专利名称：一种真空紫外灯电离装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及质谱电离源，在电离过程中设计永磁聚焦环以提高离子传输效率；这 种技术不仅提高了电离传输效率，而且实现了紫外光和电子碰撞电离模式和紫外光电离模 式的切换。
背景技术：
真空紫外灯电离源具有体积小，功耗低，灵敏度高，寿命长，谱图简单等优点，适合 于复杂样品分析及样品的在线监测，过程监控等领域。但与电子碰撞电离源相比，真空紫外 灯电离源要求被电离样品的电离能低于其光电子能量，且化合物的碎片信息较少，难以获 得样品化合物的结构信息。电子碰撞电离源具有结构简单，能获得化合物碎片信息，与标准谱图对照可以实 现对化合物的鉴定的优点。但其功耗高，寿命短，由于谱图比较复杂，且分子离子峰往往较 弱，难以对复杂样品进行鉴别。将两种电离源相结合一直是重要的研究课题。目前的解决方案主要是将电子碰撞 电离装置集成到紫外光电离装置中。这种方案对气压，功耗以及使用寿命都有苛刻的要求， 且集成过程中技术复杂，导致成本大大增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于质谱的真空紫外灯电离装置，具有检测线低，灵 敏度高，样品选择范围宽，寿命长，功耗低等优点。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为—种真空紫外灯电离装置，包括一电离腔，在电离腔上方安装有作为电离源的真 空紫外灯，在距真空紫外灯窗口下方l_4mm处设置有一推斥板，在距离推斥板正下方10_30mm处设置有一永磁聚焦环，永磁聚焦环为中间开孔的 圆板，孔径为2mm-20mm，并与推斥板同轴；在永磁聚焦环的正下方0. I-IOOmm处设有一小孔板，小孔板为中间开孔的圆板， 孔径为0. lmm-20mm，并与推斥板同轴；在小孔板正下方l_4mm处设有同轴的三个透镜，与推斥板同轴；在永磁聚焦环、小孔板及透镜之间分别设有l_3mm厚的绝缘密封垫阻隔；一进样毛细管将气体样品从电离室的一侧引入真空紫外灯前端的窗口下方进行 电离，真空紫外灯的光轴同气体样品的进样方向相垂直；推斥板、永磁聚焦环、小孔板及透镜均设置电离腔内部、并与真空紫外灯的光轴同 轴；在透镜正下方的电离腔壁面上开有孔，在孔的正下方设置有一质量分析器。在电离腔的侧壁上设置有泵接口 ；在推斥板上施加1-100V的电压；在永磁聚焦环 上施加的电压为推斥板电压的60-95% ；永磁聚焦环为具有100 2000高斯的永磁体，并具有导电性能。
在真空紫外光电离模式下，于小孔板上施加的电压为0 -20V。在真空紫外光和电子碰撞电离模式下，于小孔板上施加的电压为-10 -150V。由紫外灯发出的真空紫外光照在小孔板上产生光电子，光电子在小孔板与推斥板 之间的电场中被加速，与电离腔中的样品分子发生电子碰撞电离。真空紫外灯发出的真空 紫外光还可以将样品分子直接光电离，形成样品离子。产生的样品离子被永磁聚焦环聚焦 后引入小孔板，通过透镜系统调整后进入质量分析器。由于使用永磁聚焦环和小孔板的结构设计，本发明具有如下优点1.凸形电场能够将较大范围内的正离子汇聚到小孔板的孔中，大大提高了离子传 输效率。2.永磁聚焦环与推斥板之间的电压压差较小，这样形成的离子束在轴方向上能量 分散比较小，有利于透镜系统的整形。3.通过调节小孔板电压，可以实现紫外光电离模式和紫外光和电子碰撞电离模式转换。4.永磁聚焦环上对周围空间施加的磁场可以使电子以螺旋轨迹运动，增强了电子 与样品分子的碰撞几率，提高紫外光和电子碰撞电离模式下电离源的灵敏度。在紫外光和电子碰撞电离模式下，电离源具有紫外光电离和电子碰撞电离两种电 离源的优点。本电离源能够在电子碰撞电离产生的碎片的基础上增强其分子离子的信号 峰，而且其寿命和功耗均优于由于电子碰撞电离源。