CN110021516A - 一种用于高通量在线光化学反应研究的质谱分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高通量在线光化学反应研究的质谱分析装置，包括感应纳升电喷雾离子源系统、光源系统和质谱分析系统，质谱分析系统的质谱仪进样口端接地，感应纳升电喷雾离子源系统包括毛细管阵列和直流脉冲电源系统，毛细管阵列的毛细管前端为尖端，毛细管的尖端对准质谱分析系统的质谱仪进样口，直流脉冲电源系统包括高压直流脉冲电源和平板电极，平板电极设于毛细管阵列底部，高压直流脉冲电源用于在平板电极与质谱仪进样口之间产生诱导毛细管中溶液发生极化的脉冲高压电场，光源系统用于为毛细管阵列提供可控的光照。本发明可以进行光化学反应的实时在线质谱研究，研究不同毛细反应管中的光化学反应，极大的提升检测速度和容量。

Description

一种用于高通量在线光化学反应研究的质谱分析装置

技术领域

本发明属于光化学领域，涉及一种光化学反应设备，具体涉及一种用于高通量在线光化学反应研究的质谱分析装置。

背景技术

光化学是研究光与物质相互作用所引起的永久性化学效应的化学分支学科。由于历史的和实验技术方面的原因，光化学所涉及的光的波长范围为100～1000纳米，即由紫外至近红外波段。由于吸收给定波长的光子往往是分子中某个基团的性质，所以光化学提供了使分子中某特定位置发生反应的最佳手段，对于那些热化学反应缺乏选择性或反应物可能被破坏的体系更为可贵。光化学反应的另一特点是用光子为试剂，一旦被反应物吸收后，不会在体系中留下其他新的杂质，因而可以看成是“最纯”的试剂。光化学反应涉及的类型非常多样和广泛，而且在合成化学中具有重要的应用，尤其是光催化合成反应，已经成为光化学领域的一个重要分支。

质谱分析技术因为其强大的定性与定量能力，已经成为化学反应研究的最重要的技术手段之一。而传统的离线分析方法不仅样品消耗量大、步骤繁琐，更为重要的是这种方法不能分析短寿命的反应中间体，因此对于反应机理的研究非常不利。2016年，有文献报道了一种在线光化学反应质谱分析方法，采用纳升电喷雾质谱方法实现了光催化反应的在线质谱发现和机理研究(Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,9345-9349)。但是这个方法只能进行单个样品的光化学反应分析，而且由于电极需要插入到毛细管的溶液中，无法进行高通量的多反应监测和分析。因此急需一种非接触式的高通量的在线光化学质谱分析装置，可以用于各种光化学反应的实时在线质谱研究。

发明内容

为了实现高通量的在线光化学反应质谱研究，本发明的目的是提出一种非接触式的纳升电喷雾在线光化学质谱分析装置，以解决现有技术中光催化反应无法进行高通量的多反应监测和分析的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于高通量在线光化学反应研究的质谱分析装置，其特征在于：包括感应纳升电喷雾离子源系统、光源系统和质谱分析系统，所述质谱分析系统采用电喷雾质谱仪，用于进行在线质谱分析研究，质谱仪进样口端接地，所述感应纳升电喷雾离子源系统包括毛细管阵列和用于产生高压电场的直流脉冲电源系统，所述毛细管阵列的毛细管前端为尖端，毛细管的尖端对准质谱分析系统的质谱仪进样口，所述直流脉冲电源系统包括高压直流脉冲电源和平板电极，所述平板电极设于毛细管阵列底部，所述高压直流脉冲电源用于在平板电极与质谱仪进样口之间产生诱导毛细管中溶液发生极化的脉冲高压电场，所述光源系统用于为毛细管阵列提供可控的光照。

