一种用于快速湿度调控的在线质谱采样进样一体化装置的制作方法

本发明属于在线质谱采样分析领域，涉及一种对样品气体进入质谱仪器前对其湿度进行调控的方式。该装置可对样品气体进行快速有效除湿，除湿后的样品用于直接在线质谱分析。

背景技术：

随着当今社会工业化的迅猛发展，城市化进程的逐步推进，环境污染问题日益严重，尤其是人类在生产、生活过程中不断向赖以生存的自然环境中排放出大量的有机污染物，其中包括各种挥发性有机物(vocs)和半挥发性有机物(svocs)。vocs和svocs中大部分具有生物毒性，对人体的危害较大，有些甚至还具有致癌、致畸和致突变效应，长期接触较高浓度的vocs和svocs，会对人体造成严重的损害。因此，对环境中vocs和svocs的检测和研究受到了广泛的重视。

对于环境中vocs和svocs的检测，目前国际上通用的标准方法都是采用离线分析的方式先将采集到的待测样品经过预处理和富集后，再进入到气相色谱(gc)或气相色谱-质谱(gc-ms)中进行定性和定量分析。这种离线分析的方法虽然准确，但是耗时多、成本高，反映不出有机污染物的时空变化和快速动态过程，无法满足大量环境样品的快速检测。在线监测技术能够快速获取待测物的定性和定量结果，实时反映出环境污染物的动态变化，其检测速度快、成本低，因此受到越来越多的关注。

在线监测要求仪器的分析速度快，对环境条件的适应能力强，在线质谱技术可直接获得待测样品的分子量信息，实现定性和定量分析。质谱分析的普适性好，分辨率和灵敏度高，定性能力强，而且分析速度快，是分析测试领域中应用最为广泛的一种分析方法，其分析结果已经成为一种公认的标准。

然而，环境样品除了成分复杂，其湿度也较大。湿度不仅影响待测物的真实浓度，改变待测物的存在形态，而且会对待测物的电离过程产生影响。直接影响其质谱信号响应，改变其特征峰种类，使谱图解析复杂化，降低信号强度，影响其测试灵敏度。早期文献研究结果表明，湿度对不同物质质谱检测的影响不同，有的物质在高湿度环境条件下检测较好，有的在完全干燥条件较好，有的则需要一定湿度，湿度过高或过低均不利于化合物的分析检测。不同化合物对湿度的特异性需求对在线质谱技术的快速直接分析提出了新的挑战。

半导体制冷基于帕尔贴冷却作用，根据物质的液化温度或冷凝点的差异，实现复杂基质中目标物质与水的分离。相对于其他除湿方式，如nafion管除湿，吸附剂除湿等，半导体冷却除湿作用温和，待测物质基本不损失。此外，半导体除湿是一种可调湿度的除湿方式，通过调节半导体制冷片的温度，实现待测样品不同程度的除湿，如100％除湿，40％除湿，20％除湿等；样品气体除湿后获得不同湿度，有利于样品在不同湿度条件下测试。

综上所述，在线质谱技术结合半导体制冷作用，可以实现样品气体的快速湿度调控和在线质谱的直接分析检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于快速湿度调控的在线质谱采样进样一体化装置，为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

该装置包括一个方形密闭的样品流通腔体，于方形密闭腔室的前后、上下侧壁面上均设有半导体制冷片。半导体制冷片的冷端与样品流通腔体的外壁面相贴接，其热端设有水冷散热器。水冷散热器包括一散热板和散热管路，远离半导体制冷片的散热板一侧外表面盘绕有散热管路，散热管路缠绕于样品流通腔体的外部，散热管路即为冷却水通路。水冷散热器的冷却水进出口分别与冷却水槽相连，于水冷散热器的冷却水进口与冷却水槽相连通的管路上设有循环水泵，循环水泵进口与冷却水槽之间经硅胶软管密封相连。样品流通腔体的侧壁上设有测温元件入口，其内放置有测温元件，用于感知样品流通腔体的内部温度。半导体制冷片和测温元件与一外设温度控制器相连。半导体制冷片，水冷散热器和循环水泵与外电源相连。