紫外光和电子碰撞电离源与电子碰撞 电离源和紫外光电离源的比较结果如表1所示，从表中的比较可以看出，紫外光和电子碰 撞电离源集中了电子碰撞电离源和紫外光电离源的优点。由于真空紫外灯的单位时间内产生的光子数比较少(KTphotons/s)，因此其灵敏 度不高一直是制约真空紫外灯光电离应用的重要因素。在本发明中，使用永磁聚焦环，能 够使较大范围内产生的离子聚焦至小孔板中，然后通过透镜对离子整形从而获得更强的离 子信号。在本发明中，由永磁聚焦环和小孔板所形成的电场为凸形电场，对正离子有汇聚作 用。电子受到磁场的约束，以螺旋运动方式前进。Simion模拟结果如图4所示。从图中可 以看出凸形电场对离子的汇聚作用以及磁场对电子路径的延长作用。本发明中与未加永磁 聚焦环相比，紫外灯电离模式下信号强度能提高2个数量级左右，电子电离模式下信号提 高5-10倍左右。本发明在没有富集的情况下与飞行时间质量分析器连接后，2如内30万次 累加，得到的质谱图中苯检测线可以达到0. lppm，大大优于文献报道的同类电离源。综上所述，本发明具有待测样品范围广，灵敏度高，功耗低，寿命长，工作气压范围 宽等特点，在过程监控以及有机污染物实时在线分析方面有广阔的应用前景。
图1为本发明的结构示意图。图2为本发明中加磁场后与未加磁场时空气信号强度的对比图3为对永磁聚焦环增强EI电离机理的Simion模拟结果
具体实施例方式如图1所示，一种真空紫外灯电离装置，包括一电离腔2，在电离腔2上方安装有作为电离源的真空紫外灯1，在距真空紫外灯1窗口下方l_4mm处设置有一推斥板3，在距离推斥板3正下方30mm处设置有一永磁聚焦环5，永磁聚焦环5为中间开孔 的圆板，孔径为6mm，并与推斥板3同轴；在永磁聚焦环5的正下方Imm处设有一小孔板7，小孔板7为中间开孔的圆板，孔 径为1mm，并与推斥板3同轴；在小孔板7正下方Imm处设有同轴的三个透镜8，与推斥板3同轴；在永磁聚焦环5、小孔板7及透镜8之间分别设有Imm厚的绝缘密封垫阻隔；一进样毛细管4将气体样品从电离室的一侧引入真空紫外灯1前端的窗口下方进 行电离，真空紫外灯1的光轴同气体样品的进样方向相垂直；推斥板3、永磁聚焦环4、小孔板7及透镜8均设置电离腔内部、并与真空紫外灯1 的光轴同轴；在透镜8的正下方的电离腔壁面上开有孔，在孔的正下方设置有设置有一质 量分析器9。在电离腔2的侧壁上设置有泵接口 6。本发明中利用毛细管长度及管径调整保证电离区中的气压，将样品从大气引入至 电离区，与紫外灯光柱垂直。推斥板与紫外灯同轴相距1mm，加IOV电压，永磁聚焦环在推斥 板下方20mm处，所加电压为推斥板电压的90%。小孔板在永磁聚焦环下方Imm处，根据使 用模式不同，所加电压不同。在真空紫外光电离模式下，小孔板接地，为-4V。在真空紫外光 和电子碰撞电离模式下，小孔板所加电压为-60V。透镜系统在小孔板下方Imm处，由绝缘垫 片密封阻隔，所加电压与推斥板电压和小孔板电压相关。在紫外光电离模式下，小孔板为-4V。紫外灯所发射的光子与由毛细管垂直引入的 样品相互作用，使样品发生电离，电离后产生的正离子在汇聚电场的作用下汇聚到小孔板 的小孔后，进入透镜系统。通过电压调节，透镜对离子束进行整形。在紫外光和电子碰撞电离模式下，小孔板接负电压，当接-60V左右时，获得的电 子碰撞电离的效果较好，由电子碰撞电离产生的信号与未加磁场时相比提高为原来的5-10 倍。由磁场引起的电子螺旋运动由图3所示由毛细管引入的样品气体一部分被紫外光电 离，产物多形成分子离子。另一部分被加速了的电子碰撞，产物为碎片离子和分子离子。由 两种电离产生的离子信号均被聚焦后引入透镜系统整形，最后进入质量分析器中进行分 析。有无磁场条件下质谱信号如图2所示。测试使用的是苯，甲苯，二甲苯各IOOppm 的混合气，氮气为平衡气。加磁场条件下的氮气信号和氩气信号(红色)比不加磁场条件 下(黑色)提高了 7倍，而苯，甲苯，二甲苯的信号几乎不受影响。此图同时证明了磁场对 光电子碰撞电离的增强作用。用Simion模拟磁场条件下电子和离子的运行轨迹，结果如图3所示。从图中可以 看到电子的螺旋运动轨迹很明显(绿色)，而离子却没有明显的螺旋运动轨迹，说明受到磁 场的影响较小(红色)。表1为本发明与电子碰撞电离的优缺点比较结果。
