CN104091752A - 一种具有双循环气路的离子迁移率谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其中，包括样品气化室、样品分子收集室、隔膜、迁移管、外循环活性炭过滤嘴、外循环泵、采样泵、两位三通电磁阀、内循环掺杂单元、内循环干燥单元和内循环泵；所述样品气化室与样品分子收集室相连通，所述隔膜设置在样品分子收集室内；采用本发明所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，通过内循环气路、外循环气路的设置，能使离子迁移率谱仪在运行过程中长时间保持干燥洁净，采样检测准确，通过离子迁移率谱仪关机时可完全封闭的设置能够有效保证离子迁移率谱仪能快速恢复到正常待检状态。避免了现有技术中离子迁移率谱仪常因外界气氛环境而出现检测灵敏度降低、离子迁移率谱仪漏报警、误报警概率大大增加等问题。

Description

一种具有双循环气路的离子迁移率谱仪

技术领域

本发明涉及离子迁移技术领域，尤其涉及一种具有双循环气路的离子迁移率谱仪。

背景技术

离子迁移技术作为一种物质分子检测技术起源于二十世纪六十年代，离子迁移率谱仪的基本原理是：通过将外界被测分子吸入迁移管内离子化，测定特征离子在弱电场中的迁移率来检测痕量物质的种类。离子迁移率谱仪通常采用放射离化源实现分子的离子化，此过程为气相分子—离子间的化学反应过程，由被测分子与反应离子发生化学反应生成特征产物离子，待测物特征产物离子的浓度大小直接影响检测结果。根据化学反应平衡常数定义可知，特征产物离子浓度大小除了取决于被测分子浓度外，还取决于反应离子浓度，而反应离子浓度极易受到迁移管内极性小分子(如水分子)浓度影响。

为便于直观理解极性小分子水分子对产物离子浓度影响，下面以毒品分子放射离子化为例加以说明。在这类物质的检测中，为抑制其它干扰离子的形成，一般加入质子结合能力较强的掺杂剂如NH₃，此情况下主要发生两级离子分子化学反应：

其中(H₂O)_xH⁺为初级反应离子，为次级反应离子，AH⁺为产物离子。固定温度条件下，式(1)的反应平衡常数K₁固定不变，其表达式如下：

$K_1=\frac{C_{\left(\left(H_{2}O\right)N{H}_4^{+}\right)}{C}_{\left(H_{2}O\right)}^{(x-1)}}{C_{\left({\left(H_{2}O\right)}_x{H}^{+}\right)}{C}_{\left(N{H}_3\right)}}---\left(3\right)$

其中C表示各离子、分子的平衡浓度。随着水分子浓度的增加，(H₂O)_xH⁺的x值变大，由于单位时间内放射源释放的β电子数量一定，(H₂O)_xH⁺浓度基本维持平衡不变；掺杂剂NH₃浓度不变；由式(3)可知，随着水分子浓度的增加，次级反应离子的浓度会显著减小，这是因为水分子浓度对平衡常数K₁的贡献因子为x-1次方。

同样，式(2)的反应平衡常数K₂的表达式为

$K_2=\frac{C_{\left(A{H}^{+}\right)}{C}_{\left(N{H}_3\right)}{C}_{\left(H_{2}O\right)}}{C_{\left(\left(H_{2}O\right)N{H}_4^{+}\right)}{C}_{\left(A\right)}}---\left(4\right)$

由于水分子浓度的增加，的浓度显著减小，由式(4)可得产物离子AH⁺浓度减小。当系统中的水分子浓度增加10倍时，由式(3)可以初步估算次级反应离子浓度减小约10^(x-1)倍；代入式(4)可以计算出产物离子AH⁺浓度将减少10^x倍，所以背景水分子浓度的增加大大减小产物离子AH⁺的生成量，导致离子迁移率谱仪灵敏度变差。

从上述分析可知，极性小分子在放射离化反应过程中严重影响产物离子的形成。考虑到便携式离子迁移率谱仪的持续干燥能力有限以及低功耗要求，如何长时间保持迁移管内部极性小分子的低浓度成为便携式离子迁移率谱仪气路设计的关键环节之一。传统离子迁移率谱仪难以在采样检测过程中保持迁移管内部极性小分子的低浓度以及待机运行过程中和关机状态下使迁移管长时间保持清洁干燥，除此之外，传统离子迁移率谱仪存在的问题主要还有：第一、待测物质分子易残留在采样单元的管道和边壁上；第二、关机后热迁移管冷却易导致内循环气体收缩，造成外面杂质分子进入迁移管内部。在上述情形下离子迁移率谱仪待测状态时离子图谱复杂，放射源离子化能力减弱，最终将导致离子迁移率谱仪检测灵敏度降低、离子迁移率谱仪漏报警、误报警概率大大增加。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有双循环气路的离子迁移率谱仪。旨在达到使迁移管长时间保持清洁干燥的效果。

