积为电离室池体积的2/3，也就是说，电离室的池体积由于喷嘴的存在，其池体积减少了2/3。因此，这种设计，一方面减少了电离室的池体积，另一方面完全消除了PID光源直射到收集极3上而产生光电效应。

根据本发明，所述的收集极3与发射极4一起组成光离子化检测器(photo-ionization detector，PID)的两电极(如图2所示)，在PID的两电极间加上直流高压电源9，即可在两电极间形成强电场，气体组分被PID紫外灯1电离后，正负离子就会被收集极3与发射极4分别捕获，形成电流，然后经微电流放大器10后，即可形成色谱峰。所述的收集极采用Pt、Au、Cu、Al等材料加工，可位于电离室2的顶部内壁(如图5中13)或侧内壁(如图5中14)，在本实施例中，位于电离室2的顶部内壁，由于被电离室内壁所保护，PID光源无法直射其表面。其形状可以是圆环，同心圆盘或其他形状。所述的发射极4，其位置位于喷嘴5中部的凹槽内11，采用Pt、Au、Cu、Al等材料加工，形状可以是同心圆环、同心圆盘或细杆。

所述的光离子化电离室2，可采用聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚甲醛、聚砜等材料加工而成，其池体积在10微升-200微升选择优选地，采用四氟乙烯加工而成，池体积为15微升。

所述的电磁屏蔽8，嵌入在PID光源窗口平面的下方和收集极3上方之间的任何位置，只露出PID光源的发光窗口。可采用电镀、蒸发、溅射等方法，按照图3(b)所示得到一层金属，金属层的厚度可在50nm-2mm选择，优选地，采用溅射的方法得到一层200nm的Au金属层。然后该金属层与PID光源驱动电路的电磁屏蔽层连成一体。

所述的尾气出口7，其出口位于电离室的底部，并与外部相通，其作用是将电离后的气体及时排出电离室；所述的真空紫外灯驱动电路12，其位置与PID光源直接相连，并将PID光源嵌入其中，其作用是驱动PID光源使其产生紫外光，将气体电离成正、负离子。

以上描述了本发明的光离子化检测器的具体结构及其工作原理，下面通过具体示例来描述制造该检测器的方法。

光离子化电离室2的加工可选择聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚甲醛、聚砜等材料。整个光离子化电离室可分为图3(a)、(b)、(c)三个部分分别加工，待三部分加工完毕后，利用螺钉、过渡垫以及密封胶组装成一个整体。

图3(a)部分的加工，其喷嘴部分如图4所示，喷嘴5位于电离室中，并置于真空紫外灯1的正下方，距紫外灯1发光窗口面的距离可在1mm-9mm选择，其体积为电离室的1/3-4/5，在本实施例中，喷嘴距紫外灯1发光窗口面的距离为2mm，喷嘴的体积为电离室池体积的2/3，色谱柱6通过喷嘴的中心通孔将气体导入电离室2内。喷嘴5的形状，其上部分为圆锥形或圆台形，中间部分有一凹槽，下部分为圆柱形。整个喷嘴5可采用聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚甲醛、聚砜等材料加工，优选地，采用聚四氟乙烯加工而成。发射极4置于喷嘴的凹槽内，其形状为同心圆环或同心圆盘或其他形状，可采用Pt、Au、Cu、Al或不锈钢等材料加工，优选地，采用Pt细丝紧密绕在凹槽内。

图3(b)部分的加工，采用精密机械加工技术加工而成，其材料可采用聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚甲醛、聚砜等材料加工，优选地，采用聚四氟乙烯加工而成。收集极3采用Pt、Au、Cu、Al等材料加工，可位于电离室2的顶部内壁(如图5中13)或侧内壁(如图5中14)，其形状可以是圆环，同心圆盘或其他形状，其厚度不超过1mm，优选地，位于电离室2的顶部内壁，其形状为同心圆盘，厚度为0.3mm。所述的电磁屏蔽8嵌入在PID光源窗口平面的下方和收集极3上方之间的任何位置，只露出PID光源的发光窗口。可采用电镀、蒸发、溅射等方法，按照图3(b)所示得到一层金属，金属层的厚度可在50nm-2mm选择，优选地，采用溅射的方法得到一层200nm的Au金属层。然后该金属层与PID光源驱动电路的电磁屏蔽层连成一体。

