CN104515824A - 气相物质分析装置和气相导入装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气相物质分析装置和气相物质导入装置。气相物质分析装置包括：气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置。气相物质导入装置包括集束毛细管柱和温控系统。离子迁移谱分析装置用于分析气相物质导入装置导入的气相物质，所述离子迁移谱分析装置包括用于样品分子与反应离子发生反应的反应腔，反应腔具有用于导入样品的样品导入口。集束毛细管柱的出口端通过离子迁移谱分析装置的样品导入口直接插入离子迁移谱分析装置的反应腔内。

Description

气相物质分析装置和气相导入装置

技术领域

本发明涉及安全检测技术领域；具体地，本发明涉及气相物质分析装置和气相导入装置。

背景技术

近年来气相色谱(GC)与离子迁移谱(IMS)联用技术(GC-IMS)利用GC对复杂成分突出的分离特性，对样品进行预先分离，使混合物分离成为单一组分后再进入IMS检测器进行检测，这种联用技术已被证实增加的一维GC保留时间信息拓展了IMS对化学成分检测的分辨率，实现了更高的检出限，增加了线性动态范围。因此近年来GC-IMS技术得到了迅猛发展。由于常规GC分析时间在十分钟以上，但是需要一个笨重的炉膛实现高温，这难以满足现场快速检测的需要。

此外，离子迁移谱(IMS)分析仪器目前广泛应用放射性β源，放射性β源都会放射高能初生电子(⁶³Ni：67keV，³H：18keV)，现有的设备将分离的样品直接引入电离区，部分样品被高能β射线直接打成分子离子碎片，或被电离成带正电的样品分子离子。一方面样品的分子离子碎片会导致反应离子峰(监测RIP，正模式主要为(H₂O)_nH⁺，负模式主要为O₂ ^-(H₂O)₂)增高，扰乱基线，降低IMS的分辨率，尤其是对于如蛋白、核酸等生物大分子，硬电离源将会产生更复杂的碎片，造成难以辨析的图谱，使GC-IMS谱仪难以拓宽到有机大分子的检测领域。另一方面样品分子离子碎片或带正电的样品分子离子会进而与反应离子发生反应生成不能分辨离子谱，导致谱线紊乱，严重影响谱线分析。期望，提供离子迁移谱分析的精确。

发明内容

本发明的目的是提供一种气相物质分析装置，至少部分克服或消除现有技术中分析装置不方便使用、体积大、容易带来分析误差的缺点。

根据本发明的一方面，提供一种气相物质分析装置，包括：气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置。气相物质导入装置包括：集束毛细管柱，由多个毛细管柱构成，具有入口端和出口端；和，温控系统，与集束毛细管柱结合用于控制集束毛细管柱内的温度。离子迁移谱分析装置用于分析气相物质导入装置导入的气相物质，所述离子迁移谱分析装置包括用于样品分子与反应离子发生反应的反应腔，反应腔具有用于导入样品的样品导入口。集束毛细管柱的出口端通过离子迁移谱分析装置的样品导入口直接插入离子迁移谱分析装置的反应腔内。

根据本发明的一方面，提供一种用于气相物质分析装置的气相物质导入装置，包括：集束毛细管柱，包括非金属材料形成的多个毛细管柱，具有入口端和出口端；和，温控系统，与集束毛细管柱结合用于控制集束毛细管柱内的温度，温控系统包括热导套。热导套包括热导套外周上的多个凸起，在多个凸起之间能够形成用于布置流体通道或流过流体的空间。

本发明的气相物质分析装置至少具有以下优点。

1)集束毛细管柱分离的成分直接进入双模式迁移管中间的反应区，避开了电离区，既实现了避免产生分子离子碎片的目的，又实现了气相色谱-离子迁移谱分析装置联用谱仪同时鉴别正负离子的功能，使谱仪同时对正负电亲和性的大分子都能响应，弥补了以往技术的不足，拓宽了集束毛细管柱-离子迁移谱分析装置对检测物质的选择性；

