CN105308715B - 用于对样品气体流的粒子离子化的方法和装置 - Google Patents

用于对样品气体流的粒子离子化的方法和装置 Download PDF

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Abstract

用于对样品气体流的样品粒子离子化的方法和装置，该装置包括：第一流动管，用于提供样品气体流；和引入构件，用于提供H2SO4分子到相互作用区域。另外，该装置包括用于基本上在一次离子产生区域中从候选反应物气体流的粒子产生反应物一次离子的发生器。该装置被配置为：将反应物一次离子连同H2SO4分子引入到相互作用区域中，以便布置在反应物一次离子和H2SO4分子之间的相互作用，由此产生HSO4 ‑离子并且通过HSO4 ‑与其他H2SO4分子在所述相互作用区域中的相互作用又产生包含HSO4 ‑离子和至少两个H2SO4分子的HSO4 ‑离子簇。进一步地，该装置被配置为引入HSO4 ‑离子簇连同样品气体流的样品粒子，以提供HSO4 ‑离子簇和样品粒子之间的反应，并由此提供包含HSO4 ‑离子簇和待确定的碱样品的样品簇。

Description

用于对样品气体流的粒子离子化的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于在检测器(例如质谱仪)之前对样品气体流的粒子离子化的方法和装置，以便确定气相样品或特别是分子或簇(cluster)(例如气相碱，诸如氨和特别是胺类)的特性，诸如质量或浓度。
背景技术
用于确定气相样品的特性的准确的质谱方法例如在大气研究中具有非常重要的作用，诸如研究例如不同的化学物质(诸如氨、胺类)在大气纳米粒子形成中的作用。例如，尤其是需要更好地认识或确定大气中的氨和胺类以及高度氧化有机物的低浓度和变异性。此外，在其它领域，诸如在医疗业和诊断、安全和食品加工业中，也需要非常准确的用于确定气相样品(诸如胺类)的特性的方法。
然而，例如来自空气的气态化合物的微量测定是极其困难的，原因在于相比于总空气分子浓度，它们的浓度是极小的，并且原因在于大量的各种不同的气体化合物和它们的同位素。然而，这些分子中的一些对大气化学和气溶胶形成具有显著的影响，即使是很少的量。因此例如在大气气溶胶研究中需要精确的测量。
通过质谱仪分析气相样品很常见，但也可以使用其他检测装置，诸如IMS装置(离子迁移谱仪)或DMA装置(差分迁移率分析仪)。质谱仪检测离子或离子簇的质荷比，而IMS装置和DMA装置基于样品粒子的电迁移率。由于多数样品粒子(诸如空气中的分子和簇)最初是中性的，在测量前需要使它们带电荷。
一种用于在测量前使样品粒子(诸如氨或胺类分子和簇)带电荷并从而提供样品组分的离子流的示例性方法是使用离子发生器对样品组分的化学离子化(CI)。
然而，存在一些与已知解决方案相关的缺点，即待确定的粒子可能粘在离子发生器的内壁结构上且之后被释放回到样品气体流中并在检测器中引起信号。因此，可以说，离子发生器的壁结构具有记忆效应(或壁效应)。无论如何，这是一个非常不希望的特征，因为粒子被非常随机地释放，所以它们将通过如下方式干扰测量，首先通过粘到该结构中并由此减少了待测量的信号，并且其次通过释放到后来样品流中并增加了待检测的后来样品流的信号。
发明内容
本发明的一个目的是缓解和消除与已知现有技术相关的问题。具体地，本发明的目的是提供一种用于对样品气体流的粒子离子化的方法和装置，用于对极低浓度的气相组分(包括特别是氨和胺类)进行检测。特别是，目的是消除壁效应，使得样品粒子不会引起不希望的信号和干扰测量。
