CN111430215A - 一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器和软聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器和软聚焦方法，包括电离源、入口电极、多片圆环电极、多片屏蔽网电极、离子出口电极和直流电源；所述的屏蔽网电极中心有开孔，开孔左侧面被导电网封闭，右侧敞开；所述的多片屏蔽网电极右侧敞开口径从大逐渐缩小，形成漏斗状；所述的入口电极、多片圆环电极、多片屏蔽网电极、离子出口电极之间采用绝缘密封垫片隔开，形成中空的离子化器腔；本发明的离子聚焦方法是通过在一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器内形成逐步软聚焦引导电场，产物离子可被高效聚焦引导并保持低电场软电离效果，具有很高的离子透过效率和软电离效果，不需要额外射频电源，在体积、功率、重量、成本等方面更有优势。

Description

一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器和软聚焦方法

技术领域

本发明属于分析检测领域，具体涉及一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器和软聚焦方法。

背景技术

由于挥发性有机物(Volatile organic compounds,VOCs)标准检测方法仍然是速度较慢的色谱类技术或者嗅辨师嗅探，因为时效性差、主观性等问题，环境保护部门急需高效、客观、灵敏、可现场排查的VOCs污染源监测技术和方法甚至仪器。质子转移反应质谱(Proton transfer reaction mass spectrometry,PTR-MS)技术因响应快、探测下限低、自定量测量和软电离等特色，特别适合低浓度气体的快速高灵敏检测。因此，发明人团队研发了基于PTR-MS原理的大气VOCs车载走航监测质谱仪(Mobile proton transfer reactionmass spectrometry,M-PTR-MS)，该质谱仪功率小、体积小、重量轻，可以方便地安装在环境监测车上“边走边测”，开展城市VOCs污染源的快速排查，已被全国多个省市环保部门和环保企业采用。但前期根据车载走航需要，M-PTR-MS优先考虑了体积和功率，而小型化、低功率设计的M-PTR-MS灵敏度有限，适合ppbv级VOCs的秒级走航监测，对人鼻敏感的pptv级VOCs监测则需要十秒以上。因此，进一步提高走航质谱M-PTR-MS灵敏度，可提高走航速度，能在更短时间内获取城市区域pptv级低浓度VOCs分布特征。

经典的PTR-MS离子化器是施加直流电压获得均匀电场引导离子的，但是均匀电场条件下离子碰撞扩散导致离子无法通过真空差分的小孔，限制了PTR-MS灵敏度的提升。近年来，研究者一直在尝试发展PTR-MS离子化器的离子聚焦技术方法，已取得了一定的效果，但诸如离子漏斗、四极杆引导等技术因增加射频电源、增加仪器体积、功率和成本等，不适合用于小型化、低功率设计的M-PTR-MS中。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对M-PTR-MS灵敏度有限，提供一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器和软聚焦方法。这种离子化器由内径逐渐缩小的屏蔽网电极单元组成，蔽网电极单元中心开孔左侧是屏蔽网，右侧敞口，多片屏蔽网敞口向右逐渐缩小，呈漏斗状，离子可在这种离子化器的静电场作用下，向离子出口电极的中心小孔软聚焦并引出。在减少离子损失的同时避免了碎片离子产生，从而实现质谱检测器对有机物的高灵敏检测。

本发明技术解决方案为：一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器，包括电离源、入口电极、多片圆环电极、多片屏蔽网电极、离子出口电极和直流电源；所述的电离源、入口电极、多片圆环电极、多片屏蔽网电极、离子出口电极从左向右同轴心装配；

所述的直流电源的两极分别连接到入口电极和离子出口电极两端；

所述的入口电极、多片圆环电极、多片屏蔽网电极、离子出口电极之间依次用电阻相连；

所述的屏蔽网电极中心有开孔，开孔左侧面设置有导电网，用来屏蔽隔离导电网前后的电场，右侧敞开；所述的多片屏蔽网电极的右侧敞口孔径从大逐渐缩小，组合形成漏斗状的开口；

