CN108091546B - 一种放电气体辅助的无窗射频灯质谱电离源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及质谱分析仪器，具体的说是一种放电气体辅助的无窗射频灯用于质谱的电离源。具体结构包括无窗射频灯、电离源腔体、挡板阀、真空计和真空泵。电离源腔体内部沿无窗射频灯出射方向分别有样品分子进样管、样品离子推斥电极、传输电极组以及Skimmer电极，所有电极均为中间圆孔的平板结构，并且平行、同轴、绝缘放置。本电离源以低气压电荷转移反应为机理，将放电气体充入无窗射频灯中进行击穿放电，从而产生的紫外光线与样品分子发生电荷转移反应进而对样品分子进行电离。该新型电离源技术大大提高了真空紫外光电离较难电离物质的电离效率，在环境监测、食品安全、医疗诊断等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种放电气体辅助的无窗射频灯质谱电离源
技术领域
本发明涉及质谱分析仪器，具体的说是一种以放电气体辅助的无窗射频灯质谱电离源。该电离源以低气压电荷转移反应为机理，具体为样品分子与无窗射频灯发生电荷转移反应电离从而得到电离。该新型电离源技术大大提高了真空紫外光电离较难电离物质的电离效率。该技术在环境分析、医疗诊断等领域具有非常广阔的应用前景。
背景技术
真空紫外灯电离源具有体积小，功耗低，灵敏度高，寿命长，谱图简单等优点，适合于复杂样品分析及样品的在线监测，过程监控等领域。真空紫外光能够使电离能(IE)低于其光子能量10.6eV的有机物分子发生软电离，利用这种单光子电离质谱技术，环境中绝大部分挥发性有机物(VOCs)都能够得到很好的电离。
但是真空紫外灯长时间使用存在着一定的局限性。真空紫外灯发出的紫外光透过氟化镁光窗出射，经过长时间的实验之后，进入电离区的样品分子会附着在光窗上，对紫外光的出射光子数量造成影响而降低灵敏度。此时，若想恢复灵敏度必须定时对真空紫外灯进行拆卸清洁，而拆卸真空紫外灯需要重启真空系统，仪器的机械泵和分子泵将仪器气压抽至最优真空也需要一定的时间，因此清理光窗步骤繁琐耗时，不利于仪器长时间监测的稳定性。另外，由于氪气出射光子能量为10.6eV，可以电离电离能小于10.6eV的物质，但是对于电离能较高的化合物却无法电离，这一点也限制了对复杂样品的分析能力。
因此，发展一种放电气体辅助的无窗射频灯质谱电离源具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种放电气体辅助的无窗射频灯质谱电离源。该电离源以低气压电荷转移反应为机理，采用放电气体击穿放电产生紫外光线，再与样品分子发生电荷转移反应电离，从而实现电离样品分子。该技术在环境分析、医疗诊断等领域具有非常广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种放电气体辅助的无窗射频灯质谱电离源，包括无窗射频灯腔体、密闭的电离源腔体，电离源腔体一侧壁面开有通孔，通孔经挡板阀与真空泵连接，于电离源腔体侧壁面上设有真空计；其特征在于：
无窗射频灯腔体置于电离源腔体上方，放电玻璃管上端密闭、下端开口，于电离源腔体顶部壁面开有通孔，放电玻璃管的开口端插接于通孔内，放电玻璃管与通孔内壁面密闭连接；
于放电玻璃管中上部的外壁上缠绕有线圈，放电气体经毛细管与放电玻璃管内部相连通；缠绕有线圈的放电玻璃管置于一无窗射频灯腔体内；缠绕有线圈的放电玻璃管内构成紫外光线产生区，电荷转移反应电离所需的紫外光线在紫外光线产生区产生；
于电离源腔体内，沿放电玻璃管光线出射方向依次设置有推斥电极、传输电极组和Skimmer电极，样品分子进样管穿过电离源腔体壁面伸入至电离源腔体内，样品分子进样管的出口面向推斥电极与传输电极组之间的区域。
推斥电极、传输电极组和Skimmer电极均为中间设置有通孔的平板结构，并且它们间均为平行、绝缘、同轴放置；样品分子进样管置于样品离子推斥电极和传输电极组的第一片电极之间。
推斥电极、传输电极组和Skimmer电极为圆环状或者方环状的极片；材料为不锈钢等金属或者表面镀了金属的极片；传输电极组极片数量为一片或者多片；极片孔径为1～50mm。
