CN219224671U - 一种基于faims技术的现场环境毒害气体定量检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于FAIMS技术的现场环境毒害气体定量检测装置，该装置包括：腔体；样品离化离子源，用于将样品离化成离子状态；样品总量检测模块，其包括样品总量离子偏转电极和样品总量离子收集电极；FAIMS分离模块，其包括FAIMS芯片上电极和下电极；样品特征离子收集模块，其包括样品特征离子偏转电极和收集电极。腔体的前端设置有样品气进样单元和稀释气单元；样品气进样单元，用于向腔体中通入毒害气体样品；稀释气单元，用于对进入到腔体中的毒害气体样品的浓度进行稀释。本实用新型利用样品离子总量完全收集和低浓度样品与离子信号强度线性关系特点，解决了离子损耗对毒害气体定量不准确的问题，实现了FAIMS技术对现场环境毒害气体准确定量。
Description
技术领域
本实用新型涉及现场环境毒害气体现场检测技术领域，具体涉及一种基于FAIMS技术的现场环境毒害气体定量检测装置。
背景技术
毒害气体是指对人体和环境具有重大危害的气体物质，通常具有毒性强、作用快、范围广、防护和救治困难等特点。毒害气体来源十分广泛，包括化工园区中生产排放、泄漏和事故，水源区污染，大型集会、地铁、车站毒害气体袭击事件等，这些环境中气体成分往往十分复杂，例如化工园区常见的苯、乙苯、二甲苯等芳香烃，油气管道中释放的烷烃，酿造行业中释放的醇类、酮类物质，工业和生活垃圾中的胺类和含硫类化合物，农业和养殖业中释放的氨气、甲烷，电镀行业中的氰化物，消毒行业中的氯气等等。为了加强对毒害气体防治，实现对毒害气体的准确检测是必不可少的重要任务。
高场不对称波形离子迁移谱技术(FAIMS)作为一种谱学类分析技术，具有检测速度快、灵敏度高等优点，在大气环境监测、爆炸物检测以及医疗筛选等领域广泛的使用。现场环境毒害气体的排放存在浓度差异大等特征，这对FAIMS技术现场对毒害气体的准确定量提出了极大的挑战。FAIMS技术自问世以来一直开展对各种毒害的高灵敏检测，其中毒害气体的准确定量是FAIMS技术持续性的研究热点领域。
目前，FAIMS技术对毒害气体的定量是依赖于实验室标定和定量模型，实验室标定并未考虑离子复合带来的离子损耗问题，导致定量不准确。定量模型虽然指出了大载气一定程度上解决离子损耗的问题，但是样品浓度大于百ppb以上时所需要的载气流速极大，同时极易带来FAIMS系统气密性不足和识别稳定性等问题。现有的FAIMS技术现场毒害气体定量依赖实验室标定和定量模型的指导，实验室标定并未考虑离子复合带来的离子损耗问题，导致定量不准确。定量模型虽然指出了大载气一定程度上解决离子损耗的问题，但是样品浓度大于百ppb以上时所需要的载气流速极大，同时极易带来FAIMS系统气密性不足和识别稳定性等问题。美国Rajapakse等人开发低功耗小型化FAIMS技术，实现对水杨酸甲酯、萘、苯和2-丁酮等毒害气体的高灵敏检测，检测限位80ppb。石海峡等人在实验室内采用FAIMS对水中的苯的检测研究，在浓度范围为0.08～0.64mg/L内对苯的检测限为0.89ug/L。这些工作为毒害气体准确定量提供了丰富的技术积累，然而与现场应用存在一定的差异，主要是大部分实验室建立的定量范围仅为ppb量级，无法满足现场ppb到ppm宽范围毒害气体准确检测。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于FAIMS技术的现场环境毒害气体定量检测装置，该装置能够解决现有技术中的不足，利用样品离子总量完全收集和低浓度样品与离子信号强度线性关系特点，解决了离子损耗对毒害气体定量不准确的问题，实现了FAIMS技术对现场环境毒害气体准确定量。
为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
一种基于FAIMS技术的现场环境毒害气体定量检测装置，该装置包括：
腔体；
样品离化离子源，其设置在所述腔体顶部，用于将样品离化成离子状态；
