CN109427536A - 等离子体质谱仪及其离子化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种离子化装置，用于离子化样品分子，离子化装置包括原子化器及微波等离子体发射器，原子化器接收样品分子并使其原子化，微波等离子体发射器用于射出微波等离子体，并通过微波等离子体使原子化的样品分子离子化。本发明将高温原子化方式与微波等离子体方式结合起来，实现了样品的原子化及离子化，巧妙弥补了原有微波等离子光源能量不足的缺陷，提高了质谱仪的灵敏度。其中，原子化器产生的高温具有较大的能量，可使大部分样品被原子化，并得到样品的金属基态原子。有效弥补了微波等离子体光源能量较弱，电离度较低的缺点。

Description

等离子体质谱仪及其离子化装置

技术领域

本发明涉及光谱仪器技术领域，尤其涉及一种等离子体质谱仪及其离子化装置。

背景技术

原子光谱法一直是人们进行元素成份分析的最主要手段。特别是具有优良原子化和激发性能的ICP光源(功率在500瓦到5000瓦之间)出现之后。ICP光谱法成为发射光谱分析的主导方法。对于超痕量分析，ICP质谱法占有明显的优势。

另外一种与ICP同时发展起来的微波等离子体(MWP)光源也得到了较为广泛的应用。但该种方法所使用的微波能量较弱。在进样的时候，样品一般是通过雾化器形成气溶胶送进微波等离子体源中，这种进样方式与火焰原子吸收的进样方式是非常相似的。所不同的是，因为微波无法提供足够的能量与功率，所以大部分微波的功率都会被样品溶剂所吸收，真正起到电离效果的微波能量是很小的一部分，导致对样品的电离能力减弱，引起质谱分析的离子流强度减弱，影响整机的灵敏度。

因此，提供一种具有较高微波能量的微波等离子体质谱方法或微波等离子体光源，以克服微波等离子体光源能量(大概是150瓦左右)偏弱的缺点，已成为本行业内亟待解决的一大技术问题。

发明内容

本发明要解决现有技术中微波等离子体质谱方法的微波能量较弱的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种离子化装置，用于离子化样品分子，其中，所述离子化装置包括原子化器及微波等离子体发射器，所述原子化器接收所述样品分子并使其原子化，所述微波等离子体发射器用于射出微波等离子体，并通过所述微波等离子体使原子化的样品分子离子化。

进一步地，所述原子化器为火焰原子化器，所述火焰原子化器通过燃烧气体的燃烧产生扁平状的火焰区域并使所述样品分子原子化。

进一步地，所述微波等离子体的射出方向垂直于所述火焰区域的平面。

进一步地，所述燃烧气体为空气-乙炔混合气体。

进一步地，所述原子化器为石墨炉原子化器，包括炉体、设于所述炉体内部可穿过光线的石墨管、设于所述炉体上端的进样窗及开设于所述炉体两侧端部的开孔，所述样品分子通过进样窗进入石墨管，所述石墨管高温原子化所述样品分子，所述微波等离子体穿过所述开孔射入所述石墨管以离子化所述样品分子。

进一步地，所述微波等离子体的射出方向垂直于所述石墨管中的光线射入方向。

进一步地，所述微波等离子体发射器发出的微波等离子体为氩等离子体。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案还包括：提出一种等离子体质谱仪，包括样品源、离子化装置、质量分析器及检测器，其中，所述离子化装置为所述的离子化装置，所述样品源放出样品分子，所述离子化装置对所述样品分子原子化和离子化，离子化的样品离子进入所述质量分析器按质荷比分开后进入所述检测器。

由上述技术方案可知，本发明提出的等离子体质谱仪及其离子化装置在微波等离子体技术的基础上引进了原子化的方法，将高温原子化方式与微波等离子体方式结合起来，实现了样品的原子化及离子化，巧妙弥补了原有微波等离子光源能量不足的缺陷，提高了质谱仪的灵敏度。其中，原子化器产生的高温具有较大的能量，可使大部分样品被原子化，并得到样品的金属基态原子。有效弥补了微波等离子体光源能量较弱，电离度较低的缺点。微波等离子体发射器发出的微波等离子体可以使样品被离子化进而由质量分析器对被离子化的样品进行质量分析。