在推斥电极、传输电极组和Skimmer电极上按照从高到低依次施加不同轴向电压并在轴线方向上形成大小为5～500V/cm的传输电场，电场可以是均匀的，也可以使非均匀的。
Skimmer电极小孔直径为0.5～5mm。
样品分子进样管内径均为Φ50～530μm，长度均为5～200cm，气体样品进样量为0.1～200ml/min，电离源腔体内的真空度维持在1Torr～10Torr。
放电气体选择电离能大于10.0ev小于10.6ev的气体。
放电玻璃管以及缠绕其上的线圈两者之间构成紫外光线产生区就在无窗射频灯腔体中，电荷转移反应电离所需的紫外光线在紫外光线产生区产生；推斥电极、传输电极组和Skimmer电极三者共同构成电荷转移反应电离反应区。
电离得到的离子通过Skimmer电极小孔直接引入到质量分析器中；所述的质量分析器为飞行时间质量分析器、四级杆质量分析器或离子阱质量分析器。
本发明提供的用于质谱分析的放电气体辅助的无窗射频灯电离源，在低气压(1～10torr)条件下，首先，放电气体通过屏蔽罩上的毛细管进入放电玻璃管，在玻璃管外缠绕的线圈上通入138MHz，峰峰值35V的射频电压，放电气体在射频电压下击穿放电并发射紫外光线；其次，大量的紫外光线与样品分子进样管充入的样品分子发生电荷转移反应产生样品离子；样品离子在传输电场的作用下通过Skimmer小孔进入质量分析器进行检测。以上设计最终的目的是可以进行质谱仪器长时间连续监测避免光窗污染，同时改善因真空紫外线灯的衰减对质谱仪器灵敏度的影响及通过更换不同的放电气体弥补了真空紫外线灯对高电离能物质分析的局限性。
附图说明
图1为本发明的一种放电气体辅助的无窗射频灯质谱电离源结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，为本发明的结构示意图。
一种放电气体辅助的无窗射频灯质谱电离源，包括无窗射频灯腔体3、密闭的电离源腔体8，电离源腔体8一侧壁面开有通孔，通孔经挡板阀17与真空泵16连接，于电离源腔体8侧壁面上设有真空计15；其特征在于：
无窗射频灯腔体3置于电离源腔体8上方，放电玻璃管6上端密闭、下端开口，于电离源腔体8顶部壁面开有通孔，放电玻璃管6的开口端插接于通孔内，放电玻璃管6与通孔内壁面密闭连接；
于放电玻璃管6中上部的外壁上缠绕有线圈5，放电气体1经毛细管4与放电玻璃管6内部相连通；缠绕有线圈5的放电玻璃管6置于一无窗射频灯腔体3内；缠绕有线圈5的放电玻璃管6内构成紫外光线产生区，电荷转移反应电离所需的紫外光线在紫外光线产生区产生；
于电离源腔体8内，沿放电玻璃管6光线出射方向依次设置有推斥电极9、传输电极组11和Skimmer电极14，样品分子进样管10穿过电离源腔体8壁面伸入至电离源腔体8内，样品分子进样管10的出口面向推斥电极9与传输电极组11之间的区域。
推斥电极9、传输电极组11和Skimmer电极14均为中间设置有通孔的平板结构，并且它们间均为平行、绝缘、同轴放置；样品分子进样管10置于样品离子推斥电极9和传输电极组11的第一片电极之间。
推斥电极9、传输电极组11和Skimmer电极14为圆环状或者方环状的极片；材料为不锈钢等金属或者表面镀了金属的极片；传输电极组11极片数量为一片或者多片；极片孔径为1～50mm。
在推斥电极9、传输电极组11和Skimmer电极14上按照从高到低依次施加不同轴向电压并在轴线方向上形成大小为5～500V/cm的传输电场，电场可以是均匀的，也可以使非均匀的。
Skimmer电极14小孔直径为0.5～5mm。
样品分子进样管10内径均为Φ50～530μm，长度均为5～200cm，气体样品进样量为0.1～200ml/min，电离源腔体8内的真空度维持在1Torr～10Torr。
放电气体1选择电离能大于10.0ev小于10.6ev的气体。
放电玻璃管6以及缠绕其上的线圈5两者之间构成紫外光线产生区就在无窗射频灯腔体3中，电荷转移反应电离所需的紫外光线在紫外光线产生区产生；推斥电极9、传输电极组11和Skimmer电极14三者共同构成电荷转移反应电离反应区。
电离得到的离子13通过Skimmer电极14小孔直接引入到质量分析器中；所述的质量分析器为飞行时间质量分析器、四级杆质量分析器或离子阱质量分析器。
