CN202142497U

CN202142497U - 产生质子转移反应初始水合氢离子的多尖端放电离子源

Info

Publication number: CN202142497U
Application number: CN201120194278U
Authority: CN
Inventors: 陈应; 程平; 董俊国; 高伟; 傅忠; 周振
Original assignee: KUNSHAN HEXIN ZHIPU TECHNOLOGY CO LTD; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: KUNSHAN HEXIN ZHIPU TECHNOLOGY CO LTD; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2021-06-10

Abstract

本实用新型公开了产生质子转移反应初始水合氢离子的多尖端放电离子源。离子源包括：高压电源、水蒸汽引入管道、若干个尖端、尖端阴极支撑板、尖端阴极的引导片、金属丝网及用于密封离子源的密封器件；所述水蒸汽引入管道设置在离子源腔体的输入口；所述高压电源分别与若干个尖端、金属丝网连接；所述若干个尖端及金属丝网设置在离子源腔体的前端，若干个尖端的阴极安插在尖端阴极支撑板上，并通过尖端阴极的引导片设置在金属丝网的前端面。本实用新型提高了初始反应离子-水合氢离子产生的浓度和纯度，最终提高了待测样品离子化效率和质谱仪的灵敏度。

Description

产生质子转移反应初始水合氢离子的多尖端放电离子源

技术领域

本实用新型涉及中性分子的离子化领域质子转移反应的离子产生装置，具体涉及产生质子转移反应初始水合氢离子的多尖端放电离子源。

背景技术

质谱是对分子结构分析最精确的方法之一，通常用来对未知物进行定性分析和对混合物中已知组分进行定量检测。离子源是质谱的关键技术，最常用最经典的离子源是EI源(electron ionization)，它采用高能电子束轰击样品分子，从而发生电离产生分子离子和碎片离子，基本原理如下：

M+e→M⁺+2e

然而由于EI源使用的电子能量高，谱图中碎片峰较多，谱图复杂，对于混合未知物的解谱非常困难。

为了解决上述这一问题，产生了一系列的软电离(soft ionization)方法；光电离(PI)技术是其中的一种。PI与EI源很类似，只是电子束被5～15eV真空紫外光子所代替，它可以使电离能小于光子能量的样品分子得到电离。光离子化的反应机理为：

M+hv→M⁺+e

光离子化主要得到样品的分子离子峰，谱图简单对未知物的鉴定具有较大的指导作用。光离子化可以分为大气压光电离源(APPI)和真空紫外光电离源(VUV-PI)。

化学电离源(chemical ionization，CI)是另外一种软电离技术。样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通常是甲烷等)稀释，因此样品分子与电子的碰撞几率极小，样品分子离子主要由反应气体分子电离产生。CI源产生的离子碎片少，能够提供较干净的准分子离子谱图，可以快速确定分子量。

空心阴极放电也是一种离子产生方式。通过放电使电子在电场中加速，加速的电子撞击其他中性分子发生电离，从而有更多的电子从中性分子中释放出来。这个过程不间断的进行，使得样品分子处于电子、离子、中性分子和自由基等的混合状态，即等离子体态，最后通过电场将等离子体中的离子引出，就形成了离子源。

利用质子转移反应(proton transfer reaction)也可以产生较完整的准分子离子峰，特别对小分子有机物效果更为明显。典型的质子转移离子源首先使用空心阴极放电等多种电离形式对质子供体分子进行电离，然后通过进一步的离子分子反应来获得尽可能高的浓度和纯度的质子的供体，最后待测分子通过与质子的供体碰撞发生质子转移反应产生质子化的待测分子。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供产生质子转移反应初始水合氢离子的多尖端放电离子源。通过多尖端放电将水蒸汽和空气混合气体电离成相关离子，并继续与水蒸汽反应形成水合氢离子及其水的团簇离子。在同一电源下进行多尖端同时放电可提高放电等离子体中离子的产率、浓度和数量，进而可以提高待测样品离子化效率，从而最终提高质谱仪器的灵敏度。

