離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法及裝置的製作方法

2023-08-09 02:30:26

專利名稱：離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及離子遷移率譜儀技術領域，是一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣 方法及裝置。
背景技術：
離子遷移率譜技術是利用氣相離子在弱電場中遷移率的不同來檢測物質的方法， 其原理與飛行時間質譜相似，主要的區別是離子遷移率譜技術中離子的分離是在大氣壓或 接近大氣壓的環境下進行。離子遷移率譜儀(IMS Ion mobility spectrometer)主要由漂 移管以及外圍的氣路系統、電路系統組成，其中漂移管包括離化區、離子門、離子漂移區以 及法拉第盤等。在利用離子遷移率譜儀進行檢測時，被檢測物質進入漂移管離化區，在離化 源作用下形成帶電離子，然後通過離子門進入漂移區，漂移區的電場強度一般在102V/cm的 量級，具有特定遷移率的離子在電場作用下，經過一定時間後到達法拉第盤並給出離子電 流信號。由於各種物質離子的遷移速率互不相同，根據漂移時間的不同可以實現對樣品的 分離和檢測。
離子遷移率譜儀在大氣環境氣壓下工作，與質譜等分析儀器相比具有體積小、重 量輕、功耗小、攜帶方便等優點，同時還能保證非常低的檢測下限(皮克量級)，主要用於痕 量化學戰劑、毒品以及爆炸物的實時檢測。隨著技術的發展，離子遷移率譜儀已經應用於戰 場環境中的實時毒劑勘察、機場和重要地域的安全檢查、環境中可揮發有機汙染物的長期 監測以及化學工業中洩漏檢測等。
為了提高離子遷移率譜儀的抗幹擾能力，降低外界環境水汽及雜質的影響，商品 化的漂移管多為封閉式結構，被測樣品通過半透膜進入漂移管。由於半透膜對化學戰劑、爆 炸物以及可揮發有機汙染物等的透過率比較高，而對水汽的透過率較低，樣品氣體中所含 有的被測物可以通過半透膜，並被內部載氣帶入漂移管離化區，而水汽等幹擾物質通過半 透膜的速度很慢，大部分被擋在漂移管外。半透膜進樣方法大大降低了環境水汽對離子遷 移率譜儀的影響。
以聚二甲基矽氧烷(PDMS)為代表的有機矽材料早在上世紀80年代就被用於離子 遷移率譜儀以分離氣體樣品中的有機被測物和水汽。傳統的膜進樣方法中，待測樣品完全 依靠有機分子在半透膜前後分壓的不同而自由擴散通過半透模，由於樣品滲透效率及速度 與半透膜溫度有很大關係，所以需要將半透膜穩定在50°C 300°C之間某個溫度。中國專 利200510028968. 6,200810116735. 5都提出通過維持半透膜內外一定壓差，加快待測樣品 在半透膜中擴散速度的方法。這種方法有效提高了離子遷移率譜儀半透膜的進樣效率，減 少了樣品殘留。但這種方法中半透膜內外存在一定壓差，機械強度不高的半透膜在壓差作 用下容易破損，不能加大半透膜面積以提高進樣效率。發明內容
本發明的目的是提供一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法及裝置，以解決現有技術中離子遷移率譜儀半透膜進樣方法效率不高的問題，能有效提高進樣效率，降低 離子遷移率譜儀的檢測下限。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是
一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法，其包括步驟
a)在採樣過程中，半透膜處於室溫；
b)而在解吸過程中，用半透膜溫控裝置或半透膜自加熱功能，將半透膜加熱至 80。。 300。。。
一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其包括採樣部分、半透膜進樣部分 和解吸部分；採樣部分位於管路上遊，後端與半透膜進樣部分前端固接，並連通，解吸部分 位於管路下遊，前端與半透膜進樣部分後端固接，並連通；採樣部分的前端為採樣口，採樣 部分管路側面設有採樣泵抽氣口 ；解吸部分管路側面設有載氣入口，解吸部分的後端為與 離子遷移率譜儀接口；
