CN1916619A - 一种基于膜进样的离子迁移谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明一种膜进样离子迁移谱仪，包括膜进样装置、真空紫外光源、电离反应区、离子门、离子漂移区和接收电极，采用的技术手段包括：在膜进样装置与反应腔之间设置有使得膜内腔体内压力低于膜外腔体气压的装置；使用玻璃纤维或者金属网增强的半透过性的硅树脂薄膜，特别是聚二甲基硅树脂；样品气流紧贴紫外灯表面，反应腔在离光窗口表面3mm以内区域。有效解决了现有以放射性元素为离子化源不易大规模推广，而其他光离子化产品受空气水分和/或离子化腔体结构影响存在灵敏度低的问题。

Description

一种基于膜进样的离子迁移谱仪
技术领域
本发明涉及对化学物质进行电离、分离和检测的技术，尤其是以半透过性膜为分离膜进样装置的离子迁移谱仪(Ion Mobility Spectrometer，IMS)。
背景技术
离子迁移谱是一种在大气压环境下对化学物质进行电离、分离和检测的技术。它能在极短的时间内检测和分辨化学物质种类，并提供定量信息。上世纪70年代，离子迁移谱迅速发展起来，由于它具有极高的灵敏度和响应速度，迅速应用于军事领域，用以检测化学战毒剂。80年代开始，离子迁移谱逐渐开始民用化，并应用于环境、工厂、人生安全、反走私和航天等领域。
离子迁移谱仪通常由离子化源、反应腔、离子门、漂移管和检测器组成。常用的离子化源为放射源(主要为63Ni)。由于放射源的应用必须有环保部门的许可，并且废料处理也是相当麻烦，使得离子迁移谱的商品化、民用化受到极大限制。不仅如此，由于放射源的能量极高，几乎所有的物质都可以被电离，即非选择性电离，因此存在严重的干扰，大大增加了误报率。80年代开始有许多不同离子化源被用于离子迁移谱中，如：碱金属热离子化、表面离子化、电喷雾离子化、电晕放电离子化、激光离子化和真空紫外光离子化等，从而大大拓展了离子迁移谱的应用范围。
真空紫外灯由于廉价和安全，越来越多的用作离子迁移谱的离子化源，主要应用于环境污染物和化学战毒剂的检测。然而，真空紫外光在空气中的射程只有几毫米。潮湿的空气中的水分子虽然不能被紫外光离子化，但它对真空紫外光的吸收将大大减弱其强度并减小其射程，因此潮湿的空气会降低离子化效率，降低检测灵敏度。因此，如何让待测有机分子和水分子在进入反应腔前进行分离则非常关键。具有半透过性的硅树脂薄膜早在80年代就被用于离子迁移谱仪中，分离空气中的有机样品和水分子。但传统的膜进样方式，例如美国专利US4311669，US4378499，US5491337所公开的类型，样品通过膜后由干燥载气带入反应腔。膜前后几乎没有气压差，完全依靠有机分子在膜前后分压的不同而自由扩散，因此渗透效率和速度均受到很大限制，而且样品在膜内部的残留对测量的连续性影响非常大，很容易引起仪器的中毒，往往需要大量时间来清洗，如日本特许公报P2000-195463A所述。
现有的光离子化离子迁移谱仪中，主要有两种反应腔结构，例如美国专利US5968837，中国专利200310106393.6所揭示的：其一：紫外灯与漂移管同轴放置，样品气随气流从灯表面流过，可以提高离子化效率，但由于紫外光谱中还含有较低能量的紫外光，它们在空气中具有较长射程，可以直接照射到接收电极。接收电极材料为金属材料，其外层电子的逸出功通常小于5eV，在紫外光照射下将形成光电子，从而大大增加了基线电流及噪音，甚至会出现基线远远大于信号强度的情况，降低了仪器检测限，也给信号采集和处理增加了难度。