CN111105983A - 一种通过直流增强的常压光电离源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及质谱仪电离源，具体的说是一种通过直流增强的常压电离源装置。装置主要包括常压射频灯，四氟绝缘密封片，电极系统，梯度电压系统。本发明本质上是实现了在常压下利用直流电场对离子的操纵，减少了常压下气流流动对离子传输造成的损失。该装置结构简单，可以与质谱或者其他离子分析仪器进行串联，对比没有使用该装置的信号强度可以提高3倍以上。

Description

一种通过直流增强的常压光电离源装置

技术领域

本发明涉及质谱仪电离源，具体的说是一种通过直流增强的常压电离源装置。装置主要包括常压射频灯，四氟绝缘密封片，电极系统，梯度电压系统。本发明本质上是实现了在常压下利用直流电场对离子的操纵，减少了常压下气流流动对离子传输造成的损失。该装置结构简单，可以与质谱或者其他离子分析仪器进行串联，对比没有使用该装置的信号强度可以提高3倍以上。

背景技术

大气压下的离子传输和聚焦一直是质谱技术中一个十分重要的内容。传统使用的离子漏斗可以在1～10Torr的压力范围内有效进行离子聚焦和传输。但是单纯依靠电场作用的传统的离子漏斗存在例如质量歧视，无法去除中性气体的分子等缺陷，所以在常压环境下，如何能够利用除了电场以外的其他方法，或者采用特殊的结构设计来实现离子的聚焦和传输对质谱技术发展具有重要意义。

其中，利用电场辅助来进行常压下高效离子传输一直是质谱进样方式改进的重要方向。Mylchreest[美国发明专利：US005157260A]利用干燥的N₂沿着在所设计的多孔离子传输管运动，从而在管的外层形成一个气体隔膜，溶剂受热挥发会被气体带走，而离子在射频电场作用下通过管进入后端的质谱进样口。

文丘里装置是一种间接利用空气动力学辅助离子传输的装置。Covey等人设计的文丘里装置[美国发明专利：US5412208]，通过N₂流高速流动时形成的负压，电喷雾电离源形成的离子中的溶剂分子带走，同时不影响离子的传输效率。

本发明本质上是实现了在常压下利用直流电场对离子的操纵，减少了常压下气流流动对离子传输造成的损失。该装置结构简单，可以与质谱或者其他离子分析仪器进行串联，对比没有使用该装置的信号强度可以提高5倍以上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流电场增强的常压电离源装置，在射频光电离的基础上，通过在电离区内引入梯度直流电场，减少了气体流动时离子在壁上的碰撞损失，提高了检测灵敏度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

包括射频灯卡套、射频灯、装置出气口、装置进气口电极系统和梯度电压系统和四氟绝缘密封片；电极系统包括灯头环电极、出口环电极、大内径环电极；四氟绝缘密封片包括出口四氟密封件，小内径四氟密封件，大内径四氟密封件；梯度电压系统包括分压电阻、直流电源和接地。

出气口、小内径四氟密封件、大内径环电极、大内径四氟密封件同轴，并且每个环电极之间间隔有一个四氟的密封件，装置顶部灯头环电极内的圆孔用于传输样品气体，吹入的样品气体被顶部的射频光电离，最后在气流和电场的共同作用下，从装置出气口进入后端串联的离子分析仪器。

装置内部是由四氟密封件和环电极形成的中空腔体，同时腔体的内径是变化的，腔体顶部的内径大于底部的内径；直流电压直接加载在灯头环电极上，同时每个环电极之间串联有一个电阻分压，出口环电极通过一个的电阻接地；装置内从顶部到底部电压呈现由高到低的分布，同时电极内径的变化导致装置内部形成特殊的物理梯度电场，可以推动离子在向装置出气口运动的同时汇聚，减少腔体内壁上的离子碰撞损失。

灯头环电极是内径从小到大的电极，并且内径较小的一面面向射频灯，内径较大的一面和大内径四氟密封件相接，为了保证射频灯光电离的效率，灯头环电极小内径尺寸在7，大内径10mm，环电极的厚度在6mm，灯头环电极内壁的一侧是装置进气口，装置进气口的内径在3mm。

电极系统除了灯头环电极以外，出口环电极和大内径环电极都是内径固定的圆环，厚度都为1.5mm，出口环电极的内径在6mm，大内径环电极内径和灯头环电极内径较大一面的内径相等。

四氟绝缘密封片厚度都为1.5mm，出口四氟密封件的内径为3mm，小内径四氟密封件的内径和出口环电极的内径相等，大内径四氟密封件的内径和大内径环电极的内径相等。

梯度电压系统是装置内部形成梯度电场的根本原因；每个环电极之间串联有电阻，电阻大小在1MΩ，用以将直流电源的电压分压，因而装置内部从灯头环电极到出口环电极上的电压会逐渐的降低；直流电场的梯度越大，直流增强常压电离源装置的增强效果会逐渐增强，仪器的信号强度最终会趋于稳定，直流电场梯度约为200V/mm；直流电源的电压可调2000V，电压过高时，装置内部有可能会发生放电，此时应该考虑降低电压或者增加环电极之间的四氟绝缘密封片的厚度。