其中，半透膜進樣部分位於管路中，包括半透膜、半透膜溫控裝置；半透膜熱容量 很小，徑向設置，周緣固接於管路內壁；
使用時，採樣泵抽氣口與採樣泵相連通，載氣入口與載氣源相連通，解吸部分後端 的接口與離子遷移率譜儀漂移管相連通。
所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其所述半透膜，為聚二甲基矽氧 烷PDMS薄膜，厚度為4微米 100微米；由金屬網進行機械加固。
所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其所述半透膜溫控裝置，包括具 有低熱容的加熱器、測溫元件、氣路盤；加熱器是由金屬絲或金屬薄皮繞製成的加熱電阻， 測溫元件為微型熱敏電阻或熱電偶，氣路盤與半透膜相適配，其後表面上有多個同心圓狀 氣體通道，通過中心貫通孔與採樣口相通連；加熱器、測溫元件固定於氣路盤前表面，半透 膜位於氣路盤後面，半透膜前表面與氣路盤後表面上的多個同心圓狀氣體通道緊貼。
一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其包括採樣部分、半透膜進樣部分 和解吸部分；採樣部分位於管路上遊，後端與半透膜進樣部分前端固接，並連通，解吸部分 位於管路下遊，前端與半透膜進樣部分後端固接，並連通；採樣部分的前端為採樣口，採樣 部分管路側面設有採樣泵抽氣口 ；解吸部分管路側面設有載氣入口，解吸部分的後端為與 離子遷移率譜儀接口；
其中，半透膜進樣部分位於管路中，包括氣路盤、半透膜；半透膜熱容量很小，徑向 設置，周緣固接於管路內壁；
半透膜為聚二甲基矽氧烷PDMS薄膜，在薄膜表面固接雙螺旋結構的金屬絲，並有 邊框，邊框固接於管路內壁，金屬絲作為聚二甲基矽氧烷PDMS薄膜的骨架，起到加固薄膜， 提高薄膜機械強度的作用，同時金屬絲是半透膜的加熱電極及測溫電阻，具有自加熱功能， 以實現半透膜加熱控溫；
氣路盤與半透膜相適配，其後表面上有多個同心圓狀氣體通道，通過中心貫通孔 與採樣口相通連；氣路盤覆於半透膜前面，氣路盤後表面上的多個同心圓狀氣體通道緊貼 半透膜表面；
使用時，採樣泵抽氣口與採樣泵相連通，載氣入口與載氣源相連通，解吸部分後端 的接口與離子遷移率譜儀漂移管相連通。
所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其所述半透膜，厚度在4 100微米之間；其邊框為非金屬材料製備的框架，厚度在O. 5 Imm之間；金屬絲為雙螺旋結構， 以鉬絲或鎳鉻絲製作，位於半透膜的中心部分。
所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其工作流程是
I)在半透膜處於室溫時，啟動採樣泵，氣體樣品由採樣口進入，經氣路盤同心圓狀氣體通道放出，流經半透膜前表面後，經採樣泵抽氣口排出；
2)經過一段時間完成採樣後，關閉採樣泵；
3)啟動半透膜溫控裝置對半透膜加熱，或啟動半透膜自加熱功能加熱，將半透膜升溫至80°C 300°C之間的恆定溫度，使富集於半透膜的被測物解吸後，被從載氣入口進入的載氣攜帶，由接口帶入離子遷移率譜儀漂移管。·
本發明的進樣裝置，優點是
被測物在半透膜的富集基於吸收或吸附機理。被測物在半透膜上的吸收或吸附過程是一個放熱過程，採樣過程中半透膜溫度越高，被測物在半透膜中的分配係數就越低，半透膜的富集效率就越低。在本發明離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法中，通過採樣過程中控制半透膜處於較低溫度，促進被測物在半透膜中的富集；採樣過程結束後，通過半透膜溫控裝置加熱半透膜，實現半透膜中被測物的熱解吸，從而使得半透膜具有樣品預富集的功能，降低了離子遷移率譜儀的檢測下限。


圖1為離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置的結構示意圖2為一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置的剖面結構示意圖3為傳統半透膜進樣方法及本發明方法得到的一種被測樣品離子遷移率譜圖4為另一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置的剖面結構示意圖5為一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置的具有自加熱功能的半透膜結構示意圖。
