CN110729169B - 一种便携式质谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种便携式质谱仪，包括离子源、采样管接口以及质量分析器；其特征在于，离子源包括外部管(110)、内部管(111)、放电电极(112)以及气体挡板(113)；内部管(111)同心的放置在外部管(110)内，放电电极(112)固定在内部管(111)的外壁上，气体挡板(113)固定在外部管(110)的内壁上，且紧挨在放电电极(112)上方。本发明的便携式质谱仪具有高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及物质检测技术领域，尤其涉及一种便携式质谱仪。
背景技术
如何让质谱仪便于携带，使其能够适于现场实时监测，是当今产业界和学术界比较关注的研究方向。在便携式质谱仪中，获得分析物离子的方式通常是，将离子源产生的离子靠近待分析物的表面，离子源产生的离子使得待分析物电离产生分析物离子，分析物离子在气流的作用下，沿着采样管从外界输送到质谱仪中。然而，分析物离子在沿着采样管传输的过程中，分析物离子和采样管内壁接触，由于中和效应，会使部分离子损失在管的内壁上。尤其是，当分析物离子通过采样管所需的时间远远大于分析物离子扩散或者迁移到采样管内壁的时间，离子的损失将更加严重。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种高灵敏度的便携式质谱仪。
该便携式质谱仪包括离子源、采样管接口以及质量分析器；其特征在于，离子源包括外部管110、内部管111、放电电极112以及气体挡板113；内部管111同心的放置在外部管110内，放电电极112固定在内部管111的外壁，气体挡板113固定在外部管110的内壁，且紧挨在放电电极112上方。
其中，外部管110为内壁至少部分覆盖导体的绝缘管。
其中，内部管111为导体管、或者外壁部分覆盖导体的绝缘管。
其中，气体挡板113包括第一圆环220、第二圆环221以及至少两个固定杆222，且在第二圆环221上同心的设置至少两圈圆弧孔，每圈圆弧孔包括至少两个圆弧孔；其中，第一圆环220的外径等于外部管110的内径，第二圆环221的外径小于第一圆环220的内径，以及第二圆环221的内径大于或等于内部管111的外径；固定杆222的一端固定在第一圆环220的内径处，另一端固定在第二圆环221的外径处；第一圆环220外径处设置有螺纹孔，以便于穿过外部管110壁的螺钉，将第一圆环220固定在外部管110内径处。
其中，放电电极112包括第三圆环331、沿着第三圆环331的半径向外延伸的放电尖端332以及在第三圆环331上同心设置的至少两圈圆弧孔，每圈圆弧孔包括至少两个圆弧孔；第三圆环331的外径和放电尖端332的长度之和小于外部管110的内径，第三圆环331内径等于内部管111的外径，且在第三圆环331内径和内部管111的外壁之间无气体流过。
其中，第二圆环221上的每个圆弧孔都具有相同的宽度，且第n圈圆弧孔的每个圆弧孔具有相同的中心线半径。
其中，第三圆环331的圆弧孔都具有相同的宽度以及相同的圆弧角，且第n圈圆弧孔的每个圆弧孔都具有相同的中心线半径。
其中，气体挡板113的材质为绝缘体，放电电极112的材料为导体。
其中，假设第二圆环221具有N圈圆弧孔，从第二圆环221的内径向外径依次称为第1圈圆弧孔、第2圈圆弧孔、……、第n圈圆弧孔、……、第N圈圆弧孔；每圈圆弧孔具有M个圆弧孔，该M个圆弧孔依次称为第1圆弧孔、第2圆弧孔、……、第m圆弧孔、……、第M圆弧孔;气体挡板113第1圈圆弧孔中的每个圆弧孔对应的圆弧角为θ；则第n圈圆弧孔中的每个圆弧孔对应的圆弧角为θ/(2^(n-1))；第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端，和第n+1圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端位于相同的角度处，且第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔左端对应角度，与第n圈圆弧孔中的第m+1个圆弧孔左端对应的角度之差大于或等于2θ；
