本發(fā)明涉及質譜技術領域，特別是涉及一種利用氣體放電離子化的質譜離子源。

背景技術：

質譜是一種分離與測定帶電粒子的技術，廣泛用于化學物質的定性定量分析，是當今世界靈敏度和分辨度最高的分析檢測工具。在質譜分析中，待分析物質必須首先電離成為離子才可能進入質譜儀被分離和測定。質譜儀上用于樣品電離的裝置就是離子源，由于化合物離子化是一種化學反應過程，所以離子源也可以認為就是一種化學反應器。

傳統(tǒng)的離子源的類型有電子轟擊、電噴霧、常壓下化學離子化、低溫等離子轟擊等離子源，其中除了電子轟擊離子源常用于和氣相色譜儀聯(lián)用，后面幾種都是用作液相色譜檢測，所有這些離子源都有一個共同特點，那就是電離效率都很低，大約10^-9以下，亦即每十億分子中只有一個左右被電離并被測到，其中原因很可能是由于所有這些離子化過程都涉及粒子碰撞(如電子轟擊、等離子轟擊等)或物質接觸與轉移(如M+H⁺→[MH]⁺)，這和傳統(tǒng)化學反應過程幾乎完全一致，每一時刻只有部分反應物正好成為粒子轟擊或物質專遞的靶子，而成為靶子的反應物又只有克服了活化能壁壘的一小部分才可能變成離子，但是，待測物在離子源里面的滯留時間極其短暫，一般只有幾十分之一秒，遠遠不及達到化學平衡，所以絕大部分樣品分子根本來不及電離或經(jīng)歷電離過程就被從離子源中排出去了。因此，質譜離子化過程是一個動力學控制的化學反應，加快反應速度是提高離子化效率的關鍵途徑。為了加快反應，最好能夠讓每個樣品分子在離子源中同時接受到同等離子化能量的作用，當施加的離子化能量足夠大于分子離子化所需的能量，那就有希望使得離子源中的樣品分子的電離反應瞬間達到化學平衡，使得電離由動力學控制過程轉變成熱力學控制過程，電離效率因此提高到極致，質譜分析因而達到極限靈敏度。目前世界范圍利用等離子體進行電離的離子源已經(jīng)有多種，基本特征是利用氦氣或氮氣在高電壓作用下產(chǎn)生等離子體，以待測物作為靶子用等離子體進行轟擊，由此將待測物電離，產(chǎn)生的離子再進入質譜儀進行測定。這類用等離子體轟擊待測物靶向的電離過程和傳統(tǒng)的電噴霧方式一樣，也屬于動力學控制過程，電離效率在10^-9以下。而且，所有上述電離方法都用到大量電離介質，亦即需要消耗氦氣或氮氣。

技術實現(xiàn)要素：

為了實現(xiàn)質譜電離過程瞬間達到熱力學平衡從而達到極限離子化效率，本發(fā)明采用強電場引發(fā)氣體或氣溶膠電離形成等離子體，每個待測物質分子在等離子體內部受到同等能量的作用而電離，成為等離子體的組成部分，隨著外加電源的電壓或交變頻率提高，離子源內氣態(tài)分子全部處于等離子狀態(tài)，基于上述原理，本發(fā)明提供一種提高離子化效率的質譜離子源。

該質譜離子源，包括：

放電腔；放電腔的外部密封，內部設置一個暢通的通道；放電腔的一端設有用于進氣的進氣端，另一端設有用于連接質譜儀的入口的輸出端；

兩個相互絕緣且連接放電腔的電極；當對兩個電極施加250V～10000V電壓時，位于放電腔內部的通道中的氣流被電離而形成等離子體；

分別連接兩個電極的供電電源；供電電源用于提供電壓給兩個電極；

連接于放電腔與質譜儀的入口相接一端的真空機構；真空機構用于在放電腔與質譜儀的入口相接一端產(chǎn)生負壓，使得放電腔連續(xù)從進氣端吸入氣體和待測物并流向輸出端，放電腔中產(chǎn)生的等離子體被引向質譜儀的入口，并且在質譜儀的收集電壓驅動下進入質譜儀進行測定。

