CN216849840U - 一种光电离源离子迁移管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光电离源离子迁移管。采用真空紫外灯作为光源，在真空紫外灯光窗的正前方设置扩束镜系统，将真空紫外灯所输出光束的直径扩大N倍以上，使离子迁移管电离区的整个内部空腔充满真空紫外光，克服传统光电离源离子迁移谱中由于电离区内部紫外光分布的不均匀性以及样品分布的不均匀性所造成的目标样品利用率低、检测灵敏度低的问题。所公开的光电离源离子迁移管技术将电离区内目标样品分子的利用效率提升至接近100％，使在电离区内获得高数密度的目标样品产物离子，提高光电离源离子迁移管的检测灵敏度。迁移管设计简单，普适性强。扩束镜系统的使用，可以将真空紫外灯与目标样品气相隔离，避免光窗污染、延长灯的使用寿命。

Description

一种光电离源离子迁移管

技术领域

本实用新型涉及离子迁移谱仪的核心部件离子迁移管，具体地说是一种采用扩束镜系统对真空紫外灯输出光束的直径进行扩束增大，提高电离区内中性样品分子利用率，进而获得高检测灵敏度的光电离源离子迁移管。

背景技术

大气压光电离化技术是离子迁移谱中使用最为普遍的一种离子化技术。早期的光电离技术普遍采用激光做为光源，由Lubman等人于1982年首次引入离子迁移谱领域(Anal.Chem.1982,54:1546)。随着微型化商品化真空紫外灯(VUV灯)的出现，Hill和Eiceman等人先后将Krypton VUV灯和Hydrogen VUV灯直接用作离子迁移谱的光电离源(Anal.Chem.1983,55:1761；Anal.Chem.1986,58:2142)。为了提高光电离源离子迁移谱的检测灵敏度和检测目标物范围，Spangler于 1992年公开了一种轴侧固定结构的光电离源离子迁移谱技术，采用 Krypton VUV灯作为光电离源(US5338931)。Hans-Rudiger等人于1997 年公开了一种基于Dopant掺杂的高灵敏度光电离源离子迁移谱技术 (US5968837)，实现了光电离源离子迁移谱对正负极性目标物的检测。李海洋等人于2012年公开了一种阵列式光电离源离子迁移管技术以增强其在负离子模式下的检测灵敏度。

光电离源离子迁移谱普遍使用的商品化VUV灯，其输出真空紫外光的光束直径较小，仅为～8mm。离子迁移谱为了保证较好的离子传输效率，电离区内径通常设置为12～24mm。这就造成电离区内部仅在紧邻轴线的微小柱状区域内存在真空紫外光，电离区内偏离轴线稍远的径向区域内则不存在真空紫外光。李海洋等人最近研究电离区中样品浓度空间分布特征时发现，样品气进入电离区后并不会形成均匀的样品浓度空间分布，高浓度的样品气主要分布在电离区内部偏离轴线稍远的径向区域内(Sensor Actuat.B-Chem.2022,350:130844)。电离区内部紫外光分布的不均匀性以及样品分布的不均匀性，造成了电离区内仅有一小部分样品可以被光电离形成产物离子，样品利用率低、离子迁移谱检测灵敏度低。

实用新型内容

本实用新型提供一种具有高灵敏度的光电离源离子迁移管。离子迁移管的光电离源采用真空紫外灯作为光源，在真空紫外灯光窗的正前方设置扩束镜系统，将真空紫外灯所输出光束的直径扩大N倍以上，使离子迁移管电离区的整个内部空腔充满真空紫外光，克服传统光电离源离子迁移谱中由于电离区内部紫外光分布的不均匀性以及样品分布的不均匀性所造成的目标样品利用率低、检测灵敏度低的问题。本实用新型所公开的光电离源离子迁移管技术可以将电离区内目标样品分子的利用效率提升至接近100％，并在电离区内获得高数密度的目标样品产物离子，进而提高光电离源离子迁移管的检测灵敏度。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种光电离源离子迁移管，离子迁移管为环状电极和环状绝缘体从左至右依次交替同轴叠合构成的中空圆柱状腔体，于腔体左端设置光电离源、右端设置离子接收极，沿光电离源至离子接收极方向，在腔体内部位于光电离源和离子接收极之间设置离子门，将腔体内部分成两个区域，其中光电离源和离子门之间构成电离区，离子门和离子接收极之间构成迁移区；

