CN112216593A - 质谱仪及其进样机构以及单颗粒物的检测方法 - Google Patents

质谱仪及其进样机构以及单颗粒物的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种质谱仪及其进样机构以及单颗粒物的检测方法。进样机构包括粒子束形成装置以及粒子束阻挡装置。粒子束形成装置具有粒子束形成通道以及分别设于粒子束形成通道的两端的进样口和粒子束出口。粒子束阻挡装置包括挡板以及用于驱动挡板运动的驱动机构；挡板具有用于供粒子束穿过的第一通道。当挡板运动至第一通道与粒子束出口相对应时，粒子束穿过第一通道；当挡板运动至第一通道与粒子束出口错开时，粒子束由挡板阻挡。质谱仪包括该进样机构、粒子加速电极以及检测机构，使用该质谱仪能够准确检测超细颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径和化学组成。

Description

质谱仪及其进样机构以及单颗粒物的检测方法
技术领域
本发明涉及粒子检测领域，具体涉及一种质谱仪及其进样机构以及单颗粒物的检测方法。
背景技术
空气中的细小颗粒物，尤其是超细颗粒物(空气动力学粒径小于或等于100nm的颗粒物)对人类健康以及全球辐射平衡等环境过程的不利影响日益显著。为了解决这类问题，需要对空气中超细颗粒物的理化性质有一定的了解，比如超细颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径和化学组成等。在了解了单颗粒物的理化性质后，可以针对性地对颗粒物进行处理。目前常用的检测手段难以准确获得超细颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径和化学组成。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够准确获得超细颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径和化学组成的质谱仪及其进样机构，以及单颗粒物的检测方法。
一种质谱仪的进样机构，其特征在于，包括粒子束形成装置以及粒子束阻挡装置；
所述粒子束形成装置具有粒子束形成通道以及分别设于所述粒子束形成通道两端的进样口和粒子束出口；所述进样口用于加入待检测的颗粒物，所述粒子束形成通道用于将所述待检测的颗粒物聚集成为粒子束并从所述粒子束出口射出至所述粒子束阻挡装置；
所述粒子束阻挡装置包括挡板以及驱动所述挡板运动的驱动机构；所述挡板具有用于供所述粒子束穿过的第一通道；当所述挡板运动至所述第一通道与所述粒子束出口相对应时，所述粒子束穿过所述第一通道；当所述挡板运动至所述第一通道与所述粒子束出口错开时，所述粒子束由所述挡板阻挡。
在其中一个实施例中，所述粒子束形成装置还具有设于所述进样口与所述粒子束形成通道之间的临界孔和缓冲腔；所述待检测的颗粒物按顺序依次通过所述进样口、所述临界孔、所述缓冲腔、所述粒子束形成通道。
在其中一个实施例中，所述驱动机构驱动所述挡板作旋转运动。
在其中一个实施例中，所述质谱仪的进样机构还包括真空室；所述粒子束出口、所述挡板均设于所述真空室内。
在其中一个实施例中，所述真空室内设有隔板；所述隔板将所述真空室分为第一真空室和第二真空室；所述粒子束出口设于所述第一真空室内，所述挡板设于所述第二真空室内；
所述隔板上设有第二通道，所述第二通道与所述粒子束出口相对应，从所述粒子束出口射出的所述粒子束穿过所述第二通道运动至所述粒子束阻挡装置。
在其中一个实施例中，从所述粒子束出口至所述第一通道，所述第二通道的内径逐渐增大。
一种质谱仪，包括粒子加速电极、检测机构以及上述任一实施例中所述的进样机构；
所述粒子加速电极与所述进样机构对应设置，所述粒子加速电极用于加速穿过所述第一通道之后的粒子束；
所述检测机构与所述粒子加速电极对应设置，所述检测机构用于检测经过所述粒子加速电极加速之后的粒子束。
在其中一个实施例中，所述检测机构包括电离激光器、阳离子反射电极、阴离子反射电极、阳离子探测器以及阴离子探测器；
所述电离激光器与所述粒子加速电极对应设置，用于对进入所述粒子加速电极的粒子束进行电离；