本实用新型将通过下述技术方案实现。产生质子转移反应初始水合氢离子的多尖端放电离子源包括：高压电源、水蒸汽引入管道、若干个尖端、尖端阴极支撑板、尖端阴极的引导片、金属丝网及用于密封离子源的密封器件。其中水蒸汽引入管道设置在离子源腔体的输入口，高压电源分别与若干个金属尖端、金属丝网连接，金属尖端及金属丝网设置在离子源腔体的前端，金属尖端的阴极安插在尖端阴极支撑板上，并通过尖端阴极的引导片设置在金属丝网的前端面。

所述金属丝网为钢丝网。

所述离子源还包括设置在离子源腔体的中间的调节区水蒸汽的输入通道、调节区水蒸汽的排出通道。

所述调节区水蒸汽的输入通道、调节区水蒸汽的排出通道均与尖端轴向垂直。

所述尖端阴极支撑板呈圆环型，且设有若干个用于支撑尖端阴极的圆孔。

本实用新型的工作原理是在空心阴极放电和化学电离的基础上，提供了一种新的初始离子的产生方式。其首先以尖端放电方式产生等离子体，在电场作用下将等离子体中正、负离子引出形成初始反应离子。具体方法为以水蒸汽和空气混合气体进行多尖端放电产生相应的等离子体，然后通过电场引出其中的正离子并继续与新添加的水蒸汽进行离子分子反应，产生的离子再一次通过电场引出从而产生高浓度高纯度的H₃O⁺作为质子转移反应的质子供体。产生的质子供体可与空气中的待测样品分子发生质子转移反应，产生样品的准分子离子。

与现有技术相比，本实用新型多尖端放电等离子体发生器具有如下效果：

1、本实用新型是一种新的用于质子转移反应的初始反应离子(H₃O⁺)的产生装置，它可以提高初始离子产生的浓度、纯度和数量，进而提高样品的离子化效率。

2、本实用新型采用多个尖端电极同时放电，不仅可提供足够的放电离子，，还可提高尖端的放电效率和降低放电的电压。

3、多个尖端均可以在低电压下放电，从而提高了使用的安全性；

4、阳极板使用钢丝网，可以透过离子，使其在放电过程中不影响离子的引出，便于离子传输。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是单尖端放电原理图；

图3是多尖端放电示意图；

图4是针端阴极架的结构示意图；

图5是钢丝网阳极的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

本实用新型是用来为真空环境下工作的质谱仪提供初始反应离子。，

如图1所示，本实用新型包括：高压电源、水蒸汽引入管道1、尖端阴极支撑板2、若干个尖端3、尖端阴极的引导片4、金属丝网5、离子产生与调节区隔板6、第一离子调节区电极7、调节区水蒸汽的输入通道8、调节区水蒸汽的排出通道9、第二离子调节区电极10、质子转移区中样品入口11、质子转移区隔板12、漂移管质子转移反应区13、质子转移区载气及反应尾气的出口14、密封器件及恒温装置。所述高压电源分别与若干个尖端、金属丝网连接，用于提供尖端放电的正负极、高压脉冲电压和低电压；用高压脉冲电压来触发尖端放电，然后用低电压维持尖端放电。水蒸汽引入管道1设置在离子源腔体的输入口，使水蒸汽从离子源腔体的尖端轴向引入；若干个尖端3及金属丝网5设置在离子源腔体的前端；若干个尖端3的阴极安插在尖端阴极支撑板2上，并通过尖端阴极的引导片4设置在金属丝网5的前端面；离子产生与调节区隔板6位于离子源腔体的中间且设置在金属丝网5的后端面；调节区水蒸汽的输入通道8、调节区水蒸汽的排出通道9均设置在离子源腔体的中间，调节区水蒸汽的输入通道8、调节区水蒸汽的排出通道9均与尖端轴向垂直，从而使水蒸汽可以从离子源腔体的侧面引入和排出；调节区水蒸汽的输入通道8的后方设有第一离子调节区电极7和第二离子调节区电极10，这两个电极的作用是将尖端放电产生的各种离子通过与水分子的离子分子反应生成的H₃O⁺及其与水的团簇离子进行聚焦；离子质子转移区隔板12及漂移管质子转移反应区13设置在离子源腔体的后端，离子质子转移区隔板12中心有一小孔，第一离子调节区电极7、第二离子调节区10聚焦后的离子经离子质子转移区隔板12中心的小孔进入漂移管质子转移反应区13与样品分子进行质子转移反应，反应后的载气及反应尾气由14口排出。在本实施例中，所述金属丝网优选钢丝网。所述若干个尖端可以是任何金属制成的，尖端可以是环形分布，也可以是矩形分布，水蒸汽可以从侧面引入也可以从针端轴向引入。