光电离源包括电离源腔室、真空紫外灯、光输入透镜和光输出透；

电离源腔室为左端密闭、右端开口的圆柱形筒体，筒体右开口端通过环状绝缘体与电离区左端的环状电极左端面密封连接(或密闭连接)，于筒体内部的左侧端面沿轴线方向开设有通孔，于通孔内设置真空紫外灯，真空紫外灯的光输出方向沿筒体轴线指向筒体内部；

于电离源腔室内从左至右设有二个相互间隔、平行放置的光输入透镜和光输出透镜，圆柱状光输入透镜和光输出透镜的轴线与电离源腔室的轴线重合，光输入透镜和光输出透镜的柱体四周边缘与电离源腔室的内壁面密闭连接，光输入透镜位于真空紫外灯和光输出透镜之间，光输入透镜和光输出透镜构成扩束镜系统；

真空紫外灯输出直径为d₁的圆柱状平行光束，经扩束镜系统后，被转变成直径为d₂的圆柱状平行光束并输入电离区内，直径d₂大于直径d₁，电离区内部(内部的径向和轴向区域)内充满真空紫外光，进入电离区内的中性样品分子被真空紫外光电离，形成样品产物离子；

光输入透镜左端面为凹球面，此凹球面的对称轴与光输入透镜同轴，光输入透镜右端面为平面，此平面与光输入透镜的轴线相垂直，光输出透镜左端面为平面，此平面与光输出透镜的轴线相垂直，光输出透镜右端面为凸球面，此凸球面的对称轴与光输入透镜同轴，光输入透镜和光输出透镜的光学焦点重合，光输出透镜的焦距f₂大于光输入透镜的焦距f₁；

真空紫外灯输出紫外光波长为包括147.6nm、130.0nm、129.0nm、 123.9nm、121.6nm和116.9nm在内的任一波长或者二种以上波长的混合；

光输入透镜和光输出透镜的材质相同，材质为包含蓝宝石、氟化镁和氟化锂在内的任意一种；

于电离区紧邻离子门的圆周侧壁上设置有样品气入口，于电离区紧邻光电离源的圆周侧壁上设置有出气口，于离子接收极上设置有漂气入口；

于电离区内设置具有离子富集功能的轴向非均匀直流电场，电场强度沿离子源至离子接收极方向逐渐减弱，于迁移区内设置轴向均匀直流电场；

一路样品气经样品气入口进入电离区中，被光电离源输出的真空紫外光电离形成产物离子，产物离子在电离区中非均匀直流电场的作用下迁移至电离区紧邻离子门的区域内并被富集；

周期短暂开启的离子门将电离区中的产物离子以脉冲离子团形式注入迁移区内，在其中均匀直流电场的驱动下先后到达离子检测极实现分离和检测，并被转换成电流强度对时间的二维谱图信息输出；

一路漂气经漂气入口进入迁移区内部并沿着与离子飞行方向相反的方向流出迁移区，最终与电离区内部的气体一起经出气口流出离子迁移管；

漂气的气体为包括O₂、N₂、CO₂、H₂、Ar等气体在内的任一气体或者二种以上气体混合物。

本实用新型的优点是：

本实用新型所公开的光电离源离子迁移管技术可以将电离区内目标样品分子的利用效率提升至接近100％，从而在电离区内获得高数密度的目标样品产物离子，进而提高光电离源离子迁移管的检测灵敏度。迁移管设计简单，普适性强。另外，扩束镜系统的使用，可以将真空紫外灯与目标样品气相隔离，避免光窗污染、延长灯的使用寿命。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明：

