专利名称：一种大面积原位检测爆炸物的质谱电离源及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于分析仪器，特别涉及一种原位、在线快速分析爆炸物的新电离源及其应用。
背景技术：
原位、在线的分析在环境分析，食品分析，安检等方面具有得天独厚的优势，长期以来，人们一直在寻求这样的分析方法。质谱分析法以其强大的定性功能受到广泛的应用。在质谱分析发展的初期，由于质谱需要在高真空中运行，需要多级的真空差分系统来满足仪器的真空需要。大气压下化学电离源以及后来的电喷雾电离源可以在大气压下电离样 品，但是为了减少其本地干扰，这些电离源一般是在高纯气体，比如氮气氛围下运行。2005年，普度大学的Cooks教授首先报到了一种新型的完全的大气压下电离源，解析电喷雾电离源，可以在空气中直接使用，实现大气压下直接电离样品，样品无需任何的前处理，该技术使快速原位分析成为可能。解析电喷雾技术自从2005年问世以来，相关文章数量已经达到2000多篇。这类大气压下的直接电离源，如今已经发展出30多种，由于其是放置于质谱外部进行电离，更换容易，操作方便，针对不同分析目标可快速更换不同功能的电离源。这类大气压下的直接电离源结构简单、造价低，与微型质谱联用，可直接用于现场快速分析。随着国际恐怖袭击活动的不断发生，爆炸物和毒剂的快速检查正日益得到各国的重视。爆炸物检测要求检测速度快，能够实现现场分析。离子迁移谱(MS)是目前最为常用的检测仪，其检测限在纳克级，美国《分析化学》2004年上发表了一篇有关国家安全分析仪器文章，文中透露，世界各地机场的安检部门已经装配了一万多台离子迁移谱爆炸物检测仪。但是，MS分辨率低(30左右)，原位分析时，当现场环境条件波动时，误报率会升高。质谱仪定性好、分析时间短，一次检测给出样品的全谱，在近几年的快速分析仪器中受到了广泛的重视。离子阱质谱分析器体积小，利于小型化，普度大学研制的微型离子阱总重量已经降至8kg。大气压下的电离源与便携式的微型质谱联用，对于爆炸物检测具有得天独厚的优势，大气压下电离无需样品前处理，可以在物体表面直接进行爆炸物解吸电离，微型离子阱质谱通过自身串级质谱可以实现爆炸物快速的定性分析。在通常的大气压下的直接电离源设计中，电离面积比较小，已经报道的介质阻挡放电(DBD)电离源使用6毫米的玻璃管作为电离介质，所以在进行大面积样品分析时，需要对各个点逐步的进行扫描，耗费时间长才能得到整个面积内的样品信息。本发明以介质阻挡放电电离源，设计了一种用于毒品和爆炸物的现场快速检测电离方法，该电离方法与微型质谱联用可为机场安检部门提供一个便携的检测手段。本
发明内容
针对安检快速检测爆炸物和违禁化合物的需求，本发明设计一种用于在线质谱分析的原位电离源。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种大面积原位检测爆炸物的质谱电离源，以二端开口的圆管状结构的玻璃或者陶瓷作为介质，圆管状结构的介质上沿轴向方向设有内径不同的二个区域，且此二个区域同轴，于这二个区域的介质外壁面上分别设置有圆环状放电电极和地电极，放电电极和地电极与介质外壁面相贴接；放电电极位于小内径区域处的介质上，施加高频的射频电压；另一地电极位于大内径区域处的介质上，与大地连接；该电离源利用介质阻挡放电原理，可同时产生正负离子。于圆管状介质的管内通入氦气或者氩气作为放电电离源的放电气体。放电电极和地电极放置于管状介质的外表面，两者之间的距离控制在I. 5-3厘米;小内径区域处的介质外径在O. 5-1. 5厘米之间，大内径区域处的介质外径在3-6 厘米之间，介质的管壁厚度O. 2-0. 3厘米；大内径区域处介质上的地电极与靠近大内径区域侧的圆管状介质的开口端距离控制在2-3厘米之间。