所述阳离子反射电极、所述阴离子反射电极分别与所述粒子加速电极对应设置，电离之后形成的阳离子朝向所述阳离子反射电极运动，电离之后形成的阴离子朝向所述阴离子反射电极运动；
所述阳离子探测器与所述阳离子反射电极对应设置，所述阴离子探测器与所述阴离子反射电极对应设置。
在其中一个实施例中，所述质谱仪还包括分析装置；所述分析装置分别与所述粒子束阻挡装置、所述电离激光器、所述阳离子探测器、所述阴离子探测器电连接。
一种单颗粒物的检测方法，采用上述任一实施例中所述的质谱仪，所述检测方法包括如下步骤：
待检测的颗粒物从所述进样口加入，然后经过所述粒子束形成通道之后形成粒子束，所述粒子束穿过所述第一通道之后由所述粒子加速电极加速，加速之后的粒子束进入所述检测机构进行检测；
根据所述粒子束从所述第一通道运动至所述粒子加速电极的时间确定所述待检测的颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径；
根据所述检测机构获取的质谱图确定所述待检测的颗粒物中单颗粒物的化学组成。
上述质谱仪的进样机构，包括粒子束形成装置和粒子束阻挡装置。待检测的颗粒物在粒子束形成装置中形成粒子束，然后粒子束朝向粒子束阻挡装置运动。粒子束阻挡装置包括挡板以及驱动挡板运动的驱动机构，挡板具有用于供粒子束穿过的第一通道。当挡板运动至第一通道与粒子束出口相对应时，粒子束能够穿过所述第一通道；当挡板运动至第一通道与粒子束出口错开时，粒子束由挡板阻挡。第一通道相对于挡板较小，粒子束能够通过第一通道的时间段较短，使得在检测过程中每次通过第一通道的颗粒物数量较少。并且通过调整挡板的运动周期可以使得每次通过第一通道的颗粒物之间不存在相互影响，使得在检测过程能够准确获取超细颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径和化学组成。
上述质谱仪包括粒子加速电极、检测机构以及上述进样机构。待检测的颗粒物通过上述进样机构之后形成粒子束，并且粒子束穿过第一通道之后朝向粒子加速电极运动，然后粒子束经过粒子加速电极之后进入检测机构。在检测过程中，颗粒物之间不存在相互影响，能够准确获取超细颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径和化学组成。
上述单颗粒物的检测方法，采用上述质谱仪，根据粒子束从第一通道运动至粒子加速电极的时间，结合质谱条件下颗粒物的运动时间与粒径的关系，能够确定粒子束中单颗粒物的空气动力学粒径。同时，采用上述质谱仪，检测机构能够获取粒子束中单颗粒物的质谱图，进而通过该质谱图确定单颗粒物的化学组成。
附图说明
图1为本发明一实施例中质谱仪的结构示意图。
图2为图1对应的质谱图的粒子束阻挡装置的俯视图。
图3为本发明一实施例中单颗粒物的空气动力学粒径与飞行时间的关系图。
图中标记说明：10：粒子束形成装置；11：进样口；12：临界孔；13：缓冲腔；14：真空规；15：粒子束形成通道；16：粒子束出口；20：粒子束阻挡装置；21：挡板；22：第一通道；30：真空室；31：隔板；32：第一真空室；33：第二真空室；34：第三真空室；35：第二通道；40：质谱仪；41：粒子加速电极；42：电离激光器；43：阳离子反射电极；44：阴离子反射电极；45：阳离子探测器；46：阴离子探测器；47：分析装置。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本发明一实施例提供了一种质谱仪40，包括粒子加速电极41、检测机构以及进样机构。粒子加速电极41与进样机构对应设置，粒子加速电极41用于加速穿过第一通道22之后的粒子束。检测机构与粒子加速电极41对应设置，检测机构用于检测经过粒子加速电极41加速之后的粒子束。
在一个具体的示例中，检测机构包括电离激光器42、阳离子反射电极43、阴离子反射电极44、阳离子探测器45以及阴离子探测器46。
电离激光器42与粒子加速电极41对应设置，用于对进入粒子加速电极41的粒子束进行电离。
阳离子反射电极43、阴离子反射电极44分别与粒子加速电极41对应设置，电离之后形成的阳离子朝向阳离子反射电极43运动，电离之后形成的阴离子朝向阴离子反射电极44运动。