进一步的，所述毛细管阵列由若干毛细管和毛细管基板组成，若干毛细管平行的排列在毛细管基板上，所述平板电极平行的固定在毛细管基板底部。

进一步的，所述毛细管基板安装在三维移动平台上，通过三维移动平台调整毛细管阵列的毛细管与质谱仪进样口相对位置。

进一步的，所述感应纳升电喷雾离子源系统和光源系统通过悬挂装置安装在质谱分析系统的质谱仪进样口上。

进一步的，所述悬挂装置包括悬挂夹臂和支撑板，所述悬挂夹臂上端用于夹持在质谱仪进样口上，悬挂夹臂下端与支撑板固定相连，所述三维移动平台安装在支撑板上。

进一步的，所述光源系统包括激光器和激光调节杆，所述激光器安装在激光调节杆上，所述激光调节杆安装在支撑板上，通过激光调节杆可以调节激光器的位置从而控制对毛细管阵列的光照位置。

进一步的，所述平板电极通过电极调节杆安装在支撑板上，通过电极调节杆可以调节电极板的高度位置。

进一步的，所述毛细管是前端拉细的中空玻璃管，毛细管直径在100nm～100μm之间。

进一步的，所述高压直流脉冲电源由电源、信号发生器、示波器和高压放大器组成，产生最高不超过10kV的脉冲直流高压。

一种利用上述质谱分析装置的高通量在线光化学反应研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过毛细管前端毛细吸入或者后端注入方式加入待反应测试液体；毛细管平行的排列在毛细管基板上；

步骤2、质谱分析装置搭建好，通过三维移动平台调整其中一个毛细管的尖端对准质谱仪进样口，调节好平板电极和激光器的位置；

步骤3、打开激光器对毛细管内的待反应测试液体照射，同时或滞后启动直流脉冲电源系统，使得毛细管内液体产生极化，使得电喷雾发生进入质谱仪内进行质谱分析；

步骤4、调整激光器的照射位置和激光参数或者高压直流脉冲电源参数，进行下一组试验。

本发明有益效果是：

本发明结构简单，利用已有的电喷雾质谱仪和感应纳升电喷雾离子源系统进行创造性的结合，使得可以用于各种光化学反应的实时在线质谱研究。解决了传统的离线分析方法样品消耗量大、步骤繁琐的问题，本发明还可以根据毛细管的间距以及与平板电极和激光器的相对位置设定好三维移动平台的控制系统移动程序，就可以依次研究不同反应管中的光化学反应，将极大的提升检测速度和容量，为多种不同反应条件的研究和优化，以及新反应途径的发现提供帮助。

附图说明

图1为本发明实施例质谱分析装置整体示意图。

图2为本发明质谱分析装置原理示意图。

1-质谱仪，2-质谱仪进样口，3-激光器，4-毛细管，5-毛细管基板，6-平板电极，7-电极调节杆，8-三维移动平台，9-支撑板，10-悬挂夹臂，11-安装板，12-高压直流脉冲电源，13-激光调节杆。

具体实施方式

下面通过具体的例子并结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明一种用于高通量在线光化学反应研究的质谱分析装置为一个可以同时进行光化学反应和质谱分析的一体化离子源装置。主要部件包括非接触式的感应纳升电喷雾离子源系统，光源系统，质谱分析系统，以及控制系统。

感应纳升电喷雾离子源系统包括用于填装反应溶液并发生电喷雾的毛细管阵列和用于产生高压电场的直流脉冲电源系统。毛细管阵列由毛细管4和毛细管基板5组成，毛细管4一般是前端拉细的中空玻璃管，直径在100nm～100μm之间。多个毛细管4依次固定在毛细管基板5上，呈一字布置，毛细管4间距可调。直流脉冲电源系统由高压直流脉冲电源12、平板电极6和电极调节杆7组成，平板电极6的材料为导电金属或非金属，面积无限制，通常在5cm×5cm左右，固定在电极调节杆7上，可自由移动。高压直流脉冲电源12由电源、信号发生器、示波器和高压放大器组成，产生脉冲直流高压，高压直流脉冲电源12电压在0～10kV之间可调，脉冲频率可在0～1000Hz之间可调。

