CN209470962U - 一种气体分子浓缩富集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种气体分子浓缩富集装置，包括装置本体，装置本体包括离子化电离源、进气导流环、电离室、离子收集存储器、离子中和器、以及出气集气装置；本实用新型采用选择性电离、离子持续存留收集、离子瞬时集中释放中和，实现将原本低浓度的样品气体中待测分子的浓度提高，从而实现对待测样品气体的浓缩富集；由于电离、离子收集、离子释放、离子复合都是非常快速完成的，相应的时间在纳秒和微秒级，同时富集、解吸的时间主要取决于气流速度，远快于传统富集方法。本实用新型构思巧妙，富集效果控制灵活，便于气体检测推广应用。

Description

一种气体分子浓缩富集装置

技术领域

本实用新型涉及低浓度气体分子检测样品前处理领域，特别涉及一种气体分子浓缩富集装置。

背景技术

低浓度气体分子检测是气体精细化检测的重要部分，在对气态分子进行分析检测的过程中，当目标待测物质的浓度较低时(ppm甚至ppb数量级)往往达不到仪器的检测限，需要对目标气体进行浓缩富集处理，提高浓度以后方可上机测量。现有气体分子浓缩富集处理的技术方法主要有溶液吸收法、填充柱阻留法、以及低温冷凝法等几大类，但上述方法分别存在以下问题：

溶液吸收法将待测气体溶解在溶液之中或是与待测气体发生化学反应生成新的易测物质，即将气态样品转化为液态样品，其缺点是改变了物质的形态，已非单纯的富集浓缩，难以适用于质谱、离子迁移谱等气态进样的后续检测，此外溶液是耗材难以用于高频次的在线监测。

填充柱阻留法以固态颗粒物作为填充制剂，通过吸附、溶解、或发生化学反应将待测组分阻留在填充材料上来达到浓缩富集的目的，然后通过解吸或溶剂洗脱的方法使被测组分从填充材料上释放出来进行测定。该方法是目前气体富集浓缩的主要方法，分为吸附型、分配型、和反应型3种，其缺点是吸附、解吸速度慢，工作过程中往往需要进行加热及冷却处理，且待测成分容易在填充材料残留影响下一次测量。

低温冷凝法将样品气体流经低于待测目标物质熔点或沸点的冷阱，在穿过冷阱的过程中目标分子被冷冻转变为液态或固态物质留在阱中，大量的在其分子被排出阱外，一定时间后通过提高冷阱的温度让目标分子转变为高浓度的气态物质后集中释放出来，以此来实现对目标待测分子的浓缩富集。该方法的缺点是浓缩富集速度慢、冷凝装置体积大、能耗高，难以适应高频次的在线监测和现场快速检测。

综上，现有浓缩富集技术存在处理速度慢、能耗高、易残留、甚至是改变了目标物质形态等问题。有鉴于此，实有必要开发一种新式的气体分子浓缩富集装置，用以解决上述问题。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足之处，本实用新型的目的是提供一种气体分子浓缩富集装置，采用选择性电离、离子持续存留收集、离子瞬时集中释放中和，实现将原本低浓度的样品气体中待测分子的浓度提高，从而实现对待测样品气体的浓缩富集。

为了实现根据本实用新型的上述目的和其他优点，提供了一种气体分子浓缩富集装置，包括装置本体，所述装置本体包括离子化电离源、进气导流环、电离室、离子收集存储器、离子中和器、以及出气集气装置；其中，

所述离子化电离源用于将所述电离室内的待检测的样品气体电离化形成包含样本气体的气态离子与载气分子的离子分子混合群；

所述进气导流环与所述电离室内部连通；待检测的样品气体通过所述进气导流环导入所述电离室中；

所述电离室用于供所述待检测的样品气体电离，所述电离室与所述离子收集存储器内部连通，所述离子分子混合群流动至所述离子收集存储器中进行分子离子分离；

所述离子收集存储器用于收集样本气体的气态离子，所述离子收集存储器内施加有电场，样本气体的气态离子在电场束缚下存储于所述离子收集存储器中，样本气体载气分子不受电场影响穿过所述离子收集存储器与所述离子中和器并从所述出气集气装置导出，离子则在电场力的束缚下被存储在离子收集存储器的绝缘介质上；当离子收集到一定程度将离子收集存储器的束缚电场强度变为零或改为相反方向，失去电场束缚或在反向电场力驱动下的离子迅速从离子收集存储器上脱落集中释放；

