使用二次离子质谱仪分析气体样品的系统和方法与流程

本发明涉及分析仪器技术领域，特别涉及一种使用二次离子质谱仪分析气体样品的系统和方法。

背景技术：
二次离子质谱仪通常用来对固体样品进行微区原位分析，表面分析和深度分析，其广泛应用于材料科学、生命科学、地质科学等领域的研究。二次离子质谱仪的分析过程是将固体样品置于真空中，使用特定种类的一次离子对固体样品进行轰击，样品在一定能量的一次离子的轰击下，溅射出二次离子，二次离子代表了样品成分的信息。根据溅射出的二次离子质量的不同，使用电场或磁场将二次离子从时间上或空间上分离开，从而判断出二次离子的种类和数量，以便能够实现对固体样品的定性和定量分析。一般采用磁场做质量分析器的二次离子质谱仪的原理如图1所示，一次离子源1产生一次离子2。一次离子2经过离子光学透镜3，5，6产生的电场聚焦到样品7(样品7位于样品室内)的表面，对样品7进行轰击。一次离子2和离子光学透镜3，5，6位于真空腔4内。一次离子2对样品7进行轰击，将部分样品7离子化，产生二次离子9。二次离子9经过离子光学透镜10，11，12，静电场分析器13，离子光学透镜15，磁场分析器16，离子光学透镜18，到达接收器19。样品7和离子光学透镜10，11，12位于真空腔体8内。离子光学透镜15位于真空腔体14内。离子光学透镜18位于真空腔体17内。静电场分析器13和磁场分析器16组成双聚焦结构，在实现二次离子9的质量分离的同时，实现角度聚焦和能量聚焦。磁场分析器16的强度决定了接收器19所接收到的离子种类。根据接收器19所接收的信号强度，就可以对样品7进行定性和定量分析。传统上二次离子质谱仪只分析固体样品，不分析气体样品，因此导致二次离子质谱仪对样品的形态具有一定的要求(也即无法分析气体样品)，使用范围上有一定的局限性。如果能够使用二次离子质谱仪分析气体样品，势必能够延伸二次离子质谱仪的应用领域。

技术实现要素：
本发明的主要目的是提供一种使用二次离子质谱仪分析气体样品的系统。本发明的另一目的是提供一种使用二次离子质谱仪分析气体样品的方法。为了达到上述目的，本发明提供了一种使用二次离子质谱仪分析气体样品的系统，其特征在于，包括：引出极、金属板和气体引入导管；所述引出极和所述金属板位于所述二次离子质谱仪的样品室内，所述引出极上设有用于通过一次离子的第一通孔、用于通过二次离子的第二通孔、以及用于穿过所述气体引入导管的第三通孔；所述气体引入导管穿过所述第三通孔后将所述气体样品引导至所述金属板的表面，所述气体样品在所述一次离子的轰击下形成所述二次离子；所述引出极和所述金属板之间形成电场，以使所述二次离子通过所述第二通孔飞离所述金属板进入所述二次离子质谱仪进行质量分析。在上述任一方案中优选的是，所述引出极接地电位，所述二次离子为负离子，所述金属板接负电压使得所述二次离子被推斥进入所述二次离子质谱仪进行质量分析。在上述任一方案中优选的是，所述气体样品被引导至所述金属板表面的一定区域，所述一次离子轰击该区域使得该区域附近的所述气体样品离子化而生成所述二次离子。在上述任一方案中优选的是，所述引出极和所述金属板之间保持一定距离，所述样品室处于真空状态；所述电场为均匀电场。在上述任一方案中优选的是，所述距离为5毫米(也即mm)，所述金属板的表面光滑平整；所述金属板内不含所述气体样品所包含的元素。在上述任一方案中优选的是，所述引出极上的第二通孔位于所述引出极的中央形成中心孔，所述第一通孔和第三通孔对称分布在所述第二通孔的两侧。在上述任一方案中优选的是，所述引出极的厚度2毫米(也即mm)，材质为包括无磁不锈钢的金属材质；所述第一通孔、第二通孔、第三通孔直径2毫米(也即mm)；所述金属板的材质包括纯的金或铟或钨金属材料。在上述任一方案中优选的是，所述气体引入导管还包括阀门，用于调节所述气体样品进入所述样品室的流量；所述气体引入导管选用金属材质制成的细管，该金属材质包括无磁不锈钢。在上述任一方案中优选的是，所述气体引入导管接地电位，所述气体引入导管将所述气体样品从所述样品室外引入所述样品室内，所述气体引入导管的末端与所述引出极齐平，所述气体引入导管内径0.5毫米(也即mm)，外径1毫米(也即mm)。在上述任一方案中优选的是，所述一次离子包括铯离子或镓离子；所述气体样品为无强烈腐蚀性的气体，包括氧气(也即O2)，氮气(也即N2)或二氧化碳(也即CO2)；所述二次离子质谱仪包括磁式质谱仪、飞行时间质谱仪或四极杆质谱仪；所述二次离子进入所述二次离子质谱仪的电场和/或磁场进行质量分析。