附图说明

图1.采用本实用新型所公开技术的光电离源离子迁移管结构示意图。其中：1、光电离源；2、电离区；3、离子门；4、迁移区；5、离子接收极；6、环状电极；7、环状绝缘体；8、漂气入口；9、样品气入口；10、尾气出口；11、电离源腔室；12、Krypton VUV灯；13、单凹面光输入透镜；14、单凸面光输出透镜。单凹面光输入透镜13 和单凸面光输出透镜14均为氟化镁材质。

图2.未使用扩束镜系统的光电离源离子迁移管结构示意图。其中：1、光电离源；2、电离区；3、离子门；4、迁移区；5、离子接收极；6、环状电极；7、环状绝缘体；8、漂气入口；9、样品气入口； 10、尾气出口；11、电离源腔室；12、Krypton VUV灯；13、双平面透镜；14、双平面透镜。双平面透镜13和双平面透镜14均为氟化镁材质。

图3.1ppm二甲苯样品在图1和图2所示光电离源离子迁移管中获得的离子迁移谱图。其中：曲线(a)为1ppm二甲苯样品在图1 所示本实用新型所公开光电离源离子迁移管中获得的离子迁移谱图；曲线(b)为1ppm二甲苯样品在图2所示未使用扩束镜系统的光电离源离子迁移管中获得的离子迁移谱图。

具体实施方式

实施例1

采用本实用新型所公开技术的光电离源离子迁移管结构如图1 所示。

光电离源1采用光子能量为10.6eV的Krypton VUV灯12作为真空紫外光源，Krypton VUV灯12固定在外径30mm、内径18mm的金属筒状电离源腔室11的左端，在电离源腔室11内部，沿Krypton VUV灯12光输出方向依次放置外径18mm的单凹面光输入透镜13 和单凸面光输出透镜14，单凹面光输入透镜13和单凸面光输出透镜 14均为氟化镁材质，单凹面光输入透镜13和单凸面光输出透镜14 组成扩束镜系统，将Krypton VUV灯输出光束的直径由～8mm扩束至～18mm。

离子门3为Bradbury-Nielsen型离子门，由0.05mm直径的金属丝在四氟PCB极板上编制而成，丝间距为0.3mm，离子门上的金属丝分为相互绝缘的两组，分别与两个脉冲高压电源相连接；离子接收极5为直径6mm的法拉第盘，固定在外径为30mm的金属屏蔽筒上。

电离区2和迁移区4均由轴向长度5mm、内径18mm、外径30 mm的环状导电极片6和轴向长度5mm、内径18mm、外径30mm 的环状绝缘极片7交替叠合构成，电离区2的长度为30mm，迁移区 4的长度为75mm，电离区2和迁移区4内设置800V/cm的轴向均匀直流电场。

离子迁移管的温度为110℃，漂气为500mL/min的零空气，经漂气入口10进入离子迁移管，样品气为含有1ppm二甲苯的零空气，流速100mL/min，经样品气入口11进入离子迁移管的电离区2中，漂气和样品气最终经尾气出口12流出离子迁移管。

图3中曲线(a)展示了本实用新型所公开光电离源离子迁移管工作在上述

实验条件下，获得1ppm二甲苯样品的离子迁移谱图。其中，二甲苯离子谱峰的迁移时间为2.84ms，二甲苯离子谱峰的电流强度为556pA。

对比例1

为了对比展示本实用新型所公开光电离源离子迁移管技术在提高样品利用率、进而提高样品检测灵敏度方面的性能，在实验过程中，将图1所示光电离源离子迁移管中光电离源1内部的单凹面光输入透镜13和单凸面光输出透镜14更换为外径为18mm的双平面透镜13 和双平面透镜14，形成未使用扩束镜系统的光电离源离子迁移管，如图2中所示。离子迁移管的结构及其他工作参数均保持不变。

