專利名稱：單顆粒氣溶膠在線電離源及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣溶膠顆粒在線測量技術(shù)，特別涉及一種單顆粒氣溶膠在線電離源及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
氣溶膠的大小及其化學(xué)成分對(duì)全球氣候、大氣質(zhì)量、生態(tài)健康造成重大影響。單顆粒氣溶膠在線監(jiān)測飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(Aerosol Time-of-flightMass Spectrometer，ATOFMS)是近年發(fā)展起來的一種新技術(shù)，可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測單顆粒氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)直徑及其大氣污染成分，是判定氣溶膠形成和來源的重要手段，其基本原理是通過空氣動(dòng)力學(xué)方法測量氣溶膠直徑，再將氣溶膠電離，電離形成的離子用質(zhì)譜分析器進(jìn)行檢測。具體的空氣動(dòng)力學(xué)測量氣溶膠粒徑的方法及飛行時(shí)間質(zhì)量分析器檢測離子的方法參閱文獻(xiàn)Mass Spectrometry of Aerosols，David T.Suess and Kimberly A.Prather，Chem.Rev.1999，99，3007-3035。單顆粒氣溶膠的在線電離通常采用激光電離源，并以飛行時(shí)間質(zhì)量分析器作為離子信號(hào)檢測器，為了同時(shí)監(jiān)測一個(gè)顆粒中的正負(fù)離子，需要兩個(gè)飛行時(shí)間質(zhì)量分析器。
由于氣溶膠是電中性顆粒，而電中性顆粒在真空中的傳輸無法用電子離子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制，傳輸距離越遠(yuǎn)氣溶膠的檢測效率就越低。目前已有的設(shè)備中，氣溶膠的空氣動(dòng)力學(xué)測徑距離一般為5～10厘米，離子源離測徑區(qū)還有另外的10～20厘米，因此氣溶膠的傳輸距離一般達(dá)到15～30厘米。這是由于在已有的設(shè)備中，電離源(激光電離源)設(shè)置在飛行時(shí)間質(zhì)量分析器中，氣溶膠需要進(jìn)入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器內(nèi)才能被電離，所以其傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)，由此產(chǎn)生了氣溶膠檢測效率較低的問題。同時(shí)由于在已有設(shè)備中激光電離直接發(fā)生在飛行時(shí)間質(zhì)量分析器中，電離產(chǎn)生的離子具有較大的初始動(dòng)能分散，造成飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的質(zhì)量分辨率偏低，僅500左右。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種結(jié)構(gòu)合理的，可提高氣溶膠傳輸效率及電離命中率的，并可提高飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的質(zhì)量分辨率的單顆粒氣溶膠在線電離源。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述單顆粒氣溶膠在線電離源的一種實(shí)現(xiàn)方法。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種單顆粒氣溶膠在線電離源，設(shè)置于飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的加速區(qū)之外，包括電離激光器、低壓射頻四極桿，所述電離激光器發(fā)射的激光束垂直于低壓射頻四極桿入射至低壓射頻四極桿的內(nèi)切圓心，將到達(dá)內(nèi)切圓心位置的氣溶膠電離。
所述電離激光器發(fā)射的激光束垂直于低壓射頻四極桿并于低壓射頻四極桿軸向的中心位置入射。
所述的低壓射頻四極桿是指在一定氣壓下的四極桿離子傳輸器。
所述低壓射頻四極桿具有四個(gè)方向的間隙，分別為氣溶膠的引入口、激光測徑系統(tǒng)的次級(jí)測徑激光入射口、次級(jí)散射光出射口和激光電離系統(tǒng)的電離激光入射口。
所述電離激光器與激光測徑系統(tǒng)的次級(jí)測徑光電倍增管相連接，電離激光器的觸發(fā)脈沖由次級(jí)測徑光電倍增管的輸出信號(hào)提供。
所述低壓射頻四極桿的每根桿機(jī)械上由多節(jié)桿段組成，各節(jié)桿段之間設(shè)置有間隙以保證電絕緣，相鄰兩節(jié)桿段之間的間隙小于0.3mm。
所述低壓射頻四極桿設(shè)置有軸向直流電場；所述激光束垂直入射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的低壓射頻四極桿位置的直流電位設(shè)置為0V，往低壓射頻四極桿方向相反的兩端直流電位分別增加及減少，形成軸向直流電場以保證正離子往負(fù)電壓端遷移，負(fù)離子往正電壓端遷移。
所述低壓射頻四極桿的各節(jié)桿段施加相同的射頻電壓以聚焦離子，所述射頻電壓和直流電壓由電感、電阻和電容耦合在一起。
