CN113808906A - 超高耐压深海膜进样结构及质谱系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超高耐压深海膜进样结构及质谱系统。该进样结构包括：壳体、堵头、支撑连通部件、出样管和管状渗透膜；堵头、支撑连通部件和出样管均设于壳体的内部，且堵头、支撑连通部件和出样管由上至下依次连接，且出样管的第一端由壳体穿出；管状渗透膜套设于支撑连通部件的外侧，且管状渗透膜的第一端通过密封部件与堵头密封连接，管状渗透膜的第二端通过密封部件与出样管密封连接；管状渗透膜的内侧通过支撑连通部件支撑并与出样管的第二端连通。该质谱系统包括：外壳、质谱仪和上述超高耐压深海膜进样结构。本发明的进样结构提高了结构强度和密封性能，适用于深海作业，并结合质谱技术，实现对深海中物质的快速、在线、定性、定量分析。
Description
技术领域
本发明涉及海洋探测设备技术领域，尤其涉及一种超高耐压深海膜进样结构及质谱系统。
背景技术
目前有许多方法和设备被用于海洋探测，包括传统的传感器、荧光光谱、红外光谱技术和拉曼光谱技术等，但它们在物质检测中灵敏度不足，且往往局限于检测一种或几种物质，又或者是对待测物质缺乏特异性。为了快速准确地对深海样品进行成分结构鉴定，往往需要将多种检测器集成至深海原位探头上。但这使得流程变得复杂，而且定量难以实现，这对进行海洋的实时原位探测工作来说是很不利的。质谱分析技术目前已经被广泛应用在环境、工业等多个领域，其具有在低浓度下识别多种化学物质的能力，非常适合应用于海洋环境中溶解的气体、轻烃和挥发性有机物等的现场分析，为了将质谱强大的分析能力与原位取样的固有优势相结合，水下质谱技术已经成为分析化学领域一个新兴的重要研究方向。与地面应用相比，在深海应用质谱进行分析最主要的问题就是需要解决高压下的进样。因而，需要一种能够在高压环境下实现对挥发性有机物(volatile organic compounds，以下简称为：VOCs)、轻烃物质等进行现场采样和实时分析的技术和装置。
质谱仪常用的进样技术包括直接进样、解析进样器，喷雾进样等。而膜进样是利用化学物质在膜中具有不同渗透率而实现进样的一种进样技术。与其它进样技术相比，膜进样系统不需要样品制备，进样界面简单，降低了系统的气体负荷，并且可以选择性透过特定的物质，重现性好。现在膜进样技术已可以用于测量环境中的复杂混合物，包括沼泽、水池、森林、土壤、冰川等等环境中溶解气体的监测，也是分析海水中溶解气体的重要工具。进样系统作为连接被测物与质谱离子源之间的桥梁和管道，具有十分重要的作用。通常进入质谱系统的物质得以气体状态存在，但是深海中被测物通常以液体的形态出现，且质谱仪的一些关键组件往往需要在高真空条件下工作，这要求进样系统必须能够经受住海洋深处和质谱装置高真空的压力差。
目前出现的管状膜进样结构中，是利用环氧胶将多孔支撑材料和进样的不锈钢管进行粘合，这种设计强度有限，在较高压力差的作用下，接口处很容易发生断裂，液体会从接口处进入质谱中，从而导致分析结果错误乃至仪器损坏，这也就导致其不能够承受更高的压力，从而限制了可以进行海洋原位探测的深度。可见，当前的进样技术与装置在深海环境下其原位探测深度有限。
发明内容
本发明提供一种超高耐压深海膜进样结构及质谱系统，用以解决现有技术中膜进样系统存在的不能承受过高压力，无法应用于深海环境探测的缺陷。
本发明提供一种超高耐压深海膜进样结构，包括：
壳体，所述壳体设有与其连接的进样口和出样口；
堵头；
支撑连通部件；
出样管，所述堵头、所述支撑连通部件和所述出样管均设于所述壳体的内部，且所述堵头、所述支撑连通部件和所述出样管由上至下依次连接，且所述出样管的第一端由所述壳体穿出；
管状渗透膜，所述管状渗透膜套设于所述支撑连通部件的外侧，且所述管状渗透膜的第一端通过密封部件与所述堵头密封连接，所述管状渗透膜的第二端通过密封部件与所述出样管密封连接；
所述管状渗透膜的内侧通过所述支撑连通部件支撑并与所述出样管的第二端连通。
根据本发明提供的一种超高耐压深海膜进样结构，所述密封部件为密封胶，所述密封胶涂抹于所述管状渗透膜的第一端与所述堵头之间，所述密封胶涂抹于所述管状渗透膜的第二端与所述出样管之间。
