一種基於膜進樣的離子遷移譜儀的製作方法
2023-11-11 14:38:27
專利名稱：一種基於膜進樣的離子遷移譜儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及對化學物質進行電離、分離和檢測的技術，尤其是以半透過性膜為分離膜進樣裝置的離子遷移譜儀(Ion Mobility Spectrometer，IMS)。
背景技術：
離子遷移譜是一種在大氣壓環境下對化學物質進行電離、分離和檢測的技術。它能在極短的時間內檢測和分辨化學物質種類，並提供定量信息。上世紀70年代，離子遷移譜迅速發展起來，由於它具有極高的靈敏度和響應速度，迅速應用於軍事領域，用以檢測化學戰毒劑。80年代開始，離子遷移譜逐漸開始民用化，並應用於環境、工廠、人生安全、反走私和航天等領域。
離子遷移譜儀通常由離子化源、反應腔、離子門、漂移管和檢測器組成。常用的離子化源為放射源(主要為63Ni)。由於放射源的應用必須有環保部門的許可，並且廢料處理也是相當麻煩，使得離子遷移譜的商品化、民用化受到極大限制。不僅如此，由於放射源的能量極高，幾乎所有的物質都可以被電離，即非選擇性電離，因此存在嚴重的幹擾，大大增加了誤報率。80年代開始有許多不同離子化源被用於離子遷移譜中，如鹼金屬熱離子化、表面離子化、電噴霧離子化、電暈放電離子化、雷射離子化和真空紫外光離子化等，從而大大拓展了離子遷移譜的應用範圍。
真空紫外燈由於廉價和安全，越來越多的用作離子遷移譜的離子化源，主要應用於環境汙染物和化學戰毒劑的檢測。然而，真空紫外光在空氣中的射程只有幾毫米。潮溼的空氣中的水分子雖然不能被紫外光離子化，但它對真空紫外光的吸收將大大減弱其強度並減小其射程，因此潮溼的空氣會降低離子化效率，降低檢測靈敏度。因此，如何讓待測有機分子和水分子在進入反應腔前進行分離則非常關鍵。具有半透過性的矽樹脂薄膜早在80年代就被用於離子遷移譜儀中，分離空氣中的有機樣品和水分子。但傳統的膜進樣方式，例如美國專利US4311669，US4378499，US5491337所公開的類型，樣品通過膜後由乾燥載氣帶入反應腔。膜前後幾乎沒有氣壓差，完全依靠有機分子在膜前後分壓的不同而自由擴散，因此滲透效率和速度均受到很大限制，而且樣品在膜內部的殘留對測量的連續性影響非常大，很容易引起儀器的中毒，往往需要大量時間來清洗，如日本特許公報P2000-195463A所述。
現有的光離子化離子遷移譜儀中，主要有兩種反應腔結構，例如美國專利US5968837，中國專利200310106393.6所揭示的其一紫外燈與漂移管同軸放置，樣品氣隨氣流從燈表面流過，可以提高離子化效率，但由於紫外光譜中還含有較低能量的紫外光，它們在空氣中具有較長射程，可以直接照射到接收電極。接收電極材料為金屬材料，其外層電子的逸出功通常小於5eV，在紫外光照射下將形成光電子，從而大大增加了基線電流及噪音，甚至會出現基線遠遠大於信號強度的情況，降低了儀器檢測限，也給信號採集和處理增加了難度。其二紫外燈與漂移管軸垂直放置，反應腔體積較大，樣品氣流方向與紫外光同軸反向，能夠靠近光窗的樣品被離子化，而部分樣品在還沒有進入紫外光射程的時候已經隨氣流被帶出有效反應腔。
發明內容
本發明的目的是提供一種檢測空氣中有機汙染物的可攜式膜進樣離子遷移譜儀，克服現有膜進樣裝置透過率低、速度慢以及樣品殘留的缺點和樣品在反應腔離子化效率低的缺點，能快速分離並檢測空氣中微量有機汙染物。
為達到上述目的，本發明的解決方案是一種基於膜進樣的離子遷移譜儀，包括膜進樣裝置、離子化反應腔，在膜進樣裝置與反應腔之間設置有使得膜內腔體內壓力低於膜外腔體氣壓的裝置。