上述質譜離子源，通過高電壓引發(fā)氣溶膠及氣體狀態(tài)的待測物質形成等離子體，所有待測分子在該質譜離子源中瞬時電離。由于氣流量小，待測分子在該質譜離子源內的滯留時間相應加長，進一步促使電離完全，使得質譜分析的檢測限從通常的10-9改進到10-15。而且，離子形式為M+或者M-，極少出現(xiàn)碎片，基本上沒有多電荷離子產(chǎn)生，也不產(chǎn)生[MH]+或[M-H]-離子，數(shù)據(jù)解析極其簡單方便，故本發(fā)明的質譜離子源能夠實現(xiàn)高效的離子化效率。此外，本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的質譜離子源也具備更好的穩(wěn)定性，一方面由于形成等離子體使得質譜離子源內部的所有分子始終被全部電離，不存在或然性，另一方面因為該質譜離子源與質譜儀內部直接相連接，不存在環(huán)境干擾。再者，本發(fā)明還有一個突出優(yōu)點，不用任何氣體，既節(jié)省開支又簡化操作，也有利于穩(wěn)定性。

在其中一個實施例中，該質譜離子源還包括連接于進氣端的吸氣管；吸氣管從進氣端向外延伸以用于吸取待測樣品。

在其中一個實施例中，放電腔為一根中空絕緣管；其中一個電極緊密環(huán)抱于放電腔的外部；另一個電極縱向穿入放電腔內中間并且與放電腔的內壁之間留有供氣流流通的間隙。

在其中一個實施例中，放電腔為一根中空金屬管并且構成其中一個電極；另一個電極為一根縱向穿入放電腔內并且與放電腔的內壁之間留有供氣流流通的間隙的外表絕緣的金屬棒。

在其中一個實施例中，放電腔為一根中空絕緣管；兩個電極分別環(huán)抱于放電腔的外部，并且兩個電極之間絕緣以使得當對兩個電極施加電壓時不會產(chǎn)生放電腔的外部放電。

在其中一個實施例中，該質譜離子源還包括一根內置于放電腔內中線位置的金屬棒，用于引導外加電場進入放電腔內部，從而使得流通于放電腔內的氣體可以在250V～2500V電壓下形成等離子體并產(chǎn)生輝光放電。

在其中一個實施例中，放電腔為一根中空絕緣管；其中一個電極為一根尖端置于放電腔內的中心點的放電針；另一個電極為一個鑲入于放電腔內的金屬圓環(huán)；金屬圓環(huán)的圓心與放電針的針尖重疊，且金屬圓環(huán)的周邊與放電針的針尖形成等距離間隔。

在其中一個實施例中，放電針為一根空心金屬管。

在其中一個實施例中，放電腔為一根中空金屬圓管并且構成其中一個電極；另外一個電極為一根尖端距離金屬圓管一端的圓心點0～5mm的放電針。

在其中一個實施例中，放電針為一根空心金屬管。

在其中一個實施例中，真空機構為一個連接于放電腔和質譜儀的入口的空心密封接頭；質譜儀內部真空通過空心密封接頭直接連通放電腔以使得放電腔吸入氣體和待測樣品。

在其中一個實施例中，真空機構為一個連接于放電腔并且包裹質譜儀的入口的空心密封腔體；空心密封腔體設有一個用于連接到外部真空系統(tǒng)的真空接口。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一的質譜離子源的示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例二的質譜離子源的示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例三的質譜離子源的示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例四的質譜離子源的示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例五的質譜離子源的示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例六的質譜離子源的示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例六的質譜離子源的示意圖；

圖8為本發(fā)明與質譜儀內部真空直接連接的示意圖；

圖9為本發(fā)明的質譜離子源外加真空方式的示意圖。

具體實施方式

為能進一步了解本發(fā)明的特征、技術手段以及所達到的具體目的、功能，解析本發(fā)明的優(yōu)點與精神，藉由以下結合附圖與具體實施方式對本發(fā)明的詳述得到進一步的了解。

一種質譜離子源，用于將待測樣品電離成離子并且供給質譜儀。該質譜離子源包括：放電腔、連接放電腔的兩個電極、分別連接兩個電極的供電電源、連接于放電腔與質譜儀的入口相接一端的真空機構、連接于放電腔與質譜儀的入口相接一端的真空機構、以及連接于進氣端的吸氣管。其中，

該放電腔的外部密封，內部設置一個暢通的通道。放電腔的一端設有用于進氣的進氣端，另一端設有用于連接質譜儀的入口的輸出端。兩個電極之間相互絕緣。當對兩個電極施加高壓電(該高壓電的范圍為250V～10000V，具體電壓值的選取與被測樣品的類型有關)時，位于放電腔內部的通道中的氣流被電離而形成等離子體。供電電源用于提供高壓電給兩個電極。真空機構用于在放電腔與質譜儀的入口相接一端產(chǎn)生負壓，使得放電腔連續(xù)從進氣端吸入氣體和待測物并流向輸出端，放電腔中產(chǎn)生的等離子體被引向質譜儀的入口，并且在質譜儀的收集電壓驅動下進入質譜儀進行測定。吸氣管從進氣端向外延伸以用于吸取待測樣品。