根据本发明提供的一种超高耐压深海膜进样结构，所述密封部件包括“O”型圈和卡圈，所述“O”型圈设于所述管状渗透膜的第一端的内壁与所述堵头的外壁之间，所述“O”型圈设于所述管状渗透膜的第二端的内壁与所述出样管的外壁之间，所述卡圈分别套设于所述管状渗透膜的第一端的外壁和所述管状渗透膜的第二端的外壁上。
根据本发明提供的一种超高耐压深海膜进样结构，所述支撑连通部件为棒状结构，且所述棒状结构上具有多孔结构，所述多孔结构连通于所述管状渗透膜的内侧与所述出样管的第二端之间。
根据本发明提供的一种超高耐压深海膜进样结构，所述堵头、所述支撑连通部件和所述出样管之间为紧密焊接或一体成型。
根据本发明提供的一种超高耐压深海膜进样结构，还包括采样泵和温控系统，所述采样泵设于所述出样口处，所述温控系统设于所述壳体上。
本发明还提供一种质谱系统，包括：外壳、质谱仪和本发明的超高耐压深海膜进样结构，所述质谱仪和所述超高耐压深海膜进样结构均设于所述外壳的内部，所述质谱仪与所述出样管的第一端连接。
根据本发明提供的一种质谱系统，所述质谱仪包括：
真空系统，用于提供质谱分析的真空环境；
离子源，用于将待测样品离子化；
质量分析器，用于将进入其中的不同质量的离子，按质荷比大小分离；
离子检测器，用于将离子转换成电子脉冲；
数据处理与显示系统，用于分析接收到的电子脉冲，并进行显示。
根据本发明提供的一种质谱系统，所述真空系统包括：真空腔体和泵组件，所述真空腔体设有与所述出样管的第一端连接的进样管，所述泵组件与所述真空腔体连通；
所述离子源包括电离室、推斥极、灯丝和离子透镜，所述进样管与所述电离室连通，待测样品经所述灯丝发生电离，并在所述推斥极的作用下推出所述电离室，经所述离子透镜聚焦；
所述质量分析器为四极杆质量分析器；
所述离子检测器包括电子倍增器和法拉第杯。
根据本发明提供的一种质谱系统，所述泵组件包括涡轮分子泵和隔膜泵，所述隔膜泵通过所述涡轮分子泵与所述真空腔体连通。
本发明提供的一种超高耐压深海膜进样结构，采用堵头和出样管紧密连接在支撑连通部件的两端，由于堵头、支撑连通部件和出样管之间的紧密连接作用，提高了装置的结构稳定性；并在支撑连通部件的外侧密封套设管状渗透膜，由于支撑连通部件的支撑作用，管状渗透膜不易破损。由于管状渗透膜端部的密封部件的密封作用，提高了装置的密封性能。采用本发明的超高耐压深海膜进样结构，提高了结构强度和密封性能，能够承受更高的压力，适用于深海作业，满足在深海现场直接取样的要求；除此之外，该进样结构不仅可以用于深海环境中质谱仪的进样，还可以用于光谱、离子迁移谱等分析仪器的高压进样应用。
进一步地，本发明还提供一种质谱系统，通过上述的进样结构实现深海现场进样，并结合质谱的快速、准确检测技术，从而实现对深海中VOCs和轻烃类物质的快速、在线、定性、定量分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的超高耐压深海膜进样结构的外部结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的超高耐压深海膜进样结构的内部结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的超高耐压深海膜进样结构的内部结构示意图；
图4是本发明提供的质谱系统的示意图；
图5是本发明提供的质谱仪的结构示意图。
附图标记：
100：超高耐压深海膜进样结构； 200：质谱仪；
300：外壳；
110：壳体； 120：堵头；
130：支撑连通部件； 140：出样管；
150：管状渗透膜； 160：温控系统；
111：进样口； 112：出样口；
170：密封胶； 181：“O”型圈；
182：卡圈； 190：采样泵；
210：真空腔体； 221：涡轮分子泵；
222：隔膜泵； 230：进样管；
241：推斥极； 242：灯丝；
243：离子透镜； 244：电离室；
250：四极杆质量分析器； 261：电子倍增器；
262：法拉第杯； 270：数据处理与显示系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
