一種真空紫外燈電離裝置的製作方法

2023-05-20 21:37:21 1

專利名稱：一種真空紫外燈電離裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及質譜電離源，在電離過程中設計永磁聚焦環以提高離子傳輸效率；這 種技術不僅提高了電離傳輸效率，而且實現了紫外光和電子碰撞電離模式和紫外光電離模 式的切換。
背景技術：
真空紫外燈電離源具有體積小，功耗低，靈敏度高，壽命長，譜圖簡單等優點，適合 於複雜樣品分析及樣品的在線監測，過程監控等領域。但與電子碰撞電離源相比，真空紫外 燈電離源要求被電離樣品的電離能低於其光電子能量，且化合物的碎片信息較少，難以獲 得樣品化合物的結構信息。電子碰撞電離源具有結構簡單，能獲得化合物碎片信息，與標準譜圖對照可以實 現對化合物的鑑定的優點。但其功耗高，壽命短，由於譜圖比較複雜，且分子離子峰往往較 弱，難以對複雜樣品進行鑑別。將兩種電離源相結合一直是重要的研究課題。目前的解決方案主要是將電子碰撞 電離裝置集成到紫外光電離裝置中。這種方案對氣壓，功耗以及使用壽命都有苛刻的要求， 且集成過程中技術複雜，導致成本大大增加。

發明內容
本發明的目的在於提供一種用於質譜的真空紫外燈電離裝置，具有檢測線低，靈 敏度高，樣品選擇範圍寬，壽命長，功耗低等優點。為實現上述目的，本發明採用的技術方案為—種真空紫外燈電離裝置，包括一電離腔，在電離腔上方安裝有作為電離源的真 空紫外燈，在距真空紫外燈窗口下方l_4mm處設置有一推斥板，在距離推斥板正下方10_30mm處設置有一永磁聚焦環，永磁聚焦環為中間開孔的 圓板，孔徑為2mm-20mm，並與推斥板同軸；在永磁聚焦環的正下方0. I-IOOmm處設有一小孔板，小孔板為中間開孔的圓板， 孔徑為0. lmm-20mm，並與推斥板同軸；在小孔板正下方l_4mm處設有同軸的三個透鏡，與推斥板同軸；在永磁聚焦環、小孔板及透鏡之間分別設有l_3mm厚的絕緣密封墊阻隔；一進樣毛細管將氣體樣品從電離室的一側引入真空紫外燈前端的窗口下方進行 電離，真空紫外燈的光軸同氣體樣品的進樣方向相垂直；推斥板、永磁聚焦環、小孔板及透鏡均設置電離腔內部、並與真空紫外燈的光軸同 軸；在透鏡正下方的電離腔壁面上開有孔，在孔的正下方設置有一質量分析器。在電離腔的側壁上設置有泵接口 ；在推斥板上施加1-100V的電壓；在永磁聚焦環 上施加的電壓為推斥板電壓的60-95% ；永磁聚焦環為具有100 2000高斯的永磁體，並具有導電性能。
在真空紫外光電離模式下，於小孔板上施加的電壓為0 -20V。在真空紫外光和電子碰撞電離模式下，於小孔板上施加的電壓為-10 -150V。由紫外燈發出的真空紫外光照在小孔板上產生光電子，光電子在小孔板與推斥板 之間的電場中被加速，與電離腔中的樣品分子發生電子碰撞電離。真空紫外燈發出的真空 紫外光還可以將樣品分子直接光電離，形成樣品離子。產生的樣品離子被永磁聚焦環聚焦 後引入小孔板，通過透鏡系統調整後進入質量分析器。由於使用永磁聚焦環和小孔板的結構設計，本發明具有如下優點1.凸形電場能夠將較大範圍內的正離子匯聚到小孔板的孔中，大大提高了離子傳 輸效率。2.永磁聚焦環與推斥板之間的電壓壓差較小，這樣形成的離子束在軸方向上能量 分散比較小，有利於透鏡系統的整形。3.通過調節小孔板電壓，可以實現紫外光電離模式和紫外光和電子碰撞電離模式轉換。4.永磁聚焦環上對周圍空間施加的磁場可以使電子以螺旋軌跡運動，增強了電子 與樣品分子的碰撞機率，提高紫外光和電子碰撞電離模式下電離源的靈敏度。在紫外光和電子碰撞電離模式下，電離源具有紫外光電離和電子碰撞電離兩種電 離源的優點。本電離源能夠在電子碰撞電離產生的碎片的基礎上增強其分子離子的信號 峰，而且其壽命和功耗均優於由於電子碰撞電離源。