所述低壓射頻四極桿位于一個(gè)腔體內(nèi)，所述腔體內(nèi)的氣體一般為化學(xué)穩(wěn)定性良好的氣體，如氦氣、氮?dú)狻鍤獾?；所述氣體的氣壓視待測試離子的大小設(shè)置在0.1Pa～100Pa之間的范圍。
本單顆粒氣溶膠在線電離源的飛行時(shí)間質(zhì)量分析器為垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)量分析器，所述垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)量分析器設(shè)置有兩個(gè)，分別檢測正負(fù)離子。此外，如果對(duì)氣溶膠某成分的分子結(jié)構(gòu)感興趣，可以在低壓射頻四極桿后連接串級(jí)質(zhì)譜儀即可以提供串級(jí)分析。
本單顆粒氣溶膠在線電離源與空氣動(dòng)力學(xué)測徑區(qū)連為一體，次級(jí)測徑激光與電離激光作用的位置相同，即在完成空氣動(dòng)力學(xué)測徑的同時(shí)，進(jìn)行電離。本發(fā)明涉及的氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)測徑技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相同。
為了使所有的離子得到檢測，正負(fù)離子可以分別在低壓射頻四極桿兩端累積幾十個(gè)微秒再送入垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)量分析器。帶軸向場的低壓射頻四極桿原理與現(xiàn)有的技術(shù)相同，離子在四極桿兩端的累積技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)也相同。
一種利用上述單顆粒氣溶膠在線電離源實(shí)現(xiàn)的方法，其特征在于對(duì)單顆粒氣溶膠利用空氣動(dòng)力學(xué)測徑后，在其進(jìn)入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的加速區(qū)之前，利用激光將其電離成等離子體，所產(chǎn)生的正負(fù)離子利用低壓射頻四極桿聚焦成相空間很小的離子束再送入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器中進(jìn)行檢測。
利用低壓射頻四極桿設(shè)置的軸向直流電場使電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子分開并分別向低壓射頻四極桿的兩端遷移(其中的正離子往低電位方向遷移，而負(fù)離子同時(shí)往高電位方向遷移)，然后分別被不同的飛行時(shí)間質(zhì)量分析器檢測。
利用空氣動(dòng)力學(xué)測徑系統(tǒng)的第二個(gè)光電倍增管產(chǎn)生的脈沖即時(shí)觸發(fā)電離激光器發(fā)出激光脈沖，利用該激光脈沖將單顆粒氣溶膠電離成等離子體；由于測徑完成的同時(shí)立即發(fā)生電離，這樣可提高電離命中率。
本發(fā)明的作用原理是設(shè)mi/q、Urf、ω、r0分別為離子質(zhì)荷比、四極桿的射頻電壓、射頻頻率、四極桿內(nèi)切圓半徑，四極桿對(duì)離開內(nèi)切圓中心距離為r的離子形成一個(gè)有效位阱Ueff，其大小為Ueff=qmiUrf2r04ω2r2,]]>選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，可以使得該有效位阱達(dá)到幾個(gè)甚至十幾電子伏特。因此本發(fā)明將傳統(tǒng)的氣溶膠電離區(qū)從高真空的飛行時(shí)間質(zhì)量分析器移到低真空的氣溶膠傳輸區(qū)，并將電離發(fā)生在低壓射頻四極桿的中心，利用低壓射頻四極桿的位阱對(duì)離子的束縛和聚集作用，收集所有從氣溶膠中電離得到的離子，并聚焦成相空間很小的離子束再送到飛行時(shí)間質(zhì)量分析器中。由于具有軸向電場，正負(fù)離子分別向低壓射頻四極桿兩端遷移得以分離，由于粒徑測量和電離在同一空間位置發(fā)生，提高了電離命中率，又由于氣溶膠的電離與離子質(zhì)量檢測完全分離，離子源對(duì)分析器的影響減到最小，明顯提高了飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的質(zhì)量分辨率。
本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果(1)本發(fā)明將電離區(qū)與空氣動(dòng)力學(xué)測徑區(qū)連為一體，空氣動(dòng)力學(xué)測徑完成的同時(shí)將氣溶膠電離，最大程度地縮小了氣溶膠的漂移距離，明顯提高了傳輸效率和電離命中率。(2)隨著氣溶膠中被測成分分子量的增大，結(jié)構(gòu)分析越來越重要，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析需要用到串級(jí)質(zhì)譜技術(shù)，而傳統(tǒng)的單顆粒氣溶膠在線監(jiān)測質(zhì)譜技術(shù)不能達(dá)到此目的。由于本發(fā)明技術(shù)先將離子收集在射頻四極桿中，因而可以與串級(jí)質(zhì)譜分析器聯(lián)用，所產(chǎn)生的離子可以被串級(jí)質(zhì)譜檢測，為分子離子的結(jié)構(gòu)分析提供了可能。(3)利用本發(fā)明可使得氣溶膠粒徑測量和電離在同一空間位置發(fā)生，并與離子質(zhì)量檢測完全分離，同時(shí)利用低壓射頻四極桿預(yù)先減小離子束的相空間，可提高飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的質(zhì)量分辨率。
圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1所示裝置的低壓射頻四極桿的直流偏置電壓和射頻電壓的耦合示意圖。
圖3是本發(fā)明方法的原理圖及脈沖時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例圖1～圖3示出了本發(fā)明裝置的具體結(jié)構(gòu)，由圖1可見，本單顆粒氣溶膠在線電離源包括儀器真空腔體1、氣溶膠進(jìn)樣器2、低壓射頻四極桿3及四極桿腔體4、激光測徑及激光電離系統(tǒng)以及同時(shí)檢測正、負(fù)離子的垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)量分析器5、6；7為由氣溶膠進(jìn)樣器2引入的氣溶膠；低壓射頻四極桿3位于四極桿腔體4內(nèi)，所述四極桿腔體內(nèi)的氣體一般為純度高于99.99％的化學(xué)穩(wěn)定性良好的氣體，如氦氣、氮?dú)?、氬氣等氣體或其它惰性氣體；所述氣體的氣壓視待測試離子的大小設(shè)置在0.1Pa～100Pa之間的范圍。
如圖3所示，低壓射頻四極桿3具有四個(gè)方向的間隙，其中水平方向的兩個(gè)間隙分別為氣溶膠7的引入口和電離激光束19的引入口；垂直方向的上、下兩個(gè)方向的間隙分別為激光測徑系統(tǒng)的次級(jí)測徑激光17的入射口和次級(jí)散射光21的測量口；電離激光器18發(fā)射的電離激光束19垂直于低壓射頻四極桿3，并于低壓射頻四極桿3軸向的中心位置入射至低壓射頻四極桿3的內(nèi)切圓心，電離激光器18與次級(jí)測徑光電倍增管20相連接，由其提供的脈沖觸發(fā)；低壓射頻四極桿3的兩端分別與垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)量分析器5、6相連接。
所述低壓射頻四極桿3的每根桿機(jī)械上由多節(jié)桿段8組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，各節(jié)桿段8之間設(shè)置有間隙以保證電絕緣，相鄰兩節(jié)桿段8之間的間隙小于0.3mm；在相鄰兩節(jié)桿段8之間并聯(lián)設(shè)置有電阻9和電容10；各節(jié)桿段8所加的射頻電壓和直流偏置電壓由電阻9和電容10耦合在一起，直流偏置負(fù)電壓加在節(jié)點(diǎn)11上，直流偏置正電壓加在節(jié)點(diǎn)12上，其它各節(jié)直流偏置電壓由電阻9分壓形成，而射頻電壓加在節(jié)點(diǎn)13上，并由電容10傳到各節(jié)桿段，因而各節(jié)桿段所加的射頻電壓相同。圖2(b)所示為低壓射頻四極桿3沿軸向的直流偏置電位分布，中心位置電壓為0V，左端節(jié)點(diǎn)12設(shè)置正電位以吸引負(fù)離子，右端節(jié)點(diǎn)11設(shè)置負(fù)電位以吸引正離子，往低壓射頻四極桿方向相反的兩端直流電位分別增加及減少，形成軸向直流電場，兩端的電位差Δv可以控制離子的遷移速率。
圖3(a)為氣溶膠顆粒的測徑及電離過程示意圖，如圖3(a)所示，激光測徑及激光電離系統(tǒng)的測徑激光器14、16處于常開狀態(tài)并發(fā)出激光束15、17。從大氣中被氣溶膠進(jìn)樣器2引入的氣溶膠7經(jīng)過激光束15、17所產(chǎn)生的散射光束21、23分別被光電倍增管20、22記錄，并產(chǎn)生兩個(gè)有一定時(shí)間間隔t的電脈沖24、25，如圖3(b)所示，根據(jù)兩脈沖的時(shí)間間隔t及兩束激光15、17的空間距離l可以計(jì)算出氣溶膠的漂移速度v＝l/t，通過校正氣溶膠的漂移速度與顆粒直徑的關(guān)系可以測出氣溶膠的空氣動(dòng)力學(xué)直徑。光電倍增管20記錄到的氣溶膠到達(dá)脈沖25作為電離激光器18的觸發(fā)脈沖26，即當(dāng)氣溶膠到達(dá)低壓射頻四極桿3內(nèi)切圓心位置時(shí)，施加電離激光脈沖19，將氣溶膠電離。在電離激光脈沖19的作用下，氣溶膠被電離產(chǎn)生等離子體，其中的正離子往低電位方向(圖2(a)中的節(jié)點(diǎn)11端)遷移，而負(fù)離子同時(shí)往高電位方向(圖2(a)中的節(jié)點(diǎn)12端)遷移，最后分別被垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)量分析器5、6檢測。
由于本發(fā)明裝置中，離子的產(chǎn)生與離子的質(zhì)量檢測完全分離，所產(chǎn)生的離子可以送到任何質(zhì)譜分析器中進(jìn)行分析。將本發(fā)明裝置與串級(jí)質(zhì)譜分析器聯(lián)用，即可進(jìn)行氣溶膠成分的結(jié)構(gòu)分析。