CN106449349A - 基于低温等离子体放电的复合离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低温等离子体放电的复合离子源，包括低温等离子体射流装置、喷雾装置、调节装置、三位移动工作平台、样品载物平台和圆形控制平台。本发明通过把调节装置、三维移动工作平台和样品载物平台固定在圆形控制平台上，通过旋转移动圆形控制平台来改变低温等离子体射流装置、喷雾装置和样品载物平台的相对位置，从而实现低温等离子体的两种电离模式，不仅适合分析弱极性或非极性小分子有机化合物，还适合分析中等极性或多肽、蛋白质和糖等极性强的大分子有机化合物，且能形成多电荷离子，从而实现仅仅通过等离子体放电方式就能完成从低极性到高极性，从低分子量到高分子量的有机物分子的电离；本发明还具有结构简单，低能耗的优点。

Description

基于低温等离子体放电的复合离子源

技术领域

本发明涉及一种大气压电离装置，特别是涉及一种质谱电离源装置，应用于有机化合物质谱分析技术领域。

背景技术

目前，常见的传统大气压电离(API)技术主要有：电喷雾电离源(ESI)，大气压化学电离源(APCI)，大气压光致电离(APPI)等。常压质谱技术的蓬勃发展孕育了大量种类繁多的开源质谱离子源技术,其中，基于ESI和APCI电离机理的离子源已有20多种。而近年来随着对等离子体技术的研究，等离子体应用于质谱领域的研究备受关注，并得到了广泛发展，已经产生了多种基于等离子体技术的质谱电离源：直接实时在线分析(DART)，介质阻挡放电离子源(DBDI)，大气压流动余辉(FAFA)，低温等离子体探针(LTP)，微波诱导解析电离源(MIPDI)等。

基于电喷雾电离源的常压离子化技术常用来分析大分子量的生物大分子，只适合分析中等极性或高极性的有机化合物。而基于介质阻挡放电等离子体电离源的常压离子化技术常用来分析小分子量的有机小分子，只适合分析弱极性或非极性的有机化合物。上述离子化的装置功能单一，结构较为复杂，能耗较高，适应范围较窄。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于低温等离子体放电的复合离子源，不仅适合分析弱极性或非极性的小分子有机化合物，还适合分析中等极性或多肽、蛋白质和糖等极性强的大分子有机化合物，而且能形成多电荷离子，从而实现了仅仅通过等离子体放电方式就可以完成从低极性到高极性，从低分子量到高分子量的有机物分子的电离。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于低温等离子体放电的复合离子源，包括低温等离子体射流装置、喷雾装置、调节装置、三维移动工作平台、样品载物平台和圆形控制平台，具体为：

低温等离子体射流装置固定安装在调节装置上，调节装置能调节低温等离子体射流装置的高度和射流角度，放电气体通过低温等离子体射流装置，在放电电极的放电作用下产生低温等离子体射流；

喷雾装置固定安装在三维移动工作平台上，可调节喷雾装置的相对位置和喷雾方向，喷雾装置能输出雾化的气雾混合相喷射物；

样品载物平台的高度可以进行微调，将被检测的固体或液体样品放置于样品载物平台上；

调节装置、三维移动工作平台和样品载物平台的支撑部皆安装在圆形控制平台上，调节装置、三维移动工作平台和样品载物平台之间的相对位置可调，圆形控制平台能以圆形控制平台轴线为中心在360度范围内进行旋转，并且圆形控制平台能够进行位置移动；

当控制所述低温等离子体射流装置产生的低温等离子体射流直接作用于所述喷雾装置用于输出带电的气雾混合相喷射物的金属喷管时，使金属喷管喷出来的样品直接电离，生成待测气雾进样材料，再通过质谱口进入到质谱检测器中进行检测；