光化学反应需要的光源可以有很多种，可以是激光、日光灯、白炽灯、汞灯等，目的是提供波长在100～1000nm、具有能够激发光化学反应能量密度的光子。光源系统由多波长光纤耦合半导体激光器3和激光调节杆13组成，激光器3固定在激光调节杆13上，可自由移动。激光器3由电脑软件控制，多波长耦合，不同波长可自由切换，功率在0～100mW以内可调，实现激光照射面积、能量密度的准确调节，激光调节杆13自由调节激光器3的位置，激光的照射部位可以是毛细管4的尖端、前端等位置，在特定条件下也可以照射喷雾产生的液滴。

质谱分析系统采用电喷雾质谱仪，实现在线研究。

控制系统集成各个模块的软件系统，包括质谱仪1、激光器3、三维移动平台8、高压直流脉冲电源系统，协调各个模块的启停与调节，使各个步骤合理有序进行。

本发明各个模块通过悬挂装置悬挂在质谱仪进样口2上。所述悬挂装置包括悬挂夹臂10和支撑板9，所述悬挂夹臂10上端用于夹持在质谱仪进样口2上，悬挂夹臂10下端与支撑板9固定相连，支撑板9上固定安装有一个安装板11，所述安装板11上设有阵列的固定孔，所述三维移动平台8、激光调节杆13和电极调节杆7固定在安装板11上，毛细管阵列固定在三维移动平台8上，平板电极6在毛细管阵列下方，激光器3在毛细管阵列上方，所述电极调节杆7既可以是电动推杆用于调节高度，可以是机械臂，均可以通过控制系统进行控制，但其为电动推杆时，在安装板11平面内位置调节可以采用选取安装板11上不同固定孔的方式调整，所述激光调节杆13同样的可以采用电动推杆或者机械臂方式调整激光器3的位置，位置调整方式与电极板一样，当然现有技术中激光器3可以为自身携带激光头位置和姿态调整器，为现有公知技术，因此不再赘述。

悬挂夹臂10上端的具体结构根据质谱仪进样口2的形状而定，可以是夹子夹持也可以是挂架挂置，当然也可以是其他可拆卸式固定方式，比如螺栓固定，卡扣固定等等，具体实施方式对本发明技术方案实施不构成影响，故在此不再赘述。

控制系统集成各个模块的软件系统，包括质谱仪1、激光器3、三维移动平台8、高压直流脉冲电源系统，协调各个模块的启停与调节，使各个步骤合理有序进行，具体控制方式为现有已知技术，再次不再赘述，需要指出的是通过控制系统可以实现自动化控制，在没有控制系统时，通过人工控制每个模块的启停，一样的可以使得本发明技术方案得以实现，上述控制系统仅仅能便于自动化控制，提高试验效率，对本发明技术方案本身的实施不构成任何影响。实验中，根据毛细管4的间距以及与平板电极6和激光器3的相对位置设定好三维移动平台8的移动程序，就可以依次研究不同反应管中的光化学反应，将极大的提升检测速度和容量，为多种不同反应条件的研究和优化，以及新反应途径的发现提供帮助。

需要指出的是本发明实施例中采用的三维移动平台8采用现有技术中常规的三维移动平台8，其具体结构对本发明实施例不造成影响，具体比如可以采用三组丝杆螺母机构组成的三维移动平台8，三组丝杆螺母机构分别沿着x、y和z三个方向设置，并且一次相连即可组成三维移动平台8，具体结构不再赘述。

毛细管4尖端溶液填装方法既可以使用移液器从后端加入，也可以利用毛细现象将毛细管4尖端浸在溶液中，就可以吸入少量的溶液。本发明质谱分析系统采用电喷雾质谱仪，可进行在线研究，质谱仪进样口2端接地，在电极与质谱仪1之间会形成一个脉冲高压电场，诱导毛细管4中的溶液发生极化，在电荷积累到一定程度，毛细管4尖端部分的电荷密度达到一定阈值，电喷雾发生，激光的照射部位可以是毛细管4的尖端、前端等位置，在特定条件下也可以照射喷雾产生的液滴，质谱仪1将毛细管4尖端产生的喷雾液滴吸入仪器内部进行分析检测。

