用于电离样本气流的颗粒的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于在诸如质谱仪的检测器之前电离样本气流的颗粒，以确定气相样本或者特别地分子或团簇(例如气相碱或酸样本)的诸如质量或浓度的特性的方法和装置。
【背景技术】
[0002]用于确定气相样本的特性的精确的质谱分析方法在例如大气研究中具有非常重要的作用，诸如研究例如不同化学物质(诸如氨、胺、硫酸和氧化有机物)在大气纳米颗粒形成中的作用。特别是需要更好地认识大气中的胺和高氧化有机物以及许多其他碱和酸的低浓度和可变性。
[0003]然而，对例如来自空气的微量气态化合物的测量是极困难的，因为它们的浓度相比于总空气分子浓度是极低的，并且不同的气态化合物和它们的同位素化合物(isotope)比较庞杂。然而，这些分子中的一些即使具有非常小的量，也对于空气化学性质和气溶胶形成具有很大的影响。因此，需要例如在大气气溶胶研究中的精密测量。
[0004]通常通过质谱仪分析气相样本，但是也可以使用其他检测装置，例如頂S装置(离子迀移谱仪)或DMA装置(微分迀移分析仪)。质谱仪检测离子或离子团簇的质荷比，而IMS和DMA装置基于样本颗粒的电子迀移率。作为样本颗粒的大多数，例如空气中的分子和团簇最初是中性的，它们需要在测量之前被充电。
[0005]在测量之前给诸如分子和团簇的样本颗粒充电并且由此提供样本组分的离子流的一种示例性方法是使用样本组分的化学电离(Cl)，其例如使用质子转移反应或与主要离子的样本组分聚集、或者换句话说使用离子-分子反应。
[0006]现有技术中有少量的用于例如在质谱仪中，例如使用放射源或者电晕充电装置给分子充电以产生主要离子的方法。然而，存在与现有技术的解决方案相关的一些缺陷。如果使用不当，放射源可能是有害的，特别是在化学电离入口(Cl-入口)与酸在一起时。另夕卜，放射源的存取和处置是非常困难的。此外，例如，由于放射性，具有放射源的充电器的维护是要求较高的工作并且需要专业人员修理装置。并且，与使用、销售和运输有关的官方制度也是有挑战性的。前面所提到的提高了具有放射源的充电器的操作成本。
[0007]在电晕充电中，在针尖上使用高电压以用于经由电晕放电产生离子。然而，电晕放电的使用是非常暴力的电离方法，其会损坏例如周围的一些弱束缚的分子或团簇。在含氧环境中，该方法产生大量的臭氧，并且也有可能产生氧气和羟基自由基等，其可以与气体样本中的分子反应和/或产生污染，这使得光谱混乱并且使得识别想要的样本化合物变得更加困难。该方法也能产生离子，包括，例如HS04-，存在微量水平的S02。这些人造的HS04-离子干扰了通过从H2S04(硫酸)分子提取质子而化学电离的HS04-离子，由此影响了通过C1-MS方法的硫酸检测。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于缓解并消除与已知现有技术有关的问题。特别地，本发明的目的是提供一种用于电离样本气流的颗粒以检测极低浓度的气相组分(包括碱、酸和含氧有机物)的方法和装置。
[0009]可以通过独立权利要求的特征实现本发明的目的。本发明涉及根据权利要求1所述的方法。另外，本发明涉及根据权利要求9所述的装置。
[0010]根据本发明的一个实施例，样本气流中的诸如分子或团簇的颗粒被电离器电离以使得可以确定样本气流颗粒的特征。根据该实施例，由候选(candidate)试剂气流的颗粒制成试剂(主要)离子，其可以包括例如硝酸盐N03-、硫酸氢盐、HS04-、质子化氨、胺、醇类或丙酮。
[0011]此外，根据该实施例，试剂离子与样本气流一起被引入反应区域，以便安排在试剂离子和样本气流的颗粒之间的反应，从而产生样本气体离子，其可以被传输至例如检测器。在反应区域，所产生的(初步的)离子与样本气流的分子或团簇或其他颗粒相互作用，从而(经由电荷转移)将所述样本气体颗粒电离。此外，根据该实施例，通过使用(通过非放射性的X射线源产生的)软X射线辐射以电离所述候选(主要)试剂气流的颗粒来产生试剂离子。
[0012]样本气流优选地包括待确定的颗粒，例如大气中的碱或酸。其还可以包括除了所述待确定的样本颗粒之外的任意干扰组分。样本颗粒包括例如分子或团簇，并且所述样本气流优选地处于大气压。
[0013]所使用的软X射线光子的能量优选地在1-1OkeV的范围内，最优选地大约l_5keV。
