CN217721554U - 一种复合等离子体常压激发源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种复合等离子体常压激发源，激发源由四管同轴的内针、石英管、中管、外管、以及同轴电缆接头、调谐活塞、侧端气体引入端、下端气体引入端、下端气体引入端接口、内针气体接口、微波导入环、APCI源构成。在与ICP具有相似管炬的前提下，本实用新型激发源以频率为2.45GHz的微波能作能量源，采用四管同轴结构，利用射频等离子体引燃微波等离子体，结合直流电晕氛围，产生具有高激发能力的Ar等离子体，可用于质谱、光谱分析，并能够测定样品中有机物和元素周期表中几乎所有的元素。与MWP相比样品通过等离子体内的中央通道与等离子体相互作用,具有不易猝灭的效果。本实用新型设计合理，分析性能好，结构紧凑、调谐灵活。

Description

一种复合等离子体常压激发源

技术领域

本实用新型属于化学测量技术领域，涉及一种复合等离子体常压激发源，是一种涉及使用微波能和射频能常压激发等离子体的装置。

背景技术

以常压解吸附电离源为代表的直接离子化电离技术是近年来质谱领域一次突破性的发展，对工作和科研的重要性不可估量。但现有的常压解吸电离源电离能力不足、电离范围窄、样品的形态受限等缺陷，并不足以满足人们的要求。而且分析样品之前需要对样品进行预处理，样品分析时间过长，并且引入的预处理试剂会对之后的分析造成干扰和影响。故扩宽检测范围，并且不需要进行预处理的直接样品分析是今后常压解吸电离源发展的必然趋势。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种复合等离子体常压激发源，是一种以微波、直流电及射频作为能量源的常压Ar(或He、空气)等离子体激发源。

本实用新型所采用的技术方案是：一种复合等离子体常压激发源，由大气压电晕源(APCI)、介质阻挡放电源(DBDI)和微波等离子体复合组成，具有软电离、硬电离多种工作模式，可实现样品中无机元素和有机物高效电离，对样品进行全面分析。开启APCI源和微波等离子体，样品通过内针进样，穿过等离子体工作区域，离子源工作在硬电离模式下，可以将样品打碎得到丰富的样品元素信息。样品通过前端进样，通过微波等离子体和APCI源对样品中有机物进行碎片化电离，得到样品中有机物物质的主要信号峰和碎片峰。开启APCI和DBDI等离子体，离子源工作在软电离模式下，可以对样品进行无损电离，同时APCI可进一步增强DBDI电离效果，得到样品中的完整有机物信息。通过以上步骤，最终得到样品中有机物信息和无机元素信息，更加全面的解析样品成分。

本实用新型提供的一种复合等离子体常压激发源，是一种以微波、直流电及射频作为能量源的等离子体常压激发源，由四管同轴的内针、石英管、中管、外管,以及同轴电缆接头、调谐活塞、侧端气体引入端和下端气体引入端、下端气体引入端接口、内针气体接口、微波导入环、APCI源构成。内针、石英管、中管和外管为同心管，内针、石英管、中管和外管四个同心管道均为圆柱通孔。

内针下端固定在下端气体引入端上，同轴电缆接头通过螺钉固定在外管上部，同轴电缆接头的内导线穿过外管固定在微波导入环上，调谐活塞内孔与中管为孔轴配合，调谐活塞内孔与中管为孔轴配合,微波导入环通过紧配固定套在中管外侧，石英管位于内针和中管之间，固定在下端气体引入端上，在外管上下二个端面处车有内螺纹，分别为外管下内螺纹和外管上内螺纹，外管通过外管下内螺纹与中管连接，外管下内螺纹高度约为外管长度的一半，依靠外管下内螺纹与中管上外螺纹连接，调谐活塞位于中管和外管之间，调谐活塞外侧有外螺纹与外管的外管上内螺纹配合固定在外管内，APCI源放置在外管的上端面5-20mm处，与外管上断面可以呈10-90°夹角布置，侧端气体引入端与下端气体引入端接口结构一样，通过外螺纹固定在中管下端开口，下端气体引入端通过螺纹固定在中管下端的凸出上，下端气体引入端接口、内针气体接口通过螺纹固定在下端气体引入端上，内针气体接口通过孔轴配合与内针形成紧固配合，分别用于石英管和内针工作气体引入。