当控制低温等离子体射流装置产生的低温等离子体射流直接作用于样品载物平台上的样品时，低温等离子体射流装置产生的低温等离子体射流与样品反应，样品被电离后，形成待测进样材料，再通过质谱口进入到质谱检测器中进行检测。

作为本发明优选的技术方案，低温等离子体射流装置包括绝缘介质腔、内电极、外电极和导气管，放电气体通过导气管进入绝缘介质腔中，在内电极和外电极的放电电极的放电作用下产生低温等离子体射流。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，绝缘介质腔由石英玻璃、陶瓷或塑料制作而成，绝缘介质腔内径为2-3mm，外径为4-5mm，长度为60-110mm。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，内电极为钨棒，其直径为1-1.5mm，长度为120mm；外电极为铜带，其厚度为1-2mm，长度为10mm-20mm。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，放电气体为压缩空气和辅用气体混合而成，辅用气体为惰性气体、氮气、氧气中的任意一种气体或任意几种的混合气体；在低温等离子体射流装置中，控制放电气体的流速为300-600ml/min。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，低温等离子体射流装置的供电电源为高压交流电源，其频率为5-20KHz，峰值电压为220-30KV，工作功率为5-50W。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，喷雾装置包括液体进样管、气体进样管、三通管件和金属喷管；三通管件的3个接口分别与液体进样管、气体进样管和金属喷管的入口连接，液体进样管从金属喷管中穿过，使液体进样管作为液体引入口，液体进样管的液体引出端一直延伸到金属喷管的出口喷嘴的外部，液体进样管从金属喷管的出口喷嘴伸出长度范围为不高于1mm，在金属喷管中，金属喷管内壁和液体进样管外壁之间的缝隙通路为气体通道，金属喷管的出口喷嘴形成向内收缩的开口装置，金属喷管的出口喷嘴处形成的环形气隙作为气体引出端，使金属喷管的出口喷嘴位置处构成喷雾装置制备的气雾混合相喷射物的引出端口。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，液体进样管采用熔融石英毛细管制成，其内径为不高于0.1mm，外径不高于0.19mm，。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，气体进样管为尺寸规格为1/16的TeflonFEP管，向气体进样管通入高纯氮气作为雾化载气。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，圆形控制平台装置的直径为400-500mm，调节装置的中心位置和样品载物平台的中心位置间距为80-130mm。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明通过把调节装置、三维移动工作平台和样品载物平台固定在圆形控制平台上，通过旋转移动圆形控制平台来改变低温等离子体射流装置、喷雾装置和样品载物平台的相对位置，从而实现低温等离子体的两种电离模式，不仅适合分析弱极性或非极性的小分子有机化合物，还适合分析中等极性或多肽、蛋白质和糖等极性强的大分子有机化合物，而且可以形成多电荷离子，从而实现了仅仅通过等离子体放电方式就可以完成从低极性到高极性，从低分子量到高分子量的有机物分子的电离；

2.本发明具有结构简单，低能耗等优点。

附图说明

图1为本发明实施例一基于低温等离子体放电的复合离子源的平面结构示意图。

图2为本发明实施例一基于低温等离子体放电的复合离子源形成低温等离子体射流装置和喷雾装置配合结构示意图。

图3为本发明实施例二基于低温等离子体放电的复合离子源形成低温等离子体射流电离结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1和图2，一种基于低温等离子体放电的复合离子源，包括低温等离子体射流装置、喷雾装置、调节装置11、三维移动工作平台10、样品载物平台13和圆形控制平台14，具体为：

低温等离子体射流装置固定安装在调节装置11上，调节装置11能调节低温等离子体射流装置的高度和射流角度，放电气体通过低温等离子体射流装置，在放电电极的放电作用下产生低温等离子体射流6；喷雾装置固定安装在三维移动工作平台10上，可调节喷雾装置的相对位置和喷雾方向，喷雾装置能输出雾化的气雾混合相喷射物；样品载物平台13的高度可以进行微调，将被检测的固体或液体样品放置于样品载物平台13上；调节装置11、三维移动工作平台10和样品载物平台13的支撑部皆安装在圆形控制平台14上，调节装置11、三维移动工作平台10和样品载物平台13之间的相对位置可调，圆形控制平台14能以圆形控制平台14轴线为中心在360度范围内进行旋转，并且圆形控制平台14能够进行位置移动；

