CN104616963A - 一种等离子体喷雾质谱电离源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子体喷雾质谱电离源，包括低温等离子体射流装置和进样装置；低温等离子体射流装置的绝缘介质腔的气体引出端靠近进样装置的三通管件的金属喷管且相互垂直，绝缘介质腔靠近气体进样管一侧，在等离子体射流的间接作用下，经三通管件的金属喷管的喷嘴喷出的样品分子电离。本发明离子化效率高，且能够规避射频电场作用，降低能耗。

Description

一种等离子体喷雾质谱电离源
技术领域
本发明涉及质谱电离源技术领域，尤其涉及一种用于分析液体或气体样品的等离子体喷雾质谱电离源。
背景技术
现有的等离子体喷雾质谱电离源中，发展多年的低温等离子体技术对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。等离子体技术已在半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶金、等离子体煤化工、等离子体的三废处理上得到应用。近年来，随着对等离子体技术的研究，该技术也逐渐开始应用到质谱检测的样品离子化领域。等离子体能够产生很多活性成分，这些活性成分包括紫外可见光子、电子、离子、自由基、以及高反应性的中性成分，如活性原子，受激原子，活性分子碎片。这些活性成分可以直接与气体样品分子接触发生反应使的气体样品电离，也可以和固体样品或者是液体样品发生解析电离。等离子体技术应用于质谱领域，并得到了广泛的发展，已经产生了多种质谱电离源：直接实时在线分析、介质阻挡放电、大气压流动余辉、低温等离子体探针、微波诱导解析电离源等。在基于等离子体电离的离子源发展的同时，基于喷雾电离离子源在电喷雾离子源的基础上也在快速发展，产生了电喷雾解吸电离源、电喷雾萃取离子源等。
现有的等离子体喷雾质谱电离源中低温等离子体射流装置与质谱口在同一侧且距离较近，存在射频电场的作用，电离的样品分子需要推斥电极作用下，才能进入质谱口被检测，进而增加了能耗。
发明内容
本发明的目的在于提出一种等离子体喷雾质谱电离源，离子化效率高，且能够规避射频电场作用，降低能耗。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种等离子体喷雾质谱电离源，包括：
低温等离子体射流装置，包括绝缘介质腔、放电电极、导气管、放电气体引入装置；反应气体存储在放电气体引入装置内，反应气体通过所述导气管进入所述绝缘介质腔中，在所述放电电极的放电作用下产生低温等离子体，并由所述绝缘介质腔的气体引出端喷出，所述绝缘介质腔为一端为气体引出端，另一端为通过密封装置密封的腔体结构，所述气体引出端向内收缩开口，所述导气管的一端伸入所述密封装置内，并与所述绝缘介质腔的一端相连通，另一端伸出所述密封装置与放电气体引入装置相连；
进样装置，包括进样管、与所述进样管连通的三通管件及加热装置，所述进样管包括气体进样管和液体进样管，所述液体进样管一端伸出所述三通管件的液体引入端且与液体进样装置连接，另一端伸出所述三通管件的喷嘴外，所述气体进样管一端伸入所述的三通管件内，另一端伸出所述的三通管件外并与气体进样装置相连，为气体样品引入端，所述加热装置包覆于所述三通管件外，用于加热液体样品的脱溶剂，三通管件的金属喷管的喷嘴为液体引出端，设有向内收缩的开口结构；
所述低温等离子体射流装置的绝缘介质腔的气体引出端靠近进样装置的三通管件的金属喷管且相互垂直，在等离子体射流的间接作用下，经三通管件的金属喷管的喷嘴喷出的样品分子电离。
优选的，所述液体进样管外壁与三通管件内壁形成鞘气层；
所述液体进样管为外径为0.19mm，内径为0.1mm的熔融石英毛细管；
所述三通管件的液体引入端的液体进样管与三通管件液体引入端之间设置液体进样管密封件；
所述三通管件的气体引入端的气体进样管与所述三通管件气体引入端之间设置气体进样密封件；
所述气体进样管伸入三通管件内的一端与所述的鞘气层相连通，所述的气体进样管用于通入辅助载气或者用于分析的气体样品，所述气体进样管为1/16的TeflonFEP管；
液体样品进样时，液体样品经液体进样管引入，此时气体进样管通入高纯氮气作为载气，当气体进样时，气体样品经气体进样管引入。