参照图1，应用时，通过挡板阀17将电离源腔体8调节到合适的气压，由一内置20W射频电源为无窗射频灯提供射频电压，一定进样量的放电气体1通过屏蔽罩上的毛细管4充入到放电玻璃管6，在放电玻璃管6外缠绕的线圈5通入一定频率的射频电压，放电气体1在射频电压下击穿放电并发射紫外光线，样品分子12通过样品分子进样管10进入电离源腔体8，紫外光线照射到样品分子12发生电荷转移反应产生样品离子13，电离的样品离子13在推斥电极9、传输电极组11电场的作用下，样品离子13通过Skimmer电极14小孔直接引入到质量分析器中进行检测；所述的质量分析器为飞行时间质量分析器、四级杆质量分析器或离子阱质量分析器。

Claims (9)

1.一种放电气体辅助的无窗射频灯质谱电离源，包括无窗射频灯腔体（3）、密闭的电离源腔体（8），电离源腔体（8）一侧壁面开有通孔，通孔经挡板阀（17）与真空泵（16）连接，于电离源腔体（8）侧壁面上设有真空计（15）；其特征在于：
无窗射频灯腔体（3）置于电离源腔体（8）上方，放电玻璃管（6）上端密闭、下端开口，于电离源腔体（8）顶部壁面开有通孔，放电玻璃管（6）的开口端插接于顶部壁面通孔内，放电玻璃管（6）与通孔内壁面密闭连接；
于放电玻璃管（6）中上部的外壁上缠绕有线圈（5），放电气体（1）经毛细管（4）与放电玻璃管（6）内部相连通；缠绕有线圈（5）的放电玻璃管（6）置于一无窗射频灯腔体（3）内；缠绕有线圈（5）的放电玻璃管（6）内构成紫外光线产生区，电荷转移反应电离所需的紫外光线在紫外光线产生区产生；
于电离源腔体（8）内，沿放电玻璃管（6）光线出射方向依次设置有推斥电极（9）、传输电极组（11）和Skimmer电极（14），样品分子进样管（10）穿过电离源腔体（8）壁面伸入至电离源腔体（8）内，样品分子进样管（10）的出口面向推斥电极（9）与传输电极组（11）之间的区域；
放电气体（1）通入毛细管（4）中，再经由毛细管（4）出口通入放电玻璃管（6）中；毛细管（4）的出口与放电玻璃管（6）相连通，毛细管出口的位置在线圈（5）的下方并且设置在无窗射频灯腔体（3）的内部。
2.根据权利要求1所述的电离源，其特征在于：
推斥电极（9）、传输电极组（11）和Skimmer电极（14）均为中间设置有通孔的平板结构，并且它们间均为平行、绝缘、同轴放置；样品分子进样管（10）置于样品离子推斥电极（9）和传输电极组（11）沿光线出射方向的第一片电极之间。
3.根据权利要求1所述的电离源，其特征在于：
推斥电极（9）、传输电极组（11）和Skimmer电极（14）为圆环状或者方环状的极片；材料为不锈钢或者表面镀了金属的极片；传输电极组（11）极片数量为一片或者多片；极片孔径为1~50mm。
4.根据权利要求1所述的电离源，其特征在于：
在推斥电极（9）、传输电极组（11）和Skimmer电极（14）上按照从高到低依次施加不同轴向电压并在轴线方向上形成大小为5~500V/cm的传输电场，电场可以是均匀的，也可以是非均匀的。
5.根据权利要求1所述的电离源，其特征在于：
Skimmer电极（14）小孔直径为0.5~5mm。
6.根据权利要求1所述的电离源，其特征在于：
样品分子进样管（10）内径为Φ50~530um，长度为5~200cm，气体样品进样量为0.1~200ml/min，电离源腔体(8)内的真空度维持在1Torr~10Torr。
7.根据权利要求1所述的电离源，其特征在于：
放电气体（1）选择电离能大于10.0ev小于10.6ev的气体。
8.根据权利要求1所述的电离源，其特征在于：
在无窗射频灯腔体(3)中，放电玻璃管(6)的缠绕线圈(5)的区域构成紫外光线产生区，电荷转移反应电离所需的紫外光线在紫外光线产生区产生；推斥电极（9）、传输电极组（11）和Skimmer电极（14）三者共同构成电荷转移反应电离反应区。
9.根据权利要求1所述的电离源，其特征在于：
电离得到的离子（13）通过Skimmer电极（14）小孔直接引入到质量分析器中；所述的质量分析器为飞行时间质量分析器、四级杆质量分析器或离子阱质量分析 器。
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