装置进气口的流量对直流增强常压电离源装置的增强效果有很大影响，气体的流量越大，直流增强的效果越明显。这里使用的气体的流量为500mL/min，装置出气口后端可以连接给各种离子分析仪器，例如质谱或者迁移谱。

本发明的优点：

本发明减少了常压下离子在气流作用下在漏斗形电极内部流动时的损失，装置结构简单，可以与质谱或者其他离子分析仪器进行串联，对比没有使用该装置的信号强度可以提高3倍以上。

附图说明

图1为直流增强常压光电离源装置截面图

图2为使用直流增强装置测得的100ng海洛因；

图3为使用直流增强装置测得的饱和丙酮的空气中的丙酮；

图4为未使用直流增强装置测得的100ng海洛因；

图5为未使用直流增强装置测得的饱和丙酮的空气中的丙酮；

具体实施方式

如图1所示，为直流增强常压光电离源装置截面图，包括射频灯卡套、射频灯、装置出气口、装置进气口电极系统和梯度电压系统和四氟绝缘密封片；电极系统包括灯头环电极、出口环电极、大内径环电极；四氟绝缘密封片包括出口四氟密封件，小内径四氟密封件，大内径四氟密封件；梯度电压系统包括分压电阻、直流电源和接地。

出气口、小内径四氟密封件、大内径环电极、大内径四氟密封件同轴，并且每个环电极之间间隔有一个四氟的密封件，装置顶部灯头环电极内的圆孔用于传输样品气体，吹入的样品气体被顶部的射频光电离，最后在气流和电场的共同作用下，从装置出气口进入后端串联的离子分析仪器。

装置内部是由四氟密封件和环电极形成的中空腔体，同时腔体的内径是变化的，腔体顶部的内径大于底部的内径；直流电压直接加载在灯头环电极上，同时每个环电极之间串联有一个电阻分压，出口环电极通过一个的电阻接地；装置内从顶部到底部电压呈现由高到低的分布，同时电极内径的变化导致装置内部形成特殊的物理梯度电场，可以推动离子在向装置出气口运动的同时汇聚，减少腔体内壁上的离子碰撞损失。

灯头环电极是内径从小到大的电极，并且内径较小的一面面向射频灯，内径较大的一面和大内径四氟密封件相接，为了保证射频灯光电离的效率，灯头环电极小内径尺寸在7，大内径10mm，环电极的厚度在6mm，灯头环电极内壁的一侧是装置进气口，装置进气口的内径在3mm。

电极系统除了灯头环电极以外，出口环电极和大内径环电极都是内径固定的圆环，厚度都为1.5mm，出口环电极的内径在6mm，大内径环电极内径和灯头环电极内径较大一面的内径相等。

四氟绝缘密封片厚度都为1.5mm，出口四氟密封件的内径为3mm，小内径四氟密封件的内径和出口环电极的内径相等，大内径四氟密封件的内径和大内径环电极的内径相等。

梯度电压系统是装置内部形成梯度电场的根本原因；每个环电极之间串联有电阻，电阻大小在1MΩ，用以将直流电源的电压分压，因而装置内部从灯头环电极到出口环电极上的电压会逐渐的降低；直流电场的梯度越大，直流增强常压电离源装置的增强效果会逐渐增强，仪器的信号强度最终会趋于稳定，直流电场梯度约为200V/mm；直流电源的电压可调2000V，电压过高时，装置内部有可能会发生放电，此时应该考虑降低电压或者增加环电极之间的四氟绝缘密封片的厚度。

使用的气体的流量为500mL/min，装置出气口后端接离子阱质谱仪。

实施例1

上述装置进行应用，图2是使用直流增强装置检测的100ng海洛因蒸汽相，可以发现使用了直流增强装置后仪器的信号强度增强了2～3倍。

实施例2

上述装置进行应用，图3是使用直流增强装置检测的饱和丙酮的空气中的丙酮，可以发现使用了直流增强装置后仪器的信号强度增强了2～3倍。

对比例

与实施例1和2不同之处在于：灯头环电极、大内径环电极、大内径四氟密封件、出口环电极、小内径四氟密封件中部通孔直径相同，均为6mm，如图4是使用该装置检测的100ng的海洛因蒸汽相。图5是使用该装置检测的饱和丙酮空气中的丙酮，将图4和图2对比，图5和图3对比可以证明，使用所设计的直流增强的常压电离源装置对仪器的信号强度可以提高2倍左右。

Claims (8)

1.一种通过直流增强的常压电离源装置，其特征在于：

装置包括射频灯(2)、电极系统和梯度电压系统和四氟绝缘密封片；

电极系统包括中部带通孔的灯头环电极(3)、中部带通孔的出口环电极(5)、2个以上的中部带通孔的大内径环电极(9)；四氟绝缘密封片包括中部带通孔的环状出口四氟密封件(6)、中部带通孔的环状小内径四氟密封件(8)、中部带通孔的环状大内径四氟密封件(10)；梯度电压系统包括分压电阻(4)、直流电源(12)和接地(13)；

