CN104995504A - 放电离子化电流检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明的放电离子化电流检测器被用作为气相色谱仪用的检测器,适合于高沸点成分的分析。放电离子化电流检测器(10)主要由等离子体生成部(20)以及离子收集部(30)构成。在离子收集部(30)中配置离子收集用电极(31)和偏置用电极(32),还在离子收集用电极(31)和偏置用电极(32)之间配置由纯度为99.5%以上的氧化铝或者蓝宝石构成的绝缘构件。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种适合作为气相色谱仪(GC)用的检测器的放电离子化电流检测器,更具体来说,涉及高温下的检测器的特性改善。
背景技术
作为GC用的检测器,一直以来都采用氢火焰离子化检测器(FID:Flame IonizationDetector)、脉冲放电离子化电流检测器(PDD:Pulsed Discharge Detector)、热导检测器(TCD:Thermal Conductivity Detector)等各种方式的检测器。
在检测器之中,为了检测有机物而一般使用的是FID。FID利用氢焰使试样气体中的试样成分离子化,并对该离子电流进行检测。FID具有动态范围宽这样的优点,但由于是利用氢焰使试样成分燃烧从而离子化,所以成为分析对象的化合物被限定。FID对于难燃性气体的灵敏度低,没有对于无机气体的灵敏度。
另一方面,利用放电而使试样离子化的PDD等对于难燃性气体、无机气体也具有高灵敏度,适合于气相色谱仪所要求的基本全部的化合物的检测(例如参照专利文献1至4)。等离子体的生成常常采用激发氦分子的方法,采用该方法的PDD被称为氦放电离子化检测器(HDPID:Helium Discharge Photo Ionization Detector)。
HDPID主要由等离子体生成部和离子收集部构成。
在等离子体生成部配置等离子体激发用电极。通过将氦气导入等离子体生成部,对等离子体激发用电极施加高压的脉冲,来对氦气进行激发,从而生成等离子体。该等离子体所发出的光(真空紫外光等)达到离子收集部。
在离子收集部中配置离子收集用电极和偏置用电极。将试样气体导入离子收集部,将从上述等离子体生成部到达的光照射于该试样气体,从而使试样气体离子化(试样离子)。对偏置用电极施加电压而形成电场,将试样离子引导至离子收集用电极。离子收集用电极收集试样离子,通过与该离子收集用电极连接的放大器将其作为离子电流进行检测。
在离子收集用电极和偏置用电极之间,插入陶瓷等的绝缘构件(厚度为数mm左右),使两者电绝缘(例如参照专利文献1至4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2011-117854号公报
专利文献2:日本特开2011-158357号公报
专利文献3:日本特开2011-232071号公报
专利文献4:日本特开2012-8088号公报
发明内容
发明要解决的问题
有时会采用气相色谱仪进行高沸点成分的分析,为了促进这样的成分的离子化,需要将HDPID的离子收集部加热至最高400℃左右。但是,对离子收集部进行加热的话,在300℃以上则温度漂移、噪声急剧变大,其结果,本底水平上升,检测信号的SN比降低。
本申请发明正是为了解决上述问题而做出的,其目的在于,提高一种能够防止高温下的检测信号的SN比的降低,适合于高沸点成分的分析的放电离子化电流检测器。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题而做出的发明是用于气相色谱仪的放电离子化电流检测器,其包括:
a)生成等离子体的等离子体生成部;以及