[0014]而且，在该实施例中，鞘流被配置为流动至少通过样本气流与电离器的壁结构之间的主要离子产生区域和反应区域，从而防止或者至少最小化样本和/或试剂离子流与电离器的壁结构之间的任何相互作用。鞘流优选地实质上是层流，并且它包括例如纯净的空气或氮气，具有较少量的试剂气体分子，例如硝酸、硫酸、氨、胺、醇类或丙酮。
[0015]根据一个实施例，样本气流和候选(主要)试剂气流被配置为大致同轴地流动。所产生的试剂离子的轨迹被配置为向内并朝向电荷转移相互作用区域的样本气流弯曲，以使得试剂离子可以与所述样本气流颗粒相互作用，并因此在任一检测器之前用于样本气体离子流。通过例如使用用于吸引或排斥所述离子的电场，和/或通过使用流动气流引导部件(例如偏转器、翼或节流阀，如文氏管)，可以实现所产生的试剂离子的轨迹。
[0016]根据一个实施例，候选试剂气流可以包括例如硝酸盐[N03-]、硫酸氢盐、HS04-、质子化氨、胺、醇类或丙酮。无论如何，这些仅仅是示例，并且应当理解，候选试剂气流的组成可以根据待电离的样本颗粒而改变。例如，为了给某些样本气流颗粒充电，N03-是专门选择的，同样地为了给其他样本颗粒充电，氨NH4+也是专门选择的。作为示例(当然不仅限于这些)，为了给例如H2S04[硫酸]、MSA[甲基磺酸]、H2S04+胺团簇、高氧化有机分子及其团簇充电，N03-是专门选择的，而NH4+可以被用于给胺充电。通过选择某些候选试剂气体，可以非常有选择地实现本发明的电离方法。例如，可以选择某些候选试剂气流用于产生某些试剂离子并因此提供在电荷转移相互作用区域中的选择性的复合充电，从而在试剂离子和样本气流的某些期望的颗粒(根据感兴趣的颗粒)之间进行电荷转移相互作用。
[0017]相对于已知的现有技术的方案，本发明提供了显著的有益效果。例如，用于电离候选(主要)试剂气流的非放射性的软X射线辐射源对于用户来说是非常安全的装置，因为它不包含任何放射性材料。因此，其也是十分容易生产和运输的，因为不需要要求屏蔽系统或官方制度。此外，X射线辐射源可以简单地被打开和被关闭，例如用于测试器械的功能或者用于维护过程期间。此外，X射线源辐射(即，低能量伽马辐射)不会产生干扰分子的识别的污染物(很大程度上如电晕所做的)。
[0018]此外，因为所使用的X射线辐射是软辐射(能量典型地在约1-1OkeV的范围内)，它不会很高程度地损坏待确定的分子和团簇并且由此干扰测量。
[0019]此外，本发明的概念可以很容易地用于选择性的测量，这意味着待测量的样本颗粒(气体分子或团簇)可以通过选择合适的试剂(主要)离子组成以用于与所述样本颗粒相互作用而被确定，即，可以针对感兴趣分子的复合选择性充电来产生离子。例如，当如上所述使用N03-作为主要试剂离子时，某些样本颗粒可以被电离并因此被确定。该特征被称为选择性离子化学电离，并且其具有显著的有益效果，例如用于仅聚焦于期望的样本颗粒并因此最小化其他颗粒(由于它们未被充电)的可能的干扰影响。因此，本发明能够在可以提取想要的化合物的准确的质量和浓度的位置获得干净的质谱。作为示例但是不仅限于此，选择性离子化学电离可以用于例如包括例如硫酸和甲基磺酸的强酸、包括例如氨和胺的强碱、它们的团簇、氧化有机化合物的检测。
[0020]此外，本发明提供了精确测量例如大气中的碱或酸的浓度的可能性，大气中的碱或酸在样本气流中整个大气气体组分的全部组分中的比例非常低。此外，本发明能够实现在线测量，并且即使在同一时间也能实现高时间分辨率。另外，可以在大气压下进行测量，这增加了(当与现有技术的具有较低测量压力的方案进行比较时)试剂离子与样本颗粒的碰撞率并因此使得电离过程更有效，因此，甚至能测量ppq量级的颗粒浓度[ppq，千万亿分之一，10 15]。
[0021]本文所呈现的示例性实施例不应被解释为对所附权利要求的适用性进行限制。动词“包括”在本文中用作开放式限制，其不排除未叙述特征的存在。从属权利要求中所述的特征可以相互自由地组合，除非另有明确规定。
[0022]被认为是本发明的特性的新颖特征特别地在所附权利要求中描述。然而，通过结合附图阅读特定的示例性实施例的如下描述，可以很好地理解本发明本身，关于其构成和操作方法，以及其附加的目的和有益效果。
【附图说明】
[0023]下面将参照附图并结合示例性实施例更加详细地描述本发明，其中:
[0024]图1示出根据本发明的优选实施例的用于电离样本气流的颗粒的示例性装置的原理。
【具体实施方式】