样品总量检测模块，其包括设置在所述腔体顶部的样品总量离子偏转电极和设置在所述腔体底部的样品总量离子收集电极；
FAIMS分离模块，其包括设置在所述腔体顶部的FAIMS芯片上电极和设置在所述腔体底部的FAIMS芯片下电极；
样品特征离子收集模块，其包括设置在所述腔体顶部的样品特征离子偏转电极和设置在所述腔体底部的样品特征离子收集电极。
所述腔体的前端设置有样品气进样单元和稀释气单元；所述样品气进样单元，用于向所述腔体中通入毒害气体样品；所述稀释气单元，用于对进入到所述腔体中的毒害气体样品的浓度进行稀释，用于将进入FAIMS装置中的毒害气体样品浓度稀释至一定浓度。
进一步地，所述样品总量检测模块、所述FAIMS分离模块、所述样品特征离子收集模块依次设置。
进一步地，所述离子化离子源贯穿安装在所述腔体的顶部。
进一步地，所述样品总量离子偏转电极和所述样品总量离子收集电极对应设置；
所述样品总量离子偏转电极上开设有通孔，所述通孔用于所述样品离化离子源穿过。
进一步地，所述FAIMS芯片上电极和FAIMS芯片下电极对应设置。
进一步地，所述样品特征离子偏转电极和所述样品特征离子收集电极对应设置。
进一步地，所述稀释气单元包括设置在所述腔体前端的稀释气体进气口；
所述稀释气体进气口连接有稀释气气源；
所述稀释气气源与所述稀释气体进气口之间设置有稀释气过滤装置；
所述稀释气过滤装置为盛有过滤剂的容器。
进一步地，所述样品气进样单元包括设置在所述腔体前端的样品气进气口；
所述样品气进气口连接有毒害气体样品源；
所述毒害气体样品源与所述样品气进气口之间设置有样品气过滤装置；
所述样品气过滤装置为过滤膜。
进一步地，所述腔体设置有出气口。
进一步地，所述腔体包括平行设置的第一基板与第二基板以及设置在所述第一基板与所述第二基板之间的隔板；
所述第一基板、第二基板与隔板围成所述腔体。
和现有技术相比，本实用新型的优点为：
(1)本实用新型能够解决现有技术中的不足，通过低浓度样品与离子信号强度线性范围的特点，利用样品离子总量完全收集和特征离子比例，解决了离子复合损耗带来的定量不准确的问题，实现了低载气流速下的毒害气体精准定量，满足FAIMS技术对现场环境毒害气体的准确定量，极大地推动了FAIMS技术在石化中的应用。
(2)本实用新型利用样品总量离子完全收集和低浓度线性特性，避免了离子复合和大载气流速带来的定量不准确和FAIMS谱图稳定性等问题，真正实现了FAIMS技术在现场环境毒害气体的准确检测。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是进样气流速5L/min时毒害气体甲苯浓度与特征离子信号强度的关系曲线图；
图3是毒害气体800ppb甲苯样品离子总量与偏转电压幅值的关系曲线图。
其中：
1、基于FAIMS技术的现场环境毒害气体定量检测装置，2、样品总量离子偏转电极，3、样品离化离子源，4、FAIMS芯片上电极，5、样品特征离子偏转电极，6、腔体，7、出气口，8、样品特征离子收集电极，9、FAIMS芯片下电极，10、样品总量离子收集电极，11、稀释气体进气口，12、稀释气单元，13、稀释气过滤装置，14、样品气进气口，15、样品气过滤装置，16、样品气进样单元。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
如图1所示的一种基于FAIMS技术的现场环境毒害气体定量检测装置1，该装置包括：
腔体6；
样品离化离子源3，其设置在所述腔体6顶部，用于将样品离化成离子状态；
样品总量检测模块，其包括设置在所述腔体6顶部的样品总量离子偏转电极2和设置在所述腔体6底部的样品总量离子收集电极10；离子源下端的两个电极(样品总量离子偏转电极2和样品总量离子收集电极10)是实现样品总量离子的完全收集。
FAIMS分离模块，其包括设置在所述腔体6顶部的FAIMS芯片上电极4和设置在所述腔体6底部的FAIMS芯片下电极9；FAIMS芯片上下电极是实现样品特征离子的分离。