图3(c)部分的加工，采用精密机械加工技术加工而成，其材料可采用聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚甲醛、聚砜等材料加工，优选地，采用聚四氟乙烯加工而成。真空紫外灯1的窗口紧贴着电离室，其窗口到喷嘴的距离不大于9mm，真空紫外灯1通过O形圈和螺钉固定密封，然后整个3(c)部分，通过强力密封胶与3(b)连接。

再将3(b)通过螺钉、过渡垫与3(a)连接，形成光离子化电离室。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高灵敏度光离子化检测器，该检测器包括：真空紫外灯(1)、光离子化电离室(2)、收集极(3)、发射极(4)、喷嘴(5)、色谱柱(6)，尾气出口(7)，其中，

所述收集极(3)、发射极(4)以及喷嘴(5)位于光离子化电离室(2)中，真空紫外灯(1)发出的紫外光直接射到喷嘴(5)上，收集极(3)紧贴光离子化电离室(2)的内壁，发射极(4)嵌入在喷嘴中部的凹槽内，紫外光不能直射到收集极(3)和发射极(4)表面，在收集极(3)和发射极(4)之间加载一个直流高压源(9)，形成电场，混合气体被色谱柱(6)分离后，经喷嘴(5)进入光离子化电离室(2)中被真空紫外灯(1)电离成正负离子，正负离子在电场的作用下，分别被收集极(3)和发射极(4)捕获，转化成微弱电流信号，再经微电流放大器(10)放大后输出到数据采集卡，所述尾气出口(7)位于光离子化电离室(2)的底部，并与外部相通，用于将电离后的气体及时排出光离子化电离室(2)。

2.如权利要求1所述的光离子化检测器，其特征在于：

所述的收集极(3)采用Pt、Au、Cu或Al加工而成，形状是圆环或同心圆盘。

3.如权利要求1所述的光离子化检测器，其特征在于：

所述的收集极(3)，其位置位于真空紫外灯(1)的正下方，紧贴电离室(2)顶部的内壁，真空紫外灯(1)发出的光无法直射到其表面。

4.如权利要求1所述的光离子化检测器，其特征在于：

所述的发射极(4)，其位置紧贴在喷嘴中部的凹槽内，真空紫外灯(1)发出的光无法直射到其表面，发射极(4)采用Pt、Au、Al或Cu加工而成，形状是圆环或同心圆盘。

5.如权利要求1所述的光离子化检测器，其特征在于：

所述的光离子化电离室(2)，采用聚四氟乙烯PTEF、聚醚醚酮PEEK、聚甲醛或聚砜加工而成。

6.如权利要求1所述的光离子化检测器，其特征在于：

所述的喷嘴(5)，其位置位于电离室(2)之中，并处于真空紫外灯的正下方，其体积是电离室体积的1/3-4/5。

7.如权利要求1所述的光离子化检测器，其特征在于：

所述的喷嘴(5)，是采用聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚甲醛或聚砜加工而成，其形状上部分为圆锥形或圆台形，中间部分有一凹槽，下部分为圆柱形。

8.如权利要求1所述的光离子化检测器，其特征在于，该检测器还包括：

电磁屏蔽(8)，采用金属材料加工，该电磁屏蔽包含真空紫外灯驱动电路(12)，使得外界电磁噪声以及真空紫外灯光源部分的电磁干扰无法进入电离室。

9.如权利要求8所述的光离子化检测器，其特征在于：所述真空紫外灯驱动电路(12)位置与PID光源直接相连，并将PID光源嵌入其中，其作用是驱动PID光源使其产生紫外光，将气体电离成正、负离子。

10.如权利要求1-9任一项所述的光离子化检测器，其特征在于：该光离子化检测器用于检测密闭舱室、家居安全、大气质量监测、毒品检测、食品安全、癌症诊断中的有害气体。