一种气相离子分子反应装置及反应方法

1.本发明属于化学反应装置技术领域，具体而言，涉及一种气相离子分子反应装置及反应方法。


背景技术：

2.离子分子反应是物理化学研究的重要课题，对于认识分子活化转化的机理和规律、建立分子离子化的方法实现中性物种的检测、验证和改进相关理论计算以及为宏量分子转化提供新思路等方面具有重要科学意义。基于此，研制离子分子反应装置成为了研究热点。
3.在离子分子反应的研究中，反应气压和反应时间是两个重要因素：提高反应气压与反应时间可以增加气相离子与中性气体的碰撞次数，在发现新的反应通道、提高中心物种检测限、捕获离子分子反应中间体以及提高气相离子转化率等方面都具有重要作用。
4.目前常用的离子分子反应装置如离子回旋共振池(～10-7-10-6
pa)、碰撞反应池(～10-2-10-1
pa)、离子阱(～10-2-101pa)等反应气压较低；而快速流动管(～10
2-103pa)虽然反应气压较高，但其反应时间(～10-1-100ms)较短，且存在反应时间不易控制、反应通道不好指认等缺点。专利cn 110026144 a中公开了一种气相离子催化分子宏量转化的装置，该装置可实现102pa下的离子分子反应，且中性产物可在富集单元中富集，但离子产物无法通过该装置的富集单元收集，不能对离子进行表征，无法用于研究离子分子反应过程。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供一种气相离子分子反应装置及反应方法，解决了现有离子分子反应器中无法同时实现高反应气压、长时间反应等条件的问题。
6.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种高气压、长时间反应的气相离子分子反应装置，包括：反应容器单元，其前端设置有用于离子引入与气体排出的入口小孔，后端设置有用于离子与气体排出的出口小孔；离子约束单元，安装于反应容器单元内部，配置为通过施加合适的电场，以实现高气压下气相离子的约束与传输；气体引入单元，安装于反应容器单元的外侧壁上，配置为用于引入低压气体以约束气相离子以及高压气体与气相离子发生离子分子反应；快速开关单元，安装于反应容器单元出入口小孔外侧，配置为控制反应容器单元的出入口小孔的快速开启与关闭。
7.根据本发明，所述离子约束单元包括多极电极组件和离子漏斗阱，离子漏斗阱包括多个相互平行设置的电极片、直流电发生单元和射频电发生单元；所述直流电发生单元产生直流电并施加在电极片上，射频电发生单元产生射频电并施加在电极片上，施加在相邻两个所述电极片上的射频电的电压值相等、相位相反。
8.优选地，所述直流电发生单元通过导线与电极片连接，所述射频电发生单元依次通过信号发生器、功率放大器和线圈组件与电极片连接。
9.优选地，所述线圈组件包括主线圈、第一次线圈和第二次线圈，所述主线圈与功率
放大器连接，主线圈内产生交变电流，所述第一次线圈和第二次线圈感应主线圈产生的交变电流并产生感应的交变电流；所述第一次线圈和第二次线圈的匝数相等、缠绕方向相反。优选地，电极片为环形电极片，环形电极片内壁的形状为圆形，外壁的形状为正方形。优选地，沿逐渐远离离子约束单元的离子入口方向，电极片上施加的直流电压先递减后增高。
10.根据本发明，所述气体引入单元包括脉冲阀控制单元、第一脉冲阀及第二脉冲阀，配置为分别脉冲式引入约束离子所需的低压气体与发生离子分子反应的高压气体，所述脉冲阀控制单元产生脉冲电并施加在脉冲阀上。
11.根据本发明，所述快速开关单元包括电磁铁控制单元、两个金属薄片和四个电磁铁，所述电磁铁控制单元产生脉冲电并施加在电磁铁上；所述金属薄片的两端分别设置有一个侧部小孔，用于连接固定两个所述电磁铁，且两个电磁铁运动方向相反，通过控制所述电磁铁拉动金属薄片往复运动，实现反应容器单元的出入口小孔的开启与关闭。
12.优选地，所述电磁铁控制单元包括延时信号发生器和固态直流继电器，所述延时信号发生器产生ttl信号施加于固态直流继电器上，固态直流继电器接收到ttl信号后产生脉冲电施加于电磁铁上，驱动其在脉冲状态下工作。
13.根据本发明，所述金属薄片上还设置有中部小孔，所述中部小孔的孔径与所述反应容器单元的出入口小孔的孔径相近。
14.根据本发明，所述快速开关单元的电磁铁通过固态直流继电器和延时发生器控制。
15.根据本发明，所述金属薄片与反应容器单元通过橡胶圈密封。
