一种高电子利用率低能电离装置、质谱系统及方法
技术领域
[0001] 本
发明实施例涉及质谱技术领域，尤其涉及一种高电子利用率低能电离装置、质谱系统及方法。
背景技术
[0002] 质谱是研究物质基本组成、结构特征、物理和化学性质最基本的仪器之一，是生命科学、材料科学、
食品安全、环境保护等领域的必备仪器，是现代分析仪器的核心。伴随着石化、电
力、
冶金、
煤化工等行业的发展，流程工业在线气体监测与控制技术要求越来越高，实时、快速、准确地获取过程气体组分的数据是
对流程工艺实施高效控制的关键。受应用技术的限制，传统流程工业气体组分的分析一般采用色谱分析系统。色谱分析系统虽然能满足工艺控制的部分要求，但也存在明显不足，如分析速度慢、无法实时在线、通用性差等。此外，一些实时监测技术，如
光谱、质谱技术也在流程工业气体分析中得到应用。其中，在线过程气体质谱分析仪较光谱分析仪具有灵敏度高、广谱非特异性、可同时多通道检测等特点，在流程工业的在线气体分析中具有更大的潜力和更广阔的发展空间。
[0003] 在线过程气体质谱分析仪多采用硬电离源，即70eV的电子轰击电离源。通过具有70eV的电子束轰击待测气体分子实现其电离，由于电离能远高于待测气体组分的第一电离能，因此过剩的
能量会引起分子多个键的断裂或分子重排，在产生分子离子的同时，还会产生大量的碎片离子。当多组分待测气体，在不经过分离，而直接进样的时候，各种组分的大量碎片离子在谱图上就会出现相互重叠的情况，如图8所示，而重叠的谱峰会增加定量检测的难度。软电离技术可以降低或避免碎片重叠峰的问题，但是，传统的软电离技术如化学电离源需要使用电离缓冲气，如甲烷，而甲烷在流程工业中通常为待测气体，因此，化学电离源不适合用于在线过程气体质谱。此外，另一种软电离源——紫外光电离源，其电子能量恒定，如常用的10.6eV，它不能对电离能高于该值的物质进行电离，因此，也具有一定的
缺陷。
此外，目前过程质谱所用的电子轰击电离源多采用在电离室上开一道狭缝的方式供电子进入电离室，但是，采用该种方式，大量电子都直接打到电离室外壁上而不能进入电离室内部用于气体分子的电离，因此，其电子利用率较低。
[0004] 综上所述，如何在分析气体成分的过成中尽可能减少碎片离子，进而达到检测过程中的色谱分离效果，同时又能够提高电离过程中的电子利用率就成为业界亟待解决的问题。
发明内容
[0005] 针对
现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种高电子利用率低能电离装置、质谱系统及方法。
[0006] 一方面，本发明实施例提供了一种高电子利用率低能电离装置，包括：电离室、电子入射栅网及低能
电场组件；所述电离室，位于所述电子入射栅网内侧，用于容纳待测物分子与电子，所述电子轰击所述待测物分子进行电离；所述电子入射栅网，安装在所述电离室与所述低能电场组件之间，用于提高电子利用率；所述低能电场组件，安装在所述电子入射栅网外侧，用于生成低能电场。
[0007] 另一方面，本发明实施例提供了一种质谱系统，包括：进样口、离子推斥极、离子源加热器、离子源
温度传感器、离子源磁
铁、离子整形传送装置、四极杆组件、四极杆套筒、离子接收放大装置、
真空腔体、真空馈通
法兰、分子
泵、真空规及
前级泵；所述进样口，安装在所述电离室侧面，用于通入待测物气体分子；所述离子推斥极，安装在所述电离室侧面，用于将所述电离室中产生的离子推向所述离子整形传送装置；所述离子源加热器，套接在所述离子推斥极上，用于对所述电离室进行加热；所述离子源温度传感器，安装在所述电离室外侧，用于测量所述电离室的温度；所述离子源
磁铁，安装在所述电子推斥极的外侧，用于增加电子的运动路径；所述离子整形传送装置，安装在紧靠所述电离室的离子出射孔的