射频等离子体形成于内针和石英管之间，微波等离子体形成于石英管与中管之间，高度约为20mm，通过调整气体流量以及微波、射频功率，可以调节等离子体火焰高度及强度。射频等离子体用于引燃微波等离子体及离子源对物质软电离，微波等离子体用来离子源对物质硬电离。APCI源施加一定高压电后，电离载气、空气形成电晕等离子体，进一步提高复合离子源电离效果。He(或Ar)从内针和石英管以及石英管和中管之间通入，并由微波激发成He(或Ar)等离子体。

所述内针材料为不锈钢，可通入氦气(或氩气)、氦气(或氩气)和气态样品的混合物、氦气(或氩气)和液态样品顶空挥发气等混合物。

所述石英管材料为石英玻璃或陶瓷等绝缘材料，位于内针和中管之间。石英管外壁顶端镀一层金属薄膜，薄膜高度10mm，用于施加高频电压以激发射频等离子体。中管和石英管之间通入氦气(或氩气)，中管外侧与微波导入环配合连接，便于微波馈入。

所述中管材料为紫铜，通过外螺纹与外管的下内螺纹固定。

所述外管材料为紫铜，位于中管之外。外管内径与中管外径比值为2.3，使其阻抗为50Ω。外管和中管之间可通入氧气或者大气，外管靠近上端面处有上内螺纹，其作用是与调谐活塞处的外螺纹配合，调节调谐活塞端面和敞口端面之间的距离，调谐活塞的上端面位于中管和外管之间，此端面与外管顶端的距离为1/4的工作微波波长的奇数倍，且距离可调。

所述同轴电缆接头阻抗为50Ω，穿过外管与微波导入环连接，用于传输微波。

所述调谐活塞材料为紫铜，位于中管和外管之间，外侧有外螺纹，与外管的上内螺纹一起作用，并可依靠螺纹上下移动，通过调节其与敞口端面之间的距离，使得工作时敞口端面的电场最强。

所述侧端气体引入端依靠外螺纹固定在中管下端开口内，用于中管气体的引入。

所述下端气体引入端材料为PPEK等绝缘材料，通过上端内螺纹固定在中管下端，主要用于石英管和内管的固定。

所述侧端气体引入端位于下端气体引入端上，通过外螺纹固定在下端气体引入端上，用于石英管内工作气体引入。

所述气体引入端口固定于内针上，用于内针工作气体和样品引入。

所述微波导入环材料为紫铜，与中管同轴配合固定，并且起到定位同轴电缆中同轴内导线的作用，用于将微波能引入到离子源内。

所述APCI源材料为不锈钢，尖端外径为微米量级，以增大放电效果，放置在外管的前端，通过施加一定的高压直流电，形成电晕等离子体，以增强离子源电离效果。

本实用新型利用所述复合等离子体常压激发源在质谱、光谱分析，以及测定样品中有机物和元素周期表中几乎所有的元素中的应用。在与ICP具有相似管炬的前提下，本实用新型激发源以频率为2.45GHz的微波能作为能量源，采用四管同轴结构，利用射频等离子体引燃微波等离子体，结合直流电晕氛围，产生具有高激发能力的Ar等离子体，可用于质谱、光谱分析，并能够测定样品中有机物和元素周期表中几乎所有的元素。同时，与MWP相比样品通过等离子体内的中央通道与等离子体相互作用,具有不易猝灭的效果。该等离子体激发源具有分析性能良好，结构紧凑、调谐灵活等特点。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：具有四管同轴结构，具备同时点燃射频等离子体、微波等离子体和电晕等离子体的能力，并形成具有中央通道的等离子体，既能在微波状态下稳定工作，也能在射频状态下被激发使用。具有软电离、硬电离多种工作模式，在一个离子源内即可实现样品中无机元素和有机物高效电离，获得更加丰富的样品信息。可对有机物进行部分碎裂和无损电离，通过无损电离得到有机物完整信息，从而实现有机物快速定性分析，结合有机物部分碎裂的碎裂分子，可推导有机物结构信息，增强样品中有机物定性的准确性。能够很好地与样品接触而不容易猝灭，使得其样品承受能力强；基于微波能和射频能，在常压下获得稳定的He等离子体，具有很强的激发能力，使得其可以测定元素周期表中包括卤素在内的几乎所有元素，测定范围广；在外管和中管之间通入氧气，能够减少背景发射，降低干扰；能够对样品进行直接分析，不需要进行预处理，操作简单。电离模式多样化：通过对微波等离子体和射频等离子体切换，可实现样品的软电离和硬电离，兼顾软硬电离的能力。用作质谱仪离子源时，可以形成包括直接实时分析、电喷雾大分子分析以及有机物与元素检测同时进行的多模式组分分析。可以便捷地做为质谱仪、光谱仪等仪器的激发源。

