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一種選擇控制反應離子的化學電離質譜儀.pdf

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一種 選擇 控制 反應 離子 化學 電離 質譜儀
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摘要
申請專利號:

CN201210151064.2

申請日:

2012.05.15

公開號:

CN102683151B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01J 49/06申請日:20120515|||公開
IPC分類號: H01J49/06; H01J49/02; H01J49/26; G01N27/64 主分類號: H01J49/06
申請人: 中國科學院合肥物質科學研究院
發明人: 沈成銀; 楊彬; 志中華; 劉升; 王鴻梅; 黃超群; 王宏志; 儲焰南
地址: 230031 安徽省合肥市蜀山湖路350號
優先權:
專利代理機構: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251 代理人: 楊學明
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210151064.2

授權公告號:

102683151B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.11.14|||2012.09.19

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公布了一種選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,包括產生混合離子的離子源、對混合離子中某一種離子選擇通過的反應離子選擇腔、化學電離反應腔和質譜探測腔,離子選擇腔內設有兩片平行板電極,平行板電極連接可控的射頻電源。本發明通過控制加載在平行板電極上的射頻電壓交流分量對混合離子進行分離,利用直流分量對一種離子進行選擇,從而實現選擇控制任意一種離子通過,該離子進入化學電離反應腔作為化學電離的反應離子,實現對待測物電離,并進入質譜探測腔被檢測。本發明裝置可在大氣壓下工作,具有技術簡單、成本低廉的特點,選擇控制多種反應離子擴大了化學電離質譜儀可檢測物質的范圍,提高了儀器對未知樣品的鑒別分析能力。

權利要求書

1.一種選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,包括產生混合離子的離子源、對混合離子
中某一種離子選擇通過的反應離子選擇腔、化學電離反應腔和質譜探測腔,所述的離子源(1)
與離子選擇腔(2)相連,離子選擇腔(2)前端設有混合離子入口(3)和載氣入口(4),
所述的離子選擇腔(2)后端設有被選擇出的反應離子出口(5)和載氣出口(6),所述的離
子選擇腔(2)內設有兩片平行板電極(7),所述平行板電極連接可控的射頻電源(8),所
述載氣出口(6)設有微型真空泵(9),所述的反應離子出口(5)與化學電離反應腔(10)
前端相連,所述化學電離反應腔(10)由多片環狀電極和絕緣墊片組成,所述化學電離反應
腔(10)的側面具有待測氣體入口,所述化學電離反應腔(10)后端連接質譜探測腔(11)。
2.根據權利要求書1所述的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,其特征在于:所述的
離子源內混合離子利用試劑氣體放電、光照或放射源輻照的方式制備。
3.根據權利要求書1所述的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,其特征在于:所述的
離子源內制備混合離子的試劑氣體可以是潮濕或干燥空氣、水蒸氣、甲烷、氧氣或其他混合
氣體。
4.根據權利要求書1所述的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,其特征在于:所述的
兩片平行板(7)電極間的距離在0.1mm~10mm。
5.根據權利要求書1所述的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,其特征在于:所述的
射頻電源能產生正負不對稱的射頻電壓,并在此不對稱射頻電壓上疊加可調節的直流電壓,
其中不對稱射頻電壓形成的電極間電場為2~15kV/cm,頻率為50kHz~5MHz,疊加的直流電
壓可調范圍為-100V~100V。
6.根據權利要求書1所述的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,其特征在于:所述離
子選擇腔氣壓是105Pa大氣壓或略低于此值。
7.根據權利要求書1所述的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,其特征在于:所述載
氣為空氣、氮氣、氫氣、氦氣或其它稀有氣體。
8.根據權利要求書1所述的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,其特征在于:所述的
離子選擇腔設有加熱恒溫裝置。
9.根據權利要求書1所述的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,其特征在于:所述的
離子選擇腔入口和出口孔徑在0.1mm~3mm。
10.根據權利要求書1所述的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,其特征在于:所述
的化學電離反應腔氣壓范圍為60Pa~105Pa。
11.根據權利要求書1所述的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,其特征在于:所述
的化學電離反應腔內電場范圍10V/cm~700V/cm。