根据本发明的一个实施例，样品气体流的粒子，诸如分子或簇，通过离子发生器离子化，以便能够确定样品气体流粒子的特性。粒子有利地包括碱分子或簇，诸如氨或胺类。根据本实施例，H2SO4分子被提供给相互作用区域。H2SO4分子可以例如以蒸气的形式存在。此外，在一次离子产生区域中从候选反应物气体流的粒子产生反应物一次离子。所述候选反应物气体流可包括HNO3(硝酸)、CH3COOH(乙酸)、CH3I(碘甲烷)、H2SO4、O2，作为实例，由此，所述反应物一次离子可包括例如NO3 -、I-(碘离子，iodide)、CH3COO-(乙酸根离子)、O2 -、或甚至HSO4 -，作为实例。反应物一次离子可以例如通过离子化所述候选反应物气体流的所述粒子产生，其中使用软X射线辐射或者例如通过α源或电晕放电源的电离辐射。样品粒子通常是碱或强碱(如氨和胺类)、以下物质：如吡啶、喹啉、苯胺、或高度氧化的有机分子。应当理解，这些仅仅是例子，并且其他候选反应物气体流也可用于产生其他反应物一次离子。
有利地，所述反应物一次离子与所述H2SO4分子一起被引入到所述相互作用区域中，以便在反应物一次离子和H2SO4分子之间安排相互作用。当所述反应物一次离子和H2SO4分子相互作用时，产生HSO4 -离子。同样，当所述HSO4 -离子与其他H2SO4分子例如在所述相互作用区域中相互作用时，通过HSO4 -与其他H2SO4分子的相互作用产生包含HSO4 -离子和至少两个H2SO4分子的HSO4 -离子簇(＝H2SO4.H2SO4.HSO4 -或者H2SO4.H2SO4.H2SO4.H2SO4 -等...)。
同样，所述HSO4 -离子簇与样品气体流的样品粒子(如胺类)一起被引入，以提供所述HSO4 -离子簇和样品粒子之间的反应，并由此提供包含HSO4 -离子簇和所述碱样品的样品簇，其可以通过合适的检测器来确定，诸如APi-TOF质谱仪、四极质谱仪、离子阱质谱仪、或离子迁移率分析仪。
根据一个实例，所述H2SO4分子在引入到相互作用区域之前可以引入到样品气体流中，以提供混合样品气体流(具有H2SO4和样品粒子(诸如胺类)二者)。所述H2SO4分子从H2SO4提供构件(诸如含有H2SO4蒸气的饱和器)引入。
另外，鞘流可以布置成在样品气体流和所述离子发生器的结构之间至少流动通过一次离子产生区域和/或所述相互作用区域。鞘流例如是洁净空气或氮气，可能具有少量反应物气体分子，例如硝酸、硫酸、乙酸、甲基碘、氧气、氨、胺类、醇类、或丙酮。
根据一个实施例，样品气体流和候选反应物气体流可以被配置为在一次离子产生区域基本上同心地流动。另外，所产生的反应物一次离子的轨迹有利地被配置为向内并朝着样品气体流和所述H2SO4分子弯曲，以便提供特别是所述H2SO4分子和所述反应物一次离子之间的有效相互作用。所产生的反应物离子的轨迹可以通过如下方式来实现，例如使用电场来吸引或回弹所述离子，和/或例如使用流动流引导构件，例如偏转器、翼(wing)或节流阀，如文丘里管。
本发明的实施例的离子化过程有利地基本上在大气压下实现。
本发明提供了优于已知现有技术解决方案的显著优点，即因为离子发生器的内壁和结构很大程度上被H2SO4和/或其它酸(如HNO3)饱和，可能的“壁效应”可被控制。任何可能的与饱和的内壁和结构相互作用的碱粒子不能飘回样品流中，因为碱在与在壁/结构上的酸相互作用时形成盐，它们是不可汽化的，因此之后不能干扰测量。
本文中呈现的示例性实施例不应被解释为构成对所附权利要求的适用范围的限制。动词“包括/包含”在本文中作为开放性限制使用，它不排除未记载特征的存在。除非另有明确说明，在从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。
被认为是本发明特征的新颖性特征特别是在所附权利要求中阐明。然而，本发明本身，无论是其构造还是其操作方法，以及其另外的目的和优点，都将在结合附图阅读时从具体示例性实施例的以下描述中得到最好理解。
附图说明
下面结合附图参照示例性实施例更详细地说明本发明，附图中：
图1示出了根据本发明一个有利实施例的用于对样品气体流的粒子离子化的示例性装置的原理。
具体实施方式
图1是根据本发明一个有利实施例的用于对样品气体流的粒子离子化的方法和装置100的原理级示意图。该装置100包括入口，该入口可以是第一流动管102的形式，用于提供样品气体流101。另外，该装置包括发生器104，用于基本上在一次(初级)离子产生区域112(电离辐射对候选反应物气体流103离子化的区域)中从候选反应物气体流103的粒子产生反应物一次离子103a。作为例子，发生器104可以是X射线辐射或α辐射源或电晕放电源。这些只是示例，也可以使用其他类型的源，诸如β辐射源。
