CN107768230A - 一种二阶质子转移反应离子源装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二阶质子转移反应离子源装置及其使用方法，包括漂移管，其前端设有电离源区，漂移管内腔靠近电离源区的部分设有一阶质子转移反应区，一阶质子转移反应区的后侧与带偏转结构腔体的左侧进样口相连，带偏转结构腔体的下侧设有二阶质子转移反应区；一阶质子转移反应区的前侧设有伸入漂移管内腔的第一引入管，带偏转结构的腔体上侧设有分子泵；偏转结构的主体是由四个偏转电极组成，二阶质子转移反应区的上侧设有伸入漂移管内腔的第二引入管。本发明所述的用于二阶质子转移反应的带偏转的离子源装置及其使用方法，使得质子转移反应具有选择性，可以排除一些干扰离子的影响，并有效地区分同分异构化合物。
Description
技术领域
本发明属于质谱电离源装置技术领域，尤其是涉及一种带偏转的二阶质子转移反应离子源。
背景技术
质子转移反应质谱(PTR-MS)广泛用于痕量挥发性有机化合物的快速和灵敏测定，电离源是质谱的关键组成部件之一。质子转移反应电离是一种化学电离，允许质子亲和势较大的化合物与反应离子发生质子转移反应，是一种典型的软电离方式。它通过电子电离的方式将引入的反应气体电离形成试剂离子，然后试剂离子与待测样品分子发生一系列的离子分子反应产生样品分子的准分子离子，然后经过质量分析器进行检测，因此可获得较少数目的质谱峰，能够更方便的确定分子量。
对于空心阴极放电源来说，利用水蒸气辉光放电产生了水合氢离子(H3O+)，由于大多数VOCs的质子亲和势大于水，空气中的主要成分N2，O2和CO2等的质子亲和势小于水，因此，H3O+可以与大多数VOCs发生质子转移反应，而不与空气成分发生反应，通常被用作主要的反应试剂离子。水蒸气经过电离源区域，经放电产生H3O+离子，然后进入漂移管，在漂移管内与待测物在漂移扩散的过程中发生碰撞，H3O+(即质子供体)将质子转移给待测物(即质子接受体)，并使其离子化。反应如式(1)所示，其中R表示待测VOCs。
H3O++R→H2O+RH+(1)
上述反应原理保证了用PTR-MS测量空气中痕量VOCs时，不受空气中常规组分的干扰，且不需要对样品进行预处理。但是，传统的PTR-MS同样存在着一些局限性，例如：
(1)PTR-MS的谱图以质荷比作为横坐标，但对于那些同分异构来说，形成的质谱峰重叠，无法进行区分；
(2)PTR-MS在检测待测样品的VOCs成分时，会受到许多干扰成分的影响，谱峰分析更加复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种二阶质子转移反应离子源装置，以解决上述同分异构及其他成分对检测产生的干扰问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种二阶质子转移反应离子源装置，包括漂移管，其前端设有电离源区，漂移管设有三段腔体，靠近电离源区的腔体部分设有一阶质子转移反应区，一阶质子转移反应区的后侧的腔体部分设有离子偏转区，离子偏转区的下侧腔体部分设有二阶质子转移反应区；一阶质子转移反应区的前侧设有伸入漂移管内腔的第一引入管，二阶质子转移反应区的上侧设有伸入漂移管内腔的第二引入管。
进一步，所述电离源区包括空心阴极放电区和置于空心阴极放电区后侧的短流动管区；空心阴极放电区与水蒸气源连通，短流动管区与机械泵连通。
进一步，所述一阶质子转移反应区的末端和二阶质子转移反应区的末端均设有引出电极。
进一步，所述离子偏转区的左端设有引入电极，下端设有引出电极；离子偏转区通过设于其上端的LF法兰接口与分子泵连接，离子偏转区的内部设有四个呈矩阵分布的扇形偏转电极。
进一步，所述漂移管的末端设有质量检测区，质量检测区与漂移管之间设有分子泵。
进一步，所述质量检测区包括四极杆质量分析器。