下面结合图1-图3描述本发明的一种超高耐压深海膜进样结构100。该超高耐压深海膜进样结构100包括：壳体110、堵头120、支撑连通部件130、出样管140和管状渗透膜150。
其中，壳体110设有与其连接的进样口111和出样口112，进样口111和出样口112待测深海环境直接连通，海水样品由进样口111进入壳体110内部。
堵头120、支撑连通部件130和出样管140均设于壳体110的内部，且堵头120、支撑连通部件130和出样管140由上至下依次连接，且出样管140的第一端由壳体110穿出。三者可采用一体成型制作或焊接方式紧密连接，提高了结构强度，堵头120和出样管140分别位于支撑连通部件130的两端，出样管140可采用耐腐蚀的不锈钢材质制成，其外径可选用1/16、1/8或3mm等不同尺寸规格。
管状渗透膜150套设于支撑连通部件130的外侧，且管状渗透膜150的第一端通过密封部件与堵头120密封连接，管状渗透膜150的第二端通过密封部件与出样管140密封连接；管状渗透膜150的内侧通过支撑连通部件130支撑并与出样管140的第二端连通。管状渗透膜150为中空结构，其套在支撑连通部件130的外周，且与堵头120和出样管140密封连接，由进样口111进入到壳体110内部的海水样品，由于管状渗透膜150的选择性渗透作用，海水样品中的CO2、CH4、VOCs等渗透性物在管状渗透膜150的外表面吸附，随后在浓度梯度的作用下穿过膜扩散到膜的内侧，并在膜的内表面解吸，解吸出的分子在压力作用下(由于使用环境为深海，并且后端连接的质谱仪200为真空条件，因此管状渗透膜150内、外两侧形成了较大的压力差)通过支撑连通部件130进入到出样管140，由出样管140排出；而未经过管状渗透膜150的海水则由壳体110的出样口112排出。
可以理解的是，堵头120、出样管140和密封部件将管状渗透膜150套密封连接起来，提高了密封性能，使得海水样品在进入质谱仪200之前，由于堵头120将支撑连通部件130的一端密封，则样品只能由管状渗透膜150外壁进入，经支撑连通部件130和出样管140输入至质谱仪200中。
另外，支撑连通部件130发挥的是支撑和连通的作用：一方面，由于管状渗透膜150内外两侧存在压力差，为避免管状渗透膜150破裂，通过支撑连通部件130由内侧对管状渗透膜150进行支撑保护；另一方面，支撑连通部件130连通于管状渗透膜150和出样管140之间，将由管状渗透膜150选择渗透后的样品经出样管140输送至质谱仪200中进行检测。
应当理解的是，膜进样技术是指利用膜的渗透汽化技术，依靠溶解-扩散机理实现进样，不需要样品制备和处理，可以选择性透过特定的物质。不同的膜材料对物质的渗透性有所差别，可以分为亲水膜和疏水膜(亲有机物膜)，本发明实施例采用疏水膜，比如采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜，除此之外，也可以采用苯乙烯基聚合物膜、聚偏氟乙烯(PVDF)膜、聚醚酰胺嵌段共聚物(PEBA)膜等等疏水性膜。PDMS膜对有机物有着极好的分离作用，且可以有效的隔绝氮气、氧气等气体。
本发明提供的一种超高耐压深海膜进样结构100，采用堵头120和出样管140紧密连接在支撑连通部件130的两端，由于堵头120、支撑连通部件130和出样管140之间的紧密连接作用，提高了装置的结构稳定性；并在支撑连通部件130的外侧密封套设管状渗透膜150，由于支撑连通部件130的支撑作用，管状渗透膜150不易破损。由于管状渗透膜150端部的密封部件的密封作用，提高了装置的密封性能。采用本发明的超高耐压深海膜进样结构100，提高了结构强度和密封性能，能够承受更高的压力，适用于深海作业，满足在深海现场直接取样的要求；除此之外，该进样结构不仅可以用于深海环境中质谱仪200的进样，还可以用于光谱、离子迁移谱等分析仪器的高压进样应用。
以下通过两个实施例来说明密封部件的结构。
实施例一：
如图2所示，本实施例采用涂抹密封胶170的形式，实现管状渗透膜150与堵头120、出样管140连接处的密封连接。密封胶170涂抹于管状渗透膜150的第一端与堵头120之间，密封胶170涂抹于管状渗透膜150的第二端与出样管140之间。
