CN117476436A - 一种基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及质谱分析仪器，具体说是一种基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，其具体结构包括，VUV灯、电离源腔体、样品分子进样管、推斥电极、传输电极、汇聚电极、离子漏斗和Skimmer差分电极。本电离源通过垂直放置VUV灯可有效避免光化学电离，并结合离子漏斗的优越聚焦性能，增强了离子传输效率，大大提高仪器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及质谱分析仪器，具体说是一种基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源。本电离源通过垂直放置VUV灯可有效避免光化学电离，并结合离子漏斗的优越聚焦性能，增强了光电离效率，大大提高仪器的灵敏度。
背景技术
真空紫外光发射出的光子能量在小于10.6eV，因此只有电离能小于10.6eV的化合物可以被电离，从而有效避免空气中的背景干扰小，产生的离子基本都是分子离子而几乎没有碎片离子，得到的谱图简单，可以根据物质的分子量信息进行快速的定性和定量分析。但是光电子会与其它化合物发生反应产生O2 +、NO+等试剂离子，进而与其他化合物发生化学电离，导致光电离的谱图中出现杂峰。
光电离源的电离效率受限于离子在电离区的传输效率，因此，提高传输效率是提高光电离源电离效率的主要手段。而离子漏斗具有优越的聚焦能力，可以显著提高离子传输效率。
发明内容
本发明的目的在于利用离子漏斗优越的聚焦性能，实现对单光子电离源电离效率的增强，大大提高仪器的灵敏度。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，包括VUV灯、电离源腔体，其特征在于：
电离源腔体为密闭腔体，于其内部从左至右依次设置有推斥电极、第一、第二传输电极和汇聚电极、离子漏斗；
VUV灯的出射光从上至下照射于推斥电极和第一传输电极之间的区域；
样品分子进样管穿过电离源腔体壁面伸入电流源腔体内部，样品分子进样管出口位于推斥电极和传输电极之间的区域；
于电离源腔体靠近离子漏斗的一侧侧壁面上设有通孔，于通孔处设有Skimmer差分电极；
样品分子由进样管进入电离源腔体在VUV灯照射下电离，样品分子在被电离后依次经过推斥电极、第一、第二传输电极和汇聚电极所形成的电场驱动下进入离子漏斗内，最后通过Skimmer差分电极引出至电离源腔体外部。
电离源腔体下部侧壁面上开设有二个通孔，一个通孔通过管路经挡板阀与机械泵相连，另一通孔通过管路连接测量电离源腔体真空度的真空规；
电离源腔体的上部侧壁面上开设有用于放置VUV灯的通孔，VUV灯光窗的四周边缘与通孔四周边缘密闭连接，VUV灯的出射光与离子的传输方向相垂直,进样管出口面向第一传输电极的表面。
推斥电极、第一、第二传输电极和汇聚电极均为圆环状或方环状极片；材料为不锈钢或表面镀有金属层的极片；极片中部的孔径为1-50mm；极片之间通过厚度为1-2mm的环状四氟绝缘隔垫间隔平行设置，且极片的通孔同轴。
离子漏斗由多个中部带有通孔的极片构成，多个极片、间隔、平行、通孔同轴设置，极片为圆环状或方环状极片，极片为不锈钢材质或表面镀有金属层的极片，多个极片分别靠近边缘处开设有相对应的三个或四个半径为2-3mm的圆形通孔，通过穿套于通孔内的三根或四根半径为2-3mm的PEEK柱固定在底板上，各极片之间通过1-2mm厚的内径为2-3mm的四氟绝缘环间隔；离子漏斗极片数量为16-100片；离子漏斗极片中部为圆形通孔，孔径为0.5-30mm，且从左至右极片中部通孔孔径逐渐减小。
于推斥电极、第一、第二传输电极、汇聚电极和Skimmer差分电极之间依次施加不同大小的轴向电压并在轴向方向上形成5-500V/cm的传输电场，电场可以是均匀的也可以是非均匀的。
于离子漏斗极片按照孔径从大到小的极片顺序施加轴向方向的均匀电压，在轴线方向形成大小为5-50V/cm的传输电场；同时在相邻离子漏斗极片之间施加大小相同但正负不同的射频电压。
VUV灯为电离能大于等于10.0eV到小于等于10.6eV的真空紫外氪灯。
样品分子进样管为不锈钢金属毛细管，内径为50-500μm，长度在5-300cm，气体样品进样量为0.5-200mL/min，电离源腔体内的真空度维持在20-1000Pa。
Skimmer差分电极的小孔(靠近离子漏斗一侧中部通孔)内径为0.1-2mm，电离区产生的离子经过小孔进入电离源腔体外部的质量分析器中。
质量分析器为飞行时间质量分析、四极杆质量分析器或离子阱质量分析器。