說明書

一種選擇控制反應離子的化學電離質譜儀

技術領域

本發明涉及質譜分析領域,具體涉及一種選擇控制反應離子的化學電離質譜儀。

背景技術

基于選擇控制反應離子的化學電離質譜技術主要有選擇離子流動管質譜、選擇離子質子
轉移反應質譜和離子-分子反應質譜等,可用于環境污染、國家安全、醫學輔助診斷、食品
安全等多領域中痕量有機物快速檢測與監控,因此,對該技術的研究近年來備受重視。選擇
離子化學電離質譜技術受到青睞的原因是:軟電離、靈敏度高、分析速度快、定性定量可靠、
檢測范圍可改變,在氣/液/固體痕量有機物檢測中有廣闊的應用潛力。

選擇離子化學電離質譜技術的基本原理是:在多種可供選擇的反應離子中選擇一種反應
離子A±,在反應區與待測物B發生碰撞,通過離子-分子反應A±+B→C±將待測物離子化
為C±,最終可通過質譜檢測到的C±和A±反演B的分子量和濃度信息等。

目前,選擇離子化學電離質譜技術中選擇控制多種高強度純凈反應離子方法主要有兩
類:

(1)氣體放電產生的高強度混合離子經濾質器快速選擇。選擇離子流動管質譜技術就是
基于此原理,采用四極桿濾質器從潮濕空氣放電的混合離子中選擇產生三種純凈反應離子
(H3O+、O2+和NO+)。這種方法獲得的反應離子純度高、切換反應離子速度快,然而,SIFT-MS
中采用的四極桿濾質器,加工裝配技術難度大,且在真空下工作,需要配備體積大、價格昂
貴的真空組件。

(2)不同放電氣體經氣路切換分別通入離子源,經電子轟擊、放電或放射源輻照制備多
種高強度純凈反應離子。如:水蒸氣、氨氣、氧氣放電或放射源輻照可分別產生高強度H3O+、
NH4+、O2+,通過反應氣體氣路切換則可以選擇產生多種純凈反應離子。這種方法簡單、方
便、成本低,但目前僅針對少數幾種反應離子有效,大多數氣體經放電或輻照產生的都是含
雜質的多種混合離子;另外,由于放電氣體在儀器中的記憶效應以及放電條件的差異性,這
種方式難以實現反應離子間的快速切換。

發明內容

本發明的目的是提供一種新型選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,本發明具有大氣壓
下工作、成本低、可選擇反應離子、離子切換速度快、技術簡單等優點,不僅擴大了化學電
離質譜儀可檢測物質的范圍,還提高了儀器對未知樣品的鑒別分析能力。

為實現上述目的,本發明提供一種選擇控制反應離子的化學電離質譜儀,包括產生混合
離子的離子源、對混合離子中某一種離子選擇通過的反應離子選擇腔、化學電離反應腔和質
譜探測腔。所述的離子源與離子選擇腔相連,離子選擇腔前端設有混合離子入口和載氣入口,
所述的離子選擇腔后端設有被選擇出的反應離子出口和載氣出口,所述的離子選擇腔內設有
兩片平行板電極,所述平行板電極連接可控的射頻電源,所述載氣出口設有微型真空泵,所
述的反應離子出口與化學電離反應腔前端相連,所述化學電離反應腔由多片環狀電極和絕緣
墊片組成,所述化學電離反應腔的側面具有待測氣體入口,所述化學電離反應腔后端連接質
譜探測腔。

所述的離子源內混合離子利用試劑氣體放電、光照或放射源輻照的方式制備。

所述的離子源內制備混合離子的試劑氣體可以是潮濕或干燥空氣、水蒸氣、甲烷、氧氣
或其他混合氣體。

所述的兩片平行板電極間的距離在0.1mm~10mm。

所述的射頻電源能產生正負不對稱的射頻電壓,并在此不對稱射頻電壓上疊加可調節的
直流電壓,其中不對稱射頻電壓形成的電極間電場為2~15kV/cm,頻率為50kHz~5MHz,疊
加的直流電壓可調范圍為-100V~100V。

所述離子選擇腔氣壓是105Pa大氣壓或略低于此值。

所述載氣為空氣、氮氣、氫氣、氦氣或其它稀有氣體。

所述的離子選擇腔設有加熱恒溫裝置。

所述的離子選擇腔入口和出口孔徑在0.1mm~3mm。

所述的化學電離反應腔氣壓范圍為60Pa~105Pa。

所述的化學電離反應腔內電場范圍10V/cm~700V/cm。

由此,本發明通過控制加載在平行板電極上的射頻電壓對通過板間的混合離子進行分
離,通過疊加的直流電壓實現選擇控制一種離子通過離子選擇腔作為化學電離質譜的反應離
子。本發明所述的一種選擇控制反應離子的化學電離質譜儀可以選擇多種純凈的反應離子對
待測物進行電離檢測,降低了選擇離子化學電離的難度和成本。