优选的，所述液体进样管伸出三通管件的喷嘴外的一端的长度范围为0-1mm。
优选的，所述放电电极包括内电极和外电极；
所述内电极为棒状电极或空心管状电极，其设于所述绝缘介质腔内，所述内电极的一端与供电电源的一端相连，所述内电极的另一端位于所述绝缘介质腔内，并与所述绝缘介质腔的引出端端口相距3-10mm；
所述外电极环绕所述绝缘介质腔外壁设置，所述外电极的外周包覆绝缘介质，所述外电极与所述供电电源的另一端相连，靠近所述绝缘介质腔引出端的外电极一端与所述绝缘介质腔的引出端端口相距2-5mm。
优选的，所述内电极为钨棒，直径范围为1-2mm，长度为120mm；所述外电极为厚度为1-2mm，长度为15-25mm的铜带。
优选的，所述供电电源为高压射频介质阻挡供电电源，频率为0.5-500KHz，峰值电压为220-80000V，工作功率为2-50W。
优选的，所述加热装置为电热丝，外层包裹有绝热棉。
优选的，所述绝缘介质腔靠近进样管一侧，气体引出端与三通管件的喷嘴之间的轴向距离为8mm，径向距离为15mm；
所述绝缘介质腔的气体引出端与金属喷管之间的距离为1-2mm；
所述绝缘介质腔由石英玻璃或陶瓷制作而成，其内径为0-3mm，长度为50-120mm。
优选的，所述放电气体引入装置内通入的放电气体为氦气,氦气流速为300-450ml/min。
优选的，所指三通管件的喷嘴位于质谱口的正前方，其引出端与质谱口的间距为3-5mm。本发明的有益效果：
(1)本发明提供了一种等离子体喷雾质谱电离源，液体或气体样品通过进样装置的进样管进入三通喷头内，经脱溶剂后的液体样品随载气一起或气体样品由三通喷头的引出端喷出；而反应气体通过介质阻挡放电装置的导气管进入绝缘介质腔中，在放电电极的放电作用下产生低温等离子体，并由绝缘介质腔的气体引出端喷出；绝缘介质腔的气体引出端与进样装置的三通管件垂直设置，等离子体射流与三通管件接触时，等离子体中高能的活性成分与三通管件的金属喷管的金属表面相互作用，金属表面的电子激发或者是表面等离子体共振形成表面等离子体激元，由于喷嘴向内收缩的开口结构，使得金属表面电荷分布不均匀，当液体样品经过喷嘴时，发生电荷转移或弧光放电使样品分子电离，有效规避了射频电场的作用，电离的样品分子不需要在推斥电极作用，就能进入质谱口被检测，进而降低了能耗。提高了离子化效率和仪器检测灵敏度，为进一步拓展等离子体技术在质谱领域的应用范围提供了可能。
(2)当液体样品进样时，通过加热装置可以有效脱除液体样品中的溶剂。
(3)绝缘介质腔是由石英玻璃或陶瓷制作而成，不但具有良好的隔热性能，还具有良好的绝缘性能，并且制作加工容易，价格便宜。
附图说明
图1是等离子体喷雾质谱电离源的结构示意图；
图2是进样装置的结构示意图；
图3是低温等离子体射流装置。
图中：
1、液体进样装置；2、液体进样管；3、液体进样管密封件；4、气体进样装置；5、气体进样密封件；6、加热装置；7、喷嘴；8、样品喷雾；9、三通管件；10、密封装置；11、放电气体引入装置；12、绝缘介质腔；13、内电极；14、外电极；15、低温等离子体射流；16、供电电源；17、导气管；18、气体引出端；19、质谱口；20、气体进样管；21、金属喷管。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一：
本实施例提供了一种等离子体喷雾质谱电离源，该电离源的结构如图1-图3所示，其包括进样装置及低温等离子体射流装置。
如图2所示，进样装置，包括进样管、与所述进样管连通的三通管件9及加热装置6，所述加热装置6包覆于所述三通管件9外，用于加热液体样品的脱溶剂，具体的，所述加热装置6为电热丝，外层包裹有绝热棉；三通管件9的金属喷管21的喷嘴7位于质谱口19的正前方，两端口相距5mm。
其中进样管包括液体进样管2、气体进样管20；三通管件9的喷嘴7为液体引出端，设有向内收缩的开口结构；液体进样管2外壁与三通管件9内壁形成鞘气层。
液体分析样品经液体进样装置1引入到液体进样管2，此时气体进样装置4为辅助气体高纯N2,辅助气体经液体进样管2和三通管件9形成的鞘气层，在喷嘴7与液体样品一起形成样品喷雾8。加热装置6温度可控，通过加热装置6设定加热温度，脱除样品中所含的溶剂，提高样品电离效率。