進一步，該使得膜內腔體內壓力低於膜外腔體氣壓的裝置是微型抽氣泵。
對待測樣品和水分進行分離的是矽樹脂半透膜結構。
該膜進樣裝置中所使用的氣體分離膜為機械增強的半透膜。
該機械增強的半透膜為以玻璃纖維布或者不鏽鋼濾芯為基底的的聚二甲基矽樹脂膜。
該聚二甲基矽樹脂膜厚度在20～75μm之間。
該離子化反應腔是扁平狀氣體通道。
該離子化反應腔高度為1～3mm。
該離子化反應腔寬度與離子化源窗直徑相同。
所述離子化源可以是無極真空紫外燈，其產生的光子能量可以為9.8eV或10.6eV或11.7eV或其他。
具體的，基於膜進樣的離子遷移譜儀，包括膜進樣裝置、離子化反應腔、膜進樣裝置與反應腔之間有微型抽氣泵、真空紫外燈、加速電極、離子門、漂移區和接收電極，以及配套的驅動電路和信號採集處理系統，使用矽樹脂半透膜進行待測樣品和水分的分離，樣品透過膜後經抽氣泵進入離子化反應腔。
膜進樣裝置通過抽氣泵使得膜內腔體內壓力低於膜外腔體氣壓。
由於採用了上述方案，本發明1、在半透膜進樣裝置的膜後腔體通過管道與微型抽氣泵相連，通過抽氣泵不斷的將透過的樣品抽走，並送入離子化反應腔，以降低膜後腔體的氣壓，使得膜前後形成壓力差，從而增加有機分子的透過率和透過速度。由於半透膜對空氣中的有機分子具有較高的透過性，而空氣中的水分子以及空氣的主要成分N2和O2則透過率較低，因此，通過半透膜後樣品的相對溼度得到顯著降低，同時相對濃度得到提高，也就增加譜儀的響應靈敏度。
由於微型抽氣泵不斷的抽氣，在停止進樣品的時候，半透膜內殘留的樣品能夠迅速通過膜，進入反應腔，然後被排除離子遷移譜儀腔體，這樣就減小了儀器中毒的可能性，大大提高了譜儀連續工作能力。
另外，由於聚二甲基矽樹脂薄膜厚度往往很薄(＜100μm)，其機械強度很低，如果膜前後壓力差過大，膜將被損壞。因此，以玻璃纖維或者不鏽鋼濾芯為基底，將聚二甲基矽樹脂薄膜塗布在上面形成機械增強的半透膜。具有機械增強基底的聚二甲基矽樹脂薄膜可以被做得更薄，從而提高有機分子透過效率。
2、通過分離膜的有機分子被抽氣泵送入離子化反應腔，在這裡被真空紫外光離子化。為了進一步提高離子化效率，使所有的樣品氣儘可能處於真空紫外光的有效射程內，反應腔的高度(紫外燈軸向距離)被限制在幾毫米以內。同時，為了有效利用紫外光源，整個光窗大小的空間都被用作有效離子化區域。因此，離子化反應腔被設計成扁平狀結構。
圖1、圖2為現有技術中光離子化離子遷移譜儀的反應腔結構示意圖。
圖3為現有技術中膜進樣裝置的結構示意圖。
圖4為本發明一種實施例基於膜進樣的光離子化離子遷移譜儀的結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖1～4，圖中包括真空紫外燈1，紫外燈激發模塊2，紫外燈光窗3，反應腔加速電極4，離子門5，離子化反應腔6，反應腔進樣口7，離子漂移區8，紫外燈激發電極9、10，排氣口11，空氣樣品進樣口12，微型採樣泵13，乾燥載氣進口14，現有技術中的聚二甲基矽樹脂膜15，增強的聚二甲基矽樹脂膜16，微型抽氣泵17，環狀導電環18，緣環19，金屬柵網20，接收電極21，膜前腔體22，膜後腔體23，溫度控制器24，漂移氣25。