圖中
1-採樣部分2-半透膜進樣部分3-解吸部分
11-採樣口12-採樣泵抽氣口13-氣路盤
21-半透膜22-半透膜溫控裝置； 31-載氣入口
32-與離子遷移率譜儀接口具體實施方式
參閱圖1，為離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置的結構示意圖。本發明的進樣裝置，由採樣部分1、半透膜進樣部分2以及解吸部分3組成。其中
採樣部分I的前端為採樣口 11，側面設置有採樣泵抽氣口 12與採樣泵相連。採樣口 11由金屬材料(包括但不限於不鏽鋼、鋁合金)或者非金屬材料(包括但不限於聚四氟乙烯、聚醚醚酮、經過共混、填充、纖維複合等加強改性的聚醚醚酮複合材料)製備。採樣過程中，在採樣泵作用下，樣品氣體或微粒經採樣口 11進入採樣部分I內部，流過半透膜21 表面，此時半透膜21處於室溫狀態；完成採樣後，採樣泵停止運轉，半透膜21在半透膜溫控裝置22作用下快速升溫至80°C 300°C，半透膜21中富集的被測物熱解吸並被從解吸 部分3的載氣入口 31進入的載氣通過與離子遷移率譜儀接口 32帶入離子遷移率譜儀漂移管。
傳統MS半透膜進樣裝置的半透膜工作中處於80°C 300°C之間的恆定溫度，而 本發明中的半透膜在採樣過程中處於室溫，有利於樣品中被測物在半透膜上的吸附或吸 收，使得被測物在半透膜上得到富集；在採樣結束後採樣泵停止運轉，半透膜溫度升高，一 方面使得半透膜中富集的被測物解吸釋放，另一方面加熱也提高了被測物在半透膜的透過 率。與傳統IMS半透膜進樣裝置中半透膜處於恆溫狀態的工作方式相比，本發明在採樣過 程中使半透膜處於室溫，提高了被測物在半透膜中的富集效果，同時在解吸時使半透膜處 於80°C 300°C的高溫，保證了被測物的透過率。
實施例1 :
如圖2所示一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特徵在於所述的半 透膜預富集進樣裝置包括採樣口 11，採樣泵抽氣口 12、氣路盤13、半透膜21、半透膜溫控裝 置22以及載氣入口 31、進樣裝置與離子遷移率譜儀接口 32。
採樣過程中，半透膜處於室溫，在採樣泵作用下，樣品氣體經過採樣口 11流到氣 路盤13經過半透膜21表面後經採樣泵抽氣口 12排出。氣路盤與半透膜接觸的一面有很 多同心圓狀氣體通道，保證了樣品氣體與半透膜表面的充分接觸，進一步促進樣品氣體中 被測物在半透膜中的富集。
採樣結束後，採樣泵停止運轉。半透膜21在半透膜溫控裝置22作用下，迅速升溫 至80°C 300°C之間的恆定溫度，富集於半透膜的被測物解吸後被從載氣入口 31進入的載 氣攜帶，經進樣裝置與離子遷移率譜儀接口 32而進入離子遷移率譜儀漂移管。由於在採樣 泵停止運轉後氣路盤13與半透膜21之間形成相對密封的空間很小，保證半透膜中富集的 被測物大部分通過進樣裝置與離子遷移率譜儀接口 32進入離子遷移率譜儀漂移管。為了 提高半透膜溫控裝置22對半透膜的加熱效率，氣路盤13採用高熱導率的材料包括但不限 於鋁合金、銅製備，而進樣裝置其它部分採用熱導率低、熱穩定性好的非金屬材料(包括但 不限於聚四氟乙烯、聚醚醚酮、經過共混、填充、纖維複合等加強改性的聚醚醚酮複合材料) 製備。
圖3為本發明方法與傳統膜進樣方法下一種痕量被測物甲基磷酸二甲酯(DMMP) 離子遷移率譜圖的比較。
本發明方法的工作參數採樣過程採樣流量100毫升/分鐘，採樣時間200秒，採 樣時半透膜處於室溫；解吸過程採樣泵停止運轉，半透膜溫度180°C。
傳統膜進樣方法的工作參數半透膜溫度180°C恆定，採樣流量100毫升/分鐘， 採樣時間200秒，採樣結束後採樣泵停止運轉。
可以看出，由於被測物濃度極低，採用傳統膜進樣方法在譜圖中沒有出現DMMP離 子峰，而採用本發明方法可以在圖譜中出現DMMP離子峰，說明採用本發明方法可以有效提 高離子遷移率譜儀的響應靈敏度。由於受到環境中有機胺、丙酮等痕量有機氣體影響，採用 本發明方法得到的圖譜中出現其它未知離子峰。