b)离子收集部,所述离子收集部具有:用于产生电场的偏置用电极,所述电场用于将利用所述等离子体生成部所生成的等离子体所发出的光而被离子化了的试样离子导入后述的离子收集用电极;用于收集所述试样离子的离子收集用电极;以及配置在该离子收集用电极和该偏置用电极之间的、由纯度为99.5%以上的氧化铝或者蓝宝石构成的绝缘构件。
本申请的发明者得到以下见解:由于离子收集部的加热,绝缘构件的绝缘电阻在300℃以上急剧变小是使检测信号的SN比降低的主要原因。即,采用以往所采用的氧化铝、耐热性树脂等的一般的绝缘构件的话,300℃以上的高温下的绝缘电阻的降低明显,其结果,偏置用电极与离子收集用电极之间的绝缘不足,电流从偏置用电极流到离子收集用电极,作为漂移、噪声而被检测到。
基于该见解进一步进行研究,结果发现,通过将纯度为99.5%以上的氧化铝或者蓝宝石用于离子收集用电极和偏置用电极之间的绝缘构件,能够防止绝缘构件的绝缘电阻在300℃以上急剧地变小。而且,这些绝缘构件即使在检测器的最高使用温度(400℃左右)下也具有大约1010Ωcm以上的体积电阻率,在离子收集用电极和偏置用电极之间实现了充分的绝缘。
进一步地,在上述放电离子化电流检测器中,
所述等离子体生成部可以做成为利用低频交流电场的介质阻挡放电来生成等离子体的等离子体生成部。
本申请的发明者已查明,由于离子收集部的加热而从包含等离子体生成部的检测器的内壁产生放出气体也是使检测信号的SN比降低的原因之一。放出气体主要是氢或氧等无机气体,如上所述,利用放电的检测器对无机气体进行高灵敏度的检测,因此对于放出气体也过度地进行检测。因此,本底水平上升,检测信号的SN比降低。
采用上述结构的等离子体生成单元的放电离子化电流检测器一般被称为低频介质阻挡放电离子化电流检测器(BID:Dielectric Barrier Discharge Ionization Detector)。BID通过在等离子体生成部设置由电介质包围的空间,在该电介质的外侧配置等离子体激发用电极,从而在该空间内生成等离子体。由此,由于该电极、检测器的内壁被直接暴露于等离子体等所导致的电极的溅射、放出气体的发生得以抑制。
通过利用这样的介质阻挡放电,在高温时也能够大幅减少从检测器内壁产生的放出气体的量。
又,也可以作用如下结构:在所述离子收集用电极、所述绝缘构件、以及所述偏置用电极彼此之间配置金属制O形环,这些金属制O形环由弹性构件按压而被固定。
金属制O形环可以是对镍基超合金实施了镀金或者镀银的O形环。
弾性构件可以采用例如板簧。
以往,在离子收集用电极、绝缘构件、以及偏置用电极的接触面配置衬垫来确保离子收集部的气密性。但是,长期持续使用伴有高温的检测器的话,衬垫由于温度循环而发生塑性变形,离子收集部的气密性降低。因此,存在无机气体从接触面侵入离子收集部,检测信号的SN比降低的担忧。
相对于此,金属制O形环的复原性优异,即使长期持续使用检测器,也基本不会由于温度循环而发生塑性变形,所以能够维持离子收集部的气密性。
或者,可以做成采用接合构件将所述离子收集用电极、所述绝缘构件、以及所述偏置用电极气密地接合的结构。
在该情况下,所述绝缘构件中的、与所述离子收集用电极接合的第1接合面、以及与所述偏置用电极接合的第2接合面分别被喷镀钼(Mo)以及锰(Mn),在此基础上再采用镍(Ni)进行电镀,从而可以在该第1接合面焊接该绝缘构件和该离子收集用电极,在该第2接合面焊接该绝缘构件和该偏置用电极。
进一步地,在使用于所述第1接合面以及第2接合面的焊接材料中的、露出于所述离子收集部的外侧的位置也可以实施镀镍(Ni)。
为了能够在表面形成钝态以防止氧化,收集用电极以及偏置用电极例如可以由不锈钢或者镍形成,在此尤其优选为通过由铁、镍以及钴构成的合金来形成。
这样的合金可以通过实施镀镍(Ni)来防止氧化。
通过像以上那样接合离子收集用电极、绝缘构件、以及偏置用电极,能够确保离子收集部的气密性。尤其是,由铁、镍以及钴构成的合金的热膨胀系数与氧化铝、蓝宝石的热膨胀系数接近,通过将离子收集用电极以及偏置用电极做成由这样的合金形成的电极,能够耐得住检测器的长期使用所带来的温度循环。