权利要求
1.一种真空紫外灯电离装置，其特征在于包括一电离腔0)，在电离腔(2)上方安装有作为电离源的真空紫外灯(1)，在距真空紫外灯(1)窗口下方 设置有一推斥板(3)，在距离推斥板(3)正下方设置有一永磁聚焦环(5)，永磁聚焦环(5)为中间开孔的圆 板，并与推斥板⑶同轴；在永磁聚焦环(5)的正下方设有一小孔板(7)，小孔板(7)为中间开孔的圆板，并与推 斥板(3)同轴；在小孔板(7)正下方l_4mm处设有同轴的三个透镜(8)，与推斥板(3)同轴； 在永磁聚焦环(5)、小孔板(7)及透镜(8)之间分别设有绝缘密封垫阻隔； 在电离腔⑵的侧壁上设置有伸入电离腔⑵内部的进样毛细管⑷； 推斥板(3)、永磁聚焦环(5)、小孔板(7)及透镜⑶均设置在电离腔(2)内部、并与真 空紫外灯(1)的光轴同轴；在透镜(8)正下方的电离腔(2)壁面上开有孔，在孔的正下方设置有一质量分析器⑶。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于电离腔O)的内部、于推斥板(3)和永磁聚焦环(5)间形成电离室，进样毛细管(4)将 气体样品从电离室的一侧引入真空紫外灯(1)前端的窗口下方进行电离，真空紫外灯(1) 的光轴同气体样品的进样方向相垂直。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于在电离腔(2)的侧壁上设置有泵接口(6)。
4.根据权利要求1所述装置，其特征在于在推斥板(3)上施加1-100V的电压；在永 磁聚焦环(5)上施加的电压为推斥板电压的10 500%。
5.根据权利要求1所述装置，其特征在于永磁聚焦环( 为中间孔直径为2-20mm，具 有100-2000高斯的永磁体，并具有导电性能；小孔板⑵为中间开孔的孔径为0. lmm-20mm ；在永磁聚焦环(5)、小孔板(7)及透镜(8)之间分别设有0. I-IOmm厚的绝缘密封垫阻隔。
6.根据权利要求1所述装置，其特征在于在真空紫外光电离模式下，于小孔板(7)上 施加的电压为0 -20V。
7.根据权利要求1所述装置，其特征在于在真空紫外光和电子碰撞电离模式下，于小 孔板(7)上施加的电压为-10 -150V。
8.根据权利要求1所述装置，其特征在于在距真空紫外灯(1)窗口下方l_4mm处、电离腔O)内部设置有一推斥板(3)， 在距离推斥板( 正下方10-30mm处设置有一永磁聚焦环(5)，永磁聚焦环( 为中间 开孔的圆板，并与推斥板(3)同轴；在永磁聚焦环(5)的正下方0. I-IOOmm处设有一小孔板(7)，小孔板(7)为中间开孔的 圆板，并与推斥板⑶同轴。
全文摘要
一种真空紫外灯电离装置，包括电离腔，紫外灯，推斥板，永磁聚焦环，小孔板，毛细管进样以及透镜系统。本发明中的电离源有两种工作模式，一种是紫外光电离模式，另一种是紫外光和电子碰撞电离模式，两种模式可以通过电压调节转换。利用永磁聚焦环对电子的作用，使电子沿螺旋线运动，增强了电子碰撞几率，提高了电子碰撞电离模式的检测灵敏度。本发明具有待测样品范围广，灵敏度高，功耗低，寿命长，工作气压范围宽等特点，在过程监控以及环境在线分析方面有广阔的应用前景。
文档编号H01J49/16GK102103972SQ20091026544
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月29日 优先权日2009年12月18日
发明者侯可勇, 吴庆浩, 崔华鹏, 李海洋, 花磊, 陈平 申请人:中国科学院大连化学物理研究所