此外，该装置还包括提供构件116，用于提供和引入H2SO4分子(优选蒸气)114a到相互作用区域113。H2SO4提供构件有利地为饱和器116，但也可应用其它类型的提供构件，诸如带有辐射源(诸如UV辐射源)的具有用于SO2+H2O溶液的空间以产生H2SO4蒸气的装置。载体介质117(诸如N2流)有利地用于将所述H2SO4分子输送118a、118b到相互作用区域113。
根据一个实例，作为提供构件的饱和器116包括旋转构件116a，该旋转构件至少部分地浸入H2SO4介质114b中。所述旋转构件有利地旋转并由此引入用于载体介质117的新鲜H2SO4介质并由此当所述载体介质流动118a、118b通过饱和器时用H2SO4使载体介质117饱和。
应该指出的是，所述H2SO4分子114a可在相互作用区域113之前通过提供构件116引入到样品气体流101中，以提供包含所述H2SO4蒸气和待确定的粒子(例如氨或胺类)的混合样品(如在图1中描述的)，于是，粒子和具有所述H2SO4蒸气的气体流被引入到相互作用区域113中。
该装置被配置为将所述反应物一次离子连同H2SO4分子114a引入到所述相互作用区域113中，以便在反应物一次离子103a和H2SO4分子114a之间安排相互作用，由此产生HSO4 -离子，并且通过HSO4 -与其他H2SO4分子在所述相互作用区域113中的相互作用又产生包含HSO4 -离子和至少两个H2SO4分子的HSO4 -离子簇(即H2SO4.H2SO4.HSO4 -或H2SO4.H2SO4.H2SO4.H2SO4 -等...)。
另外，该装置被配置为引入113a所述HSO4 -离子簇连同样品气体流的样品粒子(例如氨或胺类)101a，以提供所述HSO4 -离子簇和样品粒子之间的反应，并由此提供包含HSO4 -离子簇和待确定的所述碱样品的样品簇115。样品簇115然后被转移111到检测器120。
应该指出的是，根据一个实施例，该装置可以另外包括第二流动管109，该第二流动管用于产生在样品气体流101与装置的内壁结构119之间至少流动通过一次离子产生区域112和/或所述相互作用区域113的鞘流(sheath flow)103b，从而防止或至少最小化样品和/或反应物离子流与离子发生器100的壁结构119的任何相互作用。第一流动管102和第二流动管109可以有利地基本上同心设置，以便安排所述样品气体流和候选反应物气体流在一次离子产生区域基本上同心地流动。鞘流有利地基本上是层流，并且它包含例如洁净空气或氮气，包含少量反应物气体分子，例如硝酸、硫酸、乙酸、甲基碘或氧气。
该装置还有利地被配置为借助于通过合适的电极产生的电场106和/或流动流引导构件(例如偏转器、翼或节流阀，如文丘里管(未示出))使所产生的反应物一次离子103a的轨迹107向内并朝着混合样品气体流和/或H2SO4分子114a弯曲。根据一个实施例，电极可以是单独的电极，或者它可以通过如下的第二流动管109来实现，该第二流动管可包括其至少一部分以用作电极并且产生电场106，从而被配置成使所产生的反应物一次离子的轨迹107向内并朝着样品气体流101弯曲。
装置100在它最简单情况下不必包括任何检测构件120。总之，为了也检测由装置100离子化的样品，该装置可以设置有合适的检测器，诸如APi-TOF质谱仪、四极质谱仪、离子阱质谱仪、或离子迁移率分析仪，作为例子。
该装置还可以包括在X射线或其它辐射源与流动介质(诸如候选反应物气体流103和鞘流103a)之间的屏蔽区域105，用于针对存在于流动管中的样品或其他粒子的任何可能污染来屏蔽辐射源。当辐射源是在X射线源时，屏蔽区域105有利地包括铍、铝或玻璃。
另外，该装置还可包括分层器(laminarizer)108，用于在反应物一次离子流103a和装置100的结构119和/或所述第二流动管109之间产生基本上层状的鞘流103b，以防止或最小化装置的结构与所产生的反应物一次离子流之间的相互作用。