其中，第三圆环331也具有N圈圆弧孔，从第三圆环331的内径向外径依次称为第1圈圆弧孔、第2圈圆弧孔、……、第n圈圆弧孔、……、第N圈圆弧孔；每圈圆弧孔也具有M个圆弧孔，该M个圆弧孔依次称为第1圆弧孔、第2圆弧孔、……、第m圆弧孔、……、第M圆弧孔; 第三圆环331的n×m个圆弧孔的圆弧角θ/(2^(N-1))；第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端，和第n+1圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的右端位于相同的角度处，且第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔左端对应角度，与第n圈圆弧孔中的第m+1个圆弧孔左端对应的角度之差大于或等于2θ；第三圆环331上的第m圈圆弧孔的中心线半径，等于第二圆环221上的第m圈圆弧孔的中心线半径。
附图说明
图1是本发明实施例的便携式质谱仪的示意图。
图2是本发明实施例的气体挡板的俯视图。
图3是本发明实施例的放电电极的俯视图。
图4是本发明实施例的圆弧孔的说明图。
图5是本发明实施例的气体挡板和放电电极位置示意图。
具体实施方式
以下将通过实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
图1本发明实施例的小型质谱仪示意图。该小型质谱仪包括离子源、接口115以及未图示的质量分析器。离子源包括外部管110、内部管111、放电电极112以及气体挡板113。内部管111放置在外部管110内，放电电极112固定在内部管111的外壁上，气体挡板113固定在外部管110的内壁，且紧挨在放电电极112上方。其中，外部管110为内壁至少部分覆盖导体的绝缘管，内部管111为导体管、或者外壁至少部分覆盖导体的绝缘管。通过外部管110内壁的导体、内部管111或者内部管111外壁的导体，将未图示的电压源的电压加载在放电电极112，从而使通过外部管110和放电电极112之间的气体电离。
图2是本发明实施例的气体挡板113的俯视图。气体挡板113包括第一圆环220、第二圆环221以及至少两个固定杆222，且在第二圆环221上同心的设置至少两圈圆弧孔，每圈圆弧孔包括至少两个圆弧孔。第一圆环220的外径等于外部管110的内径，第二圆环221的外径小于第一圆环220的内径，以及第二圆环221的内径大于或等于内部管111的外径。固定杆222的一端固定在第一圆环220的内径处，另一端固定在第二圆环221的外径处。第一圆环220外径处设置有至少三个未图示的螺纹孔，以便于穿过外部管110壁的螺钉，将第一圆环220固定在外部管110内径处。
图3是本发明实施例的放电电极112的俯视图。放电电极112包括第三圆环331、沿着第三圆环331的半径向外延伸的放电尖端332以及在第三圆环331上同心设置的至少两圈圆弧孔，每圈圆弧孔包括至少两个圆弧孔。第三圆环331的外径和放电尖端332的长度之和小于外部管110的内径，第三圆环331内径等于内部管111的外径，且在第三圆环331内径和内部管111的外壁之间无气体流过。放电尖端332的数量以及位置的选择，以通过放电电极112和外部管110之间的气体完全电离为标准，本实施例以三十二个放电尖端为例。外部管110、第一圆环221、第二圆环222、第三圆环331以及内部管111同心放置。
假设第二圆环221具有N圈圆弧孔，从第二圆环221的内径向外径依次称为第1圈圆弧孔、第2圈圆弧孔、……、第n圈圆弧孔、……、第N圈圆弧孔；每圈圆弧孔具有M个圆弧孔，该M个圆弧孔依次称为第1圆弧孔、第2圆弧孔、……、第m圆弧孔、……、第M圆弧孔;气体挡板113上的n×m个圆弧孔都具有相同的宽度，其中圆弧孔的宽度被定义为圆弧孔的大圆弧对应的半径Rb和圆弧孔的小圆弧对应半径Rs差，如图4所示。第n圈圆弧孔的M个圆弧孔具有相同的中心线半径Rc，该中心线半径被定义为圆弧孔的大圆弧对应的半径Rb和圆弧孔的小圆弧对应半径Rs之和的二分之一，如图4所示。假设气体挡板113第1圈圆弧孔中的每个圆弧孔对应的圆弧角为θ，则第n圈圆弧孔中的每个圆弧孔对应的圆弧角为θ/(2^(n-1))，即第n圈圆弧孔中的每个圆弧孔的圆弧角为第n-1圈圆弧孔中的每个圆弧孔的圆弧角的二分之一。