本发明还提供了一种使用二次离子质谱仪分析气体样品的方法，包括采用引出极、金属板和气体引入导管；所述引出极和所述金属板位于所述二次离子质谱仪的样品室内，所述引出极上设有用于通过一次离子的第一通孔、用于通过二次离子的第二通孔、以及用于穿过所述气体引入导管的第三通孔，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将所述气体引入导管穿过所述第三通孔，使用所述气体引入导管将所述气体样品引导至所述金属板的表面；步骤2，采用所述一次离子对引导至所述金属板表面的所述气体样品进行轰击，形成所述二次离子；步骤3，在所述引出极和所述金属板之间形成电场，使所述二次离子通过所述第二通孔飞离所述金属板进入所述二次离子质谱仪进行质量分析。在上述任一方案中优选的是，步骤3具体包括：将所述引出极接地电位，将所述金属板接负电压使得所述二次离子被推斥进入所述二次离子质谱仪进行质量分析，其中所述二次离子为负离子。在上述任一方案中优选的是，步骤1具体包括：将所述气体样品被引导至所述金属板表面的一定区域；步骤2具体包括：使用所述一次离子轰击该区域使得该区域附近的所述气体样品离子化而生成所述二次离子。在上述任一方案中优选的是，步骤1之前还包括将所述样品室抽真空；步骤3中所述引出极和所述金属板之间保持一定距离，所述电场为均匀电场。在上述任一方案中优选的是，所述距离为5毫米(也即mm)，所述金属板的表面光滑平整；所述金属板内不含所述气体样品所包含的元素。在上述任一方案中优选的是，所述引出极上的第二通孔位于所述引出极的中央形成中心孔，所述第一通孔和第三通孔对称分布在所述第二通孔的两侧。在上述任一方案中优选的是，所述引出极的厚度2毫米(也即mm)，材质为包括无磁不锈钢的金属材质；所述第一通孔、第二通孔、第三通孔直径2毫米(也即mm)；所述金属板的材质包括纯的金或铟或钨金属材料。在上述任一方案中优选的是，步骤1中还包括使用所述气体引入导管包括的阀门来调节所述气体样品进入所述样品室的流量；所述气体引入导管选用金属材质制成的细管，该金属材质包括无磁不锈钢。在上述任一方案中优选的是，步骤1中所述气体引入导管接地电位，所述气体引入导管将所述气体样品从所述样品室外引入所述样品室内，所述气体引入导管的末端与所述引出极齐平，所述气体引入导管内径0.5毫米(也即mm)，外径1毫米(也即mm)。在上述任一方案中优选的是，所述一次离子包括铯离子或镓离子；所述气体样品为无强烈腐蚀性的气体，包括氧气(也即O2)，氮气(也即N2)或二氧化碳(也即CO2)；所述二次离子质谱仪包括磁式质谱仪、飞行时间质谱仪或四极杆质谱仪；步骤3中所述二次离子进入所述二次离子质谱仪的电场和/或磁场进行质量分析。采用本发明的技术方案后，相对于现有技术本发明具有以下优点：由于采用气体引入导管将气体样品引导到金属板表面进行离子化，并通过引出极和金属板之间的电场将二次离子引导入二次离子质谱仪进行质量分析，因此可以实现使用二次离子质谱仪分析气体样品的目的，扩展了传统二次离子质谱仪的应用领域；此外，本发明能够使用大质量的一次离子对气体样品进行轰击，由于较大质量的一次离子(如铯离子等)对气体样品的离子化效率很高，因此可以提高对气体样品分析的灵敏度，分析效果更好。附图说明为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为现有的二次离子质谱仪的结构示意图；图2为本发明的使用二次离子质谱仪分析气体样品的系统的结构示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1如图2所示，本发明实施例1提供了一种使用二次离子质谱仪分析气体样品的系统，包括：引出极22、金属板23和气体引入导管28；所述引出极22和所述金属板23位于所述二次离子质谱仪的样品室32内，所述引出极上设有用于通过一次离子24的第一通孔34(一次离子24沿着一次离子的路径21)、用于通过二次离子27的第二通孔35(二次离子27沿着二次离子的路径29)、以及用于穿过所述气体引入导管的第三通孔36；所述气体引入导管28穿过所述第三通孔后将所述气体样品引导至所述金属板的表面，所述气体样品在所述一次离子的轰击下形成所述二次离子；所述引出极和所述金属板之间形成电场，以使所述二次离子通过所述第二通孔飞离所述金属板进入所述二次离子质谱仪进行质量分析。