阳离子探测器45与阳离子反射电极43对应设置，阴离子探测器46与阴离子反射电极44对应设置。
本实施例中检测机构为双极反射飞行时间质量分析器，粒子束在离子加速电极41中被电离形成阳离子和阴离子，然后阳离子和阴离子分别运动至阳离子反射电极43和阴离子反射电极44，进而通过阳离子探测器45、阴离子探测器46得到待检测颗粒中单颗粒物的质谱图。可以理解的是，本发明中检测机构还可以为单级反射飞行时间质量分析器，即检测机构中包括阳离子反射电极或阴离子反射电极，以及相对应的阳离子探测器或阴离子探测器，粒子束在离子加速电极中被电离形成阳离子和阴离子，根据阳离子探测器或阴离子探测器得到待检测颗粒中单颗粒物的质谱图，然后根据该质谱图确定待检测的颗粒物中单颗粒物的化学组成。
在一个具体的示例中，质谱仪40还包括分析装置47；分析装置47分别与粒子束阻挡装置20、电离激光器42、阳离子探测器45、阴离子探测器46电连接。
分析装置47与粒子束阻挡装置20电连接，能够检测并记录粒子束到达第一通道22的时间。分析装置47与电离激光器42电连接，能够控制电离激光器42发出激光对进入粒子加速电极41中的粒子束进行电离，同时检测并记录电离激光触发信号，检测到电离激光触发信号的时间作为粒子束进入粒子加速电极41的时间。单颗粒物的飞行时间为粒子束从第一通道22运动至粒子加速电极41的时间，根据该飞行时间确定待检测的颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径。
本实施例中分析装置47分别与阳离子探测器45、阴离子探测器46电连接，根据阳离子探测器45和阴离子探测器46得到待检测颗粒中单颗粒物的质谱图，然后根据该质谱图确定待检测的颗粒物中单颗粒物的化学组成。
本实施例中质谱仪包括粒子加速电极41、检测机构以及进样机构。待检测的颗粒物通过进样机构之后形成粒子束，并且粒子束穿过第一通道22之后朝向粒子加速电极41运动，然后粒子束经过粒子加速电极41之后进入检测机构。在检测过程中，颗粒物之间不存在相互影响，能够准确获取超细颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径和化学组成。
本实施例中质谱仪的进样机构，包括粒子束形成装置10以及粒子束阻挡装置20。
粒子束形成装置10具有粒子束形成通道15以及分别设于粒子束形成通道15的两端的进样口11和粒子束出口16；进样口11用于加入待检测的颗粒物，粒子束形成通道15用于将待检测的颗粒物聚集成为粒子束，粒子束穿过粒子束出口16之后射向粒子束阻挡装置10。
粒子束阻挡装置10包括挡板21以及用于驱动挡板运动的驱动机构(图中未示出)；挡板21具有用于供粒子束穿过的第一通道22；当挡板21运动至第一通道22与粒子束出口16相对应时，粒子束穿过第一通道22；当挡板21运动至第一通道22与粒子束出口16错开时，粒子束由挡板21阻挡。
本实施例中粒子束形成通道15采用空气动力学透镜来将待检测的颗粒物聚集成为粒子束，空气动力学透镜工作效率高，能够将待检测的颗粒物快速聚集成为粒子束。可以理解，本实施例中还可以采用其他具有颗粒聚集功能的设备将待检测的颗粒物聚集成为粒子束，比如，具有颗粒聚集功能的设备可以为毛细管、聚焦透镜等。
如图2所示，本实施中挡板21为圆形挡板，第一通道22设于圆形挡板的边缘。粒子束在粒子束形成通道15中形成之后穿过粒子束出口16，然后射向粒子束阻挡装置10。挡板21在其驱动机构的驱动下运动，当挡板21运动至第一通道22与粒子束出口16相对应时，粒子束能够穿过第一通道22，穿过第一通道22之后的粒子束继续运动，进行后续的加速和检测，进而得到所需要的检测结果。当挡板21运动至第一通道22与粒子束出口16错开时，粒子束由挡板21阻挡，这部分粒子束无法穿过第一通道22进行后续的检测。
本实施例中质谱仪的进样机构，第一通道22相对于挡板21较小，粒子束能够通过第一通道22的时间段较短，使得在检测过程中每次通过第一通道22的颗粒物数量较少。并且通过调整挡板21的运动周期可以使得每次通过第一通道22的颗粒物之间不存在相互影响，使得在检测过程能够准确获取单颗粒物的空气动力学粒径和化学组成。