根据毛细管4的间距以及与平板电极6和激光器3的相对位置设定好三维移动平台8的移动程序，使毛细管4依次靠近平板电极6和激光器3，同时根据不同的反应调节激光的波长、功率、光照时间，高压直流脉冲电压大小、频率等因素，就可以依次研究不同反应管(即毛细管4)中的光化学反应，将极大的提升检测速度和容量，为多种不同反应条件的研究和优化，以及新反应途径的发现提供帮助。

本文中所描述的具体实施例，仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例进行各种各样的修改或者补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种用于高通量在线光化学反应研究的质谱分析装置，其特征在于：包括感应纳升电喷雾离子源系统、光源系统和质谱分析系统，所述质谱分析系统采用电喷雾质谱仪，用于进行在线质谱分析研究，质谱仪进样口端接地，所述感应纳升电喷雾离子源系统包括毛细管阵列和用于产生高压电场的直流脉冲电源系统，所述毛细管阵列的毛细管前端为尖端，毛细管的尖端对准质谱分析系统的质谱仪进样口，所述直流脉冲电源系统包括高压直流脉冲电源和平板电极，所述平板电极设于毛细管阵列底部，所述高压直流脉冲电源用于在平板电极与质谱仪进样口之间产生诱导毛细管中溶液发生极化的脉冲高压电场，所述光源系统用于为毛细管阵列提供可控的光照。

2.如权利要求1所述的质谱分析装置，其特征在于：所述毛细管阵列由若干毛细管和毛细管基板组成，若干毛细管平行的排列在毛细管基板上，所述平板电极平行的固定在毛细管基板底部。

3.如权利要求2所述的质谱分析装置，其特征在于：所述毛细管基板安装在三维移动平台上，通过三维移动平台调整毛细管阵列的毛细管与质谱仪进样口相对位置。

4.如权利要求3所述的质谱分析装置，其特征在于：所述感应纳升电喷雾离子源系统和光源系统通过悬挂装置安装在质谱分析系统的质谱仪进样口上。

5.如权利要求4所述的质谱分析装置，其特征在于：所述悬挂装置包括悬挂夹臂和支撑板，所述悬挂夹臂上端用于夹持在质谱仪进样口上，悬挂夹臂下端与支撑板固定相连，所述三维移动平台安装在支撑板上。

6.如权利要求5所述的质谱分析装置，其特征在于：所述光源系统包括激光器和激光调节杆，所述激光器安装在激光调节杆上，所述激光调节杆安装在支撑板上，通过激光调节杆可以调节激光器的位置从而控制对毛细管阵列的光照位置。

7.如权利要求6所述的质谱分析装置，其特征在于：所述平板电极通过电极调节杆安装在支撑板上，通过电极调节杆可以调节电极板的高度位置。

8.如权利要求1-7任意一项所述的质谱分析装置，其特征在于：所述毛细管是前端拉细的中空玻璃管，毛细管直径在100nm～100μm之间。

9.如权利要求1-7任意一项所述的质谱分析装置，其特征在于：所述高压直流脉冲电源由电源、信号发生器、示波器和高压放大器组成，产生最高不超过10kV的脉冲直流高压。

10.一种利用权利要求8所述的质谱分析装置的高通量在线光化学反应研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过毛细管前端毛细吸入或者后端注入方式加入待反应测试液体；毛细管平行的排列在毛细管基板上；

步骤2、质谱分析装置搭建好，通过三维移动平台调整其中一个毛细管的尖端对准质谱仪进样口，调节好平板电极和激光器的位置；

步骤3、打开激光器对毛细管内的待反应测试液体照射，同时或滞后启动直流脉冲电源系统，使得毛细管内液体产生极化，使得电喷雾发生进入质谱仪内进行质谱分析；

步骤4、调整激光器的照射位置和激光参数或者高压直流脉冲电源参数，进行下一组试验。