所述离子中和器用于中和还原气态离子，失去电场力束缚的离子迅速从绝缘介质上逃离下来后被样本气体的载气携带进入离子中和器转化为不带电的中性分子，并从出气集气装置导出。

优选地，所述离子化电离源为紫外光离子化电离源，所述紫外光离子化电离源包括紫外PID灯、螺旋管驱动线圈、射频驱动电源；所述螺旋管驱动线圈缠绕在所述紫外PID灯灯身上；所述螺旋管驱动线圈两极连接所述射频驱动电源；所述紫外PID灯的透光窗口与所述进气导流环连接。

优选地，所述进气导流环包括绝缘环体、进气管；所述绝缘环体一端面上设有贯穿通道，所述贯穿通道用于透过电离光；所述绝缘环体还开设有导气槽，所述导气槽一端面与所述电离室的端面形成拢气口；所述进气管与所述导气槽连通；样本气体从通过进气管进入导气槽并从拢气口溢出至所述电离室。

优选地，所述电离室包括电离区，所述电离区位于所述离子化电离源有效射程之内；样本气体通过所述进气导流环到达所述电离区；所述电离区与所述离子收集存储器连通。

优选地，所述离子收集存储器包括推斥电极、吸引电极、绝缘存储介质、电极引线；所述推斥电极与所述吸引电极形成平行电极，所述推斥电极、所述吸引电极分别连接所述电极引线，两电极上施加电压后在所述推斥电极与所述吸引电极的夹持空间区域内产生电场；所述绝缘存储介质包覆于所述吸引电极外侧，用于存储所述吸引电极侧的气态离子。

优选地，所述离子中和器包括导电网、导电连接件；所述导电连接件与所述离子收集存储器的导电固定架电性连接；所述导电网与所述导电连接件形成并联等势体，所述导电网安装于所述离子中和器的入口端。

优选地，所述离子中和器还包括导电漏斗，所述导电漏斗与所述导电网、所述导电连接件并联；所述导电漏斗安装在所述离子中和器出口端。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果是：

本实用新型提供一种气体分子浓缩富集装置，包括装置本体，装置本体包括离子化电离源、进气导流环、电离室、离子收集存储器、离子中和器、以及出气集气装置。本实用新型采用选择性电离、离子持续存留收集、离子瞬时集中释放中和，实现将原本低浓度的样品气体中待测分子的浓度提高，从而实现对待测样品气体的浓缩富集；由于电离、离子收集、离子释放、离子复合都是非常快速完成的，相应的时间在纳秒和微秒级，同时富集、解吸的时间主要取决于气流速度，远快于传统富集方法。本实用新型构思巧妙，富集效果控制灵活，便于气体检测推广应用。

附图说明

图1为根据本实用新型所述的一种气体分子浓缩富集方法的流程示意图；

图2为根据本实用新型所述的一种气体分子浓缩富集装置的三维剖视结构示意图；

图3为根据本实用新型所述的一种气体分子浓缩富集装置的离子化电离源的三维剖视结构示意图；

图4为根据本实用新型所述的一种气体分子浓缩富集装置的进气导流环的三维剖视结构示意图；

图5为根据本实用新型所述的一种气体分子浓缩富集装置的电离室的三维剖视结构示意图；

图6为根据本实用新型所述的一种气体分子浓缩富集装置的离子收集存储器的三维剖视结构示意图；

图7为根据本实用新型所述的一种气体分子浓缩富集装置的离子中和器的三维剖视结构示意图；

图8为根据本实用新型所述的一种气体分子浓缩富集装置的出气集气装置的三维剖视结构示意图。

图中标号：

装置本体100、离子化电离源30、进气导流环40、电离室50、离子收集存储器60、离子中和器70、出气集气装置80、紫外PID灯301、螺旋管驱动线圈302、射频驱动电源303、透光窗口304、绝缘环体401、进气管402、贯穿通道403、第一卡位台阶404、导气槽405、拢气口406、第二卡位台阶 407、环形台阶501、电离区502、圆筒503、推斥电极601、吸引电极602、绝缘存储介质603、绝缘固定架604、导电固定架605、电极引线606、导电网701、导电漏斗702、导电环703、绝缘桶身801、出气导气管802、镂空圆柱803、漏斗形空位804、盲孔805。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，本实用新型的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