位置，用于对离子进行整形，并将整形后的离子发送至所述四极杆组件；所述四极杆组件，紧靠所述离子整形传送装置安装，用于筛选离子，并将筛选的离子发送至所述离子接收放大装置；所述四极杆套筒，包裹在所述四极杆组件周围，用于固定所述四极杆组件；所述离子接收放大装置，安装在所述四极杆套筒尾部，用于接收离子并将离子流放大为电子流，然后将电子流发送至质谱图成像设备获取质谱图；所述真空腔体，位于所述质谱系统的最外部，用于为所述质谱系统提供真空环境；所述真空馈通法兰，安装在所述真空腔体前后两端，用于密封所述真空腔体并固定供电
电极，所述供电电极为相应部件引入电源和输出
信号；所述分子泵，密封固定在所述真空腔体侧面，用于
抽取所述真空腔体中的气体；所述真空规，密封固定在所述真空腔体侧面，用于监测所述真空腔体的真空度；所述前级泵，通过输气管与所述分子泵连接，用于为所述分子泵提供预抽真空。
[0008] 最后，本发明实施例还提供了一种质谱方法，包括：确定待分析气体的最终分析电离能；在所述最终分析电离能下，将所述待分析气体通入本发明中的任一质谱系统，得到所述待分析气体的质谱图。
[0009] 本发明实施例提供了一种高电子利用率低能电离装置、质谱系统及方法，通过引入电子入射栅网并调整形成低能电场，可以有效减少待测物分子产生的碎片离子并提高电子利用率，从而在气体成分的检测中不需要再借助色谱。
附图说明
[0010] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
[0011] 图1是本发明实施例中高电子利用率低能电离装置的结构示意图；
[0012] 图2是本发明实施例中电子入射栅网结构示意图；
[0013] 图3是本发明实施例中电子利用率示意图；
[0014] 图4是本发明实施例中质谱系统结构示意图；
[0015] 图5是本发明实施例中四极杆组件结构示意图；
[0016] 图6是本发明实施例中质谱方法的实现
流程图；
[0017] 图7是本发明实施例中二
氧化
碳分析电离能选取示意图；
[0018] 图8是现有技术中高能电场下待测物分子电离后质谱图；
[0019] 图9是本发明实施例中低能电场下产生的质谱图。
具体实施方式
[0020] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
[0021] 本发明的实施例提供了一种高电子利用率低能电离装置、质谱系统及方法。参见图1，图1是本发明实施例中高电子利用率低能电离装置的结构示意图，包括：
[0022] 电离室101、电子入射栅网104、电子入射栅网105、电子推斥极102、
灯丝103、电子推斥极107及灯丝106，其中一个低能电场组件包括电子推斥极102与灯丝103，另一个低能电场组件包括电子推斥极107与灯丝106；
[0023] 所述电离室101，位于所述电子入射栅网104及电子入射栅网105内侧，用于容纳待测物分子与电子，所述电子轰击所述待测物分子进行电离；
[0024] 所述电子入射栅网104，安装在所述电离室101与所述低能电场组件(即，电子推斥极102与灯丝103)之间，用于提高电子利用率；
[0025] 所述电子入射栅网105，安装在所述电离室101与所述低能电场组件(即，电子推斥极107及灯丝106)之间，用于提高电子利用率；
[0026] 电子推斥极107及灯丝106(低能电场组件)，安装在电子入射栅网105外侧，用于生成低能电场，所述低能电场
电压绝对值的范围包括：5V至70V，步长为0.1V；
[0027] 电子推斥极102及灯丝103(低能电场组件)，安装在电子入射栅网104外侧，用于生成低能电场。所述低能电场电压绝对值的范围包括：5V至70V，步长为0.1V。
[0028] 所述灯丝103，安装在所述电子入射栅网104外侧，位于所述电子入射栅网104及所述电子推斥极102之间，用于发射电子；
[0029] 所述灯丝106，安装在所述电子入射栅网105外侧，位于所述电子入射栅网105及所述电子推斥极107之间，用于发射电子；