2)集束毛细管柱-离子迁移谱分析装置的接口不需要转接单元，集束毛细管柱端口直接和离子迁移谱分析装置相耦合，避免因转接单元转弯而发生湍流，能有效提到离子迁移谱分析装置的检测灵敏度和分辨率；集束毛细管柱和离子迁移谱分析装置反应区基座之间设计隔热定位装置，同时兼具集束毛细管柱的定位和绝热作用，结构简单，便于安装操作，省去了增设额外的转接单元及其温控系统设计；

3)集束毛细管柱的加热器件均匀嵌套在热导套内，这样设计的好处在于既能实现了集束毛细管柱快速升温又保证了集束毛细管柱受热均匀，保证样品气化分离均匀，减少分离歧视。

4)在热导套壳体上设计多个凸起，可在多个凸起之间的空间内嵌绕散热管道，散热管道内流动的冷却剂能把热量带走，对集束毛细管柱起到快速降温作用，有益于集束毛细管柱-离子迁移谱分析装置快速应对连续测量时下次测量时物质沸点的变化。

5)热导套、散热管道、加热器件、泵，以及控制器的配合控制实现了集束毛细管柱的程序升温功能，可将集束毛细管柱-离子迁移谱分析装置联用谱仪的应用领域拓展到应对宽沸程样品成分的分离，提高了对分析物质的选择性。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的气相物质分析装置的示意截面图；

图2是根据本发明的一个实施例的样品分析装置的沿A-A线的截面图；

图3是根据本发明的一个实施例的样品分析装置的沿B-B和C-C线的截面图。

图4是根据本发明的一个实施例的样品分析装置的导热体上的多个凸起以及流体管道在多个凸起之间的布置。

具体实施方式

尽管本发明容许各种修改和可替换的形式，但是它的具体的实施例通过例子的方式在附图中示出，并且将详细地在本文中描述。然而，应该理解，随附的附图和详细的描述不是为了将本发明限制到公开的具体形式，而是相反，是为了覆盖落入由随附的权利要求限定的本发明的精神和范围中的所有的修改、等同形式和替换形式。附图是为了示意，因而不是按比例地绘制的。

下面根据附图说明根据本发明的多个实施例。

图1是根据本发明的气相物质分析装置400的一个实施例的总体结构示意图。气相物质分析装置400可以大体包括气相物质导入装置部分和离子迁移谱分析装置部分。

气相物质导入装置包括集束毛细管柱401，集束毛细管柱401包括多个毛细管柱。在一种实施例中，集束毛细管柱401可以通过将多根独立的单根毛细管柱平行地集聚成一束构成。在一种实施例中，集束毛细管柱401可以通过在一根柱子上形成多个平行的毛细孔构成。在一种实施例中，集束毛细管柱401由非金属材料形成。例如，通常情况，毛细管柱可以由玻璃材料形成。毛细管柱也可以由其他材料形成。集束毛细管柱401配置成具有大体平齐的入口端和出口端。一支集束毛细管由成百上千根平行毛细管柱构成，例如500-5000根平行毛细管柱集成在一个横截面为正六边形的玻璃柱内，每根毛细管柱的内径为20-100μm，一般为～40μm。在每根毛细管柱的内表面可以涂覆一层固定相，固定相的选择可以根据需要进行选择。由于集束毛细管柱401强大的分离能力，通常可做成尺寸较短的笔形柱(40-250mm)即可以实现分离的功能。尺寸较长的柱可绕成圆盘形。混合样品组分经过与毛细管固定相之间的相互作用以保留时间不同实现物质的分离。毛细管柱的保留时间在秒-分钟量级(一般为几十秒～几分钟，最小峰宽几秒)。

集束毛细管柱401的结构具有如下优点：1)集聚上千根毛细管柱，使集束毛细管柱401的容量更大，可以用来得到更高的灵敏度；2)集束毛细管柱401的毛细管柱的更细，例如毛细管柱可以具有内径20-100μm，而传统的毛细柱内径在0.25-0.53mm之间，因而集束毛细管柱401的毛细管柱有更好的分离效果，可以用比较短的尺寸实现很好的分离；3)笔形的集束毛细管柱401(40-250mm)允许通过的压力梯度比常规毛细管柱(一般30m)小，因此集束毛细管柱401内的流速是传统毛细管柱流速的2-3个量级，而且具有更高的流量范围(20-150ml/min)，因此集束毛细管柱401不但允许快速分离，而且允许等温分离。基于这些优势一方面可实现集束毛细管柱401-离子迁移谱联用谱仪近似于实时分离检测的能力，另一方面集束毛细管短小的尺寸帮助实现便携式的集束毛细管柱-离子迁移谱仪。