作为优选方案，液体进样管2一端伸出所述三通管件9的液体引入端且与液体进样装置1连接，另一端伸出所述三通管件9的喷嘴7外，液体进样管2伸出三通管件9的喷嘴7外的一端的长度范围为0-1mm，所述液体进样管2是外径为0.19mm，内径为0.1mm的熔融石英毛细管；三通管件9的液体引入端的液体进样管2与三通管件9液体引入端之间设置液体进样管密封件3；三通管件9的气体引入端的气体进样管20与所述三通管件9气体引入端之间设置气体进样密封件4。
气体进样管20一端伸入所述的三通管件9内，并与所述的鞘气层相连通，另一端伸出所述的三通管件9外并与气体进样装置4相连，为气体样品引入端，所述的气体进样管20用于通入辅助载气或者用于分析的气体样品，所述气体进样管20为1/16的TeflonFEP管。
液体样品进样时，液体样品经液体进样管2引入，此时气体进样管20通入高纯氮气作为载气，当气体进样时，气体样品经气体进样管20引入，液体进样管2可以引入一些功能气体或液体(H2、H2O)，亦可以闲置。
如图3所示，低温等离子体射流装置包括绝缘介质腔12、放电电极、导气管17、放电气体引入装置11及供电电源16，其中放电电极包括内电极13和外电极14。绝缘介质腔12为石英玻璃管，玻璃管的内径1.5mm，长度100mm。所述绝缘介质腔12为一端为气体引出端18，另一端为通过密封装置10密封的腔体结构，所述气体引出端18向内收缩开口，气体引出端18向内收缩开口，导气管17的一端伸入密封装置10内，并与绝缘介质腔12的一端相连通，另一端伸出密封装置10与放电气体引入装置11相连；绝缘介质腔12的气体引出端18与进样装置的三通管件9正交，绝缘介质腔12的气体引出端18与进样装置的三通管件9的金属喷管21之间的距离为1-2mm且相互垂直，所述绝缘介质腔12靠近进样管一侧与三通管件9的喷嘴7轴向距离8mm，径向距离15mm。内电极13为钨棒，直径为1mm，长度为120mm；内电极13位于绝缘介质腔12的中轴线上，内电极13一端与供电电源16的一端相连，内电极13的另一端位于绝缘介质腔12内，并与绝缘介质腔12的引出端口相距3-10mm，本实施方式中相距9mm。外电极14为环形电极，材料为铜带，其厚度为1mm，长度为15mm。外电极14包覆在绝缘介质12的外侧，外电极14与供电电源16的另一端相连，与绝缘介质腔12引出端相距5mm。
于本实施例中，作为优选方案，供电电源16包括内电极13、外电极14，供电电源16为高压射频介质阻挡供电电源，频率为0.5-500KHz，峰值电压为220-80000V，工作功率为2-50W。放电气体引入装置11内通入的放电气体为氦,氦气流速为310ml/min，当氦气经过绝缘介质腔12从绝缘介质腔12的引出端流出的过程中，经过内电极13与外电极14组成的放电区，放电电极上施加的放电电压使氦电离，产生氦等离子体，在气流的作用下，氦等离子体随气流流出放电区形成等离子体射流15，等离子体射流15与进样装置的三通管件9相接触。等离子体射流15与三通管件9接触时，等离子体中高能的活性成分与三通管件9的金属喷管21的金属表面相互作用，金属表面的电子激发或者是表面等离子体共振形成表面等离子体激元，这样，由于喷嘴7向内收缩的开口结构，使得金属表面电荷分布不均匀，当液体样品经过喷嘴7时，发生电荷转移或弧光放电使样品分子电离。
本实施例中低温等离子体射流装置与质谱口19不在同一侧，且距离较远，则不存在射频电场的作用，电离的样品分子不需要在推斥电极作用，就能进入质谱口被检测，进而降低了能耗。
实施例二
本实施例提供了一种等离子体喷雾质谱电离源，该电离源的结构如图1-图3所示，其包括进样装置及低温等离子体射流装置。
如图2所示，进样装置，包括进样管、与所述进样管连通的三通管件9及加热装置6，具体的，所述加热装置6为电热丝，外层包裹有绝热棉；所述加热装置6包覆于所述三通管件9外，用于加热液体样品的脱溶剂，三通管件9的金属喷管21的喷嘴7位于质谱口19的正前方，两端口相距3mm。
其中进样管包括液体进样液体进样管2、气体进样管4和加热装置6三通管件9喷嘴的金属喷管21的7为引出端，设有向内收缩的开口结构；液体进样管2外壁与三通管件9内壁形成鞘气层。