所述入口电极中心设有第一孔，所述离子出口电极中心设有离子引出的第二孔；所述的入口电极、多片圆环电极、多片屏蔽网电极、离子出口电极之间采用绝缘密封垫片隔开，形成中空的离子化器腔，或通过整体放入另一密封腔体内形成离子化器腔。

进一步的，所述的直流电源的两极分别连接到入口电极和出口电极两端，具体为：

用于正离子时，所述的直流电源正极与入口电极相连，负极和离子出口电极相连；或者，用于负离子时，所述的直流电源负极与入口电极相连，正极和离子出口电极相连。

进一步的，所述的屏蔽网电极中心的开孔为圆柱形孔、锥柱形孔、球形孔或方形孔。

进一步的，所述的离子出口电极中心的离子引出第二孔直径为0.1mm～5mm。

进一步的，所述的入口电极中心第一孔直径为0.1mm～25mm。

进一步的，所述的电离源为是放电离子源、光电离源、电子轰击电离源或电喷雾离子源。

进一步的，所述的离子化器腔内气压为10Pa～1000Pa。

根据本发明的另一方面，还提出一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器的离子软聚焦方法，包括如下步骤：

在直流电源在入口电极和离子出口电极上施加直流电压，电阻将电压分到多片圆环电极和多片屏蔽网电极上，在电极之间形成电场，其中多片圆环电极形成均匀电场，多片屏蔽网电极形成聚焦电场；如果电离源是放电离子源，母离子通过入口电极的中心第一孔进入离子化器腔内，通过离子分子反应原理，将待测物离子化；如果电离源是光电离源，光子通过入口电极的中心第一孔进入离子化器腔内，通过光电离原理将待测物质离子化；离子化器腔内的离子束先被多片圆环电极之间的均匀电场引导，与载气碰撞，离子扩散，束径变大，之后被多片屏蔽网电极之间的聚焦电场逐步聚焦引导，离子束径逐步缩小，最终引导出离子出口电极的第二孔，从而实现离子的高效聚焦引导。

本发明与现有技术相比的区别和优点在于：

(1)常规质子转移反应质谱中，离子化器中是均匀电场引导离子，而离子碰撞扩散会导致离子无法通过真空差分的小孔，限制了PTR-MS灵敏度的提升。现有技术中离子化器仪器体积较大、功率和成本都很高，且需要复杂的电极结构和额外配备的射频电源，让技术方法实现较为复杂、成本高，增加射频电源不仅增加了耗电功率，体积重量也会增加，不适用于小型化、低功率设计的M-PTR-MS。本发明采用屏蔽网电极的软聚焦离子化器，实现离子的高效软聚焦，提高检测灵敏度，实现类似质子转移反应质谱的化学电离质谱和光电离质谱的高灵敏检测。本发明主要包括电离源、入口电极、多片圆环电极、多片屏蔽网电极、离子出口电极和直流电源。屏蔽网电极中心有开孔，开孔左侧面被导电网封闭，右侧敞开，多片屏蔽网电极右侧敞开口径从大逐渐缩小，形成漏斗状。入口电极、多片圆环电极、多片屏蔽网电极、离子出口电极之间依次用电阻相连。这种屏蔽网电极的软聚焦离子化器的连接方式与现有技术不同。

(2)本发明的创新之处在于：通过一种新型屏蔽网电极单元组合成离子聚焦部件，这种新型屏蔽网电极中心有开孔，开孔左侧面被导电网封闭，右侧敞开，多片屏蔽网电极右侧敞开口径从大逐渐缩小，形成漏斗状。入口电极、多片圆环电极、多片屏蔽网电极、离子出口电极之间依次用电阻相连。在常规直流电源静电场条件下，形成多级聚焦电场，实现逐步软聚焦，避免离子碰壁损失，将更多的离子引出离子出口电极。相比现有的常规直流电压离子化器而言，本发明具有更高的离子透过效率和相同的软电离效果；相比离子漏斗和四极杆引导技术的离子化器而言，本发明不需要射频电源，在体积、功率、重量、成本等方面更有优势。本发明最大的优点在于聚焦效果好、不破坏软电离、成本低、不增加仪器体积、功率和重量，可应用于车载走航监测质谱仪M-PTR-MS中，提高灵敏度和走航效率。