16.根据本发明的另一方面，还提供了一种利用气相离子分子反应装置进行离子分子反应的方法，包括以下步骤：s1、开启反应容器单元的出入口小孔，控制气体引入单元引入低压冷却气，并控制离子约束单元共同作用约束引入的气相离子；s2、控制快速开关单元关闭反应容器单元的出入口小孔，控制气体引入单元引入高压反应气体，所述高压反应气体被约束在反应容器单元内，与气相离子发生离子分子反应；s3、经充分反应后，控制快速开关单元开启反应容器单元的出入口小孔，排出高压气体；s4、当反应容器单元内气压降至低于101pa后，改变离子约束单元电场，排出反应物离子和产物离子，以进一步检测与表征。
17.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
18.本发明提供的气相离子分子反应的装置，其反应容器单元的出入口可以通过控制电磁铁拉动金属片实现开启与关闭，出入口关闭时，可以将气体分子长时间困住，维持反应容器单元内的高气压，离子约束单元可以实现在高气压下长时间约束离子，实现了高气压、长时间条件下充分反应。此外，反应结束后的反应物离子与产物离子可以在电场操控下排出，进一步由质谱或光谱检测与表征。
附图说明
19.图1为本发明的气相离子分子反应装置的剖面图；
20.图2是本发明的气相离子分子反应装置的外部立体结构示意图；
21.图3是反应容器单元处于开启状态时快速开关单元的结构示意图；
22.图4是反应容器单元处于关闭状态时快速开关单元的结构示意图；
23.图5是本发明一个具体实施例中金属片的结构示意图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。
25.如图1所示，本发明提供了一种高气压、长时间反应的气相离子分子反应装置，包括反应容器单元1、离子约束单元2、气体引入单元3和快速开关单元4。反应容器单元1的前端设置有用于离子引入与气体排出的入口小孔5，后端设置有用于离子与气体排出的出口小孔6，其余各部分均保持气密性，用于容纳气相离子与高压反应气体发生离子分子反应。
26.反应容器单元1的具体形状及尺寸不受特别限制，在本发明图2所示的一个具体实施例中，入口侧壁11和出口侧壁12相对设置，左侧壁13和右侧壁14用于引入导线与离子约束单元2相连，上侧壁15与气体引入单元3相连接。
27.如图1所示，离子约束单元2安装于反应容器单元1内部，用于约束气相离子。具体地，离子约束单元2包括多极电极组件和离子漏斗阱，通过施加合适电场来实现高气压下气相离子的约束与传输。需要说明的是，本发明的离子漏斗阱作为反应物和气相离子的反应器，主要用于约束大量的气相离子与反应物，使其能够在该离子漏斗阱中实现高气压、长时间下的离子分子反应。现有技术中的离子漏斗阱与本发明提供的离子漏斗阱作用是不同的，现有离子漏斗阱耦合在两个部件之间，主要用于离子在两个部件之间的传输，增加离子的传输效率。
28.根据本发明，离子漏斗阱包括多个相互平行设置的电极片、直流电发生单元和射频电发生单元，直流电发生单元产生直流电并施加在电极片上，直流电用于在轴向上约束气相离子，使其一直位于离子约束单元2中。射频电发生单元产生射频电并施加在电极片上，施加在相邻两个电极片上的射频电的电压值相等、相位相反，频率为1.0～1.2兆赫兹，峰峰电压值为100～200伏，射频电用于在径向上约束气相离子，使其一直位于离子约束单元2中。
29.具体来说，直流电发生单元通过导线与电极片连接，射频电发生单元依次与信号发生器、功率放大器和线圈组件相连，线圈组件与电极片连接，使得射频电发生单元产生的射频电能够施加在电极片上。为了实现施加在相邻两个电极片上的射频电的电压值相等、相位相反，上述线圈组件可以包括主线圈、第一次线圈和第二次线圈，主线圈与功率放大器连接，主线圈内产生交变电流，第一次线圈和第二次线圈感应主线圈产生的交变电流并产生感应的交变电流，第一次线圈和第二次线圈的匝数相等、缠绕方向相反，从而能够产生电压大小相等、相位相反的射频电。
30.在本发明的一个具体实施例中，沿逐渐远离离子约束单元的离子入口方向，电极片上施加的直流电压先递减后增高。优选地，电极片为环形电极片，环形电极片内壁的形状为圆形，外壁的形状为正方形。
31.气体引入单元3安装于反应容器单元1的外侧壁上，配置为用于引入低压气体以约束气相离子以及高压气体与气相离子发生离子分子反应。具体地，气体引入单元3包括脉冲阀控制单元、第一脉冲阀31和第二脉冲阀32，分别脉冲式引入约束离子所需的低压气体与发生离子分子反应的高压气体。具体来说，第一脉冲阀31在脉冲阀控制单元作用下，在离子
引入前通入低压气体，用于冷却离子；第二脉冲阀32在脉冲阀控制单元作用下，在离子被离子约束单元2约束以及反应容器单元1出入口关闭后，通入高压气体，用于离子在高压下进行离子分子反应。脉冲阀控制单元产生脉冲电并施加在脉冲阀上，脉冲阀控制单元包括延时信号发生器和脉冲阀门驱动器，延时信号发生器产生ttl信号施加于脉冲阀门驱动器上，脉冲阀门驱动器接收到ttl信号后产生脉冲电施加于脉冲阀上，驱动其在脉冲状态下工作。可以通过改变脉冲阀的开启时间控制气体的引入量，在离子分子反应过程中，气压最高可达103pa，该气压下反应时间可达100s。