进一步，所述电离源区与所述漂移管的连接部分、漂移管与所述质量检测区连接部分以及漂移管内部的三段腔体之间的连接部分均置于电场内。
相对于现有技术，本发明所述的二阶质子转移反应离子源装置具有以下优势：
本发明所述的二阶质子转移反应离子源装置，在漂移管内分设一阶质子转移反应区、离子偏转区和二阶质子转移反应区，使得反应物VOC1先与H3O+发生一阶质子转移反应；所产生的VOC1·H+离子在离子偏转区内电场的作用下发生偏转，其他中性分子不发生偏转被抽出漂移管腔体内；发生偏转的VOC1·H+离子替代现有技术中的H3O+与待测物VOC2进行二阶质子转移反应。相比于现有技术，使得质子转移反应可以选择性的检测指定化学物质；其次，通过二阶质子转移反应可以区分同分异构体；最后，通过二阶质子转移反应还可以排除团簇等较多干扰离子。
本发明的另一目的在于提出一种二阶质子转移反应离子源装置的使用方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种二阶质子转移反应离子源装置的使用方法，包括如下步骤：
(1)水蒸气源发出的水蒸气经过空心阴极放电区放电产生H3O+离子，H3O+离子在电场的作用下进入漂移管；
(2)通过第一引入管向漂移管的腔体内引入作为反应物的VOC1束流，VOC1束流与较高流速的H3O+离子束流相遇，被带入到一阶质子转移反应区；
(3)H3O+和VOC1在一阶质子转移反应区相互碰撞并发生质子转移反应，产生包括VOC1·H+的反应束流，反应式为：
H3O++VOC1→VOC1·H++H2O；
(4)步骤(3)产生的反应束流进入离子偏转区，在偏转电场的作用下，VOC1·H+束流发生偏转，被引入二阶质子转移反应区。
(5)通过第二引入管向漂移管的腔体内引入作为待测物的VOC2束流，VOC2束流与较高流速的VOC1·H+束流相遇，被带入到二阶质子转移反应区；
(6)VOC1·H+和VOC2在二阶质子转移反应区相互碰撞并发生二阶质子转移反应，产生VOC2·H+离子，反应式为：
VOC1·H++VOC2→VOC2·H++VOC1；
(7)VOC2·H+进入质量检测区，经分析形成谱图，完成同分异构体的区分及其他谱成分分析。
进一步，步骤(1)中反应后剩余的多余水气及中性气体通过所述机械泵抽离，保证漂移管的腔体内真空度保持在200Pa。
进一步，步骤(4)中，反应束流中的VOC1·H+离子发生偏转，剩余的中性离子通过分子泵抽离，保证漂移管腔体内的真空度保持在200Pa；优选的，步骤(5)中除VOC2·H+离子，反应后剩余的多余离子通过所述分子泵抽离，保证质量检测区真空度保持在10-4Pa；优选的，所述VOC2的质子亲和势大于所述VOC1；VOC1的质子亲和势大于水。
所述二阶质子转移反应离子源装置的使用方法与上述二阶质子转移反应离子源装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的二阶质子转移反应离子源装置的原理图；
图2为本发明实施例所述的二阶质子转移反应离子源装置的在一阶质子转移反应区的质子转移反应示意图；
图3为本发明实施例所述的二阶质子转移反应离子源装置的在离子偏转区的偏转示意图。
图4为本发明实施例所述的二阶质子转移反应离子源装置的在二阶质子转移反应区的质子转移反应示意图。
附图标记说明：
1-空心阴极放电区；2-短流动管区；3-第一引入管；4-第二引入管；5-质量检测区；6-偏转电极；7-LF法兰接口；8-一阶质子转移反应区；9-离子偏转区；10-二阶质子转移反应区；11-机械泵。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1，本发明提出一种二阶质子转移反应离子源装置，包括漂移管，其前端设有电离源区，漂移管设有三段腔体，靠近电离源区的腔体部分设有一阶质子转移反应区8，一阶质子转移反应区8的后侧的腔体部分设有离子偏转区9，离子偏转区9的下侧腔体部分设有二阶质子转移反应区10；一阶质子转移反应区8的前侧设有伸入漂移管内腔的第一引入管3，二阶质子转移反应区10的上侧设有伸入漂移管内腔的第二引入管4。
