CN115938909A - 一种激光耦合的电喷雾萃取电离源及分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光耦合的电喷雾萃取电离源及分析系统，涉及电喷雾萃取电离源领域，其中激光耦合的电喷雾萃取电离源，通过空气动力学聚焦单元对气溶胶颗粒物进行聚焦，得到颗粒束，喷雾液滴与颗粒束碰撞发生电离，得到第一待测离子，激光解吸单元产生聚焦光束，在聚焦光束的作用下，颗粒束汽化得到气态有机物，喷雾液滴与气态有机物碰撞发生电离，得到第二待测离子；质谱分析单元对第一待测离子和/或第二待测离子进行检测，得到气溶胶颗粒物中有机物的质谱图；通过利用聚焦光束将气溶胶颗粒物进行汽化，得到的气态有机物与喷雾液滴进行电离，不但扩大了电离反应的面积，还使得气溶胶颗粒物内部的有机物也能发生电离，因此提高了电离效率。

Description

一种激光耦合的电喷雾萃取电离源及分析系统

技术领域

本发明涉及电喷雾萃取电离源领域，特别是涉及一种激光耦合的电喷雾萃取电离源及分析系统。

背景技术

大气气溶胶来源广泛，化学组成极其复杂，尤其是有机化合物。大气气溶胶中的有机化合物组成既有一次排放源产物，也有经大气化学反应形成的二次产物。针对大气气溶胶中复杂有机物的实施在线分析一直是研究的难题之一。

采用滤膜进行气溶胶收集，随后在进行实验室质谱分析的方法不具备实时性。而类似于气溶胶质谱，通过将气溶胶进行真空汽化，随后使用电子轰击电离飞行时间质谱进行检测的技术，虽然具有实时在线检测能力，但是由于电子轰击产生的有机碎片离子较多，因此定性分析存在巨大挑战。

EESI(Extractiveelectrosprayionization，电喷雾萃取电离技术)是一种近年来发展起来的新型离子化技术，与现有的ESI(Electrosprayionization，电喷雾电离)直接液滴喷雾形成离子不同的是，EESI源是通过常规纳升喷雾形成微小的带电微液滴，微液滴与进样的气溶胶颗粒接触碰撞，并将气溶胶中有机组分提取至带电微液滴中，完成电离。

这种气溶胶直接进样分析技术不仅具有无需样品处理、实时快速的特点，还具备几乎可电离除烷烃外的所有种类的化学物质的独特优势，最重要的是这种软电离的离子化技术获得的是分子离子，而不是碎片离子，因此 EESI电离源一旦与高分辨质量分析技术相结合，将极大地提高定性分析的便利性，提升对有机物大气化学过程的研究深度和认知程度。这一电离技术有望在大气环境研究、呼吸诊断、代谢类疾病快速诊断等领域获得广泛应用。

EESI源产生的喷雾液滴与气溶胶的碰撞概率是影响分析灵敏度的一个重要因素，因此提高灵敏度的关键在于提升气溶胶颗粒物与喷雾液滴之间的碰撞几率，为此出现了多种针对现有EESI的改进技术。

例如采用多个纳升喷雾同时与颗粒物进行作用，能够有效提高喷雾液滴的浓度，提升碰撞概率，但这会导致系统结构复杂。此外还可将颗粒物聚焦到喷雾中间处提高碰撞概率，这种方式能大幅度提高碰撞概率的同时几乎不会对仪器的结构造成其他影响。然而，进一步提高喷雾液滴的浓度使气溶胶中有机组份分析灵敏度面临更大的挑战。

尽管将气溶胶颗粒物聚焦得到颗粒束，提高了颗粒与喷雾液滴之间的接触几率，但是外围颗粒物对内部颗粒物的包裹仍然会限制内部颗粒物的电离。且喷雾液滴直接与气溶胶颗粒物进行碰撞，反应的表面积较小。

最重要的是，即使是进行了颗粒束聚焦，但喷雾液滴仍然是和气溶胶颗粒物在进行作用，这种液滴与固态颗粒之间的作用，限制了颗粒物内部的有机物的电离效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光耦合的电喷雾萃取电离源及分析系统，可利用聚焦光束将气溶胶颗粒物进行汽化，将得到的气态有机物与喷雾液滴进行电离，提高了电离效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种激光耦合的电喷雾萃取电离源，所述电喷雾萃取电离源与质谱分析单元连接，EESI源产生的带电的喷雾液滴，通过所述电喷雾萃取电离源与气溶胶颗粒物发生反应，所述电喷雾萃取电离源包括：