[0030] 所述电子推斥极102，安装在紧靠灯丝103的外侧，用于接入上浮电压，所述上浮电压与所述电子入射栅网104之间的电压差形成低能电场。所述低能电场电压绝对值的范围包括：5V至70V，步长为0.1V；
[0031] 所述电子推斥极107，安装在紧靠灯丝106的外侧，用于接入上浮电压，所述上浮电压与所述电子入射栅网105之间的电压差形成低能电场。所述低能电场电压绝对值的范围包括：5V至70V，步长为0.1V。
[0032] 参见图2，图2是本发明实施例中电子入射栅网结构示意图，包括：椭圆形栅网口201。根据具体情况，栅网口的形状可以调整为矩形，圆形等形状，但并不局限于这些形状。
[0033] 参见图3，图3是本发明实施例中电子利用率示意图，包括：
[0034] 电子通过本发明电子入射栅网情况301及电子通过现有技术中缝隙情况302。由图中可见，本发明采用的电子入射栅网明显提高了电子的利用率。
[0035] 参见图4，图4是本发明实施例中质谱系统结构示意图，包括：
[0036] 进样口401、离子推斥极402、离子源加热器403、离子源温度传感器404、电离室405、电子入射栅网406、灯丝407、电子推斥极408、离子源磁铁409、离子拉出透镜410、离子聚焦透镜411、离子逐出透镜412、四极杆组件413、四极杆套筒414、
电子倍增器415、法拉第杯416、真空腔体417、真空馈通法兰418、真空馈通法兰419、分子泵420、真空规421及前级泵
422。离子整形传送装置包括离子拉出透镜410、离子聚焦透镜411及离子逐出透镜412。离子接收放大装置包括电子倍增器415及法拉第杯416。
[0037] 所述进样口401，安装在所述电离室405侧面，用于通入待测物气体分子；
[0038] 所述离子推斥极402，安装在所述电离室405侧面，用于将所述电离室405中产生的离子推向所述离子整形传送装置；
[0039] 所述离子源加热器403，套接在所述离子推斥极402上，用于对所述电离室405进行加热；
[0040] 所述离子源温度传感器404，安装在所述电离室405外侧，用于测量所述电离室405的温度；
[0041] 所述离子源磁铁409，安装在所述电子推斥极408的外侧，用于增加电子的运动路径；
[0042] 所述离子整形传送装置，安装在紧靠所述电离室405的离子出射孔的位置，用于对离子进行整形，并将整形后的离子发送至所述四极杆组件413；
[0043] 所述四极杆组件413，紧靠所述离子整形传送装置安装，用于筛选离子，并将筛选的离子发送至所述离子接收放大装置；
[0044] 所述四极杆套筒414，包裹在所述四极杆组件413周围，用于固定所述四极杆组件413；
[0045] 所述离子接收放大装置，安装在所述四极杆套筒414尾部，用于接收离子并将离子流放大为电子流，然后将电子流发送至质谱图成像设备获取质谱图；
[0046] 所述真空腔体417，位于所述质谱系统的最外部，用于为所述质谱系统提供真空环境；
[0047] 所述真空馈通法兰418，安装在所述真空腔体417前端，用于密封所述真空腔体417并固定供电电极，所述供电电极为相应部件引入电源和
输出信号；
[0048] 所述真空馈通法兰419，安装在所述真空腔体417后端，用于密封所述真空腔体417并固定供电电极，所述供电电极为相应部件引入电源和输出信号；
[0049] 所述分子泵420，密封固定在所述真空腔体417侧面，用于抽取所述真空腔体417中的气体；
[0050] 所述真空规421，密封固定在所述真空腔体417侧面，用于监测所述真空腔体417的真空度；
[0051] 所述前级泵422，通过输气管与所述分子泵420连接，用于为所述分子泵420提供预真空；
[0052] 离子接收放大装置包括：电子倍增器415及法拉第杯416；
[0053] 所述电子倍增器415，安装在所述四极杆套筒414尾部，用于接收离子并将离子流放大为电子流，然后将电子流发送至质谱图成像设备获取质谱图；