上述电离源区包括空心阴极放电区1和置于空心阴极放电区1后侧的短流动管区2；空心阴极放电区1与水蒸气源连通，短流动管区2与机械泵11连通。
上述一阶质子转移反应区8的末端和二阶质子转移反应区9的末端均设有引出电极。引出电极作为质子反应后，各离子束的引出通道。
上述离子偏转区9的左端设有引入电极，下端设有引出电极；离子偏转区9通过设于其上端的LF法兰接口7与分子泵连接，离子偏转区9的内部设有四个呈矩阵分布的扇形偏转电极6。
上述漂移管的后端设有质量检测区5，质量检测区5与漂移管之间设有分子泵。
上述质量检测区5包括四极杆质量分析器。
上述电离源区与上述漂移管的连接部分、漂移管与上述质量检测区5连接部分以及漂移管内部的三段腔体之间的连接部分均置于电场内。
本发明的工作原理为：
水蒸气(图1中d物质)由水蒸气源排出，依次经过空心阴极放电区1(HC)和短流动管区2(SD)后产生H3O+离子。H3O+离子在电场的作用下进入到漂移管内。在此过程中，多余的水气及其他中性气体均被机械泵11抽走，保证漂移管的腔体内真空度保持在200Pa左右。
通过第一引入管3向漂移管的腔体内引入反应物(VOC1)束流(图1中a物质)，反应物(VOC1)束流与较高流速的H3O+离子束流相遇，被带入到一阶质子转移反应区8。在一阶质子转移反应区8内，H3O+与指定的VOC1之间通过碰撞发生质子转移反应，产生包括反应离子VOC1·H+以及其他离子(图1中c物质)的反应束流。反应离子VOC1·H+在漂移管内电场的作用下，引向离子偏转区9。
上述反应的表达式为：H3O++VOC1→VOC1·H++H2O
在漂移管的离子偏转区9(即一阶质子转移反应区末端与二阶质子转移反应区前端之间)，反应离子VOC1·H+在四个偏转电极6所产生的偏转电场的作用下发生偏转，被引入二阶质子转移反应区10。
在漂移管的二阶质子转移反应区10的前端，通过第二引入管4向漂移管腔体内引入待测物(VOC2)束流(图1中b物质)。待测物(VOC2)束流与反应束流相遇，被带入到二阶质子转移反应区10内。在此过程中，由于待测物(VOC2)的质子亲和势(PA)大于VOC1，因此，待测物(VOC2)束流与反应束流发生二阶质子转移反应，产生VOC2·H+离子。VOC2·H+离子在电场的作用下进入到质量检测区5，而其他离子则被分子泵抽出漂移管腔体外，以保证质量检测区5真空度保持在10-4Pa左右。
上述反应的表达式为：VOC1·H++VOC2→VOC2·H++VOC1
最后，VOC2·H+离子进入四极杆质量分析器中进行分析，形成谱图，完成同分异构体的区分及其他谱成分分析。
本发明所述的二阶质子转移反应离子源装置及其使用方法，在漂移管内分设一阶质子转移反应区8、离子偏转区9和二阶质子转移反应区10，使得反应物VOC1先与H3O+发生一阶质子转移反应；所产生的VOC1·H+离子在偏转电场的作用下发生偏转，与其他中性分子分离；偏转后的VOC1·H+离子替代现有技术中的H3O+与待测物VOC2进行二阶质子转移反应。相比于现有技术，使得质子转移反应可以选择性的检测指定化学物质；其次，通过二阶质子转移反应可以区分同分异构体；最后，通过二阶质子转移反应还可以排除团簇等较多干扰离子。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种二阶质子转移反应离子源装置，其特征在于：包括
漂移管，其前端设有电离源区，漂移管设有三段腔体，靠近电离源区的腔体部分设有一阶质子转移反应区(8)，一阶质子转移反应区(8)的后侧的腔体部分设有离子偏转区(9)，离子偏转区(9)的下侧腔体部分设有二阶质子转移反应区(10)；一阶质子转移反应区(8)的前侧设有伸入漂移管内腔的第一引入管(3)，二阶质子转移反应区(10)的上侧设有伸入漂移管内腔的第二引入管(4)。