实施例1

参照图1所示，一种气体分子浓缩富集方法，包括以下步骤：

S1、电离化，选择性电离源在不破坏分子结构的情况下将待测样品气体中的低浓度气体分子电离转化为气态离子，电离后气态离子与高浓度的载气分子形成离子分子混合群；

S2、分子离子分离，所述离子分子混合群在流经离子收集存储器时，离子被电场力束缚住存留在离子收集存储器中，中性的载气分子不受影响从收集器中自由通过，在气流的推动被直接排出流走；

S3、离子释放，当离子收集到一定程度将离子收集存储器的束缚电场强度变为零或改为相反方向，失去电场束缚或在反向电场力驱动下的离子迅速从离子收集存储器上脱落集中释放出来，形成高浓度的离子云；

S4、电性中和，在气流推动下，高浓度的离子云流经离子中和器转换为高浓度的中性气体分子。

但需要说明的是，本实施例不同于周期性振荡的富集方式，周期性振荡的方式是使离子以来回抖动的方式向中间富集控靠拢，即中间离子浓度比边上高，改变进样时离子的空间分布密度，如此离子通过富集孔的通过率会相对提高一些，只是提高进样时离子的利用率，难以大幅度提高，即富集倍数低；而在本实施中将分子转变为离子存储起来，通过存储时间来富集更多的气态离子，然后快速释放出来中和为分子再传给检测仪器，收集储存的时间越长富集的倍数越高，通过时间的累积换取富集浓度的倍数的增加，例如通过收集存储10分钟的气体，然后让它1秒钟解析释放出来，如此富集倍数为 600倍。

优选地，离子释放中通过设置离子收集存储器的束缚电场内电场力束缚离子的有效作用时间来调节气体分子的浓缩富集程度。在一实施例中，采用外加周期性电场或者将离子收集存储器的束缚电场置零或置反，例如，在一个电场周期内，正电场的有效作用时间为10分钟，零电场或反向电场的有效作用时间为1秒，则理论富集倍数可达600倍，使吸附在离子收集存储器内的气态离子瞬间释放，在本实施中，无需增设传感检测装置，仅需通过设置周期性电源。应当理解，有效作用时间为电场作用于离子的时间，而非实际周期性电源的实际作用时间，一般地，实际作用时间大于有效作用时间。

优选地，离子释放中通过采集离子收集存储器的束缚电场内电场强度判定是否离子收集完成，其中，初始电场强度为设定值，采集的电场强度为状态值，初始电场强度与采集的电场强度的差值与离子数量正相关，在离子收集存储器内体积一定的情况下，判断是否满足释放浓度，若满足，则判定为离子收集完成。在一实施例中，通过灵敏感应电场检测装置采集吸附在离子收集存储器内的气态离子的电荷量的变化引起的电场强度变化，当达到初始电场强度与采集的电场强度的差值达到释放阈值时，采用外加电场或者将离子收集存储器的束缚电场置零或置反，使吸附在离子收集存储器内的气态离子瞬间释放，在本实施中，控制富集的电荷量来在一定程度上控制富集的浓度。

实施例2

一种气体分子浓缩富集装置，如图2所示，包括装置本体100，所述装置本体100包括离子化电离源30、进气导流环40、电离室50、离子收集存储器60、离子中和器70、以及出气集气装置80；其中，

所述离子化电离源30用于将所述电离室50内的待检测的样品气体电离化形成包含样本气体的气态离子与高浓度载气分子的离子分子混合群；

所述进气导流环40与所述电离室50内部连通；待检测的样品气体通过所述进气导流环40导入所述电离室50中；

所述电离室50用于供所述待检测的样品气体电离，所述电离室50与所述离子收集存储器60内部连通，所述离子分子混合群流动至所述离子收集存储器60中进行分子离子分离；

所述离子收集存储器60用于收集样本气体的气态离子，所述离子收集存储器60内施加有电场，样本气体的气态离子在电场束缚下存储于所述离子收集存储器60中，样本气体的高浓度载气分子不受电场影响穿过所述离子收集存储器60与所述离子中和器70并从所述出气集气装置80导出，离子则在电场力的束缚下被存储在离子收集存储器60的绝缘介质上；当离子收集到一定程度将离子收集存储器的束缚电场强度变为零或改为相反方向，失去电场束缚或在反向电场力驱动下的离子迅速从离子收集存储器上脱落集中释放；