[0054] 所述法拉第杯416，与所述电子倍增器415并列安装在所述四极杆套筒414尾部，作为所述电子倍增器415的接收极，还用于接收离子并将离子流发送至质谱图成像设备获取质谱图；
[0055] 离子整形传送装置包括：离子拉出透镜410、离子聚焦透镜411及离子逐出透镜412；
[0056] 所述离子拉出透镜410，紧靠所述电离室405的离子出射孔安装，用于接收离子并将离子拉出所述电离室405，并将离子发送至所述离子聚焦透镜411；
[0057] 所述离子聚焦透镜411，紧靠所述离子拉出透镜410安装，用于对离子进行聚焦，并将离子发送至所述离子逐出透镜412；
[0058] 所述离子逐出透镜412，紧靠所述离子聚焦透镜411安装，用于逐出离子，并将离子发送至所述四极杆组件413。
[0059] 参见图5，图5是本发明实施例中四极杆组件结构示意图，包括：
[0060] 平行杆501、平行杆502、平行杆503及平行杆504；
[0061] 平行杆501～平行杆504上带有直流电压和
叠加的射频电压，相对的平行杆(如，平行杆502和平行杆504)电压极性相同，相邻的平行杆(如，平行杆501和平行杆503)电压极性相反，平行杆501～平行杆504用于筛选离子，并将筛选出的离子发送至离子接收放大装置。
[0062] 参见图6，图6是本发明实施例中质谱方法的实现流程图，包括：
[0063] S601：确定待分析气体的最终分析电离能。其中，所述待分析气体包括若干种气体，如二氧化碳、氧气及氮气等。所述确定待分析气体的最终分析电离能，具体包括：
[0064] 对所述待分析气体中的每种气体，选取碎片离子峰消失
临界点的最大电离能作为所述每种气体的分析电离能；
[0065] 选取所述每种气体的分析电离能中最低的分析电离能作为所述待分析气体的最终分析电离能。
[0066] S602：在所述最终分析电离能下，将所述待分析气体通入本发明中的任一质谱系统，得到所述待分析气体的质谱图。
[0067] 参见图7，图7是本发明实施例中二氧化碳分析电离能选取示意图，包括：
[0068] 二氧化碳碎片离子峰701、临界点的电离能702、质荷比(m/z)轴、电离能(ev)轴及CO2信号相对强度(％)轴。由图中可见，在临界点的电离能702(24eV)处，二氧化碳碎片离子峰701几乎消失，所以选取24eV为二氧化碳的分析电离能。
[0069] 本发明采用了能量较低的电场，与传统高能电场相比，具有电离后碎片离子数量较少的优势。在混合气体中，过多的气体碎片离子会在谱图上出现相互重叠的情况，从而增加混合气体成分定量检测的难度。参见图8，图8是现有技术中高能电场下待测物分子电离后质谱图，包括：
[0070] 示例
质量柱801、二氧化碳、氖气、
水、氮气、氩气、
一氧化碳、氧气、氢气、质量(m)轴及相对强度(％)轴。由图中可见，在示例质量柱801上，叠加了二氧化碳、氮气及一氧化碳三种气体，也有类似情况的其他质量柱存在。因此，现有技术如果不加入色谱技术是无法检测气体的成分的。
[0071] 参见图9，图9是本发明实施例中低能电场下产生的质谱图，包括：
[0072] 最终分析电离能70eV下质谱图901、最终分析电离能22eV下质谱图902、质量(m)轴及相对强度(％)轴。对比最终分析电离能70eV下质谱图901与最终分析电离能22eV下质谱图902可以知道，在70eV分析电离能下有较多的气体分子在电子轰击时形成了碎片离子。例如，在最终分析电离能22eV下质谱图902中，质量为44的气体相对强度明显高于最终分析电离能70eV下质谱图901中质量为44的气体相对强度。这是因为，在高能电场下有部分质量为44的气体分子在接收电子轰击时发生了分子内部键断裂，形成了质量为28和16的碎片离子。由此可知，低能电场下的质谱图中碎片离子较少，在分析混合气体成分时不用引入色谱分析。
[0073] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