本发明电离源通过垂直放置VUV灯可有效避免光化学电离，并结合离子漏斗的优越聚焦性能，增强了离子传输效率，大大提高仪器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的一种基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源的结构示意图；
图2为苯、甲苯和对二甲苯的强度对比质谱图。
具体实施方式
请参阅图1，为本发明的结构示意图。包括VUV灯1、电离源腔体2，其特征在于：
电离源腔体2为密闭腔体，于其内部从左至右依次设置有推斥电极4、第一、第二传输电极5、6和汇聚电极7、离子漏斗8；
VUV灯1的出射光从上至下照射于推斥电极4和第一传输电极5之间的区域；
样品分子进样管3穿过电离源腔体2壁面伸入电流源腔体2内部，样品分子进样管3出口位于推斥电极4和传输电极5之间的区域；
于电离源腔体2靠近离子漏斗8的一侧侧壁面上设有通孔，于通孔处设有Skimmer差分电极9；
样品分子由进样管进入电离源腔体2在VUV灯1照射下电离，样品分子在被电离后依次经过推斥电极4、第一、第二传输电极5、6和汇聚电极7所形成的电场驱动下进入离子漏斗8内，最后通过Skimmer差分电极9引出至电离源腔体2外部。
电离源腔体2下部侧壁面上开设有二个通孔，一个通孔通过管路经挡板阀10与机械泵11相连，另一通孔通过管路连接测量电离源腔体真空度的真空规12；
电离源腔体2的上部侧壁面上开设有用于放置VUV灯1的通孔，VUV灯1光窗的四周边缘与通孔四周边缘密闭连接，VUV灯1的出射光与离子的传输方向相垂直,进样管出口面向第一传输电极的表面。
推斥电极4、第一、第二传输电极5、6和汇聚电极7均为圆环状或方环状极片；材料为不锈钢或表面镀有金属层的极片；其中，推斥电极4和汇聚电极7的极片中部孔径为8mm，传输电极5、6的极片中部孔径为14mm；极片之间通过厚度为1mm的环状四氟绝缘隔垫间隔平行设置，且极片的通孔同轴。于推斥电极4、第一、第二传输电极5、6、汇聚电极7之间依次施加43V、42V、22V、15V直流电压，在轴向方向上形成均匀的传输电场。
离子漏斗8由多个中部带有圆形通孔的圆环状极片构成，多个极片、间隔、平行、通孔同轴设置，极片为不锈钢材质或表面镀有金属层的极片，多个极片分别在靠近边缘处开设有相对应的三个半径为2mm的圆形通孔，通过穿套于通孔内的三根半径为2mm的PEEK柱固定在底板上，各极片之间通过1mm厚的内径为2mm的四氟绝缘环间隔；离子漏斗8极片数量为20片；离子漏斗8极片中部圆形通孔的最大孔径为19mm，最小孔径为2mm，且从左至右极片中部通孔孔径逐渐减小。
于离子漏斗8最大孔径的极片上施加13V直流电压，各极片之间通过1MΩ电阻分压，在轴线方向形成传输电场；同时在离子漏斗(8)施加的射频频率为2.7MHz，射频幅值电压为45V。
VUV灯1为电离能等于10.6eV的真空紫外氪灯。
样品分子进样管3为不锈钢金属毛细管，内径为250μm，长度在50cm，气体样品进样量为50mL/min，电离源腔体2内的真空度维持在400Pa。
Skimmer差分电极9的小孔(靠近离子漏斗一侧中部通孔)内径为2mm，电压设置为10V，电离区产生的离子经过小孔进入电离源腔体2外部的质量分析器13中。
质量分析器13为飞行时间质量分析。
实施例
为了证明垂直式电离源可有效避免光电子化学电离，以及离子漏斗可以提升仪器灵敏度，我们使用浓度分别为10ppbv的苯、甲苯和对二甲苯混合气体进行了实验，每张谱图采集时间为5s。
实验结果如图2所示。其中(1)为本发明垂直放置电离源结合离子漏斗的质谱图，图(2)为同轴放置的光电离源不加离子漏斗的质谱图(结构与本发明图1所示的结构相同,与其不同之处在于,VUV灯的出射光与离子的传输方向相同,VUV灯的出射光光路与第一传输电极的中部通孔同轴)，(3)为垂直放置的光电离源不加离子漏斗的质谱图(结构与本发明图1所示的结构相同,与其不同之处在于,无离子漏斗)。
对比(2)和(3)可以看到垂直式光电离源的峰数量明显要比同轴式光电离源的峰数量要少，说明垂直式光电离源可有效避免光化学电离。对比(1)和(3)可以看到，加入离子漏斗后，苯、甲苯和对二甲苯的信号强度有两个量级的提升，证明了离子漏斗的加入可以有效提高仪器的检测灵敏度。
Claims (10)
1.一种基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，包括VUV灯(1)、电离源腔体(2)，其特征在于：
电离源腔体(2)为密闭腔体，于其内部从左至右依次设置有推斥电极(4)、第一、第二传输电极(5、6)和汇聚电极(7)、离子漏斗(8)；
VUV灯(1)的出射光从上至下照射于推斥电极(4)和第一传输电极(5)之间的区域；
样品分子进样管(3)穿过电离源腔体(2)壁面伸入电流源腔体(2)内部，样品分子进样管(3)出口位于推斥电极(4)和传输电极(5)之间的区域；