所述离子中和器70用于中和还原气态离子，失去电场力束缚的离子迅速从绝缘介质上逃离下来后被样本气体的载气携带进入离子中和器70转化为不带电的中性分子，并从出气集气装置80导出。

在本实施例中，如图2所示，样品气体经由进气导流环40导引之后从外周流向中心进入电离室50，离子化电离源30发出的高能紫外光沿轴向照射到电离室50中的样品气体分子上，电离能相对低的分子被高能光子电离为离子，电离能较高的载气分子仍保持不带电的分子状态；在气流的推动下电离室50中的离子分子混合群向离子收集存储器60流动，当控制电源在离子收集存储器60上施加一定方向的电压差以后离子被电场束缚在存储器的吸引电极外表层的绝缘介质上，中性的载气分子不受影响穿过离子收集存储器60 和离子中和器70，从出气集气装置80的初期导气管中流走；浓缩富集结束后当需要对离子进行解析时，控制电源向离子收集存储器60的电极板施加反向电压或将二者短接，失去电场力束缚的离子迅速从绝缘介质上逃离下来被冲洗载气携带进入离子中和器70转化为不带电的中性分子最后从出气集气装置80的出气导气管中流出。

实施例3

如图3所示，所述离子化电离源30为紫外光离子化电离源，所述紫外光离子化电离源包括紫外PID灯301、螺旋管驱动线圈302、射频驱动电源303；

所述螺旋管驱动线圈302缠绕在所述紫外PID灯301灯身上；所述螺旋管驱动线圈302两极连接所述射频驱动电源303；所述紫外PID灯301的透光窗口304与所述进气导流环40连接。

在本实施中，如图3所示，紫外PID灯301具有能透过高能紫外光子的透光窗口304(氟化镁或氟化锂窗口)，高能紫外光子可以从该窗口出射到灯的外部，紫外PID灯的窗口端与进气导流环40相连接。工作过程中射频驱动电源303产生射频交变电流提供给螺旋管驱动线圈302，螺旋管驱动线圈302 将射频交变电流转换为感应电磁场为紫外PID灯301提供激发能量，感应电磁场激发灯内部的稀薄气体分子放电产生高能紫外光从透光窗口304出射后穿过进气导流环40照射到电离室50中。

需要说明的是，紫外光离子化电离源是一种选择性电离源，利用高能紫外光对气态分子进行电离。本实施例中采用PID灯为氩灯，其最短谱线波长为 104.8nm，对应的最高能量光子的能量为11.8eV，能将电离能在11.8eV以内的气体分子在转化为离子态，电离能较高的载气分子(如空气的主要成分氮气和氧气的电离能分别为14.53eV和13.62eV)则不受影响继续保持中性分子状态；同时由于所采用的高能紫外光子的能量在11.8eV以下，对分子结构没有破坏作用。

实施例4

如图4所示，所述进气导流环40包括绝缘环体401、进气管402；所述绝缘环体401一端面上设有贯穿通道403，所述贯穿通道403用于透过电离光；所述绝缘环体401还开设有导气槽405，所述导气槽405一端面与所述电离室50的端面形成拢气口406；所述进气管402与所述导气槽405连通；样本气体从通过进气管402进入导气槽405并从拢气口406溢出至所述电离室50。

在本实施中，如图4所示，进气导流环40位于紫外光离子化电离源30 和电离室50之间，绝缘环体401的中轴有一大面积的圆柱形的贯穿通道403 用于透过高能紫外光，贯穿通道403的直径与高能紫外光的出射直径相当。贯穿通道403的边缘设有一第一卡位台阶404用于连接和密封紫外PID灯301 的光子出射端。绝缘环体401上设有一环形的导气槽405，环形的导气槽的下端面与电离室50的上端面贴合在一起形成一圈狭窄的拢气口406，进气管 402的一端与环形的导气槽405相连通，样品气体通过进气管402进入环形的导气槽405之后先沿着相对宽阔的槽体流动，充满导气槽之后从拢气口406 溢出流淌到紫外PID灯301的出射窗口前方，然后流向电离室50。绝缘环体 401的下端外周设有另一第二卡位台阶407用于与电离室50的连接定位。