样品流通腔体内部设有螺旋型气体通路，其一端伸出至腔体外与采样单元的样品出口相连，另一端伸出至腔体外经一个三通与质谱仪器的进样口相连，三通的第三接口放空。采样单元为一采样管。

该装置工作时，首先设定制冷温度，当制冷温度达到设定值后，引入样品气体，其通过采样单元，进入样品流通腔体，沿着其中的螺旋型气体通路流出；在这个过程中，通过外设温度控制器控制半导体制冷片工作，使样品气体在进入质谱检测系统之前湿度降低。制冷温度与样品出口处的气体样品湿度一一对应，不同制冷温度对应不同的气体样品湿度。

样品流通腔体的体积设置合适，考虑质谱仪器的进样流量，确保样品气体在腔体内有一定的停留时间，充分制冷。螺旋型气体通路螺旋圈数的设置要适宜，保证采样时没有阻力或阻力较小。

本发明的优点

1)该装置集采样和进样于一体，操作简单，方便快捷

2)该装置除湿过程快速，满足在线质谱检测需求。

3)该装置除湿程度可调，可获得不同湿度的样品

4)通过半导体制冷方式，最大程度的减少了除湿过程中样品的损失

5)该装置应用对象广，可应用于所有在线质谱的采样分析领域

附图说明

图1为本发明的一种用于快速湿度调控的在线质谱采样进样一体化装置的示意图。

其中：1-样品流通腔体；2-螺旋型气体通路；3-半导体制冷片；4-水冷散热器；5-外设温度控制器；6-循环水泵；7-冷却水槽；8-采样单元；9-质谱仪器；10-散热管路；11-测温元件；a-测温元件入口；b-样品出口

具体实施方式

该装置包括一个内体积为60ml的方形密闭的样品流通腔体，于方形密闭腔室的前后、上下侧壁面上均设有半导体制冷片。半导体制冷片的冷端与样品流通腔体的外壁面相贴接，其热端设有水冷散热器。水冷散热器包括一散热板和散热管路，远离半导体制冷片的散热板一侧外表面盘绕有散热管路，散热管路缠绕于样品流通腔体的外部，散热管路即为冷却水通路。水冷散热器的冷却水进出口分别与冷却水槽相连，于水冷散热器的冷却水进口与冷却水槽相连通的管路上设有循环水泵，循环水泵进口与冷却水槽之间经硅胶软管密封相连。样品流通腔体的侧壁上设有测温元件入口，其内放置有测温元件，用于感知样品流通腔体的内部温度。半导体制冷片和测温元件与一外设温度控制器相连。半导体制冷片，水冷散热器和循环水泵与外电源相连。样品流通腔体内部设有螺旋圈数为8圈的螺旋型气体通路，其一端伸出至腔体外与采样单元(这里是一个采样管)的出口相连，另一端伸出至腔体外经一个三通与质谱仪器的进样口相连，三通的第三接口放空。

该装置工作时，首先设定制冷温度，当制冷温度达到设定值后，引入样品气体，其通过采样单元，进入样品流通腔体，沿着其中的螺旋型气体通路流出；在这个过程中，通过外设温度控制器控制半导体制冷片工作，使样品气体在进入质谱检测系统之前湿度降低。制冷温度与样品出口处的气体样品湿度一一对应，不同制冷温度对应不同的气体样品湿度。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种用于快速湿度调控的在线质谱采样进样一体化装置。该方法基于帕尔贴效应实现了对相对湿度高达100％的样品气体湿度的调控。该装置包括一个样品流通腔体，4个半导体制冷片，4套水冷散热器，一个外设温度控制器，一个循环水泵和一个冷却水槽。通过设定不同的冷却温度，可以获得不同湿度的样品气体。利用此装置可以实现对样品气体湿度的调控，获得不同湿度下的样品气体，满足分析实验需求。

技术研发人员：李海洋;王艳;蒋吉春;王祯鑫;吴称心
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：2017.11.27
技术公布日：2019.06.04