在一个具体的示例中，粒子束形成装置10还具有设于进样口11与粒子束形成通道15之间的临界孔12和缓冲腔13；待检测的颗粒物按顺序依次通过进样口11、临界孔12、缓冲腔13、粒子束形成通道15。
由于质谱仪在检测过程中通常为真空状态，需要保证颗粒物、粒子束在真空环境下运动。在进样口11与粒子束形成通道15之间设置临界孔12和缓冲腔13，能够提高进样机构的真空度，满足粒子束形成通道15所需要的真空度要求。当待检测的颗粒物(比如气溶胶)从进样口11加入后，通过临界孔12，此时压力损失较大，能够提高缓冲腔13内的真空度。颗粒物经过临界孔12后的运动速度加快，然后颗粒物在缓冲腔13中进行缓冲，速度减小，使得颗粒物的速度符合粒子束形成通道15的工作条件。颗粒物经过缓冲腔13缓冲后，粒子束形成通道15能够对颗粒物进行稳定聚集，还能减小颗粒物因为碰壁造成的损失。
优选地，在缓冲腔13上设置真空规14。真空规14能够监测缓冲腔13内部的真空度，给调节颗粒物速度和压力提供参考，使得颗粒物的速度符合粒子束形成通道15的工作条件。可以理解，真空规14可以为其他能够测量真空度或压力的设备，比如真空表等。
在一个具体的示例中，驱动机构驱动挡板21作旋转运动。挡板21作旋转运动，方便设置挡板21的旋转周期，使得每次通过第一通道22的颗粒物之间不存在相互影响，使得在检测过程能够准确获取单颗粒物的空气动力学粒径和化学组成。
在一个具体的示例中，质谱仪的进样机构还包括真空室30；粒子束出口16、挡板21均设于真空室30内。
在一个具体的示例中，真空室内设有隔板31；隔板31将真空室分为第一真空室32和第二真空室33；粒子束出口16设于第一真空室32内，挡板21设于第二真空室33内。
优选地，第一真空室32分为多个子真空室。将第一真空室32分为多个子真空室，能够提高检测质谱仪检测过程的真空度。
隔板31上设有第二通道35，第二通道35与粒子束出口16相对应，从粒子束出口16射出的粒子束穿过第二通道35运动至粒子束阻挡装置20。
在一个具体的示例中，从粒子束出口16至第一通道22，第二通道35的内径逐渐增大。
本实施例中隔板31的数量为2个，第一真空室32分为2个子真空室。可以理解，在质谱仪的设计中，能够将第一真空室分为多个子真空室，使得真空环境能够达到质谱仪的检测要求。
本实施例中，2个隔板31将真空室30分为第一真空室32、第二真空室33和第三真空室34。第三真空室34设于第一真空室32的外缘。为了满足质谱仪检测过程的真空条件以及对真空条件进行监测，设置第一真空室32、第二真空室33和第三真空室34，并且在第一真空室32、第二真空室33和第三真空室34上均设有真空规14。可以理解，真空规14可以为其他能够测量真空度或压力的设备，比如真空表等。可以理解，第一真空室32、第二真空室33和第三真空室34分别与真空泵(图中未示出)相连，通过真空泵来提供真空室的真空环境。
本实施例中，2个隔板31上均设有第二通道35，两个隔板31上的第二通道35相对应，并且与粒子束出口16相对应，粒子束穿过粒子束出口16之后穿过第二通道35。本实施例中第二通道35为锥形，并且从第一通道22至粒子束出口16，第二通道35的内径逐渐减小。第二通道35为锥形能够减少粒子束边缘颗粒物的发散，减小粒子束在真空室30抽真空过程中的损失。可以理解，第二通道35还可以为其他形状，比如圆柱形，能够使粒子束顺利通过隔板即可。
本发明一实施例还提供了一种单颗粒物的检测方法，采用上述质谱仪40，检测方法包括如下步骤：
待检测的颗粒物从进样口11加入，然后经过粒子束形成通道15之后形成粒子束，粒子束穿过第一通道22之后由粒子加速电极41加速，加速之后的粒子束进入检测机构进行检测；
根据粒子束从第一通道22运动至粒子加速电极41的时间确定待检测的颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径；
根据检测机构获取的质谱图确定待检测的颗粒物中单颗粒物的化学组成。
在设定的质谱条件下，单颗粒物的空气动力学粒径与飞行时间存在一定的拟合关系。本实施例中单颗粒物的空气动力学粒径与飞行时间如图3所示。其中，飞行时间是指粒子束从第一通道22运动至粒子加速电极41的时间。
