CN104777258A - 真空紫外光纵向电离挥发性有机物w型质谱仪 - Google Patents

Abstract

本书申请一种可以对大气中挥发性有机物进行连续分析和检测的真空紫外光电离挥发性有机物质谱仪，该挥发性有机物质谱仪采用微孔对大气环境下的挥发性有机物进行直接采样；采用真空紫外光源纵向电离技术和离子迁移技术，对挥发性有机物进行电离和离子输送；输送的离子由W型反射质谱装置装置检测，即得到挥发性有机物高分辨的质谱。经过质谱分析后获得挥发性有机物浓度和化学组成的信息。

Description

真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪

所属技术领域

本发明涉及一种真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，这是一种可以直接对大气中挥发性有机物进行连续监测和分析的仪器。 

背景技术

挥发性有机物（VOCs）通常是指熔点低于室温而沸点在50～250℃之间的化合物，室温下饱和蒸汽压超过0.1mmHg(13.33Pa)，在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物。它主要来自天然源和人为源的直接排放、以及大气中碳氢化合物的转化。大气中挥发性有机物种类比较多，已检测出的主要成分如下：烷烃（alkanes）、植烷和甾烷（hopanes and steranes）、脂肪族和芳香族酸（alkanoic acids和aromatic acids）、多环芳烃（PAHs）和烷醇（alkanols）等。挥发性有机物（VOCs）是二次有机气溶胶（SOA）的主要前体物，它们通过大气化学反应和气固相再分配形成SOA，SOA主要是PM2.5颗粒，是灰霾的主要成分。这些细颗粒在大气中有较长的停留时间和迁移距离，含有较多潜在致病、致癌的物质，不仅危害市民的身体健康，也影响城市形象、交通等诸多方面。 

对于VOCs的检测，国内外普遍采用带有气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID的烟雾箱装置进行检测。1999～2004年，美国加州大学河滨分校（UCR）在美国环保局(USEPA)的资助下，建立了一个功能完善的烟雾箱实验系统NGC(Next—Generation Chamber)。该系统采用气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）来检测烟雾箱实验系统中的VOCs；欧洲西班牙的EUPHORE烟雾箱采用气相色谱-火焰离子化检测器/电导检测器（GC-FID/ECD）和气质联用仪（GC-MS）来检测VOCs；建于1993年的GM(General Motors)烟雾箱采用气相色谱-火焰离子化检测器/电导检测器（GC-FID/ECD）和气质联用仪（GC-MS）来检测VOCs；建于2001年的CIT(California Institute of Technology)烟雾箱采用GC.FID和GC.MS用来检测VOCs碳氢化合物。国内以清华大学郝吉明为代表研发的烟雾箱系统多采用傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）来检测VOCs。由此可见检测VOCs成分的仪器多为气相色谱仪，而气相色谱仪需要较长的测试时间，不能实现实时在线监测。此外，气相色谱仪在模拟简单组分VOC光化学反应时有较好的可操作性，然而在研究复杂体系时，色谱峰的定性和定量则较为复杂。目前国内关于真空紫外光电离质谱仪的研究不多。2008年，中国科学院安徽光学精密机械研究所的郑培超等人发明了一种质谱离子迁移装置的多波长真空紫外光电离源，该电离源可以产生可控波长的真空紫外光，并分别将其与四级质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪、离子迁移质谱仪四种质谱装置相连，组合构建出多种质谱测量装置。2008年，中国科学技术大学的齐飞等人组建了新型红外激光解吸/真空紫外单光子电离质谱分析装置，该装置适用于 药物、复杂天然产物、生物样品等溶液状态的样品分析。上海大学的谭国斌等人于2011年，将真空紫外光电离源与垂直加速反射式飞行时间质量分析器联用，研制了真空紫外灯单光子电离源飞行时间质谱仪，并采用毛细管直接进样方式，实现了对VOCs的快速、在线检测。现有的真空紫外光电离质谱仪，均采用横向电离和横向离子引出，即粒子入射方向和真空紫外光子流方向垂直，这就导致电离面积很小，大大的降低了电离效率。但是我们研发的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪采用纵向电离，即粒子入射方向和真空紫外光子流方向平行，这就使得整个电离管内的粒子充分电离，进而提高了电离效率。除此，现有的真空紫外光电离质谱仪，采用单反射电极将离子反射到检测器，这就意味着离子在无场飞行区的飞行路径比较短，导致质谱的分辨不高。为了提高质谱分辨，已有的设计大多采用增加无场飞行区的长度的方法，即延长反射质谱室的长度，意味着质谱仪体积的大大增加，这将不利于外场的测量，实现不了实时监测。但是我们设计的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，采用双反射电极的W型反射方式，不仅提高了质谱的分辨，而且极大的缩小了反射室的面积，实现了质谱仪器的小型化，使得外场实时测量成为现实。我们设计的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪的真空紫外光电离源、电离室、离子迁移区和W型质谱反射室都在同一条轴线上，使得离子电离、离子加速、离子迁移在一条直线上，这就将离子在运输工程中的损耗降到最低，进而很大程度的提高质谱的检出信号强度。 

我们研发的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，结合了真空紫外光软电离、离子迁移和W型反射式质谱三种技术。真空紫外光电离技术是广谱软电离技术，广泛用于VOCs的检测，真空紫外光可以电离大部分有机分子并获得以分子离子峰为主的质谱，使得检测和分析更加简单快速。离子由离子迁移透镜迁移进入W型反射质谱装置。W型质谱装置有2个离子反射镜组成，离子在其中经过W形飞行路径，以获得较高的质谱分辨，最后离子由微通道板检测。相对于其他的VOCs检测装置，我们研发的真空紫外光电离VOCs质谱仪，可直接在大气环境中对VOCs进行采样，具有实时在线分析的特点，能对多组分VOCs进行灵敏快速的检测,同时在快速分析VOCs排放源排放组分方面具有重要意义 