当控制所述低温等离子体射流装置产生的低温等离子体射流6直接作用于所述喷雾装置用于输出带电的气雾混合相喷射物的金属喷管7时，使金属喷管7喷出来的样品直接电离，生成待测气雾进样材料，再通过质谱口9进入到质谱检测器中进行检测。低温等离子体射流直接作用于金属喷管7，可以使喷出来的样品直接电离，然后到质谱检测。

在本实施例中，参见图1和图2，低温等离子体射流装置包括绝缘介质腔12、内电极4、外电极5和导气管8，放电气体通过导气管8进入绝缘介质腔12中，在内电极4和外电极5的放电电极的放电作用下产生低温等离子体射流6。放电气体通过导气管8进入绝缘介质腔12中，在放电电极的放电作用下产生低温等离子体射流6；绝缘介质腔12由石英玻璃制作而成，其内径为2mm，外径为4mm，长度为100mm；放电气体为氦气，氦气流速为450ml/min；内电极4为钨棒，其直径为1mm，长度为120mm；外电极5为铜带，其厚度为1mm，长度为15mm；低温等离子体射流装置的供电电源为高压交流电源，其频率为5Hz-20KHz，峰值电压为220V-30KV，工作功率为5W-50W。

在本实施例中，参见图1和图2，喷雾装置包括液体进样管1、气体进样管2、三通管件3和金属喷管7；三通管件3的3个接口分别与液体进样管1、气体进样管2和金属喷管7的入口连接，液体进样管1从金属喷管7中穿过，使液体进样管1作为液体引入口，液体进样管1的液体引出端一直延伸到金属喷管7的出口喷嘴的外部，液体进样管1从金属喷管7的出口喷嘴伸出长度范围为不高于1mm，在金属喷管7中，金属喷管7内壁和液体进样管1外壁之间的缝隙通路为气体通道，金属喷管7的出口喷嘴形成向内收缩的开口装置，金属喷管7的出口喷嘴处形成的环形气隙作为气体引出端，使金属喷管7的出口喷嘴位置处构成喷雾装置制备的气雾混合相喷射物的引出端口。液体进样管1为熔融石英毛细管，其内径为0.1mm，外径为0.19mm；液体进样管1一端为液体引入端，另一端伸出金属喷管7的喷嘴外，其伸出长度范围为1mm,金属喷管7的喷嘴为液体引出端,设有向内收缩的开口装置；气体进样管2为1/16的TeflonFEP管，通入高纯氮气作为雾化载气。

在本实施例中，参见图1和图2，喷雾装置固定在三维移动工作平台10上，能调节喷雾装置的相对位置；低温等离子体射流装置固定在调节装置11上，使绝缘介质腔12的低温等离子体射流6引出端与喷雾装置的金属喷管7正交，且垂直距离为8mm，调节装置11可以调节低温等离子体射流装置的高度和角度；样品载物平台13用于放置被检测的固体或液体样品，其高度可以进行微调，与调节装置11在一条水平线上，其中心间距为130mm；圆形控制平台14可以360度旋转，并且可以移动，其直径为400mm-500mm。

在本实施例中，参见图1和图2，通过旋转和移动圆形控制平台14，使金属喷管7与质谱口9平行，再调节三维移动工作平台10，使金属喷管7的喷嘴位于质谱口9正前方，两端口相距5mm。