其二：紫外灯与漂移管轴垂直放置，反应腔体积较大，样品气流方向与紫外光同轴反向，能够靠近光窗的样品被离子化，而部分样品在还没有进入紫外光射程的时候已经随气流被带出有效反应腔。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测空气中有机污染物的便携式膜进样离子迁移谱仪，克服现有膜进样装置透过率低、速度慢以及样品残留的缺点和样品在反应腔离子化效率低的缺点，能快速分离并检测空气中微量有机污染物。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于膜进样的离子迁移谱仪，包括膜进样装置、离子化反应腔，在膜进样装置与反应腔之间设置有使得膜内腔体内压力低于膜外腔体气压的装置。
进一步，该使得膜内腔体内压力低于膜外腔体气压的装置是微型抽气泵。
对待测样品和水分进行分离的是硅树脂半透膜结构。
该膜进样装置中所使用的气体分离膜为机械增强的半透膜。
该机械增强的半透膜为以玻璃纤维布或者不锈钢滤芯为基底的的聚二甲基硅树脂膜。
该聚二甲基硅树脂膜厚度在20～75μm之间。
该离子化反应腔是扁平状气体通道。
该离子化反应腔高度为1～3mm。
该离子化反应腔宽度与离子化源窗直径相同。
所述离子化源可以是无极真空紫外灯，其产生的光子能量可以为9.8eV或10.6eV或11.7eV或其他。
具体的，基于膜进样的离子迁移谱仪，包括膜进样装置、离子化反应腔、膜进样装置与反应腔之间有微型抽气泵、真空紫外灯、加速电极、离子门、漂移区和接收电极，以及配套的驱动电路和信号采集处理系统，使用硅树脂半透膜进行待测样品和水分的分离，样品透过膜后经抽气泵进入离子化反应腔。
膜进样装置通过抽气泵使得膜内腔体内压力低于膜外腔体气压。
由于采用了上述方案，本发明：
1、在半透膜进样装置的膜后腔体通过管道与微型抽气泵相连，通过抽气泵不断的将透过的样品抽走，并送入离子化反应腔，以降低膜后腔体的气压，使得膜前后形成压力差，从而增加有机分子的透过率和透过速度。由于半透膜对空气中的有机分子具有较高的透过性，而空气中的水分子以及空气的主要成分N2和O2则透过率较低，因此，通过半透膜后样品的相对湿度得到显著降低，同时相对浓度得到提高，也就增加谱仪的响应灵敏度。
由于微型抽气泵不断的抽气，在停止进样品的时候，半透膜内残留的样品能够迅速通过膜，进入反应腔，然后被排除离子迁移谱仪腔体，这样就减小了仪器中毒的可能性，大大提高了谱仪连续工作能力。
另外，由于聚二甲基硅树脂薄膜厚度往往很薄(＜100μm)，其机械强度很低，如果膜前后压力差过大，膜将被损坏。因此，以玻璃纤维或者不锈钢滤芯为基底，将聚二甲基硅树脂薄膜涂布在上面形成机械增强的半透膜。具有机械增强基底的聚二甲基硅树脂薄膜可以被做得更薄，从而提高有机分子透过效率。
2、通过分离膜的有机分子被抽气泵送入离子化反应腔，在这里被真空紫外光离子化。为了进一步提高离子化效率，使所有的样品气尽可能处于真空紫外光的有效射程内，反应腔的高度(紫外灯轴向距离)被限制在几毫米以内。同时，为了有效利用紫外光源，整个光窗大小的空间都被用作有效离子化区域。因此，离子化反应腔被设计成扁平状结构。
附图说明
图1、图2为现有技术中光离子化离子迁移谱仪的反应腔结构示意图。
图3为现有技术中膜进样装置的结构示意图。
图4为本发明一种实施例基于膜进样的光离子化离子迁移谱仪的结构示意图。
具体实施方式