作为优选方案，液体进样管2一端伸出所述三通管件9的液体引入端且与液体进样装置1连接，另一端伸出所述三通管件9的喷嘴7外，液体进样管2伸出三通管件9的喷嘴7外的一端的长度范围为0-1mm，液体进样管2是外径为0.19mm，内径为0.1mm的熔融石英毛细管；三通管件9的液体引入端的液体进样管2与三通管件9液体引入端之间设置液体进样管密封件3；三通管件9的气体引入端的气体进样管20与所述三通管件9气体引入端之间设置气体进样密封件4。
气体进样管20一端伸入所述的三通管件9内，并与所述的鞘气层相连通，另一端伸出所述的三通管件9外并与气体进样装置4相连，为气体样品引入端，气体进样管20用于通入辅助载气或者用于分析的气体样品，所述气体进样管20为1/16的TeflonFEP管。
气体样品进样时，此时注射器1和液体进样管2可以闲置，亦可以通入功能液体或气体。气体样品直接通过气体装置4进入到液体进样管2与三通管件9形成的鞘气层，在喷嘴7喷出。
如图3所示，低温等离子体射流装置包括绝缘介质腔12、放电电极、放电气体引入装置11及供电电源16，其中放电电极包括内电极13和外电极14。绝缘介质腔12为陶瓷管，陶瓷管的内径2mm，长度100mm。所述绝缘介质腔12为一端为气体引出端18，另一端为通过密封装置10密封的腔体结构，气体引出端18向内收缩开口，气体引出端18为向内收缩开口结构；导气管17的一端伸入密封装置10内，并与绝缘介质腔12的一端相连通，另一端伸出密封装置10与放电气体引入装置11相连；绝缘介质腔12的气体引出端18与进样装置的三通管件9垂直正交，与三通管件9的喷嘴7轴向距离8mm，径向距离15mm。放电电极包括内电极13和外电极14，内电极13为钨棒，直径1.5mm，长度120mm，内电极13位于绝缘介质腔12的中轴线上，内电极13一段与供电电源16的一端相连，内电极13的另一端位于绝缘介质腔12内，并与绝缘介质12的引出端口相距9mm。外电极14为环形电极，材料为铜带，厚度2mm，长度25mm。外电极14包覆在绝缘介质12的外侧，外电极14与供电电源16的另一端相连，与绝缘介质腔12的气体引出端18相距2mm。供电电源16为内电极13、外电极14供电，供电电源16为高压射频介质阻挡供电电源，频率为0.5-500KHz，峰值电压为220-80000V，工作功率为2-50W。放电气体引入装置11内通入的放电气体为氦,氦气流速410ml/min，当氦气经过绝缘介质腔12从绝缘介质腔12的气体引出端18流出的过程中，经过内电极13与外电极14组成的放电区，放电电极上施加的放电电压使氦电离，产生氦等离子体，在气流的作用下，氦等离子体随气流流出放电区形成等离子体射流15，等离子体射流15与进样装置的三通管件9的金属喷管21相接触。等离子体射流15与金属喷管21接触时，等离子体中高能的活性成分与三通管件9喷嘴7端的金属表面相互作用，金属表面的电子激发或者是表面等离子体共振形成表面等离子体激元，这样，由于喷嘴7向内收缩的开口结构，其金属表面电荷分布不均匀，当气体样品经过喷嘴7时，发生电荷转移或弧光放电使样品分子电离。
本实施例中低温等离子体射流装置与质谱口19不在同一侧，且距离较远，则不存在射频电场的作用，电离的样品分子不需要在推斥电极作用，就能进入质谱口被检测，进而降低了能耗。
注意，以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施方式的限制，上述实施方式和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种等离子体喷雾质谱电离源，其特征在于，包括：
低温等离子体射流装置，包括绝缘介质腔(12)、放电电极、导气管(17)、放电气体引入装置(11)；反应气体存储在放电气体引入装置(11)内，反应气体通过所述导气管(17)进入所述绝缘介质腔(12)中，在所述放电电极的放电作用下产生低温等离子体，并由所述绝缘介质腔(12)的气体引出端(18)喷出，所述绝缘介质腔(12)为一端为气体引出端(18)，另一端为通过密封装置(10)密封的腔体结构，所述气体引出端(18)向内收缩开口，所述导气管(17)的一端伸入所述密封装置(10)内，并与所述绝缘介质腔(12)的一端相连通，另一端伸出所述密封装置与放电气体引入装置(11)相连；