2.根据权利要求1所述的二阶质子转移反应离子源装置，其特征在于：所述电离源区包括空心阴极放电区(1)和置于空心阴极放电区(1)后侧的短流动管区(2)；空心阴极放电区(1)与水蒸气源连通，短流动管区(2)与机械泵(11)连通。
3.根据权利要求2所述的二阶质子转移反应离子源装置，其特征在于：所述一阶质子转移反应区(8)的末端和二阶质子转移反应区(9)的末端均设有引出电极。
4.根据权利要求3所述的二阶质子转移反应离子源装置，其特征在于：所述离子偏转区(9)的左端设有引入电极，下端设有引出电极；离子偏转区(9)通过设于其上端的LF法兰接口(7)与分子泵连接，离子偏转区(9)的内部设有四个呈矩阵分布的扇形偏转电极(6)。
5.根据权利要求4所述的二阶质子转移反应离子源装置，其特征在于：所述漂移管的末端设有质量检测区(5)，质量检测区(5)与漂移管之间设有分子泵。
6.根据权利要求5所述的二阶质子转移反应离子源装置，其特征在于：所述质量检测区(5)包括四极杆质量分析器。
7.根据权利要求6所述的二阶质子转移反应离子源装置，其特征在于：所述电离源区与所述漂移管的连接部分、漂移管与所述质量检测区(5)连接部分以及漂移管内部的三段腔体之间的连接部分均置于电场内。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的二阶质子转移反应离子源装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)水蒸气源发出的水蒸气经过空心阴极放电区放电产生H3O+离子，H3O+离子在电场的作用下进入漂移管；
(2)通过第一引入管向漂移管的腔体内引入作为反应物的VOC1束流，VOC1束流与较高流速的H3O+离子束流相遇，被带入到一阶质子转移反应区；
(3)H3O+和VOC1在一阶质子转移反应区相互碰撞并发生质子转移反应，产生包括VOC1·H+的反应束流，反应式为：
H3O++VOC1→VOC1·H++H2O；
(4)步骤(3)产生的反应束流进入离子偏转区，在偏转电场的作用下，VOC1·H+束流发生偏转，被引入二阶质子转移反应区。
(5)通过第二引入管向漂移管的腔体内引入作为待测物的VOC2束流，VOC2束流与较高流速的VOC1·H+束流相遇，被带入到二阶质子转移反应区；
(6)VOC1·H+和VOC2在二阶质子转移反应区相互碰撞并发生二阶质子转移反应，产生VOC2·H+离子，反应式为：
VOC1·H++VOC2→VOC2·H++VOC1；
(7)VOC2·H+进入质量检测区，经分析形成谱图，完成同分异构体的区分及其他谱成分分析。
9.根据权利要求8所述二阶质子转移反应离子源装置的使用方法，其特征在于：步骤(1)中反应后剩余的多余水气及中性气体通过所述机械泵抽离，保证漂移管的腔体内真空度保持在200Pa。
10.根据权利要求9所述的二阶质子转移反应离子源装置的使用方法，其特征在于：步骤(4)中，反应束流中的VOC1·H+离子发生偏转，剩余的中性离子通过分子泵抽离，保证漂移管腔体内的真空度保持在200Pa；优选的，步骤(6)中除VOC2·H+离子，反应后剩余的多余离子通过所述分子泵抽离，保证质量检测区真空度保持在10-4Pa；优选的，所述VOC2的质子亲和势大于所述VOC1；VOC1的质子亲和势大于水。
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- 2017-10-31 CN CN201711050765.6A patent/CN107768230B/zh active Active
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