经环形的导气槽405导流之后，样品气体从周围被均匀地导入到紫外PID 灯301的透光窗口304的前方，与从紫外PID灯301窗口侧引入相比，本实施例使样品气体分布更加均匀，可以最大程度地提高电离效率。

实施例5

如图5所示，所述电离室50包括电离区502，所述电离区502位于所述离子化电离源30有效射程之内；样本气体通过所述进气导流环40到达所述电离区502；所述电离区502与所述离子收集存储器60连通。

在本实施中，电离室50由化学性质稳定、绝缘性能良好、耐腐蚀、不吸收或溶解有机物分子的惰性材料制作而成。结合图4、图5所示，电离室50 的上端有一下沉的环形台阶501用于与进气导流环40相连接，环形台阶501 的下沉台阶面与进气导流环40的环形的导气槽405一起形成拢气口406；电离室50中间圆柱空腔为电离区502，该区域位于高能紫外光子的有效射程之内，从进气导流环40流淌过来的气体分子在该区域被选择性电离，电离能低的气体分子在此转化为带电的离子，电离能高的载气分子不受影响仍保持中性分子状态，在该区域样品气体变为“离子分子混合群”；电离室50的下端有一内直径大于电离区502的圆筒503用于安装离子收集存储器60，同时充当离子收集存储器60的保护壳。

实施例6

如图6所示，所述离子收集存储器60包括推斥电极601、吸引电极602、绝缘存储介质603、电极引线606；所述推斥电极601与所述吸引电极602形成平行电极，所述推斥电极601、所述吸引电极602分别连接所述电极引线606，两电极上施加电压后在所述推斥电极601与所述吸引电极602的夹持空间区域内产生电场；所述绝缘存储介质603包覆于所述吸引电极602外侧，用于存储所述吸引电极602侧的气态离子。

在本实施中，如图6所示，包括推斥电极601、吸引电极602、绝缘存储介质603、绝缘固定架604、导电固定架605、以及电极引线606。推斥电极 601和吸引电极602组成平行曲面电极板，两电极板上施加电压后在两者之间的空间区域内产生电场，经过电场区域的离子在电场力的作用下远离推斥电极向吸引电极聚集；当目标待测分子被选择型电离源电离为正离子时，即要收集的离子为正离子时推斥电极601上施加的电压高于吸引电极602，反之则推斥电极601上施加的电压低于吸引电极602。应当理解，推斥电极601 和吸引电极602的个数不仅仅局限于1个，也可以是多个。

绝缘存储介质603由化学性质稳定、绝缘性能良好、耐腐蚀、不吸收或溶解有机物分子的惰性材料制作而成，它紧密贴合在吸引电极602的两侧，将吸引电极密封在其内部，避免吸引电极602与外界气体接触而将离子中和；当带电离子在电场力的作用下冲向602推斥电极时，最终打在绝缘存储介质 603的外表面上，被电场力束缚在绝缘介质的外表面上存储起来；被存储在绝缘存储介质603外表面的带电离子同时在推斥电极601和吸引电极602之间的空间区域内产生反向电场；在一实施例中，随着存储离子的增多产生的反向电场逐渐增大，当反向电场与推斥电极601和吸引电极602上的电压差产生的正向电场相等以后两电极之间的电场力被完全抵消掉，此后绝缘存储介质603外表面上不再存储新的离子，因此绝缘存储介质603外表面存储的离子数量取决于原正向电场的大小，即取决于施加在推斥电极601和吸引电极602上的电压差的大小。