此外，该装置还可包括位于该装置的下游部位的出口通道110，用于在待与装置连接的检测器之前除去过量流。该装置还可以包括：用于调节样品气体流、候选反应物气体流和/或鞘流的流速的调节构件(未示出)；以及用于调节所使用的X射线源的电流和/或电压的调节构件。
以上已经参照前述实施例解释了本发明，并且已经证明了本发明的几个优点。很明显，本发明并不只限于这些实施例，而是包括在本发明思想的精神和范围以及所附的专利权利要求之内的所有可能的实施例。

Claims (21)

1.一种用于通过离子发生器对样品气体流的样品粒子进行离子化的方法，其中所述样品粒子包括碱分子或簇，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)提供H2SO4分子到相互作用区域，
b)在一次离子产生区域中从候选反应物气体流的粒子产生反应物一次离子，
c)将所述反应物一次离子连同H2SO4分子引入到所述相互作用区域中，以便在所述反应物一次离子和所述H2SO4分子之间安排相互作用，由此产生HSO4 -离子并且通过HSO4 -与其他H2SO4分子在所述相互作用区域中的相互作用又产生包含HSO4 -离子和至少两个H2SO4分子的HSO4 -离子簇，以及
d)引入所述HSO4 -离子簇连同所述样品气体流的样品粒子，以便提供所述HSO4 -离子簇和所述样品粒子之间的反应，并由此提供包含所述HSO4 -离子簇和待确定的所述样品粒子的样品簇。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述H2SO4分子在引入到所述相互作用区域之前被引入到所述样品气体流中，以便提供待引入到所述相互作用区域的混合样品气体流。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述H2SO4分子通过使用载体介质从包含H2SO4蒸气的饱和器引入，包含N2流的所述载体介质将所述H2SO4分子输送到所述相互作用区域。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应物一次离子通过使用软X射线辐射或者通过α源或电晕放电源的电离辐射离子化所述候选反应物气体流的粒子而产生。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述候选反应物气体流包括HNO3、CH3COOH、CH3I、H2SO4、或O2，并且所述反应物一次离子是NO3 -离子，I-，CH3COO-，O2 -，或HSO4 -，并且其中所述样品粒子是选自包含以下物质的组中的碱：氨，胺类，吡啶或喹啉。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所使用的软X射线光子的能量在1-10keV的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，鞘流布置成在所述样品气体流和所述离子发生器的结构之间至少流动通过一次离子产生区域或所述相互作用区域，并且其中，所述鞘流包括洁净空气或氮气，具有选自包含以下物质的组中的少量反应物气体分子：硝酸、硫酸、乙酸、甲基碘、氧气、氨、胺类、醇类、以及丙酮。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样品气体流和候选反应物气体流被配置为在所述一次离子产生区域同心地流动，或者其中，所产生的反应物一次离子的轨迹被配置为向内并朝着在所述相互作用区域的所述样品气体流弯曲。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所产生的反应物一次离子的轨迹通过使用电场和/或通过使用流动流引导构件来实现，所述流动流引导构件包括偏转器、翼或节流阀。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子化的过程在大气压下实现。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样品粒子是苯胺。