圆弧孔的圆弧角α被定义为圆弧孔的两端对应的角度只差，如图4所述。第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端，和第n+1圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端位于相同的角度处(即从第二圆环221的中心观察，第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端，和第n+1圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端对齐)，且第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔左端对应角度，与第n圈圆弧孔中的第m+1个圆弧孔左端对应的角度之差大于或等于2θ。
第三圆环331也具有N圈圆弧孔，从第三圆环331的内径向外径依次称为第1圈圆弧孔、第2圈圆弧孔、……、第n圈圆弧孔、……、第N圈圆弧孔；每圈圆弧孔也具有M个圆弧孔，该M个圆弧孔依次称为第1圆弧孔、第2圆弧孔、……、第m圆弧孔、……、第M圆弧孔; 第三圆环331的n×m个圆弧孔都具有相同的宽度以及相同的圆弧角θ/(2^(N-1))。第n圈圆弧孔的M个圆弧孔也具有相同的中心线半径。第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端，和第n+1圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的右端位于相同的角度处(即从第三圆环331的中心观察，第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端, 和第n+1圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的右端对齐)，且第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔左端对应角度，与第n圈圆弧孔中的第m+1个圆弧孔左端对应的角度之差大于或等于2θ。第三圆环331上的第m圈圆弧孔的中心线半径，等于第二圆环221上的第m圈圆弧孔的中心线半径。
图5是气体挡板13和放电电极112的位置关系示意图。在图5中，用虚线表示放电电极112，实线表示气体挡板113，气体挡板113紧挨着放电电极113，设置在放电电极112上方。如图5所示，随着外部管110的转动，第三圆环331上的第1至第N圈圆弧孔中的圆弧孔，依次与第二圆环221上第1至第N圈中的圆弧孔部分重叠、以及完全不重叠。当第三圆环331上的圆弧孔和第二圆环221上的圆弧孔部分或者完全重叠时，经过外部管110和内部管111之间的气体(例如空气等)，一部分通过外部管110和放电电极112之间时，被放电尖端332电离，形成等离子体，该等离子体被输送到外部管110附近的分析物114处与分析物114反应生成分析物离子，该分析物离子被吸进内部管111中；另一部分则通过第二圆环221上的圆弧孔和第三圆环331上的圆弧孔泄露，该泄露的气体被输送到内部管111的内壁，内部管111内壁附近的泄露气体将会对内部管111中的分析物离子向内部管111的扩散或迁移运动产生阻碍作用，使得大部分分析物离子在扩散到内部管111的内壁之前到的内部管111的末端处，从而减少分析离子的损失。到达内部管111末端的分析物离子，通过接口115进入未图示的质谱仪。
如图5所示，通过旋转外部管110，使得第三圆环331上的第1至第N圈圆弧孔中的圆弧孔，依次与第二圆环221上第1至第N圈中的圆弧孔部分重叠、以及完全不重叠。这样，不仅能够改变泄露气流的量，而且能够改变泄露气流的位置，进而最大可能的优化内部管111内壁处的泄露气体，从而实现对分析物离子扩散或者迁移运动阻碍作用的最大化，最终实现分析物离子损失的最小化以及分析物离子探测灵敏度的最大化。
本申请还存在其它多种可实施的技术方案，在此不做一一列举，本申请权利要求中要求保护的技术方案都是可以实施的。
本申请说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (10)