所述电离源设置于质谱进样口处，被检测的样品置于靠近大内径区域侧的圆管状介质的开口端正下方2-4毫米处，即样口表面与开口端距离为2-4毫米。所述开口端与质谱进样口处距离为O. 3-0. 5厘米。在线质谱的进气量比较小，质谱本身的进气量不足以直接吸取样品离子进入到质谱分析器中，在此情况下，添加辅助泵抽气系统，把样品离子连续的抽取到质谱进样口处，质谱可直接吸取样品离子进入分析器内。于所述质谱进样口处设置有一气动辅助装置，通过气动辅助装置携带离子进入到质谱中，所述气动辅助进样装置包括T行管和抽气泵；τ型管第一个端口套设于质谱进样口外壁上、并与质谱进样口外壁间相密封连接，T型管第二个端口与抽气泵的进气口相连，T型管第三个端口置于圆管状介质开口端的内侧。所述抽气泵的抽气速率控制在O. 1-0. 5L/min。该设计利用介质阻挡放电原理，设计了一种大面积快速电离爆炸物的原位检测电离源。样品无需前处理，直接把电离源置于被测化合物的表面，爆炸物即可被电离，经由在线质谱后就可以得到样品谱图，根据谱图中的样品的核质比，就可以快速确定相关爆炸物。
图Ia)放电电离源结构示意图以及其放电状态；b)抽气辅助泵示意图；图2 —种样品远离进样口位置快速检测示意图及其谱图；图3两种样品不同位置快速检测示意图及其谱图；图中1放电电极(施加高频的射频电压)，2.地电极，3氦气，4质谱，5抽气泵，6质谱进样口，7T行管，8放电覆盖区域，9梯恩梯样点，10 IOOng的梯恩梯样点，11 IOOng的
三硝基苯样点。
具体实施例方式本发明为一种原位、在线快速分析爆炸物的新电离源，该电离源采用介质阻挡放电，设计了大面积的放电源，实现短时间内物体表面积爆炸物的快速稽查。原位电离，样品无需处理处理，与在线质谱联用。
该装置总图如图I所示，一种大面积原位检测爆炸物的质谱电离源，以二端开口的圆管状结构的玻璃作为介质，圆管状结构的介质上沿轴向方向设有内径不同的二个区域，且此二个区域同轴，于这二个区域的介质外壁面上分别设置有圆环状放电电极和地电极，放电电极和地电极与介质外壁面相贴接；放电电极位于小内径区域处的介质上，施加高频的射频电压；另一地电极位于大内径区域处的介质上，与大地连接；该电离源利用介质阻挡放电原理，可同时产生正负离子。该放电管为玻璃，玻璃管的壁厚为2mm，管尺寸分为两部分，粗的一端外径为5cm，细的一端外径为1cm，使用铜作为电极直接粘贴在玻璃的外表面，细的一端接射频的高压，频率为31kHz，电压为10kV，粗的管端接地，两个电极之间的距离为2cm，通入放电气体氦气，流速为1.2L/min，放电时的图示如图Ib所示。放电时调节电压，可以使得两个电极在360°的方向上都发生放电，放电气体携带放电产生的亚稳态氦气分子解析电离物体表面的化合物。用该电源源用于质谱分析时，将该电离源置于分析物体表面上方3_处，该空间会有空气渗入，空气将参与到分子离子反应中，利于负离子加合电离化合物如PETN，RDX的电离。在线质谱的进气量比较小，质谱本身的进气量不足以直接吸取样品离子进入到质谱分析器中，在此情况下，添加辅助泵抽气系统，把样品离子连续的抽取到质谱进样口处，质谱可直接吸取样品离子进入分析器内。在I. 7毫米的质谱进样管外端加内径3毫米、外径5毫米的不锈钢管，该不锈钢管一个端口套设于质谱进样口外壁上、并与质谱进样口外壁间相密封，另外一端直接伸入到电离区内部(靠近大内径区域侧的圆管状介质的开口端的内侧)，于靠近质谱进样口侧的不锈钢管侧壁上设有一与抽气泵的进气口相连的开口，抽气泵的抽气速率维持在O. 5L/min的流量。质谱进样管口与抽气泵进样管之间距离为15毫米，具体参数如图Ib所示。质谱进样管口与伸入到电离区内部不锈钢管端口距离为2-3厘米。实施例I当该电离源与在线质谱联用时，结构如图2所示，质谱的进样口放置于电离源的大管径中，IOOng的TNT样品置于玻璃片表面上，该样品点直径6mm，样品点距离质谱进样口为4cm,电离源置于玻璃片上方5mm处。