上述質譜離子源，通過高電壓引發(fā)氣溶膠及氣體狀態(tài)的待測物質形成等離子體，所有待測分子在該質譜離子源中瞬時電離。由于氣流量小，待測分子在該質譜離子源內的滯留時間相應加長，進一步促使電離完全，使得質譜分析的檢測限從通常的10^-9～10^-10改進到10^-15。而且，離子形式為M⁺或者M^-，極少出現(xiàn)碎片，基本上沒有多電荷離子產(chǎn)生，也不產(chǎn)生[MH]⁺或[M-H]^-離子，數(shù)據(jù)解析極其簡單方便，故本發(fā)明的質譜離子源能夠實現(xiàn)高效的離子化效率。此外，本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的質譜離子源也具備更好的穩(wěn)定性，一方面由于形成等離子體使得質譜離子源內部的所有分子始終被全部電離，不存在或然性，另一方面因為該質譜離子源與質譜儀內部直接相連接，不存在環(huán)境干擾。再者，本發(fā)明還有一個突出優(yōu)點，不用任何氣體，既節(jié)省開支又簡化操作，也有利于穩(wěn)定性。

以下，提供幾種基于上述質譜離子源構思設計的具體實施例。

實施例一

參見附圖1，其為本發(fā)明實施例一的質譜離子源。

在本實施例中，放電腔為一根中空絕緣管，其中一個電極緊密環(huán)抱于放電腔的外部，另一個電極縱向穿入放電腔內中間并且與放電腔的內壁之間留有供氣流流通的間隙。具體地，該質譜離子源為低溫等離子放電離子源，其包括一個連接主體100、一個連接該連接主體100的中空絕緣的放電管105、嚴密套在放電管105外圍而且全部包圍放電管105的外電極110、入放電管105內部中間的一根金屬棒作為內電極120。該金屬棒呈丁字形，在丁字頭的中間有一個穿透頭部的孔洞(在本實施例中，該孔洞為位于丁字頭的中間的一個斜孔，讓氣體可以進入到放電管105內部)，外部氣體可以通過此孔洞進入放電管105內部。當高電壓分別通過接線柱140a和接線柱140b施加到外電極110和內電極120上，放電管105內的氣體被擊穿，形成等離子體，樣品呈氣體或氣溶膠狀態(tài)被吸入放電管后，在高電壓作用下被電離，所產(chǎn)生的離子隨即進入質譜儀被分離和測定。氣態(tài)或氣溶膠狀態(tài)的樣品也可以用一跟與電離管相連通的延伸管160導入放電管內被電離，延伸管160可以用HPLC常用的連接螺頭130和連接卡套150通過連接主體100上的螺孔與電離管緊密連接。其中，外電極110、內電極120、接線柱140a和接線柱140b均為金屬質地，其它部分全部是由絕緣材料制成。例如，連接主體100為耐高溫絕緣材料或者金屬材料制成，放電管105為耐高溫絕緣材料或金屬材料制成，連接螺頭130為空心卡套塑料螺絲。連接卡套130為塑料絕緣卡套且與連接螺頭130配合使用，用于緊固延伸管160，并且在有內電極120的情況下，對該丁字形的內電極120起到卡位的作用。

實施例二

參見附圖2，其為本發(fā)明實施例二的質譜離子源。

在本實施例中，放電腔為一根中空金屬管并且構成其中一個電極。另一個電極為一根縱向穿入放電腔內并且與放電腔的內壁之間留有供氣流流通的間隙的外表絕緣的金屬棒。具體地，其與實施例一的區(qū)別在于：放電管105為金屬管，而該金屬管自身構成了外電極，內電極120的外部設有一個絕緣套125，放電由存在于金屬管與絕緣套125之間的間隙的氣體電離而產(chǎn)生。氣體或氣溶膠狀態(tài)的樣品進入放電管105，在高電壓作用下電離形成等離子體，樣品離子進而被質譜儀收集、分離和測定。

實施例三

參見附圖3，其為本發(fā)明實施例三的質譜離子源。

在本實施例中，放電腔為一根中空絕緣管。兩個電極分別環(huán)抱于放電腔的外部，并且兩個電極之間絕緣以使得當對兩個電極施加高壓電時不會產(chǎn)生放電腔的外部放電。具體地，其為本發(fā)明利用分隔電極產(chǎn)生等離子放電的一個實例，其與實施例一、二的區(qū)別在于：兩個電極均為外電極(即圖3所示的110和115)，兩個電極之間足夠分開，在高電壓作用下放電管105內的氣體被電離形成等離子體，得到的離子進入質譜儀被測定。如果外加電源電壓不足以造成放電管105內產(chǎn)生等離子放電，可以在放電管105內部中線上。