发明内容

为了克服现有的气相色谱仪在VOCs测量上的不足，本发明结合了真空紫外光软电离和W型反射式质谱技术，提供了一种新的真空紫外光纵向电离挥发性有机物质谱仪。该挥发性有机物质谱仪采用了多种先进的挥发性有机物质谱技术，包括大气压进样、纵向真空紫外光电离技术、离子迁移技术和高分辨W型反射质谱技术。 

本发明专利采用的技术方案是：1、大气压进样，挥发性有机物在大气环境下由微孔直接引入电离管；2、被引入电离管的挥发性有机物，在电离管内由真空紫外光源纵向电离；3、 电离产生的离子经离子迁移透镜组从电离区迁移到质谱检测区；4、迁移的离子进入W型反射质谱装置；5、进入W型反射质谱装置的离子经2次反射后被微通道板检测。 

本发明的有益效果是，对空气中的VOCs直接采样，实现了在线检测，避免了离线检测的种种限制；采用了真空紫外光源电离技术，减少了使用电子碰撞电离等硬电离产生的碎片离子；采用了纵向光电离技术增加了电离效率；采用了离子迁移技术，提高了离子输送效率；采用了W型反射质谱技术，提高了质谱的分辨。 

附图说明

图1为本发明结构的外观图，分别为1、进样管，2、电离室，3、真空紫外光光源室，4、离子迁移室，5、W型反射质谱室，6、分子泵。 

图2为本发明的剖面构造图，主要部件有：7、挥发性有机物采样孔，8、针阀，9、氟化镁窗片，10、电离管，11、离子迁移透镜组，12、离子反射电极一，13、离子反射电极二，14、微通道板探测器。 

具体实施方式

真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪的主体部分由进样管（1），电离室（2）真空紫外光光源室（3），离子迁移室（4）和W型反射式质谱装置（5）五部分构成。具体实施方式是： 

一、挥发性有机物由直径0.1毫米的取样微孔（7）从大气中直接吸入进样管（1）中； 

二、针阀（8）可控制采样与否； 

三、吸入进样管的挥发性有机物经电离管入口进入电离室（2）； 

四、在真空紫外光电离室（3）中，10eV的真空紫外光子由增强真空紫外光源产生后，经氟化镁窗片（9）进入电离室（2），真空紫外光方向和气体运动方向一致； 

五、挥发性有机物在电离室（2）的电离管（10）内由真空紫外光光源纵向电离； 

六、离子迁移室（4）内装有离子迁移透镜组，离子迁移透镜组由离子聚焦透镜和多个加速电极组成。电离的离子以纵向离子引出的方式进入离子迁移室(4)后，经离子迁移透镜组（11）聚焦成离子流，并使其加速； 

七、加速的离子经质谱室入口进入W型反射质谱装置（5）的无场自由漂移区（图2中虚线区域）。各个离子由于质荷比不一样，导致它们在无场自由漂移区内运动速度不一样，到达检测器时间也不一样，通过这种方法，就能不同质荷比的离子分离并进行检测； 

八、进入W型反射质谱装置的离子，先被离子反射电极一（12）反射进入无场自由漂移区，到达离子反射电极二（13）被第二次反射，随后进入无场自由漂移区，第二次到达离子反射电极一（12）完成第三次反射，最后进入微通道板检测器（14）进行检测，即得到挥发 性有机物的质谱，经过处理和分析后，就可以得到挥发性有机物的浓度和组分方面的信息。 

Claims (10)

1.真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪由进样管、真空紫外光光源室、电离室、离子迁移室和W型反射式质谱装置组成。其特征在于进样管、真空紫外光光源室、电离室、离子迁移室和W型反射式质谱装置依次相连接。进样管与电离室之间，电离室与离子迁移室之间，离子迁移室与W型反射式质谱装置之间，有小孔相连接，电离室与真空紫外光光源室之间有氟化镁窗片相连，电离室与真空紫外光光源室在一条轴线上。在离子迁移室中，安装有离子迁移透镜组，离子迁移透镜组由离子聚焦透镜和加速电极组成。进样室上连接有机械泵，用来控制进样压力，电离室和W型反射式质谱装置上均连接有分子泵，分子泵连接有前级机械泵。 

2.根据权利要求1所述的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，其特征是：挥发性有机物不经处理，直接通过采样孔和针阀进入到进样管中。 

3.根据权利要求1所述的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，其特征是：电离室、离子迁移室和W型反射式质谱装置上均连接有分子泵和前级真空泵。 

4.根据权利要求1所述的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，其特征是：电离室中的电离源是真空紫外光电离源。 

5.根据权利要求1所述的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，其特征是：电离方式为纵向电离。 

6.根据权利要求1所述的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，其特征是：离子迁移室中有离子迁移透镜组。 

7.根据权利要求1所述的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，其特征是：离子在质谱室内采用W形的方式反射。 

8.根据权利要求1所述的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，其特征是：离子被微通道板离子装置探测。 

9.根据权利要求1所述的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，其特征是：真空紫外光电离源、电离室、离子迁移区和W型质谱的第一飞行路径都在同一条轴线上。 

10.根据权利要求2所述的真空紫外光纵向电离挥发性有机物W型质谱仪，其特征是：采样管的压力是可调的。