本发明的技术方案如下：

一种具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其中，包括样品气化室、样品分子收集室、隔膜、迁移管、外循环活性炭过滤嘴、外循环泵、采样泵、两位三通电磁阀、内循环掺杂单元、内循环干燥单元和内循环泵；样品气化室与样品分子收集室相连通，隔膜设置在样品分子收集室内；所述样品气化室、外循环活性炭过滤嘴、外循环泵、外循干燥单元、两位三通电磁阀、样品分子收集室依次通过输气管道连通形成外循环气路；所述采样泵与两位三通电磁阀的第三端连通；所述迁移管尾气出口、内循环泵、内循环干燥单元、内循环掺杂单元依次连通，内循环掺杂单元出口分为两条管道，一条连通样品分子收集器隔膜内侧的载气入口，另一条连通迁移管迁移气入口，形成内循环气路；所述内循环气路和外循环气路以隔膜为分隔。

所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其中，所述外循环活性炭过滤嘴还可连通设置于外循环泵出口处。

所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其中，所述外循环泵和两位三通电磁阀之间的输气管道上还设置有外循环干燥单元。

所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其中，所述内循环泵和内循环干燥单元之间的输气管道上还连通设置有内循环活性炭过滤嘴，所述内循环活性炭过滤嘴与外界相通。

所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其中，所述内循环泵连通设置于内循环干燥单元的出口处。

所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其中，所述样品气化室可替换成带活性炭的隔膜保护罩，所述样品分子收集室还设置有一可开关的出口；所述离子迁移率谱仪在执行关机操作之前将所述样品气化室更换为带活性炭的隔膜保护罩，将所述内循环活性炭过滤嘴出口与样品分子收集室开启的出口相连通形成封闭状态，并将所述的采样泵出口关闭，使离子迁移率谱仪在关机状态下与外界环境完全隔绝。

本发明中所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪通过内循环气路、外循环气路的设置，能使离子迁移率谱仪在运行过程中长时间保持干燥洁净，采样检测准确，通过离子迁移率谱仪关机时可完全封闭的设置能够有效保证离子迁移率谱仪在下次开机时能快速恢复到正常待检状态。避免了现有技术中离子迁移率谱仪常因外界气氛环境影响而出现检测灵敏度降低、检测响应恢复慢以及开机预热时间长等问题。

附图说明

图1是本发明中具有双循环气路的离子迁移率谱仪的结构示意图。

图2为本发明中具有双循环气路的离子迁移率谱仪关机状态下的结构示意图。

图3为本发明中具有双循环气路的离子迁移率谱仪外循环气路采样检测状态下的气体流通示意图。

图4为本发明中具有双循环气路的离子迁移率谱仪外循环气路待测运行状态下的气体流通示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1：如图1本发明中具有双循环气路的离子迁移率谱仪的结构示意图所示，本发明所提供的具有双循环气路的离子迁移率谱仪包括迁移管1、隔膜2、内循环泵3、内循环干燥单元4、内循环掺杂单元5、样品气化室7、样品分子收集室8、外循环活性炭过滤嘴9、两位三通电磁阀10、采样泵12和外循环泵13。样品气化室7与样品分子收集室8相连通，隔膜2设置在样品分子收集室8内；样品气化室7、外循环活性炭过滤嘴9、外循环泵13、外循环干燥单元11、两位三通电磁阀10、样品分子收集室8依次通过输气管道连通形成外循环气路(下文所述连通方式均为管道连通)。在外循环气路中，两位三通电磁阀10除了两端分别连通有样品分子收集室8和外循环泵13外，其第三端还连通有采样泵12；迁移管1尾气出口、内循环泵3、内循环干燥单元4、内循环掺杂单元5依次连通，内循环掺杂单元5出口分为两条管道(图中未示出)，一条连通样品分子收集器8里的隔膜2内侧的载气入口(图中未示出)，另一条连通迁移管1迁移气入口(图中未示出)，样品分子收集器8的载气出口与迁移管1的载气入口连通，由此形成内循环气路，内循环气路和外循环气路以隔膜2为分隔。