1.一种便携式质谱仪，包括离子源、采样管接口(115)以及质量分析器；其特征在于，离子源包括外部管(110)、内部管(111)、放电电极(112)以及气体挡板(113)；内部管(111)放置在外部管(110)内，放电电极(112)固定在内部管(111)的外壁上，气体挡板(113)固定在外部管(110)的内壁上，且紧挨在放电电极(112)上方；气体挡板(113)包括第一圆环(220)、第二圆环(221)，放电电极(112)包括第三圆环(331)，随着外部管(110)的转动，第三圆环(331)上的圆弧孔与第二圆环(221)上的圆弧孔部分重叠、以及完全不重叠。
2.根据权利要求1所述的便携式质谱仪，其特征在于，外部管(110)为内壁至少部分覆盖导体的绝缘管。
3.根据权利要求2所述的便携式质谱仪，其特征在于，内部管(111)为导体管、或者外壁部分覆盖导体的绝缘管。
4.根据权利要求3所述的便携式质谱仪，其特征在于，气体挡板(113)还包括至少两个固定杆(222)，且在第二圆环(221)上同心的设置至少两圈圆弧孔，每圈圆弧孔包括至少两个圆弧孔；其中，第一圆环(220)的外径等于外部管(110)的内径，第二圆环(221)的外径小于第一圆环(220)的内径，以及第二圆环(221)的内径大于或等于内部管(111)的外径；固定杆(222)的一端固定在第一圆环(220)的内径处，另一端固定在第二圆环(221)的外径处；第一圆环(220)外径处设置有螺纹孔，以便于穿过外部管(110)壁的螺钉，将第一圆环(220)固定在外部管(110)内径处。
5.根据权利要求4所述的便携式质谱仪，其特征在于，放电电极(112)还包括沿着第三圆环(331)的半径向外延伸的放电尖端(332)以及在第三圆环(331)上同心设置的至少两圈圆弧孔，每圈圆弧孔包括至少两个圆弧孔；第三圆环(331)的外径和放电尖端(332)的长度之和小于外部管(110)的内径，第三圆环(331)内径等于内部管(111)的外径，且在第三圆环(331)内径和内部管(111)的外壁之间无气体流过。
6.根据权利要求5所述的便携式质谱仪，其特征在于，第二圆环(221)上的每个圆弧孔都具有相同的宽度，且每圈圆弧孔的每个圆弧孔具有相同的中心线半径。
7.根据权利要求6所述的便携式质谱仪，其特征在于，第三圆环(331)的圆弧孔都具有相同的宽度以及相同的圆弧角，且每圈圆弧孔的每个圆弧孔都具有相同的中心线半径。
8.根据权利要求7所述的便携式质谱仪，其特征在于，气体挡板(113)的材质为绝缘体，放电电极(112)的材料为导体。
9.根据权利要求8所述的便携式质谱仪，其特征在于，假设第二圆环(221)具有N圈圆弧孔，从第二圆环(221)的内径向外径依次称为第1圈圆弧孔、第2圈圆弧孔、……、第n圈圆弧孔、……、第N圈圆弧孔；每圈圆弧孔具有M个圆弧孔，该M个圆弧孔依次称为第1圆弧孔、第2圆弧孔、……、第m圆弧孔、……、第M圆弧孔;气体挡板(113)第1圈圆弧孔中的每个圆弧孔对应的圆弧角为θ；则第n圈圆弧孔中的每个圆弧孔对应的圆弧角为θ/(2^(n-1))；第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端，和第n+1圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端位于相同的角度处。
10.根据权利要求9所述的便携式质谱仪，其特征在于，其中，第三圆环(331)也具有N圈圆弧孔，从第三圆环(331)的内径向外径依次称为第1圈圆弧孔、第2圈圆弧孔、……、第n圈圆弧孔、……、第N圈圆弧孔；每圈圆弧孔也具有M个圆弧孔，该M个圆弧孔依次称为第1圆弧孔、第2圆弧孔、……、第m圆弧孔、……、第M圆弧孔; 第三圆环(331)的n×m个圆弧孔的圆弧角θ/(2^(N-1))；第n圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的左端，和第n+1圈圆弧孔中的第m个圆弧孔的右端位于相同的角度处；第三圆环(331)上的第m圈圆弧孔的中心线半径，等于第二圆环(221)上的第m圈圆弧孔的中心线半径。
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