《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》是廣州禾信自動化系統有限公司於2005年12月16日申請的專利，該專利的公布號為CN1838370，申請號為2005101023548，授權公布日為2006年9月27日，發明人是周振、傅忠、盛國英。
《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》提供一種單顆粒氣溶膠線上電離源，設定于飛行時間質量分析器的加速區之外，包括電離雷射器、低壓射頻四極桿，所述電離雷射器發射的雷射束垂直於低壓射頻四極桿入射至其內切圓心。一種利用前述電離源實現的方法，主要是對單顆粒氣溶膠利用空氣動力學測徑後，在其進入飛行時間質量分析器之前，利用電離雷射將其電離成電漿，所產生的正負離子利用低壓射頻四極桿聚焦成相空間很小的離子束再送入飛行時間質量分析器中。該發明將電離區與空氣動力學測徑區連為一體，測徑結束的同時氣溶膠電離，最大程度縮小了氣溶膠的漂移距離，明顯提高了傳輸效率；低壓射頻四極桿的聚焦作用明顯提高了飛行時間質量分析器的解析度。
2018年12月20日，《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法
- 公布號：CN1838370
- 授權日：2006年9月27日
- 申請號：2005101023548
- 申請日：2005年12月16日
- 申請人：廣州禾信自動化系統有限公司
- 地址：廣東省廣州市科學城光譜路廣州科技創新基地F－301
- 發明人：周振、傅忠、盛國英
- Int.Cl.：H01J49/16(2006.01)；H01J49/40(2006.01)；G01N15/14(2006.01)
- 代理機構：廣州市華學智慧財產權代理有限公司
- 代理人：楊曉松
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2005年12月，氣溶膠的大小及其化學成分對全球氣候、大氣質量、生態健康造成重大影響。單顆粒氣溶膠線上監測飛行時間質譜儀（Aerosol Time-of-flight Mas sSpectrometer，ATOFMS）是一種新技術，可以實時線上監測單顆粒氣溶膠空氣動力學直徑及其大氣污染成分，是判定氣溶膠形成和來源的重要手段，其基本原理是通過空氣動力學方法測量氣溶膠直徑，再將氣溶膠電離，電離形成的離子用質譜分析器進行檢測。具體的空氣動力學測量氣溶膠粒徑的方法及飛行時間質量分析器檢測離子的方法參閱文獻Mass Spectrometry of Aerosols，David T.Suessand Kimberly A.Prather，Chem.Rev.1999，99，3007-3035。單顆粒氣溶膠的線上電離通常採用雷射電離源，並以飛行時間質量分析器作為離子信號檢測器，為了同時監測一個顆粒中的正負離子，需要兩個飛行時間質量分析器。
由於氣溶膠是電中性顆粒，而電中性顆粒在真空中的傳輸無法用電子離子光學系統進行調製，傳輸距離越遠氣溶膠的檢測效率就越低。2005年12月前已有的設備中，氣溶膠的空氣動力學測徑距離一般為5～10厘米，離子源離測徑區還有另外的10～20厘米，因此氣溶膠的傳輸距離一般達到15～30厘米。這是由於在已有的設備中，電離源（雷射電離源）設定在飛行時間質量分析器中，氣溶膠需要進入飛行時間質量分析器內才能被電離，所以其傳輸距離相對較遠，由此產生了氣溶膠檢測效率較低的問題。同時由於在已有設備中雷射電離直接發生在飛行時間質量分析器中，電離產生的離子具有較大的初始動能分散，造成飛行時間質量分析器的質量解析度偏低，僅500左右。
發明內容
專利目的
《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》的目的在於克服提供一種結構合理的，可提高氣溶膠傳輸效率及電離命中率的，並可提高飛行時間質量分析器的質量解析度的單顆粒氣溶膠線上電離源。
《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》的另一目的在於提供上述單顆粒氣溶膠線上電離源的一種實現方法。