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單顆粒氣溶膠在線電離源，其特征在于設(shè)置于飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的加速區(qū)之外，包括電離激光器、低壓射頻四極桿，所述電離激光器發(fā)射的激光束垂直于低壓射頻四極桿入射至低壓射頻四極桿的內(nèi)切圓心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單顆粒氣溶膠在線電離源，其特征在于所述電離激光器發(fā)射的激光束垂直于低壓射頻四極桿并于低壓射頻四極桿軸向的中心位置入射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單顆粒氣溶膠在線電離源，其特征在于所述低壓射頻四極桿具有四個(gè)方向的間隙，其中水平方向間隙分別為氣溶膠的引入口和電離激光束的引入口，垂直方向的間隙分別為激光測徑系統(tǒng)的次級(jí)測徑激光束的引入口和次級(jí)散射激光束的引出口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單顆粒氣溶膠在線電離源，其特征在于所述電離激光器與激光測徑系統(tǒng)的次級(jí)測徑光電倍增管相連接，由其提供的脈沖觸發(fā)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單顆粒氣溶膠在線電離源，其特征在于所述低壓射頻四極桿的每根桿由多節(jié)桿段組成，各節(jié)桿段之間設(shè)置有絕緣間隙，相鄰兩節(jié)桿段之間的絕緣間隙小于0.3mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單顆粒氣溶膠在線電離源，其特征在于所述低壓射頻四極桿設(shè)置有軸向直流電場；所述激光束垂直入射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的低壓射頻四極桿位置的直流電位設(shè)置為0V，往低壓射頻四極桿方向相反的兩端直流電位分別增加及減少，形成軸向直流電場；所述低壓射頻四極桿的各節(jié)桿段施加相同的射頻電壓，所述射頻電壓和直流電壓由電阻和電容耦合在一起。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單顆粒氣溶膠在線電離源，其特征在于所述飛行時(shí)間質(zhì)量分析器為垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)量分析器或串級(jí)質(zhì)譜分析器。
8.一種利用權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的單顆粒氣溶膠在線電離源實(shí)現(xiàn)的方法，其特征在于對(duì)單顆粒氣溶膠利用空氣動(dòng)力學(xué)測徑后，在其進(jìn)入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的加速區(qū)之前，利用電離激光將其電離成等離子體，所產(chǎn)生的正負(fù)離子利用低壓射頻四極桿聚焦成相空間很小的離子束再送入垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)量分析器中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用單顆粒氣溶膠在線電離源實(shí)現(xiàn)的方法，其特征在于利用低壓射頻四極桿設(shè)置的軸向直流電場使電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子分開并分別向低壓射頻四極桿的兩端遷移，然后分別被不同極性的垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)量分析器檢測。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用單顆粒氣溶膠在線電離源實(shí)現(xiàn)的方法，其特征在于利用空氣動(dòng)力學(xué)測徑系統(tǒng)的次級(jí)光電倍增管產(chǎn)生的脈沖即時(shí)觸發(fā)電離激光器產(chǎn)生電離激光脈沖將單顆粒氣溶膠電離成等離子體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種單顆粒氣溶膠在線電離源，設(shè)置于飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的加速區(qū)之外，包括電離激光器、低壓射頻四極桿，所述電離激光器發(fā)射的激光束垂直于低壓射頻四極桿入射至其內(nèi)切圓心。一種利用前述電離源實(shí)現(xiàn)的方法，主要是對(duì)單顆粒氣溶膠利用空氣動(dòng)力學(xué)測徑后，在其進(jìn)入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器之前，利用電離激光將其電離成等離子體，所產(chǎn)生的正負(fù)離子利用低壓射頻四極桿聚焦成相空間很小的離子束再送入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器中。本發(fā)明將電離區(qū)與空氣動(dòng)力學(xué)測徑區(qū)連為一體，測徑結(jié)束的同時(shí)氣溶膠電離，最大程度縮小了氣溶膠的漂移距離，明顯提高了傳輸效率；低壓射頻四極桿的聚焦作用明顯提高了飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的分辨率。
文檔編號(hào)H01J49/40GK1838370SQ20051010235
公開日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者周振, 傅忠, 盛國英 申請(qǐng)人:廣州禾信自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司