附图说明

图1为本实用新型整体结构剖视图：左图为主视图，右图为侧视图。内针1、石英管2、中管3、外管4、同轴电缆接头5、调谐活塞6、侧端气体引入端7和下端气体引入端8以及下端气体引入端接口9、内针气体接口10、微波导入环11、APCI源12。

图2为内针1结构示意图，上图为主视图，下图为俯视图，13为内针外螺纹端面。图3为石英管2结构示意图，上图为主视图，下图为俯视图，14为金属薄膜，15为石英管外螺纹端面。

图4为中管3结构示意图，左图为主视图，右图为剖视图，16为中管上外螺纹，17为中管内螺纹孔，18为中管下外螺纹，19为中管透气孔。

图5为外管4结构示意图,左图为主视图，右图为剖视图，20为通孔，21为外管下内螺纹，22为SMA固定孔，23为外管上内螺纹。

图6为微波导入环11结构示意图：上图为剖视图，下图为主视图，24为内针固定孔。

图7为同轴电缆接头5结构示意图：上图为主视图，下图为俯视图，25为同轴电缆SMA接头固定孔，26为同轴内导线。

图8为调谐活塞6剖视图：27为调谐活塞调节螺纹。

图9为气体引入端8示意图：左图为主视图，右图为剖视图，28为第一内螺纹孔，29为第二内螺纹孔，30为透气孔，31为第三内螺纹孔，32为第四内螺纹孔。

图10为侧端气体引入端7剖视图：33为气体引入端外螺纹。

图11为下端气体引入端接口9剖视图：34为气体引入端接口外螺纹。

图12为内针气体接口10剖视图：35为气路通气孔。

图13为APCI源12剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

参见图1-13，一种常压微波等离子体激发源，由内针1、石英管2、中管3、外管4、同轴电缆接头5、调谐活塞6、侧端气体引入端7和下端气体引入端8以及下端气体引入端接口9、内针气体接口10、微波导入环11、APCI源12组成。内针1、石英管2、中管3和外管4为同心管道，均为圆柱通孔。

内针1通过内针外螺纹端面13与气体引入端8的第四内螺纹孔32连接，固定在气体引入端8上。内针气体接口10通过气路通气孔35与内针1外径紧配固定，用于内针1处气体流入。内针气体接口10内通入氦气(或氩气)、氦气(或氩气)和气态样品的混合物、氦气(或氩气)和液态样品顶空挥发气等混合物，用来产生并维持等离子体，同时将气体内样品电离。石英管2通过石英管外螺纹端面15与气体引入端8第三内螺纹孔31连接，固定在气体引入端8上。下端气体引入端接口9通过气体引入端接口外螺纹34与气体引入端口8第一内螺纹孔28连接，固定在气体引入端口8上，用于下端气体引入，气体流经透气孔30，进入石英管2内。中管3通过中管上外螺纹16与外管下内螺纹21连接，固定在外管4上。侧端气体引入端7通过气体引入端接口外螺纹33与中管内螺纹孔17连接，固定在中管3上，用于侧端气体流入，气体进入中管透气孔19处。中管3通过中管下外螺纹18与气体引入端8第二内螺纹孔29连接，固定在下端气体引入端8上，通过气体引入端口8通入氦气(或氩气)。调谐活塞6通过调谐活塞调节螺纹27与外管上内螺纹23连接，固定于外管4内。通过调节调谐活塞6与敞口端面之间的距离达到调节电场的目的。同轴电缆SMA接头5阻抗为50Ω，在本实施例中，微波能频率可以为2.45GHz、5.8Ghz等频率，功率为0-50W可调，本实施结构也可承受大功率微波能，微波通过同轴电缆SMA接头5进入等离子体激发源。同轴电缆SMA接头5通过外管4上通孔20形成松配固定。用M2.5螺丝穿过同轴电缆SMA接头5上同轴电缆SMA接头固定孔25固定在外管4的SMA固定孔22处。