如圖4所示，微型採樣泵13將待測樣品空氣經由空氣樣品進口12抽入膜進樣裝置膜前腔體22。膜前腔體22與膜後腔體23由機械增強的聚二甲基矽樹脂薄膜16隔開，薄膜面向膜前腔體22，玻璃纖維布或者不鏽鋼濾芯基底面向膜後腔體23。膜後腔體23通過管道連接微型抽氣泵17，並由微型抽氣泵17將膜後腔體23內氣體經反應腔進樣口送入離子化反應腔6，使得膜後腔體23內形成一定負壓。由於膜進樣裝置膜前腔體22和膜後腔體23內存在壓力差，且膜前腔體22內待測有機分子濃度遠高於膜後腔體23，有機分子透過聚二甲基矽樹脂薄膜16進入膜後腔體23，並立即被微型抽氣泵帶走。溫度控制器24用來使空腔和膜控制在合適的溫度範圍。由此，有機分子在薄膜內的透過效率得到大幅度提高。
待測有機分子被微型抽氣泵17送入離子化反應腔6在真空紫外燈1照射下離子化。經過膜進樣裝置後的樣品相對溼度已經很低，再將反應腔6的高度(離紫外燈窗口的距離，d)限制在1～3mm內，使樣品完全進入真空紫外光射程，並使反應腔6寬度和紫外燈1的窗口直徑相當，最大限度利用紫外光源，因此，離子化反應腔6的結構優化可以大大提高離子化效率，從而提高儀器靈敏度。
離子化後的樣品，在排斥電極4的作用下，向離子門5運動，在離子門5打開的時候進入漂移區8，在環形電極18形成的均勻電場下，通過金屬柵網20，最終到達接收電極21形成的電流。離子被中和後，隨漂移氣25經排氣口11排出漂移管。
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的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於膜進樣的離子遷移譜儀，包括膜進樣裝置、離子化反應腔，其特徵在於在膜進樣裝置與反應腔之間設置有使得膜內腔體內壓力低於膜外腔體氣壓的裝置。
2.根據權利要求1所述的基於膜進樣的離子遷移譜儀，其特徵在於該使得膜內腔體內壓力低於膜外腔體氣壓的裝置是微型抽氣泵。
3.根據權利要求1或2所述的基於膜進樣的離子遷移譜儀，其特徵在於對待測樣品和水分進行分離的是矽樹脂半透膜結構。
4.根據權利要求1所述的基於膜進樣的離子遷移譜儀，其特徵在於該膜進樣裝置中所使用的氣體分離膜為機械增強的半透膜。
5.根據權利要求4所述的基於膜進樣的離子遷移譜儀，其特徵在於該機械增強的半透膜為以玻璃纖維布或者不鏽鋼濾芯為基底的的聚二甲基矽樹脂膜。
6.根據權利要求5所述的基於膜進樣的離子遷移譜儀，其特徵在於該聚二甲基矽樹脂膜厚度在20～75μm之間。
7.根據權利要求1所述的基於膜進樣的離子遷移譜儀，其特徵在於該離子化反應腔是扁平狀氣體通道。
8.根據權利要求7所述的基於膜進樣的離子遷移譜儀，其特徵在於該離子化反應腔高度為1～3mm。
9.根據權利要求1或7所述的基於膜進樣的離子遷移譜儀，其特徵在於該離子化反應腔寬度與離子化源窗口直徑相同。
10.根據權利要求1至9中任一所述的基於膜進樣的離子遷移譜儀，其特徵在於所述離子化源是無極真空紫外燈，產生的光子能量為9.8eV或10.6eV或11.7eV。
全文摘要
本發明一種膜進樣離子遷移譜儀，包括膜進樣裝置、真空紫外光源、電離反應區、離子門、離子漂移區和接收電極，採用的技術手段包括在膜進樣裝置與反應腔之間設置有使得膜內腔體內壓力低於膜外腔體氣壓的裝置；使用玻璃纖維或者金屬網增強的半透過性的矽樹脂薄膜，特別是聚二甲基矽樹脂；樣品氣流緊貼紫外燈表面，反應腔在離光窗口表面3mm以內區域。有效解決了現有以放射性元素為離子化源不易大規模推廣，而其他光離子化產品受空氣水分和/或離子化腔體結構影響存在靈敏度低的問題。
文檔編號G01N27/64GK1916619SQ200510028968
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月19日 優先權日2005年8月19日
發明者易洪江, 王倩 申請人:上海新漫傳感技術研究發展有限公司