实施例2：如图1本发明中具有双循环气路的离子迁移率谱仪的结构示意图所示，本发明所提供的具有双循环气路的离子迁移率谱仪中的内循环干燥单元4和外循环干燥单元11分别对内、外循环气路中的气体进行干燥，确保内、外循环气的清洁、干燥。

实施例3：如图1本发明中具有双循环气路的离子迁移率谱仪的结构示意图所示，本发明提供的具有双循环气路的离子迁移率谱仪还在所述的内循环泵3出口处(图中未示出)设置有内循环活性炭过滤嘴6，内循环活性炭过滤嘴6与外界相通，有利于隔膜2外侧被测分子扩散进入迁移管内、增强仪器检测灵敏度。将内循环泵3出口端增加一个活性炭过滤嘴6与外界环境相通，实现内循环泵3出口压强与外界环境压强相同，从而通过内循环泵3背压作用实现迁移管1内的负压，有效保证隔膜2内外两侧形成一定压差，促进隔膜2外侧被测分子扩散进入迁移管1内。虽然分子扩散负压促进机制能增强仪器检测灵敏度，但是该机制也增加了仪器待测状态下外界水、杂质等分子进入迁移管1内的几率，这不利于内循环干燥单元长时间产生良好效果，外循环气路的设置解决了此问题。

实施例4：如图2本发明中具有双循环气路的离子迁移率谱仪关机状态下的结构示意图所示，本发明提供的具有双循环气路的离子迁移率谱仪在执行关机操作之前，将样品气化室7更换为带活性炭的隔膜保护罩14，使离子迁移率谱仪关机状态下隔膜2外侧与外界环境隔绝。离子迁移率谱仪关闭期间，外部极性小分子及残余被测分子极易通过隔膜2进入内循环气路，会导致迁移管1内循环气路的污染、干燥剂失效，造成下次离子迁移率谱仪开机运行时长时间无法恢复到正常待检状态等问题，更换隔膜保护罩14后，继续保持外循环气路运行一段时间，让残余在样品分子收集室及外循环气路中的样品分子彻底过滤干净，可以很好的避免上述问题的出现。

本发明提供的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，所述的样品分子收集室8还设置有一可开关的出口15，内循环活性炭过滤嘴6出口(图中未示出)与样品分子收集室8开启的出口15相连通形成封闭状态，关闭采样泵12出口；将样品气化室7更换为带活性炭的隔膜保护罩14；上述三点改进使离子迁移率谱仪在关机状态下形成真正的封闭环境，外界杂质分子极难扩散渗透进入迁移管1内，从而有效保证迁移管1干燥洁净的气氛环境，为离子迁移率谱仪下次开机运行时，能快速恢复到正常待检状态提供保障。

实施例5：本发明提供的具有双循环气路的离子迁移率谱仪运行时，内循环气路一直处于运行状态，由内循环泵3带动迁移管1的内循环气进行流动，内循环气在内掺杂剂单元5的出口(图中未示出)分成载气和迁移气两路气体。载气从样品分子收集器8里的隔膜2内侧(图中未示出)的载气入口进入，吹扫隔膜2内壁将透过隔膜2的分子载入迁移管1内；迁移气从迁移管1迁移气入口进入向迁移管1载气入口方向(图中未示出)流动，有效防止未离化有机分子及其它杂质分子扩散进入迁移区(图中未示出)，两路气体在迁移管1中部汇合并从迁移管1的尾气出口(图中未示出)流出，由内循环泵3带动进入内循环干燥单元4，将进入迁移管1内的极性小分子吸附，保持内循环气清洁和干燥，内循环气继续流入内循环掺杂单元5，携带一定浓度掺杂剂分为两路分别进入了样品分子收集器8的隔膜2内侧通道和迁移管1，从而实现迁移管1内部气体的循环。在内循环泵3出口上的活性炭过滤嘴6的常压调节下，迁移管1内部保持一定程度的稳定负压，隔膜2内外两侧形成一定的负压差，促进外侧样品分子扩散通过隔膜2，以增强仪器的检测灵敏度；同时，活性炭过滤嘴6还起到恒定迁移管内部压强作用，使内循环气路能够持续稳定循环，确保离子峰位置的固定。