同轴电缆SMA接头5的同轴内导线26通过外管4上小孔进入外管4与中管3之间，且焊接在中管3上。且同轴电缆SMA接头5的同轴内导线26经由微波导入环11处的内针固定孔24定位。微波导入环11内侧与中管3外侧紧配连接。微波在外管4与中管3之间传输，外管4内径与中管3外径的比例约为2.3，阻抗为50Ω，以减小微波反射功率。微波在调谐活塞6端面发生反射，在中管3与外管4之间形成驻波，在1/4波长的奇数倍处电场最强，在1/2波长的偶数倍处磁场最强，调节调谐活塞6，使装置端口处电场最强，同时减小反射功率至零。

通过调节内针1与中管3内气体流量，并在装置端口给予一定的初级电子，可以轻易的激发微波等离子体。微波等离子体形成于内针1与中管3之间，高度约为20mm，通过调整气体流量以及微波功率，可以调节等离子体火焰高度及强度。石英管2处金属薄膜14用于施加高频电压以激发射频等离子体。APCI源12放置在外管4前端施加直流高压后，电离空气形成电晕等离子体。通过调节微波等离子体、射频等离子体以及电晕等离子体工作顺序，可以实现对样品中不同物质进行高效电离。

实施例2本实用新型的工作过程1

样品中元素电离(内管进样)：打开气体流量计，控制中管3以及石英管2中气体流量，选取合适氦气(或氩气)流量。打开微波源，使其产生2.45GHz或5.8Ghz微波能，并通过50Ω同轴线将微波源输出口与同轴电缆SMA接头5连接，微波能通过同轴电缆SMA接头5进入外管4与中管3之间，并在调谐活塞6端面发生反射并形成驻波，调节调谐活塞6位置，使装置端口距离适当，调谐活塞6端面约为1/4波长，微调调节调谐活塞6，使装置端口处电场最强，同时将反射功率减小至零。通过在石英管2上金属薄膜14施加一定频率的射频电，产生射频等离子体，从而引发微波等离子体火焰，随后关闭射频电，只保留微波等离子体工作。调节中管3以及内针1内气体流量以及微波源功率，来完善等离子体火焰形状以及性能特性。打开APCI源12供电高压电，通过电离空气形成电晕等离子体，与微波等离子体配合，提高离子源电离效率。样品通过与内管1内工作气体混合，随气流进入等离子体，并在气流携带下通过微波等离子体火焰，在微波等离子体中高能电子和高能量亚稳态原子作用下，实现样品中元素电离，得到样品中元素成分信息。

实施例3本实用新型的工作过程2

样品中有机物电离(前端进样)：打开气体流量计，控制中管3以及石英管2中气体流量，选取合适氦气(或氩气)流量。打开微波源，使其产生2.45GHz或5.8Ghz微波能，并通过50Ω同轴线将微波源输出口与同轴电缆SMA接头5连接，微波能通过同轴电缆SMA接头5进入外管4与中管3之间，并在调谐活塞6端面发生反射并形成驻波，调节调谐活塞6位置，使装置端口距离适当，调谐活塞6端面约为1/4波长，微调调节调谐活塞6，使装置端口处电场最强，同时将反射功率减小至零。通过在石英管2上金属薄膜14施加一定频率的射频电，产生射频等离子体，从而引发微波等离子体火焰，随后关闭射频电，只保留微波等离子体工作。调节中管3以及内针1内气体流量以及微波源功率，来完善等离子体火焰形状以及性能特性。打开APCI源12供电高压电，通过电离空气形成电晕等离子体，与微波等离子体配合，提高离子源电离效率。样品放置在外管4端面和APCI源之间，与微波等离子体保持一定距离，在保证等离子体作用样品的同时，减少等离子体与样品接触，防止样品中有机物完全碎裂，在微波等离子体和APCI源12电源中高能电子和高能量亚稳态原子作用下，有机物将发生部分碎裂，同时保留一定的有机物完整信息，最终得到有机物的完整信息和部分碎片信息。