所述密封器件用于密封离子源，离子源的真空度要求为介于质谱分析器与大气压之间。，恒温装置用于调节离子源的温度恒定在设定范围内。离子源要实现离子产率的恒定，离子产生和传输都需要有恒定的温度，同时质子转移反应区和传输区也需要很好的恒温条件。

图2示意了单个尖端放电的情况，即以单个尖端阴极与阳极板之间进行放电。由于电子在尖端表面易汇聚，易于放电。

图3是多尖端放电示意图，以多个尖端整列分布，这样在不增加高电压的情况下提高了放电效果。

图4为尖端阴极支撑板的结构示意图，尖端阴极支撑板呈圆环型，且圆环上设有若干个用于支撑尖端阴极的圆孔，所述圆孔还用于流通被放电的水蒸汽，从而扩大了引入水蒸汽的截面积。图5示意了作为阳极的钢丝网。本实用新型采用钢丝做阳极，而不是以极板做阳极，这样就可以降低放电电压；并且放电的正负极(负极是多个放电尖端)都有相对大面积，利于放电，同时放电的正负极可以互换。本实用新型的原理如下：以多尖端放电使水蒸汽电离，产生与水蒸汽相关的离子；然后通过电场调节和随后的一系列的离子分子反应来得到较高浓度和纯度的水合氢离子，以此作质子供体。产生的高浓度、高纯度的水合氢离子与空气中的VOCs发生质子转移反应，产生产物离子，进入质量分析器进行质谱分析。水蒸汽作为放电载气，需要引入大量的水蒸汽，可以用顶空提取水蒸汽或者用沸腾法提取水蒸汽。多尖端放电中如用中空圆周排布尖端阴极，需要扩大水蒸汽的横截面来增大放电面积。本实用新型以多尖端为阴极，以钢丝作阳极，在若干个尖端3与钢丝网5之间进行放电，可以提高放电效率，并且正负极可以互换。

本实用新型的参数如下：电压在-10kV～10kV之间；工作压强在10-3Pa～10kPa(真空负压)之间；载气可以是氮气、空气、稀有气体等。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.产生质子转移反应初始水合氢离子的多尖端放电离子源，其特征在于离子源包括：高压电源、水蒸汽引入管道、若干个尖端、尖端阴极支撑板、尖端阴极的引导片、金属丝网及用于密封离子源的密封器件；所述水蒸汽引入管道设置在离子源腔体的输入口；所述高压电源分别与若干个尖端、金属丝网连接；所述若干个尖端及金属丝网设置在离子源腔体的前端，若干个尖端的阴极安插在尖端阴极支撑板上，并通过尖端阴极的引导片设置在金属丝网的前端面。

2.根据权利要求1所述的产生质子转移反应初始水合氢离子的多尖端放电离子源，其特征在于，所述金属丝网为钢丝网。

3.根据权利要求1所述的产生质子转移反应初始水合氢离子的多尖端放电离子源，其特征在于，所述离子源还包括设置在离子源腔体的中间的调节区水蒸汽的输入通道、调节区水蒸汽的排出通道。

4.根据权利要求3所述的产生质子转移反应初始水合氢离子的多尖端放电离子源，其特征在于，所述调节区水蒸汽的输入通道、调节区水蒸汽的排出通道均与尖端轴向垂直。

5.根据权利要求1所述的产生质子转移反应初始水合氢离子的多尖端放电离子源，其特征在于，所述尖端阴极支撑板呈圆环型，且设有若干个用于支撑尖端阴极的圆孔。