离子收集用电极、绝缘构件、以及偏置用电极的接合面在离子收集部的外侧被暴露于大气。因此,在高温时,存在从接合面露出的焊接材料发生氧化而膨胀,气密性降低的担忧。但是,如上所述,如果对在离子收集部的外侧露出的焊接材料也实施镀镍(Ni)的话,镀层就成为阻挡层,能够防止氧化。
另外,离子收集用电极由于也与位于离子收集部的外部的放大器等连接,所以被暴露于大气中。在该情况下,如果对离子收集部进行加热,则在该连接部分收集用电极恐怕会发生氧化。采用放电离子化电流检测器,对流经收集用电极的~数pA左右的微小的离子电流进行检测。因此,如果离子收集用电极氧化,在其与放大器等之间发生些许接触不良等的话,检测器的灵敏度就会大幅度下降。进一步地,偏置用电极也与位于离子收集部的外部的电源等连接,所以被暴露于大气中。如果偏置用电极发生氧化的话,则成为噪声的原因。偏置用电极容易由于阳极氧化而优先氧化。在该情况下,可以对两电极实施镀镍(Ni),以防止氧化。
又,所述离子收集用电极以及/或者偏置用电极可以由导电面和导电销形成,所述导电面是利用导体对绝缘构件的一部分实施了电镀而形成的,所述导电销贯通该绝缘构件并与该导电面电连接。
通过这样形成离子收集用电极以及/或者偏置用电极,能够防止空气从该电极与绝缘构件的接触面侵入离子收集部。
又,放电离子化电流检测器中,为了使得试样离子不浪费,优选为将电荷收集部中的静区设为最小。因此,在上述放电离子化电流检测器中,优选做成如下结构:所述离子收集用电极、所述绝缘构件、以及所述偏置用电极分别被做成在中央设有同一直径的孔的圆筒形状,使各孔一致地配置该离子收集用电极、该绝缘构件以及该偏置用电极,由此形成贯通孔,将所述试样离子封闭于该贯通孔中。
发明的效果
根据本发明所涉及的放电离子化电流检测器,能够防止高温时的检测信号的SN比的降低,即使在高沸点成分的分析时也能够得到良好的测定结果。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施例的放电离子化电流检测器的概略结构的图。
图2是示出现有的放电离子化电流检测器中的离子收集部的概略结构图的图。
图3是示出本发明的第2实施例的放电离子化电流检测器的离子收集部的概略结构的图。
图4是示出本发明的第3实施例的放电离子化电流检测器的离子收集部的概略结构的图。
图5是示出本发明的第4实施例的放电离子化电流检测器的离子收集部的概略结构的图。
图6是示出绝缘构件采用纯度低于99.5%的氧化铝的、现有的放电离子化电流检测器中的偏置用电极的电压与由离子收集用电极得到的离子电流的关系(IV特性)的图。离子收集部的设定温度为200℃。
图7是示出绝缘构件采用纯度低于99.5%的氧化铝的、现有的放电离子化电流检测器中的偏置用电极的电压与由离子收集用电极得到的离子电流的关系(IV特性)的图。离子收集部的设定温度为300℃。
图8是示出绝缘构件采用纯度低于99.5%的氧化铝的、现有的放电离子化电流检测器中的偏置用电极的电压与由离子收集用电极得到的离子电流的关系(IV特性)的图。离子收集部的设定温度为400℃。
图9是示出绝缘构件采用纯度低于99.5%的氧化铝的、现有的放电离子化电流检测器的色谱的图。(a)是离子收集部的设定温度为200℃的情形,(b)是离子收集部的设定温度为450℃的情形。
图10是示出绝缘构件采用纯度在99.5%以上的氧化铝的本发明的放电离子化电流检测器的色谱的图。(a)是离子收集部的设定温度为200℃的情形,(b)是离子收集部的设定温度为450℃的情形。
具体实施方式
以下,一边参照附图一边对本发明的实施例进行说明。
图1是本发明的第1实施例的放电离子化电流检测器的概略结构图,示出了做成圆筒形状的放电离子化电流检测器10的截面。放电离子化电流检测器10主要由等离子体生成部20和离子收集部30构成。