为了加强玻璃柱的保护，提高集束毛细管柱整体强度，防止意外破碎，气相物质导入装置还包括配置成包围并保护集束毛细管柱401的金属圆套420。在本发明的图1中示出了正六边形玻璃柱外周耦合一个金属圆套420的情形，即笔形玻璃集束毛细管柱401的横截为正六边形。集束毛细管柱401的其他形状的截面也是可以的，例如圆形的。

气相物质导入装置还包括温控系统，温控系统与集束毛细管柱401结合用于控制集束毛细管柱401内的温度。

具体地，气相物质导入装置的温控系统包括热导套402，热导套402配置成直接接触包围集束毛细管柱401的金属圆套420。温控系统还包括嵌入在热导套402内的至少一个加热器404和至少一个传感器405。至少一个加热器404和至少一个传感器405的配合可以实现对热导套402的温度控制。加热器可以选多种形式。例如，可以在热导套402中嵌入多根加热棒404，例如嵌入1根或多根加热棒404。多根加热棒404可以均匀地分布在热导套402中以便更迅速且均匀地升高热导套402的温度。图1示出一根导热棒的情形。热导套402可以嵌入热丝，热丝的布置也有利于均匀的加热，例如可以使得热导套402本身类似一种可升温的加热体。

在一个实施例中，传感器405可以设置在靠近金属圆套420附近，以便使传感器405所测的温度更接近毛细管柱内的温度。多个传感器405可以均匀地分布在热导套402的靠近金属圆套420周围。

在一个实施例中，热导套402包括热导套402外周上的多个凸起430，在热导套402外周的多个凸起430之间形成空间403。这些空间可以看作沟槽403，也可以看作流体通过的通道403，如图2所示。

每个凸起430的尺寸可以相同，也可以不同。单个凸起430之间的间距可以相同，也可以不同。例如一部分凸起430尺寸大，其他的凸起430尺寸小。例如两列凸起430一组，每组凸起430之间的间距比每组的两个突起之间的间距大。凸起430的布置也可以是不均匀的。本领域即使人员应该知道，包括凸起430的其他尺寸和间距的凸起430的布置也是可以的。

换句话说，热导套402可以看作两部分，一部分是热导套402的基部，另一部分是热导套402的凸起430。在一个实施例中，基部的径向厚度可以较小，凸起430的高度可以较大。热导套402上的多个凸起430有利于流体在凸起430之间流动以与热导套402交换热。在一个实施例中，例如，通入气体使得气体在多个凸起430之间流动，可以加速热导套402的多个凸起430与通入的气体热交换，此时多个凸起430可以用作散热片。在一个实施例中，多个凸起430之间可以缠绕管道，管道内可以流过流体，通过高温流体或低温流体可以实现流体的管道与热导套402进行热交换，从而控制热导套402的温度。

在一个实施例中，热导套402的基部厚度较薄，在多个凸起430之间布置加热膜，由此可以实现热导套402的升温；同时，在多个凸起430之间布置热媒流体的管道实现经由热传递的降温。由此配置，结合传感器405可以迅速地控制热导套402的温度。

由于多个凸起430的设置，可以看作热导套402具有用于容纳流动的热媒流体或热媒流体管道以便温度传递的沟槽。具体地，图4示出流体管道缠绕在多个凸起430之间的情形。热媒流体管道可以蜿蜒穿过多个凸起430，或者热媒流体管道可以螺旋地围绕热导套402的多个凸起430之间，由此热媒流体管道与热导套402之间进行热传递。应该理解，可以以任何方式将流体管道布置在由多个凸起430构成的通道或沟道之中，凸起430此时不但与热媒管道进行热交换，还起到支撑管道的作用。