附图说明

图1为本发明的一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器示意图；

图2为本发明的一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器初步试验比对结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例的一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器，包括电离源1、入口电极2、多片圆环电极3、多片屏蔽网电极4、离子出口电极5和直流电源6；所述的电离源1、入口电极2、多片圆环电极3、多片屏蔽网电极4、离子出口电极5从左向右同轴心装配；用于正离子时，所述的直流电源6正极与入口电极2相连，负极和离子出口电极5相连；或者，用于负离子时，所述的直流电源6负极与入口电极2相连，正极和离子出口电极5相连；所述的入口电极2、多片圆环电极3、多片屏蔽网电极4、离子出口电极5之间依次用电阻相连；所述的屏蔽网电极4中心有开孔，开孔左侧面设置有导电网，用来屏蔽隔离导电网前后的电场，右侧敞开；所述的屏蔽网电极4的右侧敞口为球形孔，多片球形孔径从大逐渐缩小的屏蔽网电极4组合形成漏斗状的开口；所述入口电极2中心设有第一孔，所述离子出口电极5中心设有离子引出的第二孔；所述的入口电极2、多片圆环电极3、多片屏蔽网电极4、离子出口电极5之间采用绝缘密封垫片隔开，形成中空的离子化器腔7，或通过整体放入密封大腔体内形成离子化器腔7；所述的构成离子化器腔7的相邻电极间距可在0.5mm～10mm之间，屏蔽网电极4的数量根据反应管长度和聚焦效果需要确定；

根据本发明的优选实施例，可在在离子化器7末端选用1到若干片屏蔽网电极4，也可以全部使用屏蔽网电极4，不用圆环电极3。

本发明的屏蔽网电极的软聚焦离子化软聚焦方法，具体步骤为：：

直流电源6在入口电极2和离子出口电极5上施加直流电压，电阻将电压分到多片圆环电极3和多片屏蔽网电极4上，在电极之间形成静电场，其中多片圆环电极3形成均匀静电场，多片屏蔽网电极4形成聚焦静电场；如果电离源1是放电离子源，母离子通过入口电极2的中心第一孔进入离子化器腔7内，通过离子分子反应原理，将待测物离子化；如果电离源1是光电离源，光子通过入口电极2的中心第一孔进入离子化器腔7内，通过光电离原理将待测物质离子化；离子化器腔7内的离子束先被多片圆环电极3之间的均匀电场引导，与载气碰撞，离子扩散，束径变大，之后被多片屏蔽网电极4之间的聚焦电场逐步聚焦引导，离子束径逐步缩小，最终引导出离子出口电极5的第二孔，从而实现离子的高效聚焦引导。

所述的直流电源极性与被引导离子的极性要求相关，如果引导正离子向离子出口电极5方向迁移，则直流电源正极应该与入口电极2相连，负极与离子出口电极5相连；如果引导负离子向离子出口电极5方向迁移，则直流电源负极应该与入口电极2相连，正极与离子出口电极5相连。即本发明方法对正离子和负离子聚焦引导均可使用。

为了获得化学电离或光电离高灵敏聚焦检测效果，所述的屏蔽网电极4中心的开孔可以是圆柱形孔、锥柱形孔、球形孔、方形孔等；所述的离子化器腔7内气压为10Pa～1000Pa；所述的离子出口电极5中心的离子引出第二孔直径为0.1mm～5mm；所述的入口电极2中心第一孔直径为0.1mm～25mm；离子化器7内形成的有效电场范围应在10V/cm～700V/cm范围内；所述的入口电极2或者离子出口电极5上开有进样口，可将待测物引入离子化器7内。

所述的电离源1可以是放电离子源、光电离源、电子轰击电离源或电喷雾离子源等。

具体实施时，所述的电离源1可以是产生母离子的放电离子源，也可以是光电离源或电喷雾离子源等，也可以是可单独开关控制选择任意一种使用的集合电离源；当电离源1是光电离源时，在离子化器腔7内待测物将被直接电离成产物离子，产物离子在离子化器腔7内电场作用下聚焦前行，最终被引出离子出口电极5；如果是集合电离源，则可以针对不同性质分子进行选择性电离，可检测的物种更多；根据离子检测需要，该离子化器可以与四极杆质谱、飞行时间质谱、离子阱质谱、傅里叶变换离子回旋共振质谱或磁质谱等探测器相连，构成高灵敏质谱检测系统。