具体地，在本实施例中，采用环氧密封胶170进行涂抹密封，可以理解的是，也可采用其他形式的密封胶170以实现密封效果。
实施例二：
如图3所示，本实施例采用密封圈的形式，实现管状渗透膜150与堵头120、出样管140连接处的密封连接。密封部件包括“O”型圈181和卡圈182，“O”型圈181设于管状渗透膜150的第一端的内壁与堵头120的外壁之间，“O”型圈181设于管状渗透膜150的第二端的内壁与出样管140的外壁之间，卡圈182分别套设于管状渗透膜150的第一端的外壁和管状渗透膜150的第二端的外壁上。
具体地，在堵头120的外壁和出样管140的外壁设有供“O”型圈181安装的凹槽，卡圈182则与“O”型圈181的设置高度相等，起到固定和密封的作用。通过“O”型圈181和卡圈182实现密封效果，也可以采用其他形式的密封圈设置。
在本发明的其中一个实施例中，支撑连通部件130为棒状结构，且棒状结构上具有多孔结构，多孔结构连通于管状渗透膜150的内侧与出样管140的第二端之间。在本实施例中，棒状结构主要发挥支撑作用，支撑管状渗透膜150，避免破损；其上的多孔结构，可以将经过管状渗透膜150的样品输送至出样管140。具体地，本实施例的支撑连通部件130可采用具有一定强度的网孔烧结棒的形式，其材质可以是不锈钢、钛等金属的合金或其混合物，其可采用激光焊、氩弧焊、真空电子束焊等工艺将堵头120、支撑连通部件130和出样管140紧密焊接在一起，或者直接一体加工而成，管状渗透膜150则直接紧密套在三者的外侧。
在本发明的其中一个实施例中，该超高耐压深海膜进样结构100还包括温控系统160，温控系统160设于壳体110上。由于温度会使膜的渗透率发生改变，因此通过温控系统160保持壳体110内部恒温，一般为20℃-80℃，避免外界的海水环境温度对检测结果造成影响。
在本发明的其中一个实施例中，该超高耐压深海膜进样结构100还包括采样泵190，采样泵190设于出样管140处，打开采样泵190后，海水由进样口111进入到壳体110内部。
如图4和图5所示，本发明还提供一种质谱系统。该质谱系统包括：外壳300、质谱仪200和本发明实施例提供的超高耐压深海膜进样结构100，质谱仪200和超高耐压深海膜进样结构100均设于外壳300的内部，质谱仪200与出样管140的第一端连接。
在本实施例中，通过上述的进样结构实现深海现场进样，并结合质谱的快速、准确检测技术，从而实现对深海中VOCs和轻烃类物质的快速、在线、定性、定量分析。
应当理解的是，由于该质谱系统处于深海环境中，因此外壳300采用防水耐压外壳，避免水压对内部装置的损坏。
在本发明的其中一个实施例中，质谱仪200包括：
真空系统，用于提供质谱分析的真空环境；
离子源，用于将待测样品离子化；
质量分析器，用于将进入其中的不同质量的离子，按质荷比大小分离；
离子检测器，用于将离子转换成电子脉冲；
数据处理与显示系统270，用于分析接收到的电子脉冲，并进行显示。
进一步地，如图5所示，真空系统包括：真空腔体210和泵组件，真空腔体210设有与出样管140的第一端连接的进样管230，泵组件与真空腔体210连通。进样管230和出样管140之间可采用螺纹、法兰、焊接或卡箍等方式连接。
离子源包括电离室244、推斥极241、灯丝242和离子透镜243，进样管230与电离室244连通，待测样品经灯丝242发生电离，并在推斥极241的作用下推出电离室244，经离子透镜243聚焦。可以采用电子轰击电离(EI)源、紫外光电离源、辉光放电-电子轰击电离(GDEI)源等真空离子源。
质量分析器为四极杆质量分析器250，也可以采用离子阱等小型质量分析器。
离子检测器包括电子倍增器261和法拉第杯262，或微通道板等不同的检测器组合。
更进一步地，泵组件包括涡轮分子泵221和隔膜泵222，隔膜泵222通过涡轮分子泵221与真空腔体210连通。隔膜泵222也可以采用机械泵或干泵替换，涡轮分子泵221也可以采用离子泵或吸气剂泵替换。