在一个实施例中，多个凸起430是有利的，多个凸起430可以看作散热凸起430，用流体直接散热；多个凸起430可以用于限定流体通道的布置，将流体通道绕在多个凸起之间，可以固定流体通道的位置。

在本发明的另一实施例中，气相物质导入装置还可以包括外壳406，外壳406包围温控系统。在一个实施例中，气相物质导入装置还可以包括保温层408，保温层408设置在外壳406和热导套402之间。在一个实施例中，外壳406可以以密封的方式包围热导套402的外侧面。当保温层408和外壳406包围热导套402时，热导套402上的多个凸起可以用以支撑保温层408和外壳406。如图1所示，在多个凸起和保温层408之间形成了许多通道。热媒流体的管道可以穿过这些通道或上面所说的沟槽而布置在热导套402的外周上，以便进行充分的热传递。

在一个实施例中，可以设置气泵418，通过管道417通入到上述沟槽403内，气泵418通入加压气体进入多个凸起430之间的沟槽403，帮助热导套402的冷却或升温。在一个实施例中，可以直接将液体通入由多个凸起430形成的沟槽中实现热交换。

在一个实施例中，集束毛细管柱401的入口端伸出到气相物质导入装置的外壳406之外进样器。金属圆套420的一部分也可以随着集束毛细管柱401一起伸出到外壳406之外。

由于集束毛细管柱401中的气相物质流速比常规气相色谱柱的快，因此气相物质导入装置与离子迁移谱分析装置的接口尤为重要。气相物质导入装置与离子迁移谱分析装置的接口的作用是将集束毛细管柱401快速分离的样品无损地、平稳地引入离子迁移谱分析装置的反应区内。

在一个实施例中，气相物质分析装置400还包括隔热定位装置411，隔热定位装置411配置在反应区基座419上，能够在气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置之间连接气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置，并且隔断气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置之间的热传递，以便气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置的分别的独立温度控制。

在一个实施例中，隔热定位装置411包括与气相物质导入装置的出口端连接的第一连接端和与离子迁移谱分析装置的样品导入口连接的第二连接端。具体地，第一连接端连接并密封在集束毛细管柱401的一个端部，第二连接端的形状与离子迁移分析装置的反应区基座419的开口的形状互补。隔热定位装置411的形状如图1和图3的截面图所示。隔热定位装置411具有阶梯状的形状，图3分别示出沿B-B和C-C线的截面图。在一个实施例中，在隔热定位装置411的部分的外表面上可以设置垫圈。垫圈413可以起到密封作用，当气相物质导入装置插入离子迁移谱分析装置时，隔热定位装置411连接在两者之间，良好的密封是必要的，以避免反应区414中的粒子泄漏或外界气体进入反应区414影响测量的精度。

隔热定位装置411可以由塑料材料形成，例如由PEEK，聚四氟乙烯形成。隔热定位装置411也可以由其他耐高温和绝热的非金属材料形成。例如耐火材料和石棉等材料形成。通过隔热定位装置411，非金属材料形成的集束毛细管柱401的出口端通过离子迁移谱分析装置的样品导入口直接插入离子迁移谱分析装置的反应腔内，即离子迁移谱分析装置的反应区414内，同时避免金属圆套420靠近离子迁移谱分析装置的电离区，从而避免金属圆套420干扰电离区的零电场。具体地，金属圆套420不进入离子迁移谱分析装置的样品导入口。优选地，金属圆套420远离离子迁移谱分析装置的样品导入口。

通过这样的配置，气相物质样品可以直接送入离子迁移谱分析装置的反应区414内，避免现有技术中气体物质被引入到电离区415内被(例如)高能射线打成离子碎片的问题。同时，气体物质能够被毛细管柱分离，满足分析的要求，直接被送入反应区414分析。

在一个实施例中，隔热定位装置411可以与气相物质导入装置形成为一个整体，这在实际使用时也是有利的。在此情况下，隔热定位装置411可以密封气相物质导入装置的一端，气相物质导入装置的出口端从隔热定位装置411伸出，如图1所示。此时，包括隔热定位装置411的气相物质导入装置的出口端如图1所示，即由隔热定位装置411的端部包裹集束毛细管柱401，其中毛细管柱的部分由隔热定位装置411的非金属材料直接包裹。