图2所示为本发明的一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器初步试验比对结果，实线是传统的圆环电极离子化器实验结果，虚线为本发明的屏蔽网电极离子化器初步试验结果，弯折线表示灵敏度提高倍数，初步结果表明，本方法至少可以提高灵敏度三到五倍，进一步对结构和实验参数进行优化，有可能提高十倍以上。

本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器，其特征在于：包括电离源(1)、入口电极(2)、多片圆环电极(3)、多片屏蔽网电极(4)、离子出口电极(5)和直流电源(6)；所述的电离源(1)、入口电极(2)、多片圆环电极(3)、多片屏蔽网电极(4)、离子出口电极(5)从左向右同轴心装配；

所述的直流电源(6)的两极分别连接到入口电极(2)和离子出口电极(5)两端；

所述的入口电极(2)、多片圆环电极(3)、多片屏蔽网电极(4)、离子出口电极(5)之间依次用电阻相连；

所述的屏蔽网电极(4)中心有开孔，开孔左侧面设置有导电网，用来屏蔽隔离导电网前后的电场，右侧敞开；所述的多片屏蔽网电极(4)的右侧敞口孔径从大逐渐缩小，组合形成漏斗状的开口；

所述入口电极(2)中心设有第一孔，所述离子出口电极(5)中心设有离子引出的第二孔；所述的入口电极(2)、多片圆环电极(3)、多片屏蔽网电极(4)、离子出口电极(5)之间采用绝缘密封垫片隔开，形成中空的离子化器腔(7)，或通过整体放入另一密封腔体内形成离子化器腔(7)。

2.根据权利要求1所述的一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器，其特征在于：所述的直流电源(6)的两极分别连接到入口电极(2)和离子出口电极(5)两端，具体为：

用于正离子时，所述的直流电源(6)正极与入口电极(2)相连，负极和离子出口电极(5)相连；或者，用于负离子时，所述的直流电源(6)负极与入口电极(2)相连，正极和离子出口电极(5)相连。

3.根据权利要求1所述的一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器，其特征在于：所述的屏蔽网电极(4)中心的开孔为圆柱形孔、锥柱形孔、球形孔或方形孔。

4.根据权利要求1所述的一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器，其特征在于：所述的离子出口电极(5)中心的离子引出第二孔直径为0.1mm～5mm。

5.根据权利要求1所述的一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器，其特征在于：所述的入口电极(2)中心第一孔直径为0.1mm～25mm。

6.根据权利要求1所述的一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器，其特征在于：所述的电离源(1)为是放电离子源、光电离源、电子轰击电离源或电喷雾离子源。

7.根据权利要求1所述的一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器，其特征在于：

所述的离子化器腔(7)内气压为10Pa～1000Pa。

8.一种屏蔽网电极的软聚焦离子化器的离子软聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

在直流电源(6)在入口电极(2)和离子出口电极(5)上施加直流电压，电阻将电压分到多片圆环电极(3)和多片屏蔽网电极(4)上，在电极之间形成电场，其中多片圆环电极(3)形成均匀电场，多片屏蔽网电极(4)形成聚焦电场；如果电离源(1)是放电离子源，母离子通过入口电极(2)的中心第一孔进入离子化器腔(7)内，通过离子分子反应原理，将待测物离子化；如果电离源(1)是光电离源，光子通过入口电极(2)的中心第一孔进入离子化器腔(7)内，通过光电离原理将待测物质离子化；离子化器腔(7)内的离子束先被多片圆环电极(3)之间的均匀电场引导，与载气碰撞，离子扩散，束径变大，之后被多片屏蔽网电极(4)之间的聚焦电场逐步聚焦引导，离子束径逐步缩小，最终引导出离子出口电极(5)的第二孔，从而实现离子的高效聚焦引导。

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