技術方案
《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》的目的通過下述技術方案實現：一種單顆粒氣溶膠線上電離源，設定于飛行時間質量分析器的加速區之外，包括電離雷射器、低壓射頻四極桿，所述電離雷射器發射的雷射束垂直於低壓射頻四極桿入射至低壓射頻四極桿的內切圓心，將到達內切圓心位置的氣溶膠電離。
所述電離雷射器發射的雷射束垂直於低壓射頻四極桿並於低壓射頻四極桿軸向的中心位置入射。
所述的低壓射頻四極桿是指在一定氣壓下的四極桿離子傳輸器。
所述低壓射頻四極桿具有四個方向的間隙，分別為氣溶膠的引入口、雷射測徑系統的次級測徑雷射入射口、次級散射光出射口和雷射電離系統的電離雷射入射口。
所述電離雷射器與雷射測徑系統的次級測徑光電倍增管相連線，電離雷射器的觸發脈衝由次級測徑光電倍增管的輸出信號提供。
所述低壓射頻四極桿的每根桿機械上由多節桿段組成，各節桿段之間設定有間隙以保證電絕緣，相鄰兩節桿段之間的間隙小於0.3毫米。
所述低壓射頻四極桿設定有軸向直流電場；所述雷射束垂直入射點對應的低壓射頻四極桿位置的直流電位設定為0伏，往低壓射頻四極桿方向相反的兩端直流電位分別增加及減少，形成軸向直流電場以保證正離子往負電壓端遷移，負離子往正電壓端遷移。
所述低壓射頻四極桿的各節桿段施加相同的射頻電壓以聚焦離子，所述射頻電壓和直流電壓由電感、電阻和電容耦合在一起。
所述低壓射頻四極桿位於一個腔體內，所述腔體內的氣體一般為化學穩定性良好的氣體，如：氦氣、氮氣、氬氣等；所述氣體的氣壓視待測試離子的大小設定在0.1帕～100帕之間的範圍。
該單顆粒氣溶膠線上電離源的飛行時間質量分析器為垂直引入式飛行時間質量分析器，所述垂直引入式飛行時間質量分析器設定有兩個，分別檢測正負離子。此外，如果對氣溶膠某成分的分子結構感興趣，可以在低壓射頻四極桿後連線串級質譜儀即可以提供串級分析。
該單顆粒氣溶膠線上電離源與空氣動力學測徑區連為一體，次級測徑雷射與電離雷射作用的位置相同，即在完成空氣動力學測徑的同時，進行電離。《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》涉及的氣溶膠空氣動力學測徑技術與2005年12月前技術相同。
為了使所有的離子得到檢測，正負離子可以分別在低壓射頻四極桿兩端累積幾十個微秒再送入垂直引入式飛行時間質量分析器。帶軸向場的低壓射頻四極桿原理與2005年12月前的技術相同，離子在四極桿兩端的累積技術與2005年12月前技術也相同。
一種利用上述單顆粒氣溶膠線上電離源實現的方法，其特徵在於：對單顆粒氣溶膠利用空氣動力學測徑後，在其進入飛行時間質量分析器的加速區之前，利用雷射將其電離成電漿，所產生的正負離子利用低壓射頻四極桿聚焦成相空間很小的離子束再送入飛行時間質量分析器中進行檢測。
利用低壓射頻四極桿設定的軸向直流電場使電離後產生的正負離子分開並分別向低壓射頻四極桿的兩端遷移（其中的正離子往低電位方向遷移，而負離子同時往高電位方向遷移），然後分別被不同的飛行時間質量分析器檢測。
利用空氣動力學測徑系統的第二個光電倍增管產生的脈衝即時觸發電離雷射器發出雷射脈衝，利用該雷射脈衝將單顆粒氣溶膠電離成電漿；由於測徑完成的同時立即發生電離，這樣可提高電離命中率。
《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》的作用原理是：設mi/q、Urf、ω、r0分別為離子質荷比、四極桿的射頻電壓、射頻頻率、四極桿內切圓半徑，四極桿對離開內切圓中心距離為r的離子形成一個有效位阱Ueff，其大小為
，選擇適當的參數，可以使得該有效位阱達到幾個甚至十幾電子伏特。因此《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》將傳統的氣溶膠電離區從高真空的飛行時間質量分析器移到低真空的氣溶膠傳輸區，並將電離發生在低壓射頻四極桿的中心，利用低壓射頻四極桿的位阱對離子的束縛和聚集作用，收集所有從氣溶膠中電離得到的離子，並聚焦成相空間很小的離子束再送到飛行時間質量分析器中。由於具有軸向電場，正負離子分別向低壓射頻四極桿兩端遷移得以分離，由於粒徑測量和電離在同一空間位置發生，提高了電離命中率，又由於氣溶膠的電離與離子質量檢測完全分離，離子源對分析器的影響減到最小，明顯提高了飛行時間質量分析器的質量解析度。