在本实施例中，参见图1和图2，基于低温等离子体放电的复合离子源进行工作时，低温等离子体射流装置产生氦等离子体，在气流的作用下，氦等离子体随气流流出放电区形成低温等离子体射流6，低温等离子体射流6与喷雾装置的金属喷管7相接触，使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，由于金属喷管7的喷嘴向内收缩的开口结构，使得金属表面电荷分布不均匀，主要积累在喷嘴上，液体样品在载气带动下经过喷嘴后带电，从而被质谱检测器检测。适合分析中等极性或多肽、蛋白质和糖等极性强的大分子有机化合物，而且可以形成多电荷离子，且离子化效率高。

本本发明通过把调节装置11、三维移动工作平台10和样品载物平台13固定在圆形控制平台14上，能通过旋转移动圆形控制平台14来改变低温等离子体射流装置、喷雾装置和样品载物平台13的相对位置，从而实现低温等离子体的电离模式，适合分析中等极性或多肽、蛋白质和糖等极性强的大分子有机化合物，而且可以形成多电荷离子，从而实现了仅仅通过等离子体放电方式就可以完成从有机物分子的电离；本发明还具有结构简单，低能耗等优点。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图3，当控制低温等离子体射流装置产生的低温等离子体射流6直接作用于样品载物平台13上的样品时，低温等离子体射流装置产生的低温等离子体射流6与样品反应，样品被电离后，形成待测进样材料，再通过质谱口9进入到质谱检测器中进行检测。

如图3所示，本实施实例通过旋转和移动圆形控制平台14，使绝缘介质腔12与质谱口9平行，样品载物平台13位于质谱口9正下方；通过调节装置11，使绝缘介质腔12与水平面的夹角为45度，绝缘介质腔12的低温等离子体射流6引出端与质谱口9水平，且间距为13mm；再通过调节样品载物平台13，使样品与质谱口9的垂直距离为5mm，水平距离为8mm。

在本实施例中，参见图3，基于低温等离子体放电的复合离子源进行工作时，放电气体为氦气，氦气流速为300ml/min，低温等离子体射流装置产生氦等离子体与样品反应，样品被电离从而被质谱检测器检测。适合分析弱极性或非极性的小分子有机化合物，无需样品前处理即可进行实时检测。

本本发明通过把调节装置11、三维移动工作平台10和样品载物平台13固定在圆形控制平台14上，能通过旋转移动圆形控制平台14来改变低温等离子体射流装置、喷雾装置和样品载物平台13的相对位置，从而实现低温等离子体的电离模式，适合分析弱极性或非极性的小分子有机化合物，而且可以形成多电荷离子，从而实现了仅仅通过等离子体放电方式就可以完成从有机物分子的电离；本发明还具有结构简单，低能耗等优点。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于低温等离子体放电的复合离子源的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于低温等离子体放电的复合离子源，其特征在于：包括低温等离子体射流装置、喷雾装置、调节装置(11)、三维移动工作平台(10)、样品载物平台(13)和圆形控制平台(14)，具体为：

所述低温等离子体射流装置固定安装在调节装置(11)上，所述调节装置(11)能调节低温等离子体射流装置的高度和射流角度，放电气体通过所述低温等离子体射流装置，在放电电极的放电作用下产生低温等离子体射流(6)；

所述喷雾装置固定安装在所述三维移动工作平台(10)上，可调节所述喷雾装置的相对位置和喷雾方向，所述喷雾装置能输出雾化的气雾混合相喷射物；

所述样品载物平台(13)的高度可以进行微调，将被检测的固体或液体样品放置于所述样品载物平台(13)上；

所述调节装置(11)、所述三维移动工作平台(10)和所述样品载物平台(13)的支撑部皆安装在所述圆形控制平台(14)上，所述调节装置(11)、所述三维移动工作平台(10)和所述样品载物平台(13)之间的相对位置可调，所述圆形控制平台(14)能以所述圆形控制平台(14)轴线为中心在360度范围内进行旋转，并且所述圆形控制平台(14)能够进行位置移动；