进样装置，包括进样管、与所述进样管连通的三通管件(9)及加热装置(6)，所述进样管包括气体进样管(20)和液体进样管(2)，所述液体进样管(2)一端伸出所述三通管件(9)的液体引入端且与液体进样装置(1)连接，另一端伸出所述三通管件(9)的喷嘴(7)外，所述气体进样管(20)一端伸入所述的三通管件(9)内，另一端伸出所述的三通管件(9)外并与气体进样装置(4)相连，为气体样品引入端，所述加热装置(6)包覆于所述三通管件(9)外，用于加热液体样品的脱溶剂，三通管件(9)的金属喷管(21)的喷嘴(7)为液体引出端，设有向内收缩的开口结构；
所述低温等离子体射流装置的绝缘介质腔(12)的气体引出端(18)靠近进样装置的三通管件(9)的金属喷管(21)且相互垂直，在等离子体射流的间接作用下，经三通管件(9)的金属喷管(21)的喷嘴(7)喷出的样品分子电离。
2.根据权利要求1所述的等离子体喷雾质谱电离源，其特征在于，所述液体进样管(2)外壁与三通管件(9)内壁形成鞘气层；
所述液体进样管(2)为外径为0.19mm，内径为0.1mm的熔融石英毛细管；
所述三通管件(9)的液体引入端的液体进样管(2)与三通管件(9)液体引入端之间设置液体进样管密封件(3)；
所述三通管件(9)的气体引入端的气体进样管(20)与所述三通管件(9)气体引入端之间设置气体进样密封件(4)；
所述气体进样管(20)伸入三通管件(9)内的一端与所述的鞘气层相连通，所述的气体进样管(20)用于通入辅助载气或者用于分析的气体样品，所述气体进样管(20)为1/16的TeflonFEP管；
液体样品进样时，液体样品经液体进样管(2)引入，此时气体进样管(20)通入高纯氮气作为载气，当气体进样时，气体样品经气体进样管(20)引入。
3.根据权利要求2所述的等离子体喷雾质谱电离源，其特征在于，所述液体进样管(2)伸出三通管件(9)的喷嘴(7)外的一端的长度范围为0-1mm。
4.根据权利要求1所述的等离子体喷雾质谱电离源，其特征在于，所述放电电极包括内电极(13)和外电极(14)；
所述内电极(13)为棒状电极或空心管状电极，其设于所述绝缘介质腔(12)内，所述内电极(13)的一端与供电电源(16)的一端相连，所述内电极(13)的另一端位于所述绝缘介质腔(12)内，并与所述绝缘介质腔(12)的引出端端口相距3-10mm；
所述外电极(14)环绕所述绝缘介质腔(12)外壁设置，所述外电极(14)的外周包覆绝缘介质，所述外电极(14)与所述供电电源(16)的另一端相连，靠近所述绝缘介质腔(12)引出端的外电极(14)一端与所述绝缘介质腔(12)的引出端端口相距2-5mm。
5.根据权利要求4所述的等离子体喷雾质谱电离源，其特征在于，所述内电极(13)为钨棒，直径范围为1-2mm，长度为120mm；所述外电极(14)为厚度为1-2mm，长度为15-25mm的铜带。
6.根据权利要求4所述的等离子体喷雾质谱电离源，其特征在于，所述供电电源(16)为高压射频介质阻挡供电电源，频率为0.5-500KHz，峰值电压为220-80000V，工作功率为2-50W。
7.根据权利要求1所述的等离子体喷雾质谱电离源，其特征在于，所述加热装置(6)为电热丝，外层包裹有绝热棉。
8.根据权利要求1所述的等离子体喷雾质谱电离源，其特征在于，所述绝缘介质腔(12)靠近进样管一侧，气体引出端(18)与三通管件(9)的喷嘴(7)之间的轴向距离为8mm，径向距离为15mm；
所述绝缘介质腔(12)的气体引出端(18)与金属喷管(21)之间的距离为1-2mm；
所述绝缘介质腔(12)由石英玻璃或陶瓷制作而成，其内径为0-3mm，长度为50-120mm。
9.根据权利要求1所述的等离子体喷雾质谱电离源，其特征在于，所述放电气体引入装置(11)内通入的放电气体为氦气,氦气流速为300-450ml/min。
10.根据权利要求1-10任一所述的等离子体喷雾质谱电离源，其特征在于，所指三通管件(9)的喷嘴(7)位于质谱口(19)的正前方，其引出端与质谱口(19)的间距为3-5mm。
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