由于隔热定位装置411的设置，可以实现气相物质导入装置方便地直接插入到离子迁移谱分析装置的反应腔，即反应区414内。这在要求快速分析气体样品的场合下尤为重要。气相物质导入装置可以单独进行温度控制，在预备时间里可以单独控制气相物质导入装置的温度，在气相物质导入装置具备想要的温度条件下，将气相物质导入装置插入离子迁移谱分析装置；通过隔热定位装置411连接并确定气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置之间的相对位置。由于隔热定位装置411的热绝缘性质和刚性，气相物质导入装置的温度不会影响离子迁移谱分析装置的测量精确，并且气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置之间的位置关系可以确定。通过这样的配置，可以方便地进行气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置的连接和分离，这在实际检查过程具有积极的意义，极大地方便检查不同的样品，并且并于运输，整体检查系统的体积减小。例如，可以配备多个气相物质导入装置，方便检查不同的气相物质，加快检查的速度和精确度。

在一个实施例中，集束毛细管柱401的金属圆套420的长度配置成当集束毛细管柱401插入到离子迁移谱分析装置的腔414内时金属圆套420不进入离子迁移谱分析装置的电离区415。金属圆套420的端部终止在隔热定位装置411中，例如如图1所示的位置。然而，应该知道金属圆套420的位置可以是其他情形，只要金属圆套420不接近包含离子的反应区414即可。例如，金属圆套420不进入，或远离离子迁移谱分析装置的样品导入口。

在一个实施例中，气相物质分析装置400包括用于分析气相物质导入装置导入的气相物质的离子迁移谱分析装置。离子迁移谱分析装置包括用于样品分子与反应离子发生反应的反应腔414。反应腔414包括样品导入口，用以导入待分析的气相物质。离子迁移谱分析装置还包括电离区415。

如图1所示，气相物质导入装置位于离子迁移谱分析装置的上侧，电离区415的位置在下侧。根据本发明的一个实施例，气相物质导入装置与离子迁移谱分析装置的电离区415相对地布置是有利的。与现有技术中气相物质样品通入电离区415电离的技术思路不同，本发明的气相物质导入装置配置成使得要分析的气相物质避开电离区415，将要分析的气相物质样品直接导入至反应区414中，这有利地避免了分子离子碎片的产生，避免了现有技术将气相物质导入到电离区415中带来的例如样品被打成碎片等其他问题，例如由于非直线型的气体通道带来的湍流等。即，实现快速分离气相物质样品的同时将气相物质样品平稳地引入至离子迁移谱分析装置。

在本发明的一个实施例中，离子迁移谱分析装置412为正422、负423双模式迁移管，反应区414在正负双模式管422、423的中间，电离区415和反应区414分开布置，且通过可闭合的开口连接，如图1示出一种布置。例如，电离区415在反应区414一侧的附近。根据本发明的设计思路，在一个实施例中，例如空气载气416被导入电离区415内，载气在电离区415被离化，最后生成H⁺(H₂O)_n正反应离子和O₂ ^-(H₂O)_n负反应离子。反应离子被载气送入反应区414中，在此带电的反应离子与样品分子相发生碰撞，而被电离并生成产物离子。这与现有技术将样品气体与载气混合一起离化完全不同。例如，生物大分子与水合质子或水合氧离子结合形成带正电或负电的分子。正模式迁移管422及负模式迁移管423均包括离子门424、迁移区、抑制栅427和法拉第盘428。迁移区可以由一串不锈钢保护环425和陶瓷绝缘环426串接而成。带正电的样品粒子在正模式迁移管中检测，带负电的样品粒子在负模式迁移管中检测。

具体地，离子迁移谱分析装置的载气416在电离区415被电离而生成反应离子，反应离子在离子迁移谱分析装置的载气416的吹扫下电离区415的载气入口进入反应区414，在反应区414与经集束毛细管柱401分离的样品相遇，发生亲电吸附反应，使样品分子吸附反应离子并生成产物离子，正、负带电的产物离子在迁移管正、负电场的推动作用下分别进入正、负迁移管422、423被分离，并被两端的法拉第盘424检测。离子迁移谱分析装置412的其他某些设计和原理可以参考申请第200810119974.6号，该专利申请的内容在此通过参考并入。