空气动力学聚焦单元，开设有平面窗口、喷雾进口，用于对所述气溶胶颗粒物进行聚焦，得到颗粒束；

激光解吸单元，与所述空气动力学聚焦单元对应设置，用于产生聚焦光束，所述聚焦光束通过所述平面窗口入射进入所述空气动力学聚焦单元；

所述喷雾液滴通过所述喷雾进口进入所述空气动力学聚焦单元内部后，与所述颗粒束发生碰撞，并与所述颗粒束中的有机物发生电离，得到第一待测离子；所述颗粒束在经过所述聚焦光束时发生热解吸，并得到气态有机物；所述气态有机物与所述喷雾液滴发生碰撞，并发生电离得到第二待测离子；

所述空气动力学聚焦单元与所述质谱分析单元连接，所述质谱分析单元对所述第一待测离子和/或第二待测离子进行检测，得到所述气溶胶颗粒物中有机物的质谱图。

可选地，所述空气动力学聚焦单元包括：

聚焦腔；

聚焦孔片，设置于所述聚焦腔内部，用于对进入到所述聚焦腔内的气溶胶颗粒物进行聚焦，得到所述颗粒束；

电离腔，与所述聚焦腔连通，并与所述质谱分析单元连接，且所述电离腔上开设有所述平面窗口、喷雾进口；所述喷雾液滴通过所述喷雾进口进入所述电离腔，与所述颗粒束发生碰撞，并与所述颗粒束中的有机物发生电离，得到第一待测离子；所述聚焦光束通过所述平面窗口进入所述电离腔，所述颗粒束在经过所述聚焦光束时发生热解吸，并得到气态有机物；所述气态有机物与所述喷雾液滴发生碰撞，并发生电离得到第二待测离子。

可选地，所述激光解吸单元包括：

激光器，用于发射激光信号；

聚焦镜片，与所述空气动力学聚焦单元对应设置，且位于所述激光信号的传输光路上，用于对所述激光信号进行聚焦，得到所述聚焦光束。

可选地，所述激光解吸单元包括：

反射镜片，设置在所述激光信号的传输光路上，用于改变所述激光信号的传输方向；改变方向后的激光信号入射进入所述聚焦镜片，得到所述聚焦光束。

可选地，所述空气动力学聚焦单元包括：

毛细管，设置在所述喷雾进口处；所述喷雾液滴通过所述毛细管进入所述空气动力学聚焦单元。

一种激光耦合的电喷雾萃取分析系统，包括激光耦合的电喷雾萃取电离源和所述质谱分析单元，所述质谱分析单元包括：

质谱进样器，与所述空气动力学聚焦单元连接；

提取透镜，与所述质谱进样器连接；

质量分析器，与所述提取透镜连接；所述第一待测离子和/或第二待测离子依次经过所述质谱进样器、提取透镜，进入所述质量分析器，所述质量分析器对所述第一待测离子和/或第二待测离子进行检测，得到所述气溶胶颗粒物中有机物的质谱图。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的激光耦合的电喷雾萃取电离源，通过空气动力学聚焦单元对气溶胶颗粒物进行聚焦，得到颗粒束，喷雾液滴与颗粒束碰撞发生电离，得到第一待测离子，激光解吸单元产生聚焦光束，在聚焦光束的作用下，颗粒束汽化得到气态有机物，喷雾液滴与气态有机物碰撞发生电离，得到第二待测离子；质谱分析单元对第一待测离子和/或第二待测离子进行检测，得到气溶胶颗粒物中有机物的质谱图；通过利用聚焦光束将气溶胶颗粒物进行汽化，得到的气态有机物与喷雾液滴进行电离，不但扩大了电离反应的面积，还使得气溶胶颗粒物内部的有机物也能发生电离，提高了电离效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明激光耦合的电喷雾萃取电离源及分析系统的结构示意图。

符号说明：

气溶胶颗粒物-01、颗粒束-02、喷雾液滴-03、气态有机物-04、待测离子-05、聚焦腔-1、聚焦孔片-2、电离腔-3、毛细管-4、激光器-5、聚焦镜片 -6、反射镜片-7、质谱进样器-8、提取透镜-9、质量分析器-10、质谱图-11。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的目的是提供一种激光耦合的电喷雾萃取电离源，通过利用聚焦光束将气溶胶颗粒物进行汽化，提高了气溶胶颗粒物中的有机物与喷雾液滴的碰撞几率，进而提高了电离效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种激光耦合的电喷雾萃取电离源，所述电喷雾萃取电离源与质谱分析单元连接，EESI源产生的带电的喷雾液滴03，通过所述电喷雾萃取电离源与气溶胶颗粒物01发生反应，所述激光耦合的电喷雾萃取电离源包括：空气动力学聚焦单元、激光解吸单元。