放电气体氦气的流速为I. 2L/min,放电电压为IOkV,频率为31kHz。分析时间为3s，得到的谱图如图2所示，从谱图中可以看到TNT的三个典型的峰，核质比197，210，227，他们分别为[TNT-NO]—，[TNT-OH]—，[TNT]-。样品电离后，样品离子由质谱的进样口被吸入到质谱分析器中，该实例说明在5cm的放电范围内，可以实现化合物的有效电离，分析时间短。实施例2结构如图3所示，质谱的进样口放置于电离源的大管径中，IOOng的TNT和IOOng的TNB样品置于玻璃片表面上,每个样品点直径约为6mm,样品点的排布如如所不,两个样品之间的距离为1cm，两个样品点距离质谱进样口的距离大概为I. 5cm和2cm。电离源置于玻璃片上方5mm处。地电极与端口距离为2cm，放电气体氦气的流速为I. 2L/min，放电电压为10kV，频率为31kHz。分析时间为3s，得到的谱图如图3所示，从谱图中可以看到TNT的三个典型的峰，核质比197，210，227，他们分别为[ΤΝΤ-ΝΟΓ，[ΤΝΤ-ΟΗΓ，[ΤΝΤΓ，看到TNB的典型峰183 [ΤΝΒ-Ν0] _，该实例说明在电离源范围内，可以实现多种化合物的同时电离。·
权利要求
1.一种大面积原位检测爆炸物的质谱电离源，其特征在于 以二端开口的圆管状结构的玻璃或者陶瓷作为介质，圆管状结构的介质上沿轴向方向设有内径不同的二个区域，且此二个区域同轴，于这二个区域的介质外壁面上分别设置有圆环状放电电极和地电极，放电电极和地电极与介质外壁面相贴接； 放电电极位于小内径区域处的介质上，施加高频的射频电压；另一地电极位于大内径区域处的介质上，与大地连接。
2.根据权利要求I所述的质谱电离源，其特征在于于圆管状介质的管内通入氦气或者氩气作为放电电离源的放电气体。
3.根据权利要求I所述的质谱电离源，其特征在于放电电极和地电极放置于管状介质的外表面，两者之间的距离控制在I. 5-3厘米； 小内径区域处的介质外径在O. 5-1. 5厘米之间，大内径区域处的介质外径在3-6厘米之间，介质的管壁厚度O. 2-0. 3厘米；大内径区域处介质上的地电极与靠近大内径区域侧的圆管状介质的开口端距离控制在2-3厘米之间。
4.一种权利要求I所述质谱电离源的应用，其特征在于所述电离源设置于质谱进样口处，被检测的样品置于靠近大内径区域侧的圆管状介质的开口端正下方2-4毫米处，SP样口表面与开口端距离为2-4毫米。
5.根据权利要求4所述质谱电离源的应用，其特征在于所述开口端与质谱进样口处距离为O. 3-0. 5厘米。
6.根据权利要求4所述质谱电离源的应用，其特征在于于所述质谱进样口处设置有一气动辅助装置，通过气动辅助装置携带离子进入到质谱中， 所述气动辅助进样装置包括T行管和抽气泵；τ型管第一个端口套设于质谱进样口外壁上、并与质谱进样口外壁间相密封连接，T型管第二个端口与抽气泵的进气口相连，T型管第三个端口置于圆管状介质开口端的内侧。
7.根据权利要求5所述质谱电离源的应用，其特征在于所述抽气泵的抽气速率控制在 O. 1-0. 5L/min。
全文摘要
本发明公开了一种介质阻挡放电电离源，该电离源使用30kHz的射频电源作为放电电极，另外一个电极接地。放电电极以石英玻璃作为介质，射频高压电极所在的石英玻璃管内径在10毫米，地电极所在石英玻璃管直径50毫米。将该电离源与在线质谱联用，3秒中内可检测到直径50毫米范围内的爆炸物样品。
文档编号H01J49/04GK102938360SQ20111023245
公开日2013年2月20日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者侯可勇, 花磊, 陈平, 崔华鹏, 李海洋 申请人:中国科学院大连化学物理研究所