参见图1～4，图中包括：真空紫外灯1，紫外灯激发模块2，紫外灯光窗3，反应腔加速电极4，离子门5，离子化反应腔6，反应腔进样口7，离子漂移区8，紫外灯激发电极9、10，排气口11，空气样品进样口12，微型采样泵13，干燥载气进口14，现有技术中的聚二甲基硅树脂膜15，增强的聚二甲基硅树脂膜16，微型抽气泵17，环状导电环18，缘环19，金属栅网20，接收电极21，膜前腔体22，膜后腔体23，温度控制器24，漂移气25。
如图4所示，微型采样泵13将待测样品空气经由空气样品进口12抽入膜进样装置膜前腔体22。膜前腔体22与膜后腔体23由机械增强的聚二甲基硅树脂薄膜16隔开，薄膜面向膜前腔体22，玻璃纤维布或者不锈钢滤芯基底面向膜后腔体23。膜后腔体23通过管道连接微型抽气泵17，并由微型抽气泵17将膜后腔体23内气体经反应腔进样口送入离子化反应腔6，使得膜后腔体23内形成一定负压。由于膜进样装置膜前腔体22和膜后腔体23内存在压力差，且膜前腔体22内待测有机分子浓度远高于膜后腔体23，有机分子透过聚二甲基硅树脂薄膜16进入膜后腔体23，并立即被微型抽气泵带走。温度控制器24用来使空腔和膜控制在合适的温度范围。由此，有机分子在薄膜内的透过效率得到大幅度提高。
待测有机分子被微型抽气泵17送入离子化反应腔6在真空紫外灯1照射下离子化。经过膜进样装置后的样品相对湿度已经很低，再将反应腔6的高度(离紫外灯窗口的距离，d)限制在1～3mm内，使样品完全进入真空紫外光射程，并使反应腔6宽度和紫外灯1的窗口直径相当，最大限度利用紫外光源，因此，离子化反应腔6的结构优化可以大大提高离子化效率，从而提高仪器灵敏度。
离子化后的样品，在排斥电极4的作用下，向离子门5运动，在离子门5打开的时候进入漂移区8，在环形电极18形成的均匀电场下，通过金属栅网20，最终到达接收电极21形成的电流。离子被中和后，随漂移气25经排气口11排出漂移管。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种基于膜进样的离子迁移谱仪，包括膜进样装置、离子化反应腔，其特征在于：在膜进样装置与反应腔之间设置有使得膜内腔体内压力低于膜外腔体气压的装置。
2、根据权利要求1所述的基于膜进样的离子迁移谱仪，其特征在于：该使得膜内腔体内压力低于膜外腔体气压的装置是微型抽气泵。
3、根据权利要求1或2所述的基于膜进样的离子迁移谱仪，其特征在于：对待测样品和水分进行分离的是硅树脂半透膜结构。
4、根据权利要求1所述的基于膜进样的离子迁移谱仪，其特征在于：该膜进样装置中所使用的气体分离膜为机械增强的半透膜。
5、根据权利要求4所述的基于膜进样的离子迁移谱仪，其特征在于：该机械增强的半透膜为以玻璃纤维布或者不锈钢滤芯为基底的的聚二甲基硅树脂膜。
6、根据权利要求5所述的基于膜进样的离子迁移谱仪，其特征在于：该聚二甲基硅树脂膜厚度在20～75μm之间。
7、根据权利要求1所述的基于膜进样的离子迁移谱仪，其特征在于：该离子化反应腔是扁平状气体通道。
8、根据权利要求7所述的基于膜进样的离子迁移谱仪，其特征在于：该离子化反应腔高度为1～3mm。
9、根据权利要求1或7所述的基于膜进样的离子迁移谱仪，其特征在于：该离子化反应腔宽度与离子化源窗口直径相同。
10、根据权利要求1至9中任一所述的基于膜进样的离子迁移谱仪，其特征在于：所述离子化源是无极真空紫外灯，产生的光子能量为9.8eV或10.6eV或11.7eV。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20070221