在等离子体生成部20的上方设置有气体导入口23,在等离子体生成部20的下方,设置有由合成石英等电介质构成的圆筒管21。在圆筒管21的外侧配置等离子体生成用电极22,在该电极22上连接低频交流电源24。使得交流电源24能够通过控制器25来控制电压以及频率。
在离子收集部30上,从上依次设置有绝缘构件33、偏置用电极32、绝缘构件33、离子收集用电极31、以及绝缘构件33。由此,使离子收集用电极31与偏置用电极32绝缘,进一步地,使两电极也与接地电位绝缘。为了防止氧化,离子收集用电极31以及偏置用电极32优选为由不锈钢或者镍形成。
关于绝缘构件33,例如采用纯度在99.5%以上的氧化铝或者蓝宝石,厚度为1~4mm左右,优选为1.5mm左右。进一步地,将用于导入试样气体的毛细管34从下方插入,并以毛细管顶端位于偏置用电极32的中央附近的形态固定。离子收集用电极31通过放大器36与外部的电路(未图示),偏置用电极32连接于直流电源35。进一步地,为了也能够进行高沸点成分的试样的分析,使得离子收集部30能够通过加热器等热源(未图示)将温度调整到450℃左右。
以下,对放电离子化电流检测器10的动作进行说明。从气体导入口23将氦气导入等离子体生成部20的内部。又,通过控制器25来控制交流电源24,对等离子体生成用电极22施加频率为5~50kHz左右、电压为4~8kVp-p左右的低频交流电压,使其产生放电。该放电是以圆筒管21为电介质的介质阻挡放电,由此激发氦气而生成氦等离子体。氦等离子体发光(主要是真空紫外光),该光到达离子收集部30。
另一方面,在离子收集部30中,使包含放大器36的外部的电路动作,使得能够将由离子收集用电极31收集到的离子作为离子电流进行检测。又,通过直流电源35对偏置用电极32施加电压。该电压为+50~200V左右的直流电压,在信号响应的直线性这一点上,优选为+170V左右。在该状态下,从毛细管34导入试样气体。
被导入的试样气体从毛细管34的顶端向上方吹出。在此,试样气体34被照射由等离子体生成部20生成的真空紫外光。由此,试样气体34离子化,成为试样离子。试样离子受到由施加于偏置用电极32的电压而形成的电场的影响,被导入位于下方的离子收集用电极31。到达离子收集用电极31的试样离子通过放大器36作为离子电流而被检测。
这样就能够将试样成分离子化并对其进行检测。在此,在第1实施例中,由于采用纯度为99.5%以上的氧化铝或者蓝宝石作为绝缘构件33,所以能够得到优异的效果。以下,参照图6~10对该效果进行说明。
以往,设置在离子收集用电极和偏置用电极之间的绝缘构件采用的是例如纯度低于99.5%的氧化铝。在该情况下,具有随着离子收集部的温度上升,检测信号的SN比降低这样的问题。图6~8是将横轴设为施加于偏置用电极的偏置电压(V),以作为由离子收集用电极得到的离子电流的基线信号(A)为纵轴标绘出的图表。标绘有两个种类,分别示出了在等离子体生成部激发了氦等离子体之时(等离子体ON),没有激发氦等离子体之时(等离子体OFF)的数据。数据有三个种类,图6、图7、以及图8分别为将离子收集部的温度设定为200℃、300℃、以及400℃时的数据。
作为对图表的见解,在激发氦等离子体的情况下,优选为对于检测器的使用时的偏置电压(例如50V以上),基线信号基本为一定,在不激发氦等离子体的情况下,优选为无论偏置电压是多少,基线信号都基本为零。将离子收集部的温度设定为200℃时,可以说是这样的理想状态(图6)。另一方面,将离子收集部的温度设定为300℃时,可知即使在未激发氦等离子体的情况下,基线信号也随着偏置电压的上升而变大(图7)。此时的基线信号的变动幅度通常为0.1~10nA左右,具有放出气体的话,则基线信号超过10nA。对于检测数pA左右的微小的离子电流的放电离子化电流检测器,成为本底噪声。
进一步地,将离子收集部的温度设定为400℃时,该倾向变得明显,在未激发氦等离子体的情况下,基线信号随着偏置电压的上升而急剧变大。又,在激发氦等离子体的情况下,即使在偏置电压为100V以上的区域,基线信号也不是一定的(图8)。
