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一种用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪

阅读：578发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出一种用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪，包括进样系统、离子迁移管、正负离子检测快速切换模块、离子信号分析与处理模块、挥发性有机物快速识别模块和挥发性有机物浓度计算模块。当挥发性有机物经进入离子迁移管后，正负离子检测快速切换模块选择检测模式，并在大于一个采样周期内完成相应检测模式检测，并对检测物质进行识别和浓度计算，随后正负离子检测快速切换模块在250毫秒内把检测模式切换到相反极性，完成相反极性离子的检测、识别和浓度测量，从而实现挥发性有机物的实时在线监测。利用本发明技术，挥发性有机物的快速定性识别更加全面、准确，可进行定量检测，实现挥发性有机物的实时在线监测。，下面是一种用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪，其特征在于：它由进样系统(1)、离子迁移管(2)、正负离子检测快速切换模块(3)、离子信号分析与处理模块(4)、挥发性有机物快速识别模块(5)和挥发性有机物浓度计算模块(6)组成；离子迁移管(2)包括电离源(7)、反应区(8)、离子门(9)、离子迁移区(10)和离子信号探测单元(11)，正负离子检测快速切换模块(3)选择正离子或负离子检测模式，挥发性有机物分子经进样系统(1)进入离子迁移管(2)的反应区(8)后，和电离源(7)产生的反应离子在反应区(8)发生离子-分子反应，得到带正电荷或负电荷的产物离子，并汇聚在离子门(9)前；当离子门开启时，产物离子以脉冲形式进入离子迁移区(10)，并在电场作用下到达离子迁移管(2)的离子信号探测单元(11)，产生脉冲电信号，离子信号分析与处理模块(4)对这些电信号处理后，挥发性有机物快速识别模块(5)再对上述信号进行快速识别，并将识别数据传输到挥发性有机物浓度计算模块(6)，挥发性有机物浓度计算模块(6)用于计算检测到的挥发性有机物的浓度，并跟踪挥发性有机物的浓度随时间的变化情况，正负离子检测快速切换模块(3)切换到相反极性检测模式，其对应离子也被检测、识别和计算浓度，从而完成挥发性有机物的实时在线监测。
2.根据权利要求1所述的用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪，其特征在于：所述离子迁移管(2)的电离源(7)可以为光电离电离源、放射性电离源、电晕放电电离源、等离子体电离源、电喷雾电离源或薄膜型电离源。
3.根据权利要求1所述的用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪，其特征在于：所述的离子迁移管(2)的离子门(9)可以为Bradbury-Nielson型，也可以是Tyndall-Powell型离子门。
4.根据权利要求1所述的用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪，其特征在于：所述的正离子或负离子快速切换检测模式，是在同一个迁移管内利用正负离子检测快速切换模块(3)和同一套数据分析采集系统来完成的，即：离子迁移管(2)在大于一个离子迁移谱的采样周期内先完成正离子或负离子检测，然后正负离子检测快速切换模块(3)在
250毫秒内，也就是在约等于10个离子迁移谱的采样周期的时长内把检测模式切换到相反极性，完成相反极性离子的检测，极性转换时，采用内嵌保护电路，有效避免了数千伏高压在极短时间内的极性转换给离子迁移谱数据采集系统带来的安全隐患，同时，250毫秒内的电源极性切换，也最大限度地降低了信号损失，确保离子迁移谱仪器的检测灵敏度。
5.根据权利要求1所述的用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪，其特征在于：所述的挥发性有机物快速识别模块(5)接受到离子信号分析与处理模块(4)传输来的离子信号后，结合离子的迁移时间等特征，对其进行快速识别，并将识别结果送入挥发性有机物浓度计算模块(6)做进一步处理。
6.根据权利要求1所述的用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪，其特征在于：所述的挥发性有机物浓度计算模块(6)对挥发性有机物快速识别模块(5)送入的识别信号进行浓度计算，获得不同挥发性有机物的浓度数据，并跟踪浓度随时间的变化情况，实现挥发性有机物的实时在线监测。
7.根据权利要求1所述的用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪，其特征在于：利用这种正负离子同时检测的挥发性有机物实时在线监测离子迁移谱技术，挥发性有机物的快速定性识别更加全面、准确，结合浓度计算，可进行定量检测，实现挥发性有机物的实时在线监测。

说明书全文

一种用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪

技术领域

[0001] 本发明属于分析仪器与检测领域，具体涉及一种用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪。

背景技术

[0002] 离子迁移谱是利用大气压下离子在电场中迁移速度的差异，实现对离子的快速分离和探测，具有结构简单、探测灵敏度高、响应速度快等特点，广泛应用于爆炸物、毒品和化学战剂等危害危险品的现场快速定性检测，据统计，目前在全球机场、海关等地运行的离子迁移谱检测设备达数十万台。除公共安全领域外，离子迁移谱也被应用于其他领域，如食品的纯度检测、环境污染物检测、制药工业中的质量控制和病人呼气中生物标志物查找等。然而这些应用大都集中于目标物的定性分析，极大地限制了离子迁移谱技术的应用范围。