由于双平面透镜13和双平面透镜14仅能保持Krypton VUV灯输出光束的无损通过，无法对其进行扩束，1ppm二甲苯样品的离子谱峰强度仅为275pA，如图3中曲线(b)所示。相比于图3中曲线 (a)，离子谱峰强度降低一半。

Claims (5)

1.一种光电离源离子迁移管，所述离子迁移管为环状电极(6)和环状绝缘体(7)从左至右依次交替同轴叠合构成的中空圆柱状腔体，于腔体左端设置光电离源(1)、右端设置离子接收极(5)，沿光电离源(1)至离子接收极(5)方向，在腔体内部位于光电离源(1)和离子接收极(5)之间设置离子门(3)，将腔体内部分成两个区域，其中光电离源(1)和离子门(3)之间构成电离区(2)，离子门(3)和离子接收极(5)之间构成迁移区(4)，其特征在于：

所述光电离源(1)包括电离源腔室(11)、真空紫外灯(12)、光输入透镜(13)和光输出透镜(14)；

电离源腔室(11)为左端密闭、右端开口的圆柱形筒体，筒体右开口端通过环状绝缘体(7)与电离区(2)左端的环状电极(6)左端面密封连接或密闭连接，于筒体内部的左侧端面沿轴线方向开设有通孔，于通孔内设置真空紫外灯(12)，真空紫外灯(12)的光输出方向沿筒体轴线指向筒体内部；

于电离源腔室(11)内从左至右设有二个相互间隔、平行放置的光输入透镜(13)和光输出透镜(14)，圆柱状光输入透镜(13)和光输出透镜(14)的轴线与电离源腔室(11)的轴线重合，光输入透镜(13)和光输出透镜(14)的柱体四周边缘与电离源腔室(11)的内壁面密闭连接，光输入透镜(13)位于真空紫外灯(12)和光输出透镜(14)之间，光输入透镜(13)和光输出透镜(14)构成扩束镜系统；

真空紫外灯(12)输出直径为d₁的圆柱状平行光束，经扩束镜系统后，被转变成直径为d₂的圆柱状平行光束并输入电离区(2)内，直径d₂大于直径d₁，电离区(2)内部即内部的径向和轴向区域充满真空紫外光，进入电离区(2)内的中性样品分子被真空紫外光电离，形成样品产物离子。

2.按照权利要求1所述光电离源离子迁移管，其特征在于：

所述光输入透镜(13)左端面为凹球面，此凹球面的对称轴与光输入透镜(13)同轴，光输入透镜(13)右端面为平面，此平面与光输入透镜(13)的轴线相垂直，光输出透镜(14)左端面为平面，此平面与光输出透镜(14)的轴线相垂直，光输出透镜(14)右端面为凸球面，此凸球面的对称轴与光输出透镜(14)同轴，光输入透镜(13)和光输出透镜(14)的光学焦点重合，光输出透镜(14)的焦距f₂大于光输入透镜(13)的焦距f₁。

3.按照权利要求1所述光电离源离子迁移管，其特征在于：

所述真空紫外灯(12)输出紫外光波长为包括147.6nm、130.0nm、129.0nm、123.9nm、121.6nm和116.9nm在内的任一波长或者二种以上波长的混合。

4.按照权利要求1所述光电离源离子迁移管，其特征在于：

于电离区(2)紧邻离子门(3)的圆周侧壁上设置有样品气入口(9)，于电离区(2)紧邻光电离源(1)的圆周侧壁上设置有出气口(10)，于离子接收极(5)上设置有漂气入口(8)。

5.按照权利要求1所述光电离源离子迁移管，其特征在于：

于电离区(2)内设置具有离子富集功能的轴向非均匀直流电场，电场强度沿光电离源(1)至离子接收极(5)方向逐渐减弱，于迁移区(4)内设置轴向均匀直流电场。

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