改善效果
《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》具有如下的優點及效果：（1）《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》將電離區與空氣動力學測徑區連為一體，空氣動力學測徑完成的同時將氣溶膠電離，最大程度地縮小了氣溶膠的漂移距離，明顯提高了傳輸效率和電離命中率。（2）隨著氣溶膠中被測成分分子量的增大，結構分析越來越重要，進行結構分析需要用到串級質譜技術，而傳統的單顆粒氣溶膠線上監測質譜技術不能達到此目的。由於《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》技術先將離子收集在射頻四極桿中，因而可以與串級質譜分析器聯用，所產生的離子可以被串級質譜檢測，為分子離子的結構分析提供了可能。（3）利用《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》可使得氣溶膠粒徑測量和電離在同一空間位置發生，並與離子質量檢測完全分離，同時利用低壓射頻四極桿預先減小離子束的相空間，可提高飛行時間質量分析器的質量解析度。
附圖說明
圖1是《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》裝置的結構示意圖。
圖2是圖1所示裝置的低壓射頻四極桿的直流偏置電壓和射頻電壓的耦合示意圖。
圖3是《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》方法的原理圖及脈衝時序圖。
技術領域
《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》涉及氣溶膠顆粒線上測量技術，特別涉及一種單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法。
權利要求
1、一種單顆粒氣溶膠線上電離源，其特徵在於：設定于飛行時間質量分析器的加速區之外，包括電離雷射器、低壓射頻四極桿，所述電離雷射器發射的雷射束垂直於低壓射頻四極桿入射至低壓射頻四極桿的內切圓心。
2、根據權利要求1所述的單顆粒氣溶膠線上電離源，其特徵在於：所述電離雷射器發射的雷射束垂直於低壓射頻四極桿並於低壓射頻四極桿軸向的中心位置入射。
3、根據權利要求1或2所述的單顆粒氣溶膠線上電離源，其特徵在於：所述低壓射頻四極桿具有四個方向的間隙，其中水平方向間隙分別為氣溶膠的引入口和電離雷射束的引入口，垂直方向的間隙分別為雷射測徑系統的次級測徑雷射束的引入口和次級散射雷射束的引出口。
4、根據權利要求1或2所述的單顆粒氣溶膠線上電離源，其特徵在於：所述電離雷射器與雷射測徑系統的次級測徑光電倍增管相連線，由其提供的脈衝觸發。
5、根據權利要求1或2所述的單顆粒氣溶膠線上電離源，其特徵在於：所述低壓射頻四極桿的每根桿由多節桿段組成，各節桿段之間設定有絕緣間隙，相鄰兩節桿段之間的絕緣間隙小於0.3毫米。
6、根據權利要求1或2所述的單顆粒氣溶膠線上電離源，其特徵在於：所述低壓射頻四極桿設定有軸向直流電場；所述雷射束垂直入射點對應的低壓射頻四極桿位置的直流電位設定為0伏，往低壓射頻四極桿方向相反的兩端直流電位分別增加及減少，形成軸向直流電場；所述低壓射頻四極桿的各節桿段施加相同的射頻電壓，所述射頻電壓和直流電壓由電阻和電容耦合在一起。
7、根據權利要求1或2所述的單顆粒氣溶膠線上電離源，其特徵在於：所述飛行時間質量分析器為垂直引入式飛行時間質量分析器或串級質譜分析器。
8、一種利用權利要求1～7任一項所述的單顆粒氣溶膠線上電離源實現的方法，其特徵在於：對單顆粒氣溶膠利用空氣動力學測徑後，在其進入飛行時間質量分析器的加速區之前，利用電離雷射將其電離成電漿，所產生的正負離子利用低壓射頻四極桿聚焦成相空間很小的離子束再送入垂直引入式飛行時間質量分析器中。