具体地，所述空气动力学聚焦单元开设有平面窗口、喷雾进口。所述空气动力学聚焦单元用于对所述气溶胶颗粒物01进行聚焦，得到颗粒束02。

所述激光解吸单元与所述空气动力学聚焦单元对应设置。所述激光解吸单元用于产生聚焦光束，所述聚焦光束通过所述平面窗口入射进入所述空气动力学聚焦单元。

所述喷雾液滴03通过所述喷雾进口进入所述空气动力学聚焦单元内部后，与所述颗粒束02发生碰撞，并与所述颗粒束02中的有机物发生电离，得到第一待测离子；所述颗粒束02在经过所述聚焦光束时发生热解吸，并得到气态有机物；所述气态有机物与所述喷雾液滴03发生碰撞，并发生电离得到第二待测离子。

所述空气动力学聚焦单元与所述质谱分析单元连接。所述质谱分析单元对所述第一待测离子和/或第二待测离子进行检测，得到所述气溶胶颗粒物中有机物的质谱图11（图1）。

所述空气动力学聚焦单元将进入的气溶胶颗粒物01聚焦形成细的颗粒束02，所述聚焦光束对经过的颗粒束02进行加热，在高温作用下颗粒束02 中的有机物将会被热解吸形成气态有机物04，此时，所述喷雾液滴03与解吸过程形成的气态有机物04进行电离，得到待测离子05；无论是颗粒束02 内部还是表面的有机物都将得到解吸，从而使得气溶胶颗粒物01中低浓度的有机物组份得到更高的检测几率，因此能够提高检测灵敏度。所述待测离子05包括：所述第一待测离子、第二待测离子。

如图1所示，所述空气动力学聚焦单元包括：聚焦腔1、聚焦孔片2、电离腔3。

所述聚焦孔片2设置于所述聚焦腔1内部。所述聚焦孔片2用于对进入到所述聚焦腔内的气溶胶颗粒物01进行聚焦，得到所述颗粒束02。

所述电离腔3与所述聚焦腔1连通，并与所述质谱分析单元连接。所述电离腔3上开设有所述平面窗口、喷雾进口。所述喷雾液滴03通过所述喷雾进口进入所述电离腔3，与所述颗粒束02发生碰撞，并与所述颗粒束02 中的有机物发生电离，得到第一待测离子。所述聚焦光束通过所述平面窗口进入所述电离腔3，所述颗粒束02在经过所述聚焦光束时发生热解吸，并得到气态有机物04。所述气态有机物04与所述喷雾液滴03发生碰撞，并发生电离得到第二待测离子。

此外，所述聚焦孔片2，数量为1个或多个，可根据总的进样流量和气溶胶颗粒物01的粒径范围调整尺寸和数量。

在质谱分析单元的真空吸力作用下，气流被吸入到聚焦腔1的内部，气流中的气溶胶颗粒物01在经过聚焦孔片2之后，会在惯性的作用下逐渐被聚焦到轴心处形成细的颗粒束02。

如图1所示，所述空气动力学聚焦单元还包括：毛细管4。

所述毛细管4设置在所述喷雾进口处。所述喷雾液滴03通过所述毛细管4进入所述空气动力学聚焦单元。具体地，所述喷雾液滴03通过所述毛细管4进入所述电离腔3。

优选地，所述毛细管4与所述电离腔3成角度设置，由所述毛细管4通入至所述电离腔3的喷雾液滴03，沿所述电离腔3轴线方向的速度分量的方向，与所述颗粒束02的运动方向相同。

如图1所示，所述激光解吸单元包括：激光器5、聚焦镜片6。

所述激光器5用于发射激光信号。

所述聚焦镜片6与所述空气动力学聚焦单元对应设置，且位于所述激光信号的传输光路上。所述聚焦镜片6用于对所述激光信号进行聚焦，得到所述聚焦光束。当颗粒束02经过聚焦光束时，颗粒会在高能量聚焦光束作用下迅速加热，其中的有机物会迅速汽化形成气态有机物04。

优选地，所述激光器5为高能量的连续激光器或高频率的脉冲激光器；可根据实际情况进行选定。

此外，如图1所示，所述激光解吸单元还包括：反射镜片7。

所述反射镜片7设置在所述激光信号的传输光路上。所述反射镜片7用于改变所述激光信号的传输方向；改变方向后的激光信号入射进入所述聚焦镜片6，得到所述聚焦光束。

通过设置所述反射镜片7，改变所述激光信号的传输方向，可以更好地设置所述激光器5，避免了空间限制，使本发明电喷雾萃取电离源适用于多种空间环境；此外，还可提高空间利用率。

在本发明所提供的电喷雾萃取电离源中，通过设置所述激光解吸单元，使得气溶胶固体颗粒物与喷雾液滴的碰撞萃取作用，转化为气态有机物分子与喷雾液滴的反应，极大地提高了反应的表面积，提升了离子化效率。