附图说明

图1是本发明提出的离子化装置的第一实施方式的结构示意图；

图2是本发明提出的离子化装置的第一实施方式的工作流程框图；

图3是本发明提出的离子化装置的第二实施方式的结构示意图；

图4是本发明提出的质谱仪的工作流程框图。

其中，附图标记说明如下：1.原子化器；2.微波等离子体发射器；3.火焰原子化器；30.燃烧器；31.火焰区；32.雾化器；33.雾化室；4.石墨炉原子化器；40.炉体；41.进样窗；42.开孔；5.样品；6.质量分析器；7.检测器。

具体实施方式

本发明提出一种等离子体质谱仪以及组成该质谱仪的离子化装置，即一种结合原子化器与微波等离子体技术的质谱仪器。

由于微波等离子体的电离度(离子个数占全部原子离子总数的比值)较低，无法达到ICP方法的电离效果。ICP方法可以通过saha方程进行估算，其可产生接近1％的电离度，使离子浓度达到较高水平，可以被认为是热等离子体。而微波等离子体的电离度较低，例如，微波所产生的氩气火焰的温度在2000℃左右，根据原子物理学中的玻尔兹曼统计分布公式，得出在这个温度下电离电离能在11ev的氩气的概率较低。因此现有的微波等离子体光源对一般的金属原子的电离度在万分之一以下，无法满足使用要求。

为了解决微波等离子体光源能量较低的问题，并提高其电离度，本发明提供以下的实施方式，主要可概括为将原子化方式特别是高温原子化方式与微波等离子体方式结合起来，以实现“样品→原子化→离子化”的方式。

离子化装置实施方式1

如图1所示，本发明提出一种离子化装置，用于将样品分子离子化。其主要包括原子化器1及微波等离子体发射器2。原子化器1主要用于接收样品分子并使其原子化。微波等离子体发射器2主要用于射出微波等离子体，并通过微波等离子体使原子化的样品分子离子化。

如图1和图2所示，在本实施方式中，该原子化器1为火焰原子化器3并可选用传统结构。该火焰原子化器3通过燃烧气体产生平面状的高温火焰并使样品分子原子化。其主要包括依次连接的雾化器32、雾化室33及燃烧器30。

此外，如图1所示，微波等离子体的射出方向垂直于高温火焰的近似平面。

如图1所示，在本实施方式中，该微波等离子体发射器2可选用传统结构，其发射出的微波等离子体可选用氩等离子体。由于氩等离子体中含有氩离子，其电子亲和势为15.76V，可以较容易地从金属原子中抢走一个核外电子，使整个金属原子被离子化。

如图2所示，在工作过程中，样品分子进入雾化器32并由该雾化器32进行雾化，进而成为气溶胶状态。气溶胶状态下的样品分子进入雾化室33被进一步细化并与燃烧气体充分均匀混合，以使火焰原子化器3发出的高温火焰达到更加稳定的层流状态。其中燃烧气体可选用空气-乙炔混合气体，但并不以此为限，该种燃烧气体的火焰温度可达2300℃以上，能够提供较高的总能量，可蒸发出气溶胶中的水分，并在燃烧过程中原子化大部分样品分子。与燃烧气体充分均匀混合后的样品分子进入燃烧器30并在高温火焰中蒸发、干燥形成干气溶胶雾粒，再经高温火焰融熔化并受热解离成为基态自由原子蒸汽，实现原子化的功能。微波等离子体发射器2以垂直角度向呈近似平面状的高温火焰区域31发射氩等离子体，其中含有的氩离子抢走已原子化的样品分子中的一个核外电子，样品原子实现离子化并放出，进入其他分析设备，如质量分析器等。