于电离源腔体(2)靠近离子漏斗(8)的一侧侧壁面上设有通孔，于通孔处设有Skimmer差分电极(9)；
样品分子由进样管进入电离源腔体(2)在VUV灯(1)照射下电离，样品分子在被电离后依次经过推斥电极(4)、第一、第二传输电极(5、6)和汇聚电极(7)所形成的电场驱动下进入离子漏斗(8)内，最后通过Skimmer差分电极(9)引出至电离源腔体(2)外部。
2.根据权利要求1所述的基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，其特征在于：
电离源腔体(2)下部侧壁面上开设有二个通孔，一个通孔通过管路经挡板阀(10)与机械泵(11)相连，另一通孔通过管路连接测量电离源腔体真空度的真空规(12)；
电离源腔体(2)的上部侧壁面上开设有用于放置VUV灯(1)的通孔，VUV灯(1)光窗的四周边缘与通孔四周边缘密闭连接,VUV灯(1)的出射光与离子的传输方向相垂直,进样管出口面向第一传输电极(5)的表面。
3.根据权利要求1所述的基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，其特征在于：
推斥电极(4)、第一、第二传输电极(5、6)和汇聚电极(7)均为圆环状或方环状极片；材料为不锈钢或表面镀有金属层的极片；极片中部的孔径为1-50mm；极片之间通过厚度为1-2mm的环状四氟绝缘隔垫间隔平行设置，且极片的通孔同轴。
4.根据权利要求1所述的基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，其特征在于：
离子漏斗(8)由多个中部带有通孔的极片构成，多个极片、间隔、平行、通孔同轴设置，极片为圆环状或方环状极片，极片为不锈钢材质或表面镀有金属层的极片，多个极片分别靠近边缘处开设有相对应的三个或四个半径为2-3mm的圆形通孔，通过穿套于通孔内的三根或四根半径为2-3mm的PEEK柱固定在底板上，各极片之间通过1-2mm厚的内径为2-3mm的四氟绝缘环间隔；离子漏斗(8)极片数量为16-100片；离子漏斗(8)极片中部为圆形通孔，孔径为0.5-30mm，且从左至右极片中部通孔孔径逐渐减小。
5.根据权利要求1或3或4所述的基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，其特征在于：
于推斥电极(4)、第一、第二传输电极(5、6)、汇聚电极(7)和Skimmer差分电极(9)之间依次施加不同大小的轴向电压并在轴向方向上形成5-500V/cm的传输电场，电场可以是均匀的也可以是非均匀的。
6.根据权利要求1或4所述的基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，其特征在于：
于离子漏斗(8)极片按照孔径从大到小的极片顺序施加轴向方向的均匀电压，在轴线方向形成大小为5-50V/cm的传输电场；同时在相邻离子漏斗极片(1)之间施加大小相同但正负不同的射频电压。
7.根据权利要求1或2所述的基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，其特征在于：
VUV灯(1)为电离能大于等于10.0eV到小于等于10.6eV的真空紫外氪灯。
8.根据权利要求1或2所述的基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，其特征在于：
样品分子进样管(3)为不锈钢金属毛细管，内径为50-500μm，长度在5-300cm，气体样品进样量为0.5-200mL/min，电离源腔体(2)内的真空度维持在20-1000Pa。
9.根据权利要求1或3或4所述的基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，其特征在于：
Skimmer差分电极(9)的小孔(靠近离子漏斗一侧中部通孔)内径为0.1-2mm，电离区产生的离子经过小孔进入电离源腔体(2)外部的质量分析器(13)中。
10.根据权利要求9所述的基于离子漏斗的垂直式单光子电离的电离源，其特征在于：
质量分析器(13)为飞行时间质量分析、四极杆质量分析器或离子阱质量分析器。
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| CN117711910A (zh) * | 2024-02-02 | 2024-03-15 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种四极离子漏斗聚焦的多源光电离源和灵敏度增强方法 |
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