如图6所示，绝缘固定架604和导电固定架605均为多环扇形镂空结构，用于安装固定电极，对应电极的位置设有环形槽用于对电极进行卡位。绝缘固定架604位于离子收集存储器60的入口端，气态离子分子混合群通过绝缘固定架的多个大面积扇形镂空部位进入内部电场区，由于其为绝缘体不带电，故对路过的离子不产生影响。导电固定架605位于离子收集存储器的出口端，气态离子或分子通过导电固定架的多个大面积扇形镂空部位离开内部电场区；除起固定作用之外导电固定架605还对推斥电极601进行电气连接，即将多个推斥电极601在电气上并联在一起；由于导电固定架605与推斥电极601 相连，在进行离子收集的时候对离子具有排斥作用，可以在离子收集存储即将存满、电极之间有效电场减弱的时候防止质荷比较大的离子外逃，进而提高离子收集效率。

电极引线606对推斥电极601和吸引电极602进行电气引出、与控制电源相连，控制电源可通过电极引线606来对电极施加不同的电压。当需要收集存储离子时控制电源在推斥电极601和吸引电极602上施加电压差，收集正离子时推斥电极601上施加的电压高于吸引电极602，收集负离子时推斥电极601上施加的电压低于吸引电极602，施加电压后两种电极之间的空间区域产生电场，在电场力的作用下离子被束缚存储到绝缘存储介质603的外表面上。当浓缩富集完毕需要对离子进行解吸时，控制电源在推斥电极601 和吸引电极602上施加相反的电压差或将两类电极短接使外加电压差为零，由于同种电荷的离子之间具相互排斥，失去外加电场约束或施加反向电场后离子迅速从绝缘存储介质603的外表面上逃离，一部分离子撞击到导电的原推斥电极601上吸收相反的电荷后被中和为不带电的中性分子，随后连同未被中和的离子一起被冲洗载气携带流入离子中和器70。

实施例7

如图7所示，所述离子中和器70包括导电网701、导电连接件；所述导电连接件与所述离子收集存储器60的导电固定架605电性连接；所述导电网 701与所述导电连接件形成并联等势体，所述导电网701安装于所述离子中和器70的入口端。

在本实施中，如图7所示，离子中和器70包括环形的导电网701、导电漏斗702、以及导电连接件，具体地，导电连接件为导电环703，三者均由耐腐蚀的导电材料制作而成，在电气上形成一个并联的等势体，其中导电环703 将离子中和器与离子收集存储器60的导电固定架605进行电气连接。环形的导电网701处于离子中和器的入口端，为主要中和机构，在解吸的过程中能够提供与离子相反的电荷，对离子具有一定的吸引力，从离子收集存储器60上解吸释放出的未被中和的离子在穿过导电网的过程中从导电网701上吸收异性电荷后被中和成为中性分子。导电漏斗702为补充中和机构，同时具有气体收集功能；当气流速度较快时，少数质荷比较大、未能及时触网中和的离子进入漏斗后与漏斗的导电壁相接触后被中和为中性分子，确保所有的离子都能被中和为不带电的中性分子。离子被中和为不带电的中性分子之后，在气流的推动下连同冲洗载气仪器被收拢到导电漏斗702底部，从漏斗底部的出气孔流出离子中和器70。

实施例8

如图8所示，出气集气装置80包括阶梯型的绝缘桶身801、出气导气管 802，桶身由化学性质稳定、绝缘性能良好、耐腐蚀、不吸收或溶解有机物分子的惰性材料制作而成。桶身上部较大的镂空圆柱803用于对接电离室50，中下部的漏斗形空位804用于容纳离子中和器70，底部的盲孔805正对离子中和器70的出气口，盲孔805的底端有一通向侧壁的孔道连接出气导气管 802。出气集气装置的主要作用是保护和固定离子中和器，即充当离子中和器 70的保护壳。

本实用新型提供一种气体分子浓缩富集装置，包括装置本体，装置本体包括离子化电离源、进气导流环、电离室、离子收集存储器、离子中和器、以及出气集气装置；本实用新型还涉及一种气体分子浓缩富集方法。本实用新型采用选择性电离、离子持续存留收集、离子瞬时集中释放中和，实现将原本低浓度的样品气体中待测分子的浓度提高，从而实现对待测样品气体的浓缩富集；由于电离、离子收集、离子释放、离子复合都是非常快速完成的，相应的时间在纳秒和微秒级，同时富集、解吸的时间主要取决于气流速度，远快于传统富集方法。本实用新型构思巧妙，富集效果控制灵活，便于气体检测推广应用。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本实用新型的说明的。对本实用新型的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种气体分子浓缩富集装置，包括装置本体(100)，其特征在于：所述装置本体(100)包括离子化电离源(30)、进气导流环(40)、电离室(50)、离子收集存储器(60)、离子中和器(70)、以及出气集气装置(80)；其中，