灯头环电极(3)中部的通孔为圆台形通孔，射频灯(2)置于灯头环电极(3)圆台形通孔上底面上方，射频灯(2)的出光口与灯头环电极(3)上底面圆台形通孔的四周边缘密闭连接，于灯头环电极(3)圆台形通孔下底面下方依次同轴间隔设置有2个以上的大内径环电极(9)、出口环电极(5)；于灯头环电极(3)和大内径环电极(9)之间、以及2个以上的大内径环电极(9)之间分别均设有与相邻电极密闭连接的大内径四氟密封件(10)；于大内径环电极(9)与出口环电极(5)之间设有与相邻电极密闭连接的小内径四氟密封件(8)，于出口环电极(5)下方远离大内径环电极(9)的一侧设有与出口环电极(5)密闭连接的出口四氟密封件(6)；

灯头环电极(3)、大内径环电极(9)、大内径四氟密封件(10)、出口环电极(5)、小内径四氟密封件(8)、出口四氟密封件(6)通孔同轴，并由它们的通孔构成一中空腔室；射频灯(2)的出射光从灯头环电极(3)上方沿圆台形通孔的轴向射入中空腔室内；

灯头环电极(3)圆台形通孔下底面直径大于上底面直径；圆台形通孔下底面直径、大内径环电极(9)通孔直径、大内径四氟密封件(10)通孔直径相等；大内径环电极(9)通孔直径大于出口环电极(5)通孔直径，出口环电极(5)通孔直径与小内径四氟密封件(8)通孔直径相等；出口四氟密封件(6)通孔直径小于出口环电极(5)通孔直径；

于灯头环电极(3)的侧壁上开设有作为装置进气口(11)的通孔，装置进气口(11)的轴向与圆台形通孔轴向相垂直；出口四氟密封件(6)的中部通孔作为装置出气口(7)；

直流电源(12)的直流电压直接加载在灯头环电极(3)上，从上至下的灯头环电极(3)、2个以上的大内径环电极(9)、出口环电极(5)的相邻2个电极之间均经分压电阻(4)导线连接，即在相邻环电极之间串联有一个电阻分压，出口环电极(5)通过一个的电阻接地。

2.据权利要求1所述的通过直流增强的常压电离源装置，其特征在于：装置进气口(11)用于传输样品气体，吹入的样品气体被顶部的射频光电离，最后在气流和电场的共同作用下，从装置出气口(7)进入后端串联的离子分析仪器；

装置内部是由四氟密封件和环电极形成的中空腔体，同时腔体的内径是变化的，腔体顶部的内径大于底部的内径；直流电压直接加载在灯头环电极(3)上，同时每个环电极之间串联有一个电阻分压，出口环电极(5)通过一个的电阻接地；装置内从顶部到底部电压呈现由高到低的分布，同时电极内径的变化导致装置内部形成特殊的物理梯度电场，可以推动离子在向装置出气口(11)运动的同时汇聚，减少腔体内壁上的离子碰撞损失。

3.据权利要求1所述的通过直流增强的常压电离源装置，其特征在于：

所述的灯头环电极(3)是中部通孔内径从小到大的电极，并且内径较小的一面面向射频灯(2)，内径较大的一面和大内径四氟密封件(10)相接，为了保证射频灯光电离的效率，灯头环电极小内径尺寸在7～8mm，大内径8mm～10mm，厚度在5mm～7mm；灯头环电极内壁的一侧是装置进气口(11)，装置进气口的内径在3mm～4mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述的电极系统除了灯头环电极以外，出口环电极(5)和大内径环电极(9)都是中部通孔内径固定的圆环，厚度都为1.0mm～1.5mm，出口环电极的中部通孔内径在5.5mm～6mm，大内径环电极(9)中部通孔内径和灯头环电极(3)中部通孔内径较大一面的内径相等。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述的四氟绝缘密封片厚度都为1.0～1.5mm，出口四氟密封件(6)的中部通孔内径为3mm～3.5mm，小内径四氟密封件(8)的中部通孔内径和出口环电极的中部通孔内径相等，大内径四氟密封件(10)的中部通孔内径和大内径环电极(9)的中部通孔内径相等。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

所述的梯度电压系统是装置内部形成梯度电场的根本原因；每个环电极之间串联有电阻，电阻大小在0.6MΩ～1MΩ之间，用以将直流电源(12)的电压分压，因而装置内部从灯头环电极到出口环电极上的电压会逐渐的降低；直流电场的梯度越大，直流增强常压电离源装置的增强效果会逐渐增强，仪器的信号强度最终会趋于稳定，直流电场梯度在150～250V/mm；直流电源的电压可调2000V～5000V，电压过高时，装置内部有可能会发生放电，此时应该考虑降低电压或者增加环电极之间的四氟绝缘密封片的厚度。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

所述的装置进气口(11)的流量对直流增强常压电离源装置的增强效果有很大影响，气体的流量越大，直流增强的效果越明显；这里使用的气体的流量为500mL/min～600mL/min，装置出气口(7)后端可以连接给各种离子分析仪器，例如质谱或者迁移谱。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：于射频灯(2)外部设有射频灯卡套(1)。

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