以上的图表意味着离子收集部的温度超过300℃时,采用现有的绝缘构件的话,绝缘电阻降低,离子收集用电极和偏置用电极之间的绝缘不充分。而且,由于该绝缘不充分,所以电流从偏置用电极流向离子收集用电极,其作为漂移、噪声而被检测到。
图9示出由具有这样的基线信号的温度特性的现有的放电离子化电流检测器得到的、横轴为时间、纵轴为检测强度的色谱图。图9的(a)表示的是将离子收集部的温度设定为200℃的情况下的图表,图9的(b)表示的是将离子收集部的温度设定为450℃的情况下的图表,在各图表中,将对于相同试样的测定反复进行三次,将所得到的三个色谱图重叠地进行显示。设定温度为200℃的情况下,三个色谱图处于基本重合的状态(图9的(a))。相对于此,设定温度为450℃的情况下,本底噪声变大,而且三个色谱图也各自不同(图9的(b))。因此,可知采用现有的放电离子化电流检测器的话,在离子收集部的温度变高时,检测信号的SN比以及测定的精度下降。
图10示出由上述实施例1的放电离子化电流检测器得到的色谱图。采用该放电离子化电流检测器的话,即使设定温度为450℃,本底噪声的等级也与设定温度为200℃的情形为同一程度。又,三个色谱图也处于基本重合的状态(图10的(a),(b))。即,即使离子收集部的温度变高,检测信号的SN比以及测定的精度也不会降低。这是由于,在上述实施例1中,绝缘构件采用纯度为99.5%以上的氧化铝或者蓝宝石,从而在离子收集用电极与偏置用电极之间实现了充分的绝缘的缘故。
另外,纯度低于99.5%的氧化铝(即,现有的绝缘构件)在室温附近得到1014Ωcm左右的体积电阻率,但在300~500℃的高温下,下降至108Ωcm左右。相对于此,纯度在99.5%以上的氧化铝、蓝宝石(即,上述实施例的绝缘构件)即使在300~500℃的高温下也能够得到1010Ωcm左右的体积电阻率。也就是说,两者在高温下的体积电阻率相差两位数。
以下,对在本实施例的放电离子化电流检测器中,通过设法设计离子收集部中的各电极和绝缘构件的配置结构,能够提高性能的情况进行说明。
首先,在图2中示出现有的放电离子化电流检测器的离子收集部的概略结构。另外,与离子收集用电极连接的放大器以及与偏置用电极连接的直流电源等的记载省略(在图3、4中也一样)。在现有的离子收集部中,离子收集用电极41、绝缘构件43、以及偏置用电极42的接触面上配置衬垫45,通过按压板簧46来确保气密性。采用这样的结构的话,重复温度循环时,衬垫发生塑性变形,无法维持气密性。因此,例如空气通过该电极与绝缘构件的接触面侵入,其结果,检测信号的SN比降低。
因此,在本发明的第2实施例的放电离子化电流检测器中,可以将离子收集部作为例如图3所示的结构。在该结构中,在离子收集用电极51、绝缘构件53、以及偏置用电极52的接触面配置金属制的O形环55,通过按压板簧56来确保气密性。作为金属制O形环55的材料,可以采用例如因科乃尔(Inconel)(登记商标)。因科乃尔(Inconel)是高温下的还原力优异的镍基超合金,通过采用该材料,能够防止O形环由于温度循环而塑性变形。又,为了防止O形环55的氧化,可以在O形环的表面实施镀金或者镀金。
另一方面,作为离子收集部的其他形态,也可以做成图4所示的结构(第3实施例)。在该结构中,分别通过银焊料(銀ロウ)等将离子收集用电极61、绝缘构件63、以及偏置用电极62接合(接合层65)。
但是,绝缘构件63不能就这样进行焊接。在此,可以预先在绝缘构件63中的与离子收集用电极61以及偏置用电极62接合的面上分别喷镀钼(Mo)·锰(Mn),在此基础上采用镍(Ni)进行电镀。
又,作为离子收集用电极以及偏置用电极,可以是由线膨胀系数与氧化铝以及蓝宝石接近的铁、镍以及钴构成的合金。作为这样的合金,例如有可伐合金(Kovar)(登记商标)。进一步地,为了防止氧化,可以采用镍(Ni)对可伐合金进行电镀。