当控制所述低温等离子体射流装置产生的低温等离子体射流(6)直接作用于所述喷雾装置用于输出带电的气雾混合相喷射物的金属喷管(7)时，使金属喷管(7)喷出来的样品直接电离，生成待测气雾进样材料，再通过质谱口(9)进入到质谱检测器中进行检测；

当控制所述低温等离子体射流装置产生的低温等离子体射流(6)直接作用于所述样品载物平台(13)上的样品时，低温等离子体射流装置产生的低温等离子体射流(6)与样品反应，样品被电离后，形成待测进样材料，再通过质谱口(9)进入到质谱检测器中进行检测。

2.根据权利要求1所述基于低温等离子体放电的复合离子源，其特征在于：所述低温等离子体射流装置包括绝缘介质腔(12)、内电极(4)、外电极(5)和导气管(8)，所述放电气体通过所述导气管(8)进入所述绝缘介质腔(12)中，在内电极(4)和外电极(5)的放电电极的放电作用下产生低温等离子体射流(6)。

3.根据权利要求2所述基于低温等离子体放电的复合离子源，其特征在于：所述绝缘介质腔(12)由石英玻璃、陶瓷或塑料制作而成，所述绝缘介质腔(12)内径为2-3mm，外径为4-5mm，长度为60-110mm。

4.根据权利要求2所述基于低温等离子体放电的复合离子源，其特征在于：所述内电极(4)为钨棒，其直径为1-1.5mm，长度为120mm；所述外电极(5)为铜带，其厚度为1-2mm，长度为10mm-20mm。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述基于低温等离子体放电的复合离子源，其特征在于：所述放电气体为压缩空气和辅用气体混合而成，所述辅用气体为惰性气体、氮气、氧气中的任意一种气体或任意几种的混合气体；在所述低温等离子体射流装置中，控制所述放电气体的流速为300-600ml/min。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述基于低温等离子体放电的复合离子源，其特征在于：所述低温等离子体射流装置的供电电源为高压交流电源，其频率为5-20KHz，峰值电压为220-30KV，工作功率为5-50W。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述基于低温等离子体放电的复合离子源，其特征在于：所述喷雾装置包括液体进样管(1)、气体进样管(2)、三通管件(3)和金属喷管(7)；所述三通管件(3)的3个接口分别与所述液体进样管(1)、所述气体进样管(2)和所述金属喷管(7)的入口连接，所述液体进样管(1)从所述金属喷管(7)中穿过，使所述液体进样管(1)作为液体引入口，所述液体进样管(1)的液体引出端一直延伸到所述金属喷管(7)的出口喷嘴的外部，所述液体进样管(1)从所述金属喷管(7)的出口喷嘴伸出长度范围为不高于1mm，在所述金属喷管(7)中，所述金属喷管(7)内壁和所述液体进样管(1)外壁之间的缝隙通路为气体通道，所述金属喷管(7)的出口喷嘴形成向内收缩的开口装置，所述金属喷管(7)的出口喷嘴处形成的环形气隙作为气体引出端，使所述金属喷管(7)的出口喷嘴位置处构成所述喷雾装置制备的气雾混合相喷射物的引出端口。

8.根据权利要求7所述基于低温等离子体放电的复合离子源，其特征在于：所述液体进样管(1)采用熔融石英毛细管制成，其内径为不高于0.1mm，外径不高于0.19mm，。

9.根据权利要求7所述基于低温等离子体放电的复合离子源，其特征在于：所述气体进样管(2)为尺寸规格为1/16的Teflon FEP管，向所述气体进样管(2)通入高纯氮气作为雾化载气。

10.根据权利要求1～4中任意一项所述基于低温等离子体放电的复合离子源，其特征在于：所述圆形控制平台装置(14)的直径为400-500mm，所述调节装置(11)的中心位置和所述样品载物平台(13)的中心位置间距为80-130mm。