紫外光和電子碰撞電離源與電子碰撞 電離源和紫外光電離源的比較結果如表1所示，從表中的比較可以看出，紫外光和電子碰 撞電離源集中了電子碰撞電離源和紫外光電離源的優點。由於真空紫外燈的單位時間內產生的光子數比較少(KTphotons/s)，因此其靈敏 度不高一直是制約真空紫外燈光電離應用的重要因素。在本發明中，使用永磁聚焦環，能 夠使較大範圍內產生的離子聚焦至小孔板中，然後通過透鏡對離子整形從而獲得更強的離 子信號。在本發明中，由永磁聚焦環和小孔板所形成的電場為凸形電場，對正離子有匯聚作 用。電子受到磁場的約束，以螺旋運動方式前進。Simion模擬結果如圖4所示。從圖中可 以看出凸形電場對離子的匯聚作用以及磁場對電子路徑的延長作用。本發明中與未加永磁 聚焦環相比，紫外燈電離模式下信號強度能提高2個數量級左右，電子電離模式下信號提 高5-10倍左右。本發明在沒有富集的情況下與飛行時間質量分析器連接後，2如內30萬次 累加，得到的質譜圖中苯檢測線可以達到0. lppm，大大優於文獻報導的同類電離源。綜上所述，本發明具有待測樣品範圍廣，靈敏度高，功耗低，壽命長，工作氣壓範圍 寬等特點，在過程監控以及有機汙染物實時在線分析方面有廣闊的應用前景。


圖1為本發明的結構示意圖。圖2為本發明中加磁場後與未加磁場時空氣信號強度的對比圖3為對永磁聚焦環增強EI電離機理的Simion模擬結果
具體實施例方式如圖1所示，一種真空紫外燈電離裝置，包括一電離腔2，在電離腔2上方安裝有作為電離源的真空紫外燈1，在距真空紫外燈1窗口下方l_4mm處設置有一推斥板3，在距離推斥板3正下方30mm處設置有一永磁聚焦環5，永磁聚焦環5為中間開孔 的圓板，孔徑為6mm，並與推斥板3同軸；在永磁聚焦環5的正下方Imm處設有一小孔板7，小孔板7為中間開孔的圓板，孔 徑為1mm，並與推斥板3同軸；在小孔板7正下方Imm處設有同軸的三個透鏡8，與推斥板3同軸；在永磁聚焦環5、小孔板7及透鏡8之間分別設有Imm厚的絕緣密封墊阻隔；一進樣毛細管4將氣體樣品從電離室的一側引入真空紫外燈1前端的窗口下方進 行電離，真空紫外燈1的光軸同氣體樣品的進樣方向相垂直；推斥板3、永磁聚焦環4、小孔板7及透鏡8均設置電離腔內部、並與真空紫外燈1 的光軸同軸；在透鏡8的正下方的電離腔壁面上開有孔，在孔的正下方設置有設置有一質 量分析器9。在電離腔2的側壁上設置有泵接口 6。本發明中利用毛細管長度及管徑調整保證電離區中的氣壓，將樣品從大氣引入至 電離區，與紫外燈光柱垂直。推斥板與紫外燈同軸相距1mm，加IOV電壓，永磁聚焦環在推斥 板下方20mm處，所加電壓為推斥板電壓的90%。小孔板在永磁聚焦環下方Imm處，根據使 用模式不同，所加電壓不同。在真空紫外光電離模式下，小孔板接地，為-4V。在真空紫外光 和電子碰撞電離模式下，小孔板所加電壓為-60V。透鏡系統在小孔板下方Imm處，由絕緣墊 片密封阻隔，所加電壓與推斥板電壓和小孔板電壓相關。在紫外光電離模式下，小孔板為-4V。紫外燈所發射的光子與由毛細管垂直引入的 樣品相互作用，使樣品發生電離，電離後產生的正離子在匯聚電場的作用下匯聚到小孔板 的小孔後，進入透鏡系統。通過電壓調節，透鏡對離子束進行整形。在紫外光和電子碰撞電離模式下，小孔板接負電壓，當接-60V左右時，獲得的電 子碰撞電離的效果較好，由電子碰撞電離產生的信號與未加磁場時相比提高為原來的5-10 倍。由磁場引起的電子螺旋運動由圖3所示由毛細管引入的樣品氣體一部分被紫外光電 離，產物多形成分子離子。另一部分被加速了的電子碰撞，產物為碎片離子和分子離子。由 兩種電離產生的離子信號均被聚焦後引入透鏡系統整形，最後進入質量分析器中進行分 析。有無磁場條件下質譜信號如圖2所示。測試使用的是苯，甲苯，二甲苯各IOOppm 的混合氣，氮氣為平衡氣。加磁場條件下的氮氣信號和氬氣信號(紅色)比不加磁場條件 下(黑色)提高了 7倍，而苯，甲苯，二甲苯的信號幾乎不受影響。此圖同時證明了磁場對 光電子碰撞電離的增強作用。用Simion模擬磁場條件下電子和離子的運行軌跡，結果如圖3所示。從圖中可以 看到電子的螺旋運動軌跡很明顯(綠色)，而離子卻沒有明顯的螺旋運動軌跡，說明受到磁 場的影響較小(紅色)。表1為本發明與電子碰撞電離的優缺點比較結果。