在此虽未图示,但离子收集用电极61与图1的离子收集用电极31同样地,通过放大器与外部的电路连接,在连接部分被暴露于大气。同样地,存在从与绝缘构件63的接合面露出的焊接材料也会由于离子收集部的加热而氧化的担忧。露出于离子收集部的外侧的焊接材料也可以采用镍(Ni)来进行电镀。
进一步地,可以将离子收集部做成图5所示的结构(第4实施例)。在该结构中,离子收集用电极由对绝缘构件73的一部分进行了金属喷镀而成的导电面71a和贯通绝缘构件73的导电销71b形成。偏置用电极也同样地由对绝缘构件73的一部分进行了金属喷镀而成的导电面72a和贯通绝缘构件73的导电销72b形成。由此,也能够维持离子收集部的气密性。
另外,在上述的实施例(第1~第4实施例)中,都分别将离子收集部中的离子收集用电极、偏置用电极、以及绝缘构件做成中央设有相同的孔的圆筒形状,将它们重叠而形成通孔。通过做成这样的结构,可以极力减少试样离子变得无用的静区(デッドスペース)。
符号说明
10…放电离子化电流检测器
11…主体
20…等离子体生成部
21…圆筒管
22…等离子体生成用电极
23…气体导入口
24…交流电源
30…离子收集部
31、41、51、61…离子收集用电极
32、42、52、62…偏置用电极
33、43、53、63…绝缘构件
34、44、54、64、74…毛细管
35…直流电源
36…放大器
45…衬垫
46、56…板簧
55…O形环
65…接合层
71a…导电面
71b…导电销
72a…导电面
72b…导电销。
Claims (9)
1.一种用于气相色谱仪的放电离子化电流检测器,其特征在于,包括:
a)生成等离子体的等离子体生成部;以及
b)离子收集部,所述离子收集部具有:用于产生电场的偏置用电极,所述电场用于将利用所述等离子体生成部所生成的等离子体所发出的光而被离子化了的试样离子导入后述的离子收集用电极;用于收集所述试样离子的离子收集用电极;以及配置在该离子收集用电极和该偏置用电极之间的、由纯度为99.5%以上的氧化铝或者蓝宝石构成的绝缘构件。
2.如权利要求1所述的放电离子化电流检测器,其特征在于,
所述等离子体生成部利用低频交流电场的介质阻挡放电来生成等离子体。
3.如权利要求1或2所述的放电离子化电流检测器,其特征在于,
在所述离子收集用电极、所述绝缘构件、以及所述偏置用电极彼此之间配置金属制O形环,这些金属制O形环由弹性构件按压而被固定。
4.如权利要求1或2所述的放电离子化电流检测器,其特征在于,
采用接合构件将所述离子收集用电极、所述绝缘构件、以及所述偏置用电极气密地接合。
5.如权利要求4所述的放电离子化电流检测器,其特征在于,
所述绝缘构件中的、与所述离子收集用电极接合的第1接合面、以及与所述偏置用电极接合的第2接合面分别被喷镀钼以及锰,在此基础上再采用镍进行电镀,从而在该第1接合面焊接该绝缘构件和该离子收集用电极,在该第2接合面焊接该绝缘构件和该偏置用电极。
6.如权利要求5所述的放电离子化电流检测器,其特征在于,
所述离子收集部的接合部中的、露出于所述离子收集部的外侧的焊接材料也被实施镀镍。
7.如权利要求1~6中任一项所述的放电离子化电流检测器,其特征在于,
所述收集用电极以及偏置用电极通过由铁、镍以及钴构成的合金形成。
8.如权利要求1或2所述的放电离子化电流检测器,其特征在于,
所述离子收集用电极以及/或者偏置用电极由导电面和导电销形成,所述导电面是利用导体对绝缘构件的一部分实施了电镀而形成的,所述导电销贯通该绝缘构件并与该导电面电连接。
9.如权利要求1~7中任一项所述的放电离子化电流检测器,其特征在于,构成为:
所述离子收集用电极、所述绝缘构件、以及所述偏置用电极分别被做成在中央设有同一直径的孔的圆筒形状,使各孔一致地配置该离子收集用电极、该绝缘构件以及该偏置用电极,由此形成贯通孔,将所述试样离子封闭于该贯通孔中。
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