實施例2
如圖4所示一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特徵在於所述的預富集膜進樣裝置包括採樣口 11，採樣泵抽氣口 12、氣路盤13、半透膜21、以及載氣入口 31、 進樣裝置與離子遷移率譜儀接口 32。其中半透膜21具有自加熱功能，帶有加熱及測溫電 極，可以實現半透膜21的快速升溫。
採樣過程中，半透膜處於室溫，在採樣泵作用下，樣品氣體經過採樣口 11流到氣 路盤13經過半透膜21表面後經採樣泵抽氣口 12排出。氣路盤與半透膜接觸的一面有很 多同心圓狀氣體通道，保證了樣品氣體與半透膜表面的充分接觸，進一步促進樣品氣體中 被測物在半透膜上的吸收和吸附。
採樣結束後，採樣泵停止運轉。半透膜21迅速升溫至80°C 300°C，吸附和吸收 於半透膜的被測物解吸後被從載氣入口 31進入的載氣攜帶，經進樣裝置與離子遷移率譜 儀接口 32而進入離子遷移率譜儀漂移管。
具有自加熱功能的半透膜21熱容量小，可以快速升溫，解吸速度塊，可以獲得更 窄、更高的被測物脈衝，更有利於離子遷移率譜儀檢測下限的降低。
圖5為一種具有自加熱功能半透膜示意圖。邊緣部分為非金屬材料(聚四氟乙 烯、聚醚醚酮、經過共混、填充、纖維複合等加強改性的聚醚醚酮複合材料)製備的框架，厚 度在O. 5 Imm之間；中心部分為半透膜(優選聚二甲基矽氧烷(PDMS))，厚度在4 100 微米之間；中心部分半透膜採用雙螺旋結構的金屬絲(鉬絲、鎳鉻絲)進行機械加固，同時 金屬絲也是半透膜的加熱電極及測溫電阻，可以實現半透膜加熱控溫。
這種具有自加熱功能的半透膜熱容量小，熱解吸過程中可以快速升溫，具有解吸 速度快的優點，可以獲得更窄、更高的被測物脈衝，有利於離子遷移率譜儀檢測下限的降 低。
上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發 明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的 一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於這裡的實施 例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對於本發明做出的改進和修改都應該在本發明權 利要求書的保護範圍之內。
權利要求
1.一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法，其特徵在於包括步驟 a)在採樣過程中，半透膜(21)處於室溫； b)而在解吸過程中，用半透膜溫控裝置(22)或半透膜(21) 自加熱功能，將半透膜(21)加熱至80°C 300°C。
2.一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特徵在於包括採樣部分(I)、半透膜進樣部分(2)和解吸部分(3);採樣部分(I)位於管路上遊，後端與半透膜進樣部分(2)前端固接，並連通，解吸部分(3)位於管路下遊，前端與半透膜進樣部分(2)後端固接，並連通；採樣部分(I)的前端為採樣口(11)，採樣部分(I)管路側面設有採樣泵抽氣口(12)；解吸部分(3)管路側面設有載氣入口(31)，解吸部分(3)的後端為與離子遷移率譜儀接口(32)； 其中，半透膜進樣部分(2)位於管路中，包括半透膜(21)、半透膜溫控裝置(22);半透膜(21)熱容量很小，徑向設置，周緣固接於管路內壁； 使用時，採樣泵抽氣口(12)與採樣泵相連通，載氣入口(31)與載氣源相連通，解吸部分(3)後端的接口(32)與離子遷移率譜儀漂移管相連通。
3.如權利要求2所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特徵在於所述半透膜(21)，為聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜，厚度為4微米 100微米；由金屬網進行機械加固。