所述离子化电离源(30)用于将所述电离室(50)内的待检测的样品气体电离化形成包含样本气体的气态离子与载气分子的离子分子混合群；

所述进气导流环(40)与所述电离室(50)内部连通；待检测的样品气体通过所述进气导流环(40)导入所述电离室(50)中；

所述电离室(50)用于供所述待检测的样品气体电离，所述电离室(50)与所述离子收集存储器(60)内部连通，所述离子分子混合群流动至所述离子收集存储器(60)中进行分子离子分离；

所述离子收集存储器(60)用于收集样本气体的气态离子，所述离子收集存储器(60)内施加有电场，样本气体的气态离子在电场束缚下存储于所述离子收集存储器(60)中，样本气体载气分子不受电场影响穿过所述离子收集存储器(60)与所述离子中和器(70)并从所述出气集气装置(80)导出，离子则在电场力的束缚下被存储在离子收集存储器(60)的绝缘介质上；当离子收集到一定程度将离子收集存储器的束缚电场强度变为零或改为相反方向，失去电场束缚或在反向电场力驱动下的离子迅速从离子收集存储器上脱落集中释放；

所述离子中和器(70)用于中和还原气态离子，失去电场力束缚的离子迅速从绝缘介质上逃离下来后被样本气体的载气携带进入离子中和器(70)转化为不带电的中性分子，并从出气集气装置(80)导出。

2.如权利要求1所述的一种气体分子浓缩富集装置，其特征在于，所述离子化电离源(30)为紫外光离子化电离源，所述紫外光离子化电离源包括紫外PID灯(301)、螺旋管驱动线圈(302)、射频驱动电源(303)；所述螺旋管驱动线圈(302)缠绕在所述紫外PID灯(301)灯身上；所述螺旋管驱动线圈(302)两极连接所述射频驱动电源(303)；所述紫外PID灯(301)的透光窗口(304)与所述进气导流环(40)连接。

3.如权利要求1所述的一种气体分子浓缩富集装置，其特征在于：所述进气导流环(40)包括绝缘环体(401)、进气管(402)；所述绝缘环体(401)一端面上设有贯穿通道(403)，所述贯穿通道(403)用于透过电离光；所述绝缘环体(401)还开设有导气槽(405)，所述导气槽(405)一端面与所述电离室(50)的端面形成拢气口(406)；所述进气管(402)与所述导气槽(405)连通；样本气体从通过进气管(402)进入导气槽(405)并从拢气口(406)溢出至所述电离室(50)。

4.如权利要求1所述的一种气体分子浓缩富集装置，其特征在于：所述电离室(50)包括电离区(502)，所述电离区(502)位于所述离子化电离源(30)有效射程之内；样本气体通过所述进气导流环(40)到达所述电离区(502)；所述电离区(502)与所述离子收集存储器(60)连通。

5.如权利要求1所述的一种气体分子浓缩富集装置，其特征在于：所述离子收集存储器(60)包括推斥电极(601)、吸引电极(602)、绝缘存储介质(603)、电极引线(606)；所述推斥电极(601)与所述吸引电极(602)形成平行电极，所述推斥电极(601)、所述吸引电极(602)分别连接所述电极引线(606)，两电极上施加电压后在所述推斥电极(601)与所述吸引电极(602)的夹持空间区域内产生电场；所述绝缘存储介质(603)包覆于所述吸引电极(602)外侧，用于存储所述吸引电极(602)侧的气态离子。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种气体分子浓缩富集装置，其特征在于：所述离子中和器(70)包括导电网(701)、导电连接件；所述导电连接件与所述离子收集存储器(60)的导电固定架(605)电性连接；所述导电网(701)与所述导电连接件形成并联等势体，所述导电网(701)安装于所述离子中和器(70)的入口端。

7.如权利要求6所述的一种气体分子浓缩富集装置，其特征在于：所述离子中和器(70)还包括导电漏斗(702)，所述导电漏斗(702)与所述导电网(701)、所述导电连接件并联；所述导电漏斗(702)安装在所述离子中和器(70)出口端。