權利要求
1.一種真空紫外燈電離裝置，其特徵在於包括一電離腔0)，在電離腔(2)上方安裝有作為電離源的真空紫外燈(1)，在距真空紫外燈(1)窗口下方 設置有一推斥板(3)，在距離推斥板(3)正下方設置有一永磁聚焦環(5)，永磁聚焦環(5)為中間開孔的圓 板，並與推斥板⑶同軸；在永磁聚焦環(5)的正下方設有一小孔板(7)，小孔板(7)為中間開孔的圓板，並與推 斥板(3)同軸；在小孔板(7)正下方l_4mm處設有同軸的三個透鏡(8)，與推斥板(3)同軸； 在永磁聚焦環(5)、小孔板(7)及透鏡(8)之間分別設有絕緣密封墊阻隔； 在電離腔⑵的側壁上設置有伸入電離腔⑵內部的進樣毛細管⑷； 推斥板(3)、永磁聚焦環(5)、小孔板(7)及透鏡⑶均設置在電離腔(2)內部、並與真 空紫外燈(1)的光軸同軸；在透鏡(8)正下方的電離腔(2)壁面上開有孔，在孔的正下方設置有一質量分析器⑶。
2.根據權利要求1所述裝置，其特徵在於電離腔O)的內部、於推斥板(3)和永磁聚焦環(5)間形成電離室，進樣毛細管(4)將 氣體樣品從電離室的一側引入真空紫外燈(1)前端的窗口下方進行電離，真空紫外燈(1) 的光軸同氣體樣品的進樣方向相垂直。
3.根據權利要求1所述裝置，其特徵在於在電離腔(2)的側壁上設置有泵接口(6)。
4.根據權利要求1所述裝置，其特徵在於在推斥板(3)上施加1-100V的電壓；在永 磁聚焦環(5)上施加的電壓為推斥板電壓的10 500%。
5.根據權利要求1所述裝置，其特徵在於永磁聚焦環( 為中間孔直徑為2-20mm，具 有100-2000高斯的永磁體，並具有導電性能；小孔板⑵為中間開孔的孔徑為0. lmm-20mm ；在永磁聚焦環(5)、小孔板(7)及透鏡(8)之間分別設有0. I-IOmm厚的絕緣密封墊阻隔。
6.根據權利要求1所述裝置，其特徵在於在真空紫外光電離模式下，於小孔板(7)上 施加的電壓為0 -20V。
7.根據權利要求1所述裝置，其特徵在於在真空紫外光和電子碰撞電離模式下，於小 孔板(7)上施加的電壓為-10 -150V。
8.根據權利要求1所述裝置，其特徵在於在距真空紫外燈(1)窗口下方l_4mm處、電離腔O)內部設置有一推斥板(3)， 在距離推斥板( 正下方10-30mm處設置有一永磁聚焦環(5)，永磁聚焦環( 為中間 開孔的圓板，並與推斥板(3)同軸；在永磁聚焦環(5)的正下方0. I-IOOmm處設有一小孔板(7)，小孔板(7)為中間開孔的 圓板，並與推斥板⑶同軸。
全文摘要
一種真空紫外燈電離裝置，包括電離腔，紫外燈，推斥板，永磁聚焦環，小孔板，毛細管進樣以及透鏡系統。本發明中的電離源有兩種工作模式，一種是紫外光電離模式，另一種是紫外光和電子碰撞電離模式，兩種模式可以通過電壓調節轉換。利用永磁聚焦環對電子的作用，使電子沿螺旋線運動，增強了電子碰撞機率，提高了電子碰撞電離模式的檢測靈敏度。本發明具有待測樣品範圍廣，靈敏度高，功耗低，壽命長，工作氣壓範圍寬等特點，在過程監控以及環境在線分析方面有廣闊的應用前景。
文檔編號H01J49/16GK102103972SQ20091026544
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月18日
發明者侯可勇, 吳慶浩, 崔華鵬, 李海洋, 花磊, 陳平 申請人:中國科學院大連化學物理研究所