4.如權利要求2所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特徵在於所述半透膜溫控裝置(22)，包括具有低熱容的加熱器、測溫元件、氣路盤(13);加熱器是由金屬絲或金屬薄皮繞製成的加熱電阻，測溫元件為微型熱敏電阻或熱電偶，氣路盤(13)與半透膜(21)相適配，其後表面上有多個同心圓狀氣體通道，通過中心貫通孔與採樣口(11)相通連；加熱器、測溫元件固定於氣路盤(13)前表面，半透膜(21)位於氣路盤(13)後面，半透膜(21)前表面與氣路盤(13)後表面上的多個同心圓狀氣體通道緊貼。
5.一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特徵在於包括採樣部分(I)、半透膜進樣部分(2)和解吸部分(3);採樣部分(I)位於管路上遊，後端與半透膜進樣部分(2)前端固接，並連通，解吸部分(3)位於管路下遊，前端與半透膜進樣部分(2)後端固接，並連通；採樣部分(I)的前端為採樣口(11)，採樣部分(I)管路側面設有採樣泵抽氣口(12)；解吸部分(3)管路側面設有載氣入口(31)，解吸部分(3)的後端為與離子遷移率譜儀接口(32)； 其中，半透膜進樣部分(2)位於管路中，包括氣路盤(13)、半透膜(21);半透膜(21)熱容量很小，徑向設置，周緣固接於管路內壁； 半透膜(21)為聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜，在薄膜表面固接雙螺旋結構的金屬絲，並有邊框，邊框固接於管路內壁，金屬絲作為聚二甲基矽氧烷PDMS薄膜的骨架，起到加固薄膜，提高薄膜機械強度的作用，同時，金屬絲是半透膜(21)的加熱電極及測溫電阻，具有自加熱功能，以實現半透膜(21)加熱控溫； 氣路盤(13)與半透膜(21)相適配，其後表面上有多個同心圓狀氣體通道，通過中心貫通孔與採樣口(11)相通連；氣路盤(13)覆於半透膜(21)前面，氣路盤(13)後表面上的多個同心圓狀氣體通道緊貼半透膜(21)表面； 使用時，採樣泵抽氣口(12)與採樣泵相連通，載氣入口(31)與載氣源相連通，解吸部分(3)後端的接口(32)與離子遷移率譜儀漂移管相連通。
6.如權利要求5所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特徵在於所述半透膜(21)，厚度在4 100微米之間；其邊框為非金屬材料製備的框架，厚度在0. 5 Imm之間；金屬絲為雙螺旋結構，以鉬絲或鎳鉻絲製作，位於半透膜(21)的中心部分。
7.如權利要求2或5所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特徵在於工作流程是 1)在半透膜(21)處於室溫時，啟動採樣泵，氣體樣品由採樣口(11)進入，經氣路盤(13)同心圓狀氣體通道放出，流經半透膜(21)前表面後，經採樣泵抽氣口(12)排出； 2)經過一段時間完成採樣後，關閉採樣泵； 3)啟動半透膜溫控裝置(22)對半透膜(21)加熱，或啟動半透膜(21)自加熱功能加熱，將半透膜(21)升溫至80°C 300°C之間的恆定溫度，使富集於半透膜(21)的被測物解吸後，被從載氣入口(31)進入的載氣攜帶，由接口(32)帶入離子遷移率譜儀漂移管。
全文摘要
本發明公開了一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法及裝置，涉及離子遷移率譜儀技術，該裝置包括採樣部分、半透膜進樣部分和解吸部分，其中半透膜進樣部分包括半透膜、半透膜溫控裝置；在離子遷移率譜儀半透膜富集進樣過程中，採樣時半透膜處於室溫，而解吸時利用半透膜溫控裝置將半透膜加熱至80℃～300℃。由於採樣過程中半透膜處於室溫，有利於被測物在半透膜中的富集；而解吸過程中半透膜加熱至80℃～300℃，有利於其中富集的被測物在熱解吸的同時更有效地透過半透膜進入離子遷移率譜儀漂移管。採用本發明裝置及方法有效地降低離子遷移率譜儀的檢測下限。
文檔編號G01N27/62GK103018313SQ20111027940
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月20日 優先權日2011年9月20日
發明者高曉光, 賈建, 李建平, 何秀麗 申請人:中國科學院電子學研究所