此外，在實施例三的基礎上，還可以進行改進。例如：該質譜離子源還包括一根內置于放電腔內中線位置的金屬棒，用于引導外加電場進入放電腔內部，從而使得流通于放電腔內的氣體在較低的外加電壓(250V～2500V)條件下形成等離子體并產(chǎn)生輝光放電。在其他實施例中，若未采用內置金屬棒引導外加電場，則施加電壓范圍在500V～10000V之間。

實施例四

參見附圖4，其為本發(fā)明實施例四的質譜離子源。

在本實施例中，放電腔為一根中空絕緣管。其中一個電極為一根尖端置于放電腔內的中心點的放電針。另一個電極為一個鑲入于放電腔內的金屬圓環(huán)。金屬圓環(huán)的圓心與放電針的針尖重疊，且金屬圓環(huán)的周邊與放電針的針尖形成等距離間隔。具體地，本實例中的放電機制是由一根空心放電針200和一個環(huán)狀電極210組成，放電針200與環(huán)狀電極210相互垂直，放電針的針尖220設置在環(huán)狀電極210圓心處。當高電壓施加到接線柱140a和接線柱140b上后，從空心針200進入的氣體在環(huán)電極圓心處被擊穿放電，產(chǎn)生的離子經(jīng)放電管105進入質譜儀被測定?？招姆烹娽?00在起到放電作用的同時，還可以作為氣體的進氣通道。

實施例五

參見附圖5，其為本發(fā)明實施例五的質譜離子源。

在本實施例中，放電針為一根空心金屬管。具體地，本實例中的放電由一根實心放電針205和一個環(huán)狀電極210組成，放電針205由一個絕緣卡套230密封和固定到連接主體100上面，與環(huán)狀電極210相互垂直，放電針的針尖220設置在環(huán)狀電極210圓心處。氣體從連接主體100上的另一個入口吸入，通過放電針205和環(huán)狀電極210被施加于兩個電極之間的高電壓擊穿放電，產(chǎn)生的離子經(jīng)放電管105進入質譜儀被測定。

實施例六

在本實施例中，放電腔為一根中空金屬圓管并且構成其中一個電極。另外一個電極為一根尖端距離金屬圓管一端的圓心點0～5mm的實心放電針。具體地，放電管105為金屬管，而該金屬管自身構成了第一個電極。另一個電極為實心的放電針205，該放電針205的針尖延伸到放電管105進氣端的圓心點附近(針尖距離該圓心點0～5mm)。氣體從通過連接主體100上的延伸管160進入。

實施例七

在本實施例中，放電腔為一根中空金屬圓管并且構成其中一個電極。另外一個電極為一根尖端靠近金屬圓管一端的圓心點0～5mm的放電針，并且該放電針為空心金屬管。具體地，放電管105為金屬管，而該金屬管自身構成了第一個電極。另一個電極為放電針200，該放電針200為空心金屬管，并且其針尖延伸到放電管105進氣端的圓心點附近(針尖距離該圓心點0～5mm)。氣體從放電針205進入。

上述實例所示離子源都有兩種方式與質譜儀連接：

第一種如圖8所示，真空機構為一個連接于放電腔和質譜儀的入口的空心密封接頭。質譜儀內部真空通過空心密封接頭直接連通放電腔以使得放電腔吸入氣體和待測樣品。具體，該質譜離子源通過一個特殊連接頭300把離子源的放電管105和質譜儀400的入口350緊密相連，針對不同的質譜儀400入口形式連接頭300也有所不同，以須保證本發(fā)明的離子源與質譜儀內部的真空直接而以密封的形式相連接。

第二種如圖9所示，真空機構為一個連接于放電腔并且包裹質譜儀的入口的空心密封腔體?？招拿芊馇惑w設有一個用于連接到外部真空系統(tǒng)的真空接口。具體地，該質譜離子源包括一個與質譜儀入口350密封連接的空腔350以及對空腔抽真空的真空泵(圖未示)，本發(fā)明質譜離子源的出口管路105透過空腔壁密封連接到空腔內部，與質譜儀400的入口相對，中間留1～5mm間隙，讓真空把氣體或氣溶膠樣品吸入離子源產(chǎn)生電離，離子被質譜儀400收集電壓驅使下進入質譜儀400被分離與測定，沒有被電離的物質則被真空吸走排到廢氣中去。

以上實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上實施例僅表達了本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。