由于采用气体引入导管将气体样品引导到金属板表面进行离子化，并通过引出极和金属板之间的电场将二次离子引导入二次离子质谱仪进行质量分析，因此可以实现使用二次离子质谱仪分析气体样品的目的，扩展了传统二次离子质谱仪的应用领域；此外，本发明能够使用大质量的一次离子对气体样品进行轰击，由于较大质量的一次离子(如铯离子等)对气体样品的离子化效率很高，因此可以提高对气体样品分析的灵敏度，分析效果更好。所述引出极22接地电位30，所述二次离子27为负离子，所述金属板接负电压31使得所述二次离子被推斥进入所述二次离子质谱仪进行质量分析。所述气体样品26被引导至所述金属板表面的一定区域25，所述一次离子24轰击该区域使得该区域附近的所述气体样品26离子化而生成所述二次离子27。所述引出极22和所述金属板23之间保持一定距离，所述样品室处于真空状态；所述电场为均匀电场。所述距离为5毫米左右，所述金属板的表面光滑平整；所述金属板内不含所述气体样品所包含的元素。所述引出极22上的第二通孔位于所述引出极的中央形成中心孔，所述第一通孔和第三通孔对称分布在所述第二通孔的两侧。所述引出极22的厚度约2毫米，材质为包括无磁不锈钢的金属材质；所述第一通孔、第二通孔、第三通孔直径约2毫米；所述金属板的材质包括纯的金或铟或钨金属材料。所述气体引入导管28还包括阀门33，用于调节所述气体样品进入所述样品室的流量；所述气体引入导管选用金属材质制成的细管，该金属材质包括无磁不锈钢。优化的，所述气体引入导管28接地电位(这里气体引入导管接地电位，使得气体引入导管和引出极接同样的地电位，以保证金属板和引出极之间形成均匀电场)，所述气体引入导管将所述气体样品从所述样品室外引入所述样品室内，优化的，所述气体引入导管的末端与所述引出极齐平(例如可以使得气体引入导管末端与金属板23之间的距离与引出极22和金属板23之间的距离一致，以使气体引入导管的末端与引出极齐平，此时气体引入导管末端与金属板之间的距离为5毫米左右，这样的距离能够防止由于距离过远导致气体随意扩散到真空里而不易被轰击变成离子，同时也能够防止由于距离过近而对金属板和引出极之间形成的均匀电场产生影响)，这样能够使气体引入导管末端与金属板保持水平，使得气体容易到达金属板，并保证引出极22和金属板23之间形成均匀电场；所述气体引入导管内径约0.5毫米，外径约1毫米。所述一次离子24包括铯离子或镓离子；所述气体样品26为无强烈腐蚀性的气体，包括氧气，氮气或二氧化碳；所述二次离子质谱仪包括磁式质谱仪、飞行时间质谱仪或四极杆质谱仪；所述二次离子27进入所述二次离子质谱仪的电场和/或磁场进行质量分析。实施例2与实施例1相似，本发明在样品室内放置一块表面平整的纯金属板，将气体样品通过气体引入导管引至样品表面，使用一次离子轰击金属板，将金属板附近的气体分子离子化，形成负离子，由于金属板带负电，负离子被推斥进入二次离子质谱仪进行质量分析。如图2所示，本发明的系统主要包括：引出极22、金属板23、气体引入导管28、样品室32、阀门33。引出极22，金属板23位于样品室32内。引出极22为金属材质，可以是无磁不锈钢，厚度约2毫米，其上有三个直径2毫米左右的孔，一次离子24的路径21，二次离子27的路径29和气体引入导管28分别通过这三个孔。引出极22和金属板23之间距离大约5毫米左右。引出极22接地电位30，金属板23接负电压，引出极22和金属板23之间形成电场，以使二次离子27通过引出极22的中心孔飞离金属板23的表面。金属板23可以是纯的金或铟或钨等金属材料制成。优选地，金属板23内不能含有待分析气体样品26所含有的元素，以免一次离子24将金属板23内的元素离子化，影响分析结果。优选地，金属板23的表面要光滑平整，保证引出极22和金属板23之间形成均匀电场。气体引入导管28选用金属材质制成的细管，可以是无磁不锈钢。气体引入导管28接地电位。气体引入导管28将气体样品26从样品室32外引入样品室32内的金属板23的表面。优选地，气体引入导管28的末端与引出极22齐平，气体引入导管28内径0.5毫米左右，外径1毫米左右，以免影响引出极22和金属板23之间电场的均匀性。