由于采用所述聚焦光束对所述颗粒束进行热解吸，不仅能有效分析颗粒物表面的有机组份，对于颗粒物内部的有机组份也能够得到有效分析。

本发明还提供了一种激光耦合的电喷雾萃取分析系统，包括如上所述的激光耦合的电喷雾萃取电离源，和所述质谱分析单元。如图1所示，所述质谱分析单元包括：质谱进样器8、提取透镜9、质量分析器10。

所述质谱进样器8与所述空气动力学聚焦单元连接。具体地，所述质谱进样器8与所述电离腔3连接。

所述提取透镜9与所述质谱进样器8连接。

所述质量分析器10与所述提取透镜9连接。所述第一待测离子和/或第二待测离子依次经过所述质谱进样器8、提取透镜9，进入所述质量分析器 10；所述质量分析器10对所述第一待测离子和/或第二待测离子进行检测，得到所述气溶胶颗粒物01中有机物的质谱图11（图1）。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种激光耦合的电喷雾萃取电离源，所述电喷雾萃取电离源与质谱分析单元连接，EESI源产生的带电的喷雾液滴，通过所述电喷雾萃取电离源与气溶胶颗粒物发生反应，其特征在于，所述电喷雾萃取电离源包括：

空气动力学聚焦单元，开设有平面窗口、喷雾进口，用于对所述气溶胶颗粒物进行聚焦，得到颗粒束；

激光解吸单元，与所述空气动力学聚焦单元对应设置，用于产生聚焦光束，所述聚焦光束通过所述平面窗口入射进入所述空气动力学聚焦单元；

所述喷雾液滴通过所述喷雾进口进入所述空气动力学聚焦单元内部后，与所述颗粒束发生碰撞，并与所述颗粒束中的有机物发生电离，得到第一待测离子；所述颗粒束在经过所述聚焦光束时发生热解吸，并得到气态有机物；所述气态有机物与所述喷雾液滴发生碰撞，并发生电离得到第二待测离子；

所述空气动力学聚焦单元与所述质谱分析单元连接，所述质谱分析单元对所述第一待测离子和/或第二待测离子进行检测，得到所述气溶胶颗粒物中有机物的质谱图。

2.根据权利要求1所述的一种激光耦合的电喷雾萃取电离源，其特征在于，所述空气动力学聚焦单元包括：

聚焦腔；

聚焦孔片，设置于所述聚焦腔内部，用于对进入到所述聚焦腔内的气溶胶颗粒物进行聚焦，得到所述颗粒束；

电离腔，与所述聚焦腔连通，并与所述质谱分析单元连接，且所述电离腔上开设有所述平面窗口、喷雾进口；所述喷雾液滴通过所述喷雾进口进入所述电离腔，与所述颗粒束发生碰撞，并与所述颗粒束中的有机物发生电离，得到第一待测离子；所述聚焦光束通过所述平面窗口进入所述电离腔，所述颗粒束在经过所述聚焦光束时发生热解吸，并得到气态有机物；所述气态有机物与所述喷雾液滴发生碰撞，并发生电离得到第二待测离子。

3.根据权利要求1所述的一种激光耦合的电喷雾萃取电离源，其特征在于，所述激光解吸单元包括：

激光器，用于发射激光信号；

聚焦镜片，与所述空气动力学聚焦单元对应设置，且位于所述激光信号的传输光路上，用于对所述激光信号进行聚焦，得到所述聚焦光束。

4.根据权利要求3所述的一种激光耦合的电喷雾萃取电离源，其特征在于，所述激光解吸单元包括：

反射镜片，设置在所述激光信号的传输光路上，用于改变所述激光信号的传输方向；改变方向后的激光信号入射进入所述聚焦镜片，得到所述聚焦光束。

5.根据权利要求1所述的一种激光耦合的电喷雾萃取电离源，其特征在于，所述空气动力学聚焦单元包括：

毛细管，设置在所述喷雾进口处；所述喷雾液滴通过所述毛细管进入所述空气动力学聚焦单元。

6.一种激光耦合的电喷雾萃取分析系统，其特征在于，包括如权利要求1-5所述的任一种激光耦合的电喷雾萃取电离源，和所述质谱分析单元，所述质谱分析单元包括：

质谱进样器，与所述空气动力学聚焦单元连接；

提取透镜，与所述质谱进样器连接；

质量分析器，与所述提取透镜连接；所述第一待测离子和/或第二待测离子依次经过所述质谱进样器、提取透镜，进入所述质量分析器，所述质量分析器对所述第一待测离子和/或第二待测离子进行检测，得到所述气溶胶颗粒物中有机物的质谱图。

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