本实施例在单颗粒物的空气动力学粒径的检测过程中，通过分析装置47能够得到粒子束的飞行时间，根据该飞行时间，结合图3，确定待检测的颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径。
本实施例能够通过检测机构得到待检测颗粒中单颗粒物的质谱图，然后根据该质谱图确定待检测的颗粒物中单颗粒物的化学组成。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种质谱仪的进样机构，其特征在于，包括粒子束形成装置以及粒子束阻挡装置；
所述粒子束形成装置具有粒子束形成通道以及分别设于所述粒子束形成通道两端的进样口和粒子束出口；所述进样口用于加入待检测的颗粒物，所述粒子束形成通道用于将所述待检测的颗粒物聚集成为粒子束并从所述粒子束出口射出至所述粒子束阻挡装置；
所述粒子束阻挡装置包括挡板以及驱动所述挡板运动的驱动机构；所述挡板具有用于供所述粒子束穿过的第一通道；当所述挡板运动至所述第一通道与所述粒子束出口相对应时，所述粒子束穿过所述第一通道；当所述挡板运动至所述第一通道与所述粒子束出口错开时，所述粒子束由所述挡板阻挡。
2.如权利要求1所述的质谱仪的进样机构，其特征在于：所述粒子束形成装置还具有设于所述进样口与所述粒子束形成通道之间的临界孔和缓冲腔；所述待检测的颗粒物按顺序依次通过所述进样口、所述临界孔、所述缓冲腔、所述粒子束形成通道。
3.如权利要求1所述的质谱仪的进样机构，其特征在于：所述驱动机构驱动所述挡板作旋转运动。
4.如权利要求1～3中任一项所述的质谱仪的进样机构，其特征在于：还包括真空室；所述粒子束出口、所述挡板均设于所述真空室内。
5.如权利要求4所述的质谱仪的进样机构，其特征在于：所述真空室内设有隔板；所述隔板将所述真空室分为第一真空室和第二真空室；所述粒子束出口设于所述第一真空室内，所述挡板设于所述第二真空室内；
所述隔板上设有第二通道，所述第二通道与所述粒子束出口相对应，从所述粒子束出口射出的所述粒子束穿过所述第二通道运动至所述粒子束阻挡装置。
6.如权利要求5所述的质谱仪的进样机构，其特征在于：从所述粒子束出口至所述第一通道，所述第二通道的内径逐渐增大。
7.一种质谱仪，其特征在于：包括粒子加速电极、检测机构以及如权利要求1～6中任一项所述的进样机构；
所述粒子加速电极与所述进样机构对应设置，所述粒子加速电极用于加速穿过所述第一通道之后的粒子束；
所述检测机构与所述粒子加速电极对应设置，所述检测机构用于检测经过所述粒子加速电极加速之后的粒子束。
8.如权利要求7所述的质谱仪，其特征在于：所述检测机构包括电离激光器、阳离子反射电极、阴离子反射电极、阳离子探测器以及阴离子探测器；
所述电离激光器与所述粒子加速电极对应设置，用于对进入所述粒子加速电极的粒子束进行电离；
所述阳离子反射电极、所述阴离子反射电极分别与所述粒子加速电极对应设置，电离之后形成的阳离子朝向所述阳离子反射电极运动，电离之后形成的阴离子朝向所述阴离子反射电极运动；
所述阳离子探测器与所述阳离子反射电极对应设置，所述阴离子探测器与所述阴离子反射电极对应设置。
9.如权利要求7～8中任一项所述的质谱仪，其特征在于：还包括分析装置；所述分析装置分别与所述粒子束阻挡装置、所述电离激光器、所述阳离子探测器、所述阴离子探测器电连接。
10.一种单颗粒物的检测方法，其特征在于：采用如权利要求7～9中任一项所述的质谱仪，所述检测方法包括如下步骤：
待检测的颗粒物从所述进样口加入，然后经过所述粒子束形成通道之后形成粒子束，所述粒子束穿过所述第一通道之后由所述粒子加速电极加速，加速之后的粒子束进入所述检测机构进行检测；
根据所述粒子束从所述第一通道运动至所述粒子加速电极的时间确定所述待检测的颗粒物中单颗粒物的空气动力学粒径；
根据所述检测机构获取的质谱图确定所述待检测的颗粒物中单颗粒物的化学组成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116072506A (zh) * 2023-01-06 2023-05-05 西北核技术研究所 颗粒物进样装置、气溶胶质谱仪、单颗粒直径测量方法

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