优选地，样品室32处于真空状态。阀门33可以调节气体样品26进入样品室32的流量。本发明的系统工作过程如下：一次离子24沿路径21到达金属板23表面，以一定的能量轰击在金属板23上。由于气体样品26一般为非金属元素组成，所以一次离子24可以是铯离子或镓离子等，它们易于使非金属元素离子化。待分析的气体样品26通过气体引入导管28运送到金属板23的表面一定区域25(也即轰击区域25)。通过调节样品室32外的阀门33可以控制进入样品室32内的气体样品26的流量。优选地，气体样品26，可以是任何无强烈腐蚀性的气体(氧气，氮气或二氧化碳等)。在轰击区域25处，一次离子24轰击气体样品26使其离子化，从而转变成二次离子27。由于引出极22和金属板23之间存在电场，二次离子27在电场的作用下，沿路径29飞离轰击区域25，进入电场或磁场实现质量分离。所述二次离子质谱仪可以采用磁式质谱仪，也可以采用飞行时间质谱仪或四极杆质谱仪。本发明的系统能够使用二次离子质谱仪对气体样品进行定性定量分析，拓展了其应用领域。实施例3本发明实施例2提供了一种使用二次离子质谱仪分析气体样品的方法，包括采用引出极、金属板和气体引入导管；所述引出极和所述金属板位于所述二次离子质谱仪的样品室内，所述引出极上设有用于通过一次离子的第一通孔、用于通过二次离子的第二通孔、以及用于穿过所述气体引入导管的第三通孔，包括以下步骤：步骤1，将所述气体引入导管穿过所述第三通孔，使用所述气体引入导管将所述气体样品引导至所述金属板的表面；步骤2，采用所述一次离子对引导至所述金属板表面的所述气体样品进行轰击，形成所述二次离子；步骤3，在所述引出极和所述金属板之间形成电场，使所述二次离子通过所述第二通孔飞离所述金属板进入所述二次离子质谱仪进行质量分析。步骤3具体包括：将所述引出极接地电位30，将所述金属板接负电压使得所述二次离子被推斥进入所述二次离子质谱仪进行质量分析，其中所述二次离子为负离子。步骤1具体包括：将所述气体样品被引导至所述金属板表面的一定区域；步骤2具体包括：使用所述一次离子轰击该区域使得该区域附近的所述气体样品离子化而生成所述二次离子。步骤1之前还包括将所述样品室抽真空；步骤3中所述引出极和所述金属板之间保持一定距离，所述电场为均匀电场。所述距离为5毫米左右，所述金属板的表面光滑平整；所述金属板内不含所述气体样品所包含的元素。该方法中所述引出极上的第二通孔位于所述引出极的中央形成中心孔，所述第一通孔和第三通孔对称分布在所述第二通孔的两侧。所述引出极的厚度约2毫米，材质为包括无磁不锈钢的金属材质；所述第一通孔、第二通孔、第三通孔直径约2毫米；所述金属板的材质包括纯的金或铟或钨金属材料。步骤1中还包括使用所述气体引入导管包括的阀门来调节所述气体样品进入所述样品室的流量；所述气体引入导管选用金属材质制成的细管，该金属材质包括无磁不锈钢。步骤1中所述气体引入导管接电位，所述气体引入导管将所述气体样品从所述样品室外引入所述样品室内，所述气体引入导管的末端与所述引出极齐平，所述气体引入导管内径约0.5毫米，外径约1毫米。该方法中所述一次离子包括铯离子或镓离子；所述气体样品为无强烈腐蚀性的气体，包括氧气，氮气或二氧化碳；所述二次离子质谱仪包括磁式质谱仪、飞行时间质谱仪或四极杆质谱仪；步骤3中所述二次离子进入所述二次离子质谱仪的电场和/或磁场进行质量分析。实施例4与实施例3相似，本发明实施例4中采用的方法包括以下步骤：步骤1、将金属板放置在二次离子质谱仪的样品室内用于一般分析固体样品的位置，将样品室抽真空，并将金属板加负电压31；步骤2、将气体样品通过气体引入导管引入样品室内；气体引入导管可为金属不锈钢材料制成，内径0.5毫米左右，外径1毫米左右；气体引入导管的出口距离金属板表面5毫米左右；气体引入导管接地电位；步骤3、使用一次离子轰击金属板，将金属板附近的气体样品(例如气体分子)离子化，使其变为负离子(也即二次离子)；步骤4、负离子(也即二次离子)被送入二次离子质谱仪中，采用二次离子质谱仪的电场和磁场根据质量进行定性定量分析。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明还可以通过其他结构来实现，本发明的特征并不局限于上述较佳的实施例。任何熟悉该项技术的人员在本发明的技术领域内，可轻易想到的变化或修饰，都应涵盖在本发明的专利保护范围之内。