样品特征离子收集模块，其包括设置在所述腔体6顶部的样品特征离子偏转电极5和设置在所述腔体6底部的样品特征离子收集电极8。样品特征离子收集模块，用于收集样品特征离子，利用稀释后的低浓度样品与信号强度的线性关系，结合总量离子反演样品真实浓度。
所述样品总量离子收集电极10和所述样品特征离子收集电极8均与放大器相连。
所述腔体6的前端设置有样品气进样单元16和稀释气单元12；所述样品气进样单元16，用于向所述腔体6中通入毒害气体样品；所述稀释气单元12，用于对进入到所述腔体6中的毒害气体样品的浓度进行稀释，用于将进入FAIMS装置中的毒害气体样品浓度稀释至一定浓度。
本实用新型真实地解决了FAIMS技术在毒害气体现场检测定量不准确的难题。本实用新型首先利用向腔体中通入稀释气，将样品浓度降低到合适的区间范围，其次利用离子源下端的样品总量离子偏转电极2和样品总量离子收集电极10实现总量离子的完全无损耗收集，最后利用稀释后的低浓度样品与信号强度的线性关系，结合总量离子反演样品真实浓度。
进一步地，所述样品总量检测模块、所述FAIMS分离模块、所述样品特征离子收集模块图1中所示的方向从左向右依次设置。
进一步地，所述离子化离子源3贯穿安装在所述腔体6的顶部。
进一步地，所述样品总量离子偏转电极2和所述样品总量离子收集电极8对应设置；
所述样品总量离子偏转电极2上开设有通孔，所述通孔用于所述样品离化离子源3穿过。
进一步地，所述FAIMS芯片上电极4和FAIMS芯片下电极9对应设置。
进一步地，所述样品特征离子偏转电极5和所述样品特征离子收集电极8对应设置。
进一步地，所述稀释气单元12包括设置在所述腔体6前端的稀释气体进气口11；所述稀释气体进气口11连接有稀释气气源；所述稀释气气源与所述稀释气体进气口之间设置有稀释气过滤装置13；所述稀释气过滤装置13为盛有过滤剂的容器。在气泵的作用下，稀释气气源中的稀释气经稀释气过滤装置过滤后，由稀释气体进气口进入到腔体中。通过设置样品气入口和稀释气入口，是在向腔体中通入样品气和稀释气过程中，保证进入离子源的气体小于浓度与信号强度的线性范围。向腔体6内通入稀释气，用于对进入到腔体6中的毒害气体样品的浓度进行稀释，将进入腔体6中的毒害气体样品浓度稀释至一定浓度。
进一步地，所述样品气进样单元16包括设置在所述腔体6前端的样品气进气口14；所述样品气进气口14连接有毒害气体样品源；所述毒害气体样品源与所述样品气进气口14之间设置有样品气过滤装置15；所述样品气过滤装置15为过滤膜。在气泵的作用下，毒害气体样品源中的气体经样品气过滤装置过滤后从样品气进气口进入到腔体中。
进一步地，所述腔体6设置有出气口7。
进一步地，所述腔体6包括平行设置的第一基板与第二基板以及设置在所述第一基板与所述第二基板之间的隔板；所述第一基板、第二基板与隔板围成所述腔体。
图2是毒害气体甲苯浓度与特征离子信号强度的关系曲线图；图2说明进样气一定时，只有低浓度的毒害气体与信号强度是线性的，有利于反演浓度，高浓度是非线性曲线，无法准确反演浓度。
图3是毒害气体800ppb甲苯样品离子总量与偏转电压幅值的关系曲线图；图3说明高浓度毒害气体的总量只需要一定的偏转电压即可完全收集。
本实用新型的工作过程为：
现场环境毒害气体在样品气进样单元16中的气泵作用下通过样品气过滤装置15到达样品气进气口14，其中，样品气过滤装置15为过滤膜，作用是去除样品气中的水气，通过毒害气体。现场空气在稀释气单元12中的泵作用下通过稀释气过滤装置13到达稀释气进气口11，稀释气过滤装置13为盛有硅胶、分子筛等过滤剂的容器，过滤剂的作用是滤除空气中的水气和干扰物。毒害气体在稀释气和进样气的共同作用下达到离子源3下方，在其作用下被离化离子形态。
当在样品离子总量偏转电极上2施加恒定的直流电压，毒害气体离子被完全牵引至样品总量离子收集电极10形成的离子流，随后在放大器的作用下获取离子总量信号强度，通过反演可知所有毒害气体的总浓度。