附圖說明

圖1為本發明的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀示意圖;

圖2為本發明的不對稱脈沖射頻電壓波形示意圖;

圖3為本發明的反應離子分離選擇效果圖;

圖4為本發明的反應離子選擇腔側視剖面圖。

具體實施方式

參見圖1-圖4。

圖1為本發明的選擇控制反應離子的化學電離質譜儀示意圖,包括產生混合離子的離子
源、對混合離子中某一種離子選擇通過的反應離子選擇腔、化學電離反應腔和質譜探測腔。
所述的離子源1與離子選擇腔2相連,離子選擇腔2前端設有混合離子入口3和載氣入口4,
所述的離子選擇腔2后端設有被選擇出的反應離子出口5和載氣出口6,所述的離子選擇腔
2內設有兩片平行板電極7,所述平行板電極連接可控的射頻電源8,所述載氣出口6設有微
型真空泵9,所述的反應離子出口5與化學電離反應腔10前端相連,所述化學電離反應腔
10由多片環狀電極和絕緣墊片組成,所述化學電離反應腔10的側面具有待測氣體入口,所
述化學電離反應腔10后端連接質譜探測腔11。

試劑氣體通入離子源1內,經放電/光照/放射源輻照等方式產生的混合離子通過離子入
口3進入離子選擇腔2,在高速載氣的作用下向離子選擇腔下游漂移。可控射頻電源8產生
如圖2所示的不對稱波形射頻電壓,該電壓在正負狀態下電壓幅值不相等UH≠UL,但電壓與
其持續的時間存在如下關系:(t2-t1)/t1=UH/UL,從而形成電壓波形的正負面積Sa=Sb。離子在
0~t1時間內沿電場方向遷移距離s1=KHUHt1/d,在t1~t2時間內向反方向遷移距離為
s2=KLUL(t2-t1)/d,其中d為平行板電極的間距,KH和KL分別為高場和低場下的離子遷移率。
由于離子在高低場下的遷移率一般是不相等的,所以s1不等于s2,當s1>s2時或s1<s2時,則
在每個周期內均有電場平行方向的微小偏移量,多個周期后,混合離子則被分離為向下或向
上的多個離子束,只有s1=s2的離子束順利通過反應離子選擇腔。射頻電源8同時產生的可
調節直流電壓疊加在射頻電壓上,直流電壓在平行板電極7間形成的電場作用在離子上,達
到抵消其中一種離子的偏移量的目的,從而可以選擇這種離子順利通過離子選擇腔。

圖3為反應離子分離選擇效果圖。各種離子在不對稱雙極脈沖電場和載氣的作用下震蕩
前進并被分離,通過調節疊加的直流電壓可選擇一種離子順利通過離子選擇腔。圖4為本發
明的反應離子選擇腔側視剖面圖。

如圖1,經反應離子選擇腔選擇出的離子作為反應離子進入化學電離反應腔10,與待測
氣體中的有機物發生離子-分子反應,反應離子和待測物的產物離子在反應腔內電場作用下
進入質譜探測腔后被質譜儀檢測。

所述的試劑氣體可以是潮濕或干燥空氣、水蒸氣、甲烷、氧氣或其他混合氣體,所述的
載氣可以是空氣、氮氣、氫氣、氦氣或其它稀有氣體,在微型氣泵9作用下向離子分離腔下
游運動;所述的平行板電極間距離一般為:0.1mm~10mm;所述的不對稱雙極脈沖電場強度
為2~15kV/cm,頻率為50kHz~5MHz,疊加的直流電壓可調范圍為-100V~100V;所述離子
選擇腔是密封腔,避免外界空氣的干擾,腔內氣壓是105Pa大氣壓或略低于此值;所述的離
子選擇腔設有加熱恒溫裝置,以保證裝置的穩定性;所述的離子選擇腔入口和出口孔徑大小
需根據化學電離反應區氣壓高低來選擇,一般在0.1mm~3mm。所述化學電離反應腔10由多
片環狀電極和絕緣墊片組成,其氣壓范圍為60Pa~105Pa,化學電離反應腔內電場范圍為
10V/cm~700V/cm,質譜腔的高真空由分子泵及其前級泵維持。

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