该质谱系统工作的时候，隔膜泵222首先启动并达到涡轮分子泵221的启动真空后启动涡轮分子泵221以实现质谱的高真空工作环境。为了避免外界环境温度变化对系统内部真空的影响，本实例中质谱真空腔体210外部包覆了加热套，并利用温控系统160控制加热套恒温，从而保证质谱系统的分析稳定性。从出样管140输送的分子通过进样管230导入到离子源的电离室244，被由灯丝242所产生的电子作用而发生电离，可通过改变电子能量大小来调节电子轰击电离的软硬程度。电离所产生的离子在推斥极241的作用下，被推出电离室244，在离子透镜243的作用下拉出和聚焦，然后进入四极杆质量分析器250的入口。四极杆质量分析器250根据质荷比对离子进行分析和选择，在进行质量分析之后，离子到达检测器。当离子信号强度大的时候，可以直接采用法拉第杯262进行离子收集，然后通过电流放大器实现电流放大后检测；当离子信号强度较弱的时候，则采用电子倍增器261先将离子流放大，然后再通过电流放大器放大后检测，最后经数据处理与显示系统270显示出分析物质的质谱图。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种超高耐压深海膜进样结构，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体设有与其连接的进样口和出样口；
堵头；
支撑连通部件；
出样管，所述堵头、所述支撑连通部件和所述出样管均设于所述壳体的内部，且所述堵头、所述支撑连通部件和所述出样管由上至下依次连接，且所述出样管的第一端由所述壳体穿出；
管状渗透膜，所述管状渗透膜套设于所述支撑连通部件的外侧，且所述管状渗透膜的第一端通过密封部件与所述堵头密封连接，所述管状渗透膜的第二端通过密封部件与所述出样管密封连接；
所述管状渗透膜的内侧通过所述支撑连通部件支撑并与所述出样管的第二端连通。
2.根据权利要求1所述的超高耐压深海膜进样结构，其特征在于，所述密封部件为密封胶，所述密封胶涂抹于所述管状渗透膜的第一端与所述堵头之间，所述密封胶涂抹于所述管状渗透膜的第二端与所述出样管之间。
3.根据权利要求1所述的超高耐压深海膜进样结构，其特征在于，所述密封部件包括“O”型圈和卡圈，所述“O”型圈设于所述管状渗透膜的第一端的内壁与所述堵头的外壁之间，所述“O”型圈设于所述管状渗透膜的第二端的内壁与所述出样管的外壁之间，所述卡圈分别套设于所述管状渗透膜的第一端的外壁和所述管状渗透膜的第二端的外壁上。
4.根据权利要求1所述的超高耐压深海膜进样结构，其特征在于，所述支撑连通部件为棒状结构，且所述棒状结构上具有多孔结构，所述多孔结构连通于所述管状渗透膜的内侧与所述出样管的第二端之间。
5.根据权利要求1所述的超高耐压深海膜进样结构，其特征在于，所述堵头、所述支撑连通部件和所述出样管之间为紧密焊接或一体成型。
6.根据权利要求1所述的超高耐压深海膜进样结构，其特征在于，还包括采样泵和温控系统，所述采样泵设于所述出样口处，所述温控系统设于所述壳体上。
7.一种质谱系统，其特征在于，包括：外壳、质谱仪和权利要求1-6中任意一项所述的超高耐压深海膜进样结构，所述质谱仪和所述超高耐压深海膜进样结构均设于所述外壳的内部，所述质谱仪与所述出样管的第一端连接。
8.根据权利要求7所述的质谱系统，其特征在于，所述质谱仪包括：
真空系统，用于提供质谱分析的真空环境；
离子源，用于将待测样品离子化；
质量分析器，用于将进入其中的不同质量的离子，按质荷比大小分离；
离子检测器，用于将离子转换成电子脉冲；
数据处理与显示系统，用于分析接收到的电子脉冲，并进行显示。
9.根据权利要求8所述的质谱系统，其特征在于，
所述真空系统包括：真空腔体和泵组件，所述真空腔体设有与所述出样管的第一端连接的进样管，所述泵组件与所述真空腔体连通；
所述离子源包括电离室、推斥极、灯丝和离子透镜，所述进样管与所述电离室连通，待测样品经所述灯丝发生电离，并在所述推斥极的作用下推出所述电离室，经所述离子透镜聚焦；
所述质量分析器为四极杆质量分析器；
所述离子检测器包括电子倍增器和法拉第杯。
10.根据权利要求9所述的质谱系统，其特征在于，
所述泵组件包括涡轮分子泵和隔膜泵，所述隔膜泵通过所述涡轮分子泵与所述真空腔体连通。
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2021
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