实施例4本实用新型的工作过程3

样品中有机物电离(前端进样)：打开气体流量计，控制中管3以及石英管2中气体流量，选取合适氦气(或氩气)流量。在石英管2上金属薄膜14施加一定频率的射频电，产生射频等离子体，调节中管3以及内针1内气体流量，来完善射频等离子体火焰形状以及性能特性。打开APCI源12供电高压电，通过电离空气形成电晕等离子体。样品放置在外管4端面和APCI源之间，与射频等离子体保持一定距离，在保证等离子体作用样品的同时，减少等离子体与样品介绍，防止样品中有机物碎裂产生碎片，在射频等离子体和APCI源12电源中高能电子和高能量亚稳态原子作用下，实现有机物无碎片电离。

上述实施方式不应理解为对本实用新型保护范围的限制。本实用新型的关键是：一组等离子体发生器内集成了微波激发、射频激发、介质阻挡放电激发、电晕放电激发等多种等离子体激发方式。这种复合型的等离子体激发装置，能够用以调整工作气体产生的等离子体内带电粒子的物理特性，以调整和改变用以电离样品时的电离方式、机理和样品被电离后的状态(保持分子离子、亦或产生碎片离子，以及碎裂的程度等)，从而调整在样品电离过程中的选择性，提升电离效果。在不脱离本实用新型精神的情况下，对本实用新型作出的任何形式的改变，均应落入本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种复合等离子体常压激发源，其特征在于，由内针(1)、石英管(2)、中管(3)、外管(4)、同轴电缆接头(5)、调谐活塞(6)、侧端气体引入端(7)和下端气体引入端(8)、下端气体引入端接口(9)、内针气体接口(10)、微波导入环(11)、APCI源(12)构成，内针(1)、石英管(2)、中管(3)和外管(4)为同心圆柱管，内针(1)下端固定在下端气体引入端(8)上，同轴电缆接头(5)通过螺钉固定在外管(4)上部，同轴电缆接头(5)的内导线穿过外管(4)与微波导入环(11)固定，调谐活塞(6)内孔与中管(3)为孔轴配合，微波导入环(11)通过紧配固定在中管(3)外侧，石英管(2)位于内针(1)和中管(3)之间，固定在下端气体引入端(8)上，在外管(4)上下二个端面处车有内螺纹，分别为外管下内螺纹(21)和外管上内螺纹(23)，依靠内螺纹与中管(3)连接，调谐活塞(6)位于中管(3)和外管(4)之间，调谐活塞(6)外侧有外螺纹与外管(4)的外管上内螺纹(23)配合固定在外管(4)内，APCI源(12)放置在外管(4)的上端面，侧端气体引入端(7)与下端气体引入端接口(9)结构一样，通过外螺纹固定在中管(3)下端开口，下端气体引入端(8)通过螺纹固定在中管(3)的下端，下端气体引入端接口(9)、内针气体接口(10)通过螺纹固定在下端气体引入端(8)上，分别用于石英管(2)和内针(1)工作气体引入。

2.根据权利要求1所述的一种复合等离子体常压激发源，其特征在于，外管(4)下端车有外管下内螺纹(21)，外管下内螺纹(21)高度约为外管(4)长度的一半，依靠外管下内螺纹(21)与中管(3)上外螺纹(26)连接。

3.根据权利要求1所述的一种复合等离子体常压激发源，其特征在于，APCI源(12)放置在外管(4)的上端面5-20mm处，与外管(4)的上断面呈10-90°夹角，用于实施电晕放电电离，进而用于调整和增强微波等离子体、射频等离子体、电晕放电等离子体对样品电离效果。

4.根据权利要求1所述的一种复合等离子体常压激发源，其特征在于，通过对石英管(2)上金属薄膜(14)施加一定射频电，激发工作气体产生射频等离子体，从而激发中管(3)和外管(4)之间的微波等离子体。

5.根据权利要求1所述的一种复合等离子体常压激发源，其特征在于，样品通过内针(1)进样穿过微波等离子体，通过中管(3)和外管(4)之间的微波等离子体对样品中元素进行电离。

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