当关闭样品离子总量偏转电极上2的电压，毒害气体所有离子到达由FAIMS芯片上电极4和下电极9组成的分离区，在上电极4施加高频高压，下电极9施加直流缓变电压，形成的叠加电场将非特征离子牵引至电极上湮灭，特征离子在气体的牵引下到达检测区，在样品特征离子偏转电极上5施加恒定的电压，特征离子被牵引至收集电极8形成离子流，随后被放大器捕获，获取所需要的特征离子谱图，谱图的峰高代表信号强度。
以上所述实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于FAIMS技术的现场环境毒害气体定量检测装置，其特征在于，该装置包括：
腔体；
样品离化离子源，其设置在所述腔体顶部，用于将样品离化成离子状态；
样品总量检测模块，其包括设置在所述腔体顶部的样品总量离子偏转电极和设置在所述腔体底部的样品总量离子收集电极；
FAIMS分离模块，其包括设置在所述腔体顶部的FAIMS芯片上电极和设置在所述腔体底部的FAIMS芯片下电极；
样品特征离子收集模块，其包括设置在所述腔体顶部的样品特征离子偏转电极和设置在所述腔体底部的样品特征离子收集电极；
所述腔体的前端设置有样品气进样单元和稀释气单元；所述样品气进样单元，用于向所述腔体中通入毒害气体样品；所述稀释气单元，用于对进入到所述腔体中的毒害气体样品的浓度进行稀释。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述样品总量检测模块、所述FAIMS分离模块、所述样品特征离子收集模块依次设置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述离子化离子源贯穿安装在所述腔体的顶部。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述样品总量离子偏转电极和所述样品总量离子收集电极对应设置；
所述样品总量离子偏转电极上开设有通孔，所述通孔用于所述样品离化离子源穿过。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述FAIMS芯片上电极和FAIMS芯片下电极对应设置。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述样品特征离子偏转电极和所述样品特征离子收集电极对应设置。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述稀释气单元包括设置在所述腔体前端的稀释气体进气口；
所述稀释气体进气口连接有稀释气气源；
所述稀释气气源与所述稀释气体进气口之间设置有稀释气过滤装置；
所述稀释气过滤装置为盛有过滤剂的容器。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述样品气进样单元包括设置在所述腔体前端的样品气进气口；
所述样品气进气口连接有毒害气体样品源；
所述毒害气体样品源与所述样品气进气口之间设置有样品气过滤装置；
所述样品气过滤装置为过滤膜。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述腔体设置有出气口。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述腔体包括平行设置的第一基板与第二基板以及设置在所述第一基板与所述第二基板之间的隔板；
所述第一基板、第二基板与隔板围成所述腔体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202320201891.1U CN219224671U (zh) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | 一种基于faims技术的现场环境毒害气体定量检测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Country Status (1)
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