12.一种用于对样品气体流的样品粒子进行离子化的装置，其中，所述样品粒子包括碱分子或簇，其特征在于，所述装置包括：
-第一流动管，用于提供所述样品气体流，
-引入构件，用于提供H2SO4分子到相互作用区域，
-发生器，用于在一次离子产生区域中从候选反应物气体流的粒子产生反应物一次离子，
其中，所述装置被配置为：
-将所述反应物一次离子连同H2SO4分子引入到所述相互作用区域中，以便在所述反应物一次离子和所述H2SO4分子之间安排相互作用，由此产生HSO4 -离子并且通过HSO4 -与其他H2SO4分子在所述相互作用区域中的相互作用又产生包含HSO4 -离子和至少两个H2SO4分子的HSO4 -离子簇，以及
-引入所述HSO4 -离子簇连同所述样品气体流的样品粒子，以便提供所述HSO4 -离子簇和所述样品粒子之间的反应，并由此提供包含所述HSO4 -离子簇和待确定的所述样品粒子的样品簇。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述装置被配置成将所述H2SO4分子在所述相互作用区域之前引入到所述样品气体流中，以便提供待引入到所述相互作用区域的混合样品气体流。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述装置包括饱和器，并且其中，所述装置被配置为使用将所述H2SO4分子输送到所述相互作用区域的载体介质。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述饱和器被配置成通过利用辐射源处理SO2+H2O溶液而产生H2SO4分子。
16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述饱和器包括旋转构件，所述旋转构件至少部分地浸入H2SO4流体中并被配置为从所述饱和器传送H2SO4并由此当所述载体介质流动通过所述饱和器时用H2SO4饱和所述载体介质。
17.根据权利要求12所述的装置，其中，所述装置包括X射线辐射或α辐射源或电晕放电源，作为用于产生所述反应物一次离子的发生器。
18.根据权利要求12所述的装置，其中，所述装置包括第二流动管，所述第二流动管用于产生在所述样品气体流和所述装置的内壁结构之间至少流动通过一次离子产生区域或所述相互作用区域的鞘流。
19.根据权利要求12所述的装置，其中，所述装置被配置成通过电极或包括偏转器、翼或节流阀的流动流引导构件使得所产生的反应物一次离子的轨迹向内并朝着混合样品气体流或H2SO4分子弯曲。
20.一种包括检测器和用于对样品气体流的样品粒子进行离子化的装置的设备，其中，所述样品粒子包括碱分子或簇，并且其中所述装置包括：
-第一流动管，用于提供所述样品气体流，
-引入构件，用于提供H2SO4分子到相互作用区域，
-发生器，用于在一次离子产生区域中从候选反应物气体流的粒子产生反应物一次离子，
其中，所述装置被配置为：
-将所述反应物一次离子连同H2SO4分子引入到所述相互作用区域中，以便在所述反应物一次离子和H2SO4分子之间安排相互作用，由此产生HSO4 -离子并且通过HSO4 -与其他H2SO4分子在所述相互作用区域中的相互作用又产生包含HSO4 -离子和至少两个H2SO4分子的HSO4 -离子簇，以及
-引入所述HSO4 -离子簇连同所述样品气体流的样品粒子，以便提供所述HSO4 -离子簇和所述样品粒子之间的反应，并由此提供包含所述HSO4 -离子簇和待确定的所述样品粒子的样品簇，并且
其中，包含由所述装置产生的所述HSO4 -离子簇和所述样品粒子的所述样品簇被引入至用于确定的所述检测器。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述检测器是APi-TOF质谱仪、四极质谱仪、离子阱质谱仪、或离子迁移率分析仪。
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