实施例6：如图3本发明中具有双循环气路的离子迁移率谱仪外循环气路采样检测状态下的气体流通示意图，本发明提供的离子迁移率谱仪外循环气路在采样检测状态时，两位三通电磁阀10将采样泵12与样品分子收集室8出口连通，在采样泵12驱动下，采样气16进入样品气化室7，样品分子受热解吸附气化后，随气流进入样品分子收集室8，一部分样品分子透过隔膜2进入迁移管1内，而一部分样品分子继续随采样气16经两位三通电磁阀10、采样泵12后排出。

实施例7：如图4本发明中具有双循环气路的离子迁移率谱仪的外循环气路待测运行状态下的气体流通示意图所示，本发明提供的离子迁移率谱仪的外循环气路在待测运行状态时，两位三通电磁阀10将外循环干燥单元11与样品分子收集室8出口连通，外循环气17开始循环。样品气化室7和样品分子收集室8内的气体在外循环泵13的驱动下反向流动进入外循环活性炭过滤嘴9，将外循环气中残余的被测有机分子过滤清除后，再进入外循环干燥单元11，清除外循环气里的极性小分子，待机期间持续的外部循环最终确保外循环气的干燥与清洁。虽然样品气化室7与外界相通，但由于样品气化室7的循环气体的进出量相同，以及样品气化室7的高温抑制扩散作用，能有效抑制外界杂质气体进入样品气化室7内、确保隔膜2外侧具有清洁、干燥的气氛环境，从而能有效减少极性小分子及其它杂质分子进入迁移管1、有效延长内循环干燥单元的使用时间，以及改善离子迁移率谱仪的响应恢复性能。

本发明所提供的具有双循环气路的离子迁移率谱仪的外循环活性炭过滤嘴9还可以设置于外循环泵13的出口处(图中未示出)。

本发明所提供的具有双循环气路的离子迁移率谱仪的内循环泵3还可以设置于内循环干燥单元4的出口处(图中未示出)。

本发明提供的具有双循环气路的离子迁移率谱仪通过内循环气路、外循环气路的设置，能使离子迁移率谱仪在运行过程中长时间保持干燥洁净，采样检测准确，通过离子迁移率谱仪关机时可完全封闭的设置能够有效保证离子迁移率谱仪下次开机时能快速恢复到正常待检状态。避免了现有技术中离子迁移率谱仪常因外界气氛环境而出现检测灵敏度降低、检测响应恢复慢、开机时长时间无法到达正常待检状态。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，例如气路中各个单元的顺序设置、气路管道位置设置的微小改变等所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其特征在于，包括样品气化室、样品分子收集室、隔膜、迁移管、外循环活性炭过滤嘴、外循环泵、采样泵、两位三通电磁阀、内循环掺杂单元、内循环干燥单元和内循环泵；所述样品气化室与样品分子收集室相连通，所述隔膜设置在样品分子收集室内；所述样品气化室、外循环活性炭过滤嘴、外循环泵、两位三通电磁阀、样品分子收集室依次通过输气管道连通形成外循环气路；所述采样泵与两位三通电磁阀的第三端连通；所述迁移管尾气出口、内循环泵、内循环干燥单元、内循环掺杂单元依次连通，内循环掺杂单元出口分为两条管道，一条连通样品分子收集器里的隔膜内侧的载气入口，另一条连通迁移管迁移气入口，形成内循环气路；所述内循环气路和外循环气路以隔膜为分隔。

2.根据权利要求1所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其特征在于，所述外循环活性炭过滤嘴还可连通设置于外循环泵出口处。

3.根据权利要求1或2所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其特征在于，所述外循环泵和两位三通电磁阀之间的输气管道上还设置有外循环干燥单元。

4.根据权利要求1所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其特征在于，所述内循环干燥单元和内循环掺杂单元之间的输气管道上还连通设置有内循环活性炭过滤嘴，所述内循环活性炭过滤嘴与外界相通。

5.根据权利要求1所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其特征在于，所述内循环泵还可连通设置于内循环干燥单元的出口处。

6.根据权利要求2所述的具有双循环气路的离子迁移率谱仪，其特征在于，所述离子迁移率谱仪还包括带活性炭的隔膜保护罩，所述样品分子收集室还设置有一可开关的出口；所述离子迁移率谱仪在执行关机操作之前将所述样品气化室更换为带活性炭的隔膜保护罩，将所述内循环活性炭过滤嘴出口与样品分子收集室开启的出口相连通形成封闭状态，将所述的采样泵出口关闭，保障离子迁移率谱仪在关机时与外界环境完全隔绝。