9、根據權利要求8所述的利用單顆粒氣溶膠線上電離源實現的方法，其特徵在於：利用低壓射頻四極桿設定的軸向直流電場使電離後產生的正負離子分開並分別向低壓射頻四極桿的兩端遷移，然後分別被不同極性的垂直引入式飛行時間質量分析器檢測。
10、根據權利要求8所述的利用單顆粒氣溶膠線上電離源實現的方法，其特徵在於：利用空氣動力學測徑系統的次級光電倍增管產生的脈衝即時觸發電離雷射器產生電離雷射脈衝將單顆粒氣溶膠電離成電漿。
實施方式
- 實施例
圖1～圖3示出了《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》裝置的具體結構，由圖1可見，該單顆粒氣溶膠線上電離源包括儀器真空腔體1、氣溶膠進樣器2、低壓射頻四極桿3及四極桿腔體4、雷射測徑及雷射電離系統以及同時檢測正、負離子的垂直引入式飛行時間質量分析器5、6；7為由氣溶膠進樣器2引入的氣溶膠；低壓射頻四極桿3位於四極桿腔體4內，所述四極桿腔體內的氣體一般為純度高於99.99％的化學穩定性良好的氣體，如：氦氣、氮氣、氬氣等氣體或其它惰性氣體；所述氣體的氣壓視待測試離子的大小設定在0.1帕～100帕之間的範圍。
如圖3所示，低壓射頻四極桿3具有四個方向的間隙，其中水平方向的兩個間隙分別為氣溶膠7的引入口和電離雷射束19的引入口；垂直方向的上、下兩個方向的間隙分別為雷射測徑系統的次級測徑雷射17的入射口和次級散射光21的測量口；電離雷射器18發射的電離雷射束19垂直於低壓射頻四極桿3，並於低壓射頻四極桿3軸向的中心位置入射至低壓射頻四極桿3的內切圓心，電離雷射器18與次級測徑光電倍增管20相連線，由其提供的脈衝觸發；低壓射頻四極桿3的兩端分別與垂直引入式飛行時間質量分析器5、6相連線。
所述低壓射頻四極桿3的每根桿機械上由多節桿段8組成，具體結構如圖2（a）所示，各節桿段8之間設定有間隙以保證電絕緣，相鄰兩節桿段8之間的間隙小於0.3毫米；在相鄰兩節桿段8之間並聯設定有電阻9和電容10；各節桿段8所加的射頻電壓和直流偏置電壓由電阻9和電容10耦合在一起，直流偏置負電壓加在節點11上，直流偏置正電壓加在節點12上，其它各節直流偏置電壓由電阻9分壓形成，而射頻電壓加在節點13上，並由電容10傳到各節桿段，因而各節桿段所加的射頻電壓相同。圖2（b）所示為低壓射頻四極桿3沿軸向的直流偏置電位分布，中心位置電壓為0伏，左端節點12設定正電位以吸引負離子，右端節點11設定負電位以吸引正離子，往低壓射頻四極桿方向相反的兩端直流電位分別增加及減少，形成軸向直流電場，兩端的電位差Δv可以控制離子的遷移速率。
圖3（a）為氣溶膠顆粒的測徑及電離過程示意圖，如圖3（a）所示，雷射測徑及雷射電離系統的測徑雷射器14、16處於常開狀態並發出雷射束15、17。從大氣中被氣溶膠進樣器2引入的氣溶膠7經過雷射束15、17所產生的散射光束21、23分別被光電倍增管20、22記錄，並產生兩個有一定時間間隔t的電脈衝24、25，如圖3（b）所示，根據兩脈衝的時間間隔t及兩束雷射15、17的空間距離l可以計算出氣溶膠的漂移速度v＝l/t，通過校正氣溶膠的漂移速度與顆粒直徑的關係可以測出氣溶膠的空氣動力學直徑。光電倍增管20記錄到的氣溶膠到達脈衝25作為電離雷射器18的觸發脈衝26，即當氣溶膠到達低壓射頻四極桿3內切圓心位置時，施加電離雷射脈衝19，將氣溶膠電離。在電離雷射脈衝19的作用下，氣溶膠被電離產生電漿，其中的正離子往低電位方向（圖2（a）中的節點11端）遷移，而負離子同時往高電位方向（圖2（a）中的節點12端）遷移，最後分別被垂直引入式飛行時間質量分析器5、6檢測。
由於《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》裝置中，離子的產生與離子的質量檢測完全分離，所產生的離子可以送到任何質譜分析器中進行分析。將《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》裝置與串級質譜分析器聯用，即可進行氣溶膠成分的結構分析。
榮譽表彰
2018年12月20日，《單顆粒氣溶膠線上電離源及其實現方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