虽然本总体专利构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体专利构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (15)

1.一种气相物质分析装置，包括：

气相物质导入装置，包括：集束毛细管柱，由多个毛细管柱构成，具有入口端和出口端；和，温控系统，与集束毛细管柱结合用于控制集束毛细管柱内的温度；

离子迁移谱分析装置，用于分析气相物质导入装置导入的气相物质，所述离子迁移谱分析装置包括用于样品分子与反应离子发生反应的反应腔，反应腔具有用于导入样品的样品导入口，其特征在于，

集束毛细管柱的出口端通过离子迁移谱分析装置的样品导入口直接插入离子迁移谱分析装置的反应腔内。

2.根据权利要求1所述的气相物质分析装置，其特征在于，

气相物质分析装置还包括隔热定位装置，配置成能够在气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置之间连接气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置，并且隔断气相物质导入装置和离子迁移谱分析装置之间的热传递，以便气相物质分析装置和离子迁移谱分析装置的分别的独立温度控制。

3.根据权利要求2所述的气相物质分析装置，其特征在于，

隔热定位装置包括与气相物质导入装置的出口端连接的第一连接端和与离子迁移谱分析装置连接的第二连接端，第一连接端密封集束毛细管柱的一个端部，第二连接端的形状与离子迁移分析装置的反应腔的开口的形状互补。

4.根据权利要求2所述的气相物质分析装置，其特征在于，隔热定位装置由耐高温并且绝热的非金属材料形成。

5.根据权利要求1所述的气相物质分析装置，其特征在于，

毛细管柱由非金属材料形成。

6.根据权利要求1所述的气相物质分析装置，其特征在于，

毛细管柱是直径40μm-100μm的毛细管柱。

7.根据权利要求1所述的气相物质分析装置，其特征在于，

气相物质导入装置还包括配置成包围并保护集束毛细管柱的金属圆套，集束毛细管柱的金属圆套的长度配置成当集束毛细管柱插入到离子迁移谱分析装置的腔内时金属圆套不进入离子迁移谱分析装置的样品导入口。

8.根据权利要求1所述的气相物质分析装置，其特征在于，

气相物质导入装置的温控系统包括热导套，热导套配置成直接接触包围集束毛细管柱的金属圆套，以及嵌入在热导套内的至少一个加热器和至少一个传感器。

9.根据权利要求8所述的气相物质分析装置，其特征在于，

热导套包括热导套外周上的多个凸起，在多个凸起之间能够形成用于布置流体通道或流过流体的空间。

10.根据权利要求8所述的气相物质分析装置，其特征在于，

热媒流体管道蜿蜒穿过多个凸起的方式或以螺旋地围绕热导套的方式穿过多个凸起之间，以便热媒流体管道与热导套之间热传递。

11.根据权利要求1所述的气相物质分析装置，其特征在于，

气相物质导入装置还包括外壳，外壳包围温控系统。

12.根据权利要求11所述的气相物质分析装置，其特征在于，

气相物质导入装置还包括保温层，保温层布置在外壳和热导套之间。

13.根据权利要求11所述的气相物质分析装置，其特征在于，

保温层通过热导套上的多个凸起支撑。

14.根据权利要求1所述的气相物质分析装置，其特征在于，

离子迁移谱分析装置为包括正离子迁移管和负离子迁移管的正、负双模式离子迁移管，离子迁移谱分析装置包括电离区，配置成将被通入的载气电离成反应离子并将反应离子送入反应区，其中电离区设置在离子迁移谱分析装置的与集束毛细管柱的出口端的相对的一侧。

15.一种用于气相物质分析装置的气相物质导入装置，包括：

集束毛细管柱，包括非金属材料形成的多个毛细管柱，具有入口端和出口端；和，

温控系统，与集束毛细管柱结合用于控制集束毛细管柱内的温度，温控系统包括热导套，其特征在于，

热导套包括热导套外周上的多个凸起，在多个凸起之间能够形成用于布置流体通道或流过流体的空间。