32.快速开关单元4安装于反应容器单元1出入口小孔6，5的外侧，可以控制反应容器单元1的出入口小孔6，5快速开启与关闭，当反应容器单元1处于高压状态时，可长时间封闭出入口小孔6，5，在100秒时间内维持高压状态。此处的高压状态是指气压达到103pa。
33.具体地，如图3-5所示，快速开关单元4包括电磁铁控制单元、金属薄片41和电磁铁42，电磁铁控制单元产生脉冲电并施加在电磁铁上，电磁铁42通过固态直流继电器和延时发生器控制。优选地，所述电磁铁控制单元包括延时信号发生器和固态直流继电器，延时信号发生器产生ttl信号施加于固态直流继电器上，固态直流继电器接收到ttl信号后产生脉冲电施加于电磁铁42上，驱动其在脉冲状态下工作。
34.在本发明的一个具体实施例中，快速开关单元4包括电磁铁控制单元、两个金属薄片41以及四个电磁铁42。金属薄片41的两端分别设置有一个侧部小孔412，用于金属薄片41与电磁铁42固定，两侧的两个电磁铁运动方向相反，通过电磁铁控制单元控制电磁铁42拉动金属薄片41往复运动，实现反应容器单元1的出入口小孔6，5的开启与关闭。金属薄片41上还设置有中部小孔411，中部小孔411的孔径与反应容器单元1的出入口6，5处的小孔孔径相近，且表面光滑、厚度均匀，与反应容器单元1贴合。
35.具体来说，第一个金属薄片41两端通过固定配件421(比如螺丝)与两个取向相反的电磁铁42固定，整体安装于反应容器单元入口侧壁11处，第二个金属薄片41通过同样方法与两个取向相反的电磁铁42固定，整体安装于反应容器单元出口侧壁12处。该单元工作原理如下：当金属薄片41的中部小孔411与反应容器单元出/入口小孔6，5重合时(如图3所示)，离子与气体分子可以通透，此时反应容器单元1为开启状态；通过电磁铁控制单元控制左侧电磁铁42拉动金属薄片41向左侧移动，金属薄片41盖住反应容器单元出/入口小孔6，5，离子与气体被约束在其内，此时反应容器单元1为关闭状态；再次通过电磁铁控制单元控制右侧的电磁铁42拉动金属薄片41向右侧移动，金属薄片中部小孔411重新与反应容器单元出/入口小孔6，5重合，离子与气体分子可以通透，反应容器单元1恢复开启状态。
36.需要说明的是，金属薄片41的形状和尺寸不受限制，只要能够满足可以实现反应容器单元1出入口小孔6，5的通透与封闭，两侧电磁铁42的固定即可。例如，参考图5，当金属薄片41为矩形时，其上有一个中部小孔411和两个侧部小孔412，分别用于离子与气体分子的通透和电磁铁42的安装。金属薄片41的厚度可以为0.5毫米，由此，有利于减轻金属薄片41质量以实现其快速运动，以及在离子通过时减小因离子飞行轨迹发散而撞在金属薄片41上引起的损失。
37.考虑到维持高气压下的离子分子反应需要在反应过程中维持反应容器单元1的气密性，金属薄片41与反应容器单元1通过橡胶圈密封，或依靠高精度加工使得金属薄片41与反应容器单元1外壁间隙足够小。
38.综上，上述各个单元的具体作用如下：反应容器单元1用于为气相离子和高压反应气体提供反应场所；离子约束单元2通过施加合适的电场，实现高气压下气相离子的约束与传输；气体引入单元3用于通入低气压气体，与气相离子碰撞，减小其动能以便离子约束单元2对其进行约束，以及通入高气压气体与气相离子碰撞，发生高气压下的离子分子反应；快速开关单元4通过控制电磁铁42拉动金属薄片41，使反应容器单元出入口小孔6，5快速开启与关闭，实现反应过程中反应容器单元1维持高气压以及反应结束后气相离子及时排出并进一步检测表征。
39.根据本发明的另一方面，还提供了一种利用气相离子分子反应装置进行气相离子分子反应的方法，包括以下步骤：
40.s1、开启反应容器单元1出入口小孔6，5，控制气体引入单元3引入低压冷却气，并控制离子约束单元2共同作用约束引入的气相离子；
41.s2、控制快速开关单元4关闭反应容器单元出入口小孔6，5，控制气体引入单元3引入高压反应气体，高压反应气体被约束在反应容器单元1内，与气相离子发生离子分子反应；
42.s3、经长时间充分反应后，控制快速开关单元4开启反应容器单元1的出入口小孔6，5，排出高压气体；
43.s4、当所述反应容器单元1内气压降至低于101pa后，改变离子约束单元2电场，排出反应物离子和产物离子，以进一步检测与表征。
44.以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。