此外，本实施方式中的样品分子的进样方式不一定局限于气溶胶等喷雾形式，也可采用固态或者气态直接进样。

离子化装置实施方式2

本发明提出的离子化装置的第二实施方式，其与上述第一实施方式的区别在于：

如图3所示，在本实施方式中，该离子化装置的原子化器1为石墨炉原子化器4，其利用较大电流通过较高阻值的石墨管，以产生高温使样品分子原子化。该石墨炉原子化器4还包括炉体40，该炉体40内部设有可穿过原本用于原子吸收光谱分析的光线的石墨管，该炉体40上端开设有进样窗41，该炉体40两侧端部开设有开孔42。

工作过程中，样品分子由进样窗41进入设于炉体40内部的石墨管，在石墨管中通过较大电流使石墨管产生高温，该温度可达2000-3000℃，以使样品分子原子化。微波等离子体发射器2以垂直于石墨管内穿过光线的角度射出氩等离子体，通过开孔42射入炉体40并进入石墨管，氩等离子体中含有的氩离子抢走已原子化的样品分子中的一个核外电子，样品原子实现离子化并放出，进入其他分析设备。

质谱仪实施方式

如图4所示，本发明提出的质谱仪，包括放出样品分子的样品源5、对样品分子进行离子化的离子化装置、接收离子化装置放出的被离子化的样品分子并对其根据质荷比分离的质量分析器6及检测器7。其中离子化装置为本发明提出的离子化装置。

工作过程中，样品源5放出样品分子，离子化装置对样品分子原子化和离子化，离子化的样品分子进入质量分析器6，质量分析器6按质荷比将样品分子分开后，样品分子进入检测器7，分离后的样品离子依次进入检测器7，采集放大离子信号，经计算机处理，绘制成质谱图。

此外，在本实施方式中，当离子化装置中的原子化器1为火焰原子化器3时，可在其高温火焰区域31通过光线，以进行原子吸收光谱分析，即本发明提出的质谱仪亦可作为一台光谱—质谱两用设备。

虽已参照几个典型实施例描述了本发明的等离子体质谱仪及其离子化装置，但应理解，所用的术语是说明和示例性的，而非限制性的。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离其构思或实质，因此，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的构思和范围内广泛地解释，故落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种离子化装置，用于离子化样品分子，其特征在于，所述离子化装置包括：原子化器，接收所述样品分子并使其原子化；及微波等离子体发射器，用于射出微波等离子体，并通过所述微波等离子体使原子化的样品分子离子化。

2.根据权利要求1所述的离子化装置，其特征在于，所述原子化器为火焰原子化，所述火焰原子化器通过燃烧气体的燃烧产生扁平状的火焰区域并使所述样品分子原子化。

3.根据权利要求2所述的离子化装置，其特征在于，所述微波等离子体的射出方向垂直于所述火焰区域的平面。

4.根据权利要求2所述的离子化装置，其特征在于，所述燃烧气体为空气-乙炔混合气体。

5.根据权利要求1所述的离子化装置，其特征在于，所述原子化器为石墨炉原子化器，包括炉体、设于所述炉体内部可穿过光线的石墨管、设于所述炉体上端的进样窗及开设于所述炉体两侧端部的开孔，所述样品分子通过进样进入石墨管，所述石墨管高温原子化所述样品分子，所述微波等离子体穿过所述开射入所述石墨管以离子化所述样品子。

6.根据权利要求5所述的离子化装置，其特征在于，所述微波等离子体的射出方向垂直于所述石墨管中的光线射入方向。

7.根据权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述微波等离子体发射器发出的微波等离子体为氩等离子体。

8.一种等离子体质谱仪，包括样品源、离子化装置、质量分析器及检测器，其特征在于，所述离子化装置为权利要求1-8中任意一项所述的离子化装置，所述样品源放出样品分子，所述离子化装置对所述样品分子原子化和离子化，离子化的样品离子进入所述质量分析器按质荷比分开后进入所述检测器。