[0003] 挥发性有机物在离子迁移谱中的信号响应和他们的化学性质紧密关联，电负性高的分子往往形成负离子，而质子亲和势高的分子容易产生正离子，所以仅检测一种极性的离子，容易导致检测不全面，无法准确获得环境中挥发性有机物的真实分布状态；而某些正负离子切换检测技术，正负离子检测模式切换时需要的时间过长，易导致信号丢失，降低了离子迁移谱的检测灵敏度，得到的浓度数据也不准确。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题为：针对离子迁移谱在实时在线应用中局限于定性检测，单一极性离子检测结果不全面，及正负离子切换时间过长造成的信号损失导致检测灵敏度降低等现象，提出一种用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪，即通过正负离子检测快速切换模块，利用同一个迁移管和同一套数据采集分析系统，实现挥发性有机物的正负离子快速在线检测，通过挥发性有机物识别模块和浓度计算模块，对挥发性有机物进行定性和定量检测，最终实现挥发性有机物的实时在线监测，正负离子快速切换模式可最大限度减少离子信号损失，确保离子迁移谱仪器的检测灵敏度，进一步拓宽离子迁移谱的应用范围的同时提高常规正负离子切换检测模式的灵敏度。

[0005] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

[0006] 一种用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪，它由进样系统、离子迁移管、正负离子检测快速切换模块、离子信号分析与处理模块、挥发性有机物快速识别模块和挥发性有机物浓度计算模块组成；离子迁移管包括电离源、反应区、离子门、离子迁移区和离子信号探测单元；正负离子检测快速切换模块选择正离子或负离子检测模式，挥发性有机物分子经进样系统进入离子迁移管的反应区后，和电离源产生的反应离子在反应区发生离子-分子反应，得到带正电荷或负电荷的产物离子，并汇聚在离子门前；当离子门开启时，产物离子以脉冲形式进入离子迁移区，并在电场作用下到达离子迁移管的离子信号探测单元，产生脉冲电信号，离子信号分析与处理模块对这些电信号处理后，挥发性有机物快速识别模块再对上述信号进行快速识别，并将识别数据传输到挥发性有机物浓度计算模块，计算模块用于计算检测到的挥发性有机物的浓度，并跟踪挥发性有机物的浓度随时间的变化情况，正负离子检测快速切换模块切换到相反极性检测模式，其对应离子也被检测、识别和计算浓度，从而完成挥发性有机物的实时在线监测。

[0007] 进一步地，所述离子迁移管的电离源可以为光电离电离源、放射性电离源、电晕放电电离源、等离子体电离源、电喷雾电离源或薄膜型电离源。

[0008] 进一步地，所述的离子迁移管的离子门可以为Bradbury-Nielson型，也可以是Tyndall-Powell型离子门。

[0009] 进一步地，所述的正离子或负离子快速切换检测模式，是在同一个迁移管内利用正负离子检测快速切换模块和同一套数据分析采集系统来完成的，即：离子迁移管在大于一个离子迁移谱的采样周期内先完成正离子或负离子检测，然后正负离子检测快速切换模块在250毫秒内，也就是在约等于10个离子迁移谱的采样周期的时长内把检测模式切换到相反极性，完成相反极性离子的检测；极性转换时，采用内嵌保护电路，有效避免了数千伏高压在极短时间内的极性转换给离子迁移谱数据采集系统带来的安全隐患，同时，250毫秒内的电源极性切换，也最大限度地降低了信号损失，确保离子迁移谱仪器的检测灵敏度。

[0010] 进一步地，所述的挥发性有机物快速识别模块接受到离子信号分析与处理模块传输来的离子信号后，结合离子的迁移时间等特征，对其进行快速识别，并将识别结果送入浓度计算模块做进一步处理。

[0011] 进一步地，所述的挥发性有机物浓度计算模块对挥发性有机物快速识别单元送入的识别信号进行浓度计算，获得不同挥发性有机物的浓度数据，并跟踪浓度随时间的变化情况，实现挥发性有机物的实时在线监测。

[0012] 进一步地，利用这种正负离子同时检测的挥发性有机物实时在线监测离子迁移谱技术，挥发性有机物的快速定性识别更加全面、准确，结合浓度计算，可进行定量检测，实现挥发性有机物的实时在线监测。

[0013] 在本发明的一个实施例中，所述电离源，采用的是电晕放电电离源，探测的离子为苯离子。

[0014] 在本发明的一个实施例中，所述离子门，采用的是Bradbury-Nielson型离子门。

[0015] 在本发明的一个实施例中，所述正负离子检测快速切换模块，先执行挥发性有机物苯的正离子检测模式，然后执行负离子检测模式。

[0016] 在本发明的一个实施例中，所述的挥发性有机物浓度识别模块通过识别信号峰的迁移时间，将检测物识别为挥发性有机物苯。

[0017] 在本发明的一个实施例中，所述的挥发性有机物浓度计算模块根据苯离子的信号强度，计算其对应浓度，并跟踪其浓度随时间的变化情况，实现挥发性有机物苯的实时在线监测。

[0018] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0019] (1)本发明是一种用于挥发性有机物实时在线监测离子迁移谱仪，结合正负离子同时检测、离子信号的智能识别以及浓度计算模块，可实现挥发性有机物的实时在线定性识别和定量检测，满足不同场合挥发性有机物的实时监测和预警。

[0020] (2)本发明利用正负离子检测快速切换模块可实现环境中物质的正负离子同时检测。这种检测模式，对于正负离子都能检测的挥发性有机物而言，正负离子同时检测，定性更准确；对于只有一种检测模式响应的挥发性有机物来说，正负离子同时检测可避免漏检，检测结果更全面，可获取环境中挥发性有机物的真实分布。

[0021] (3)本发明利用正负离子检测快速切换模块，正负离子检测模式切换时，切换时间小于250毫秒。快速切换时，内嵌保护电路，有效避免了数千伏高压在极短时间内的极性转换给离子迁移谱数据采集系统带来的安全隐患；同时，极短时间的极性切换，也最大限度地降低了信号损失，确保离子迁移谱仪器的检测灵敏度。附图说明

[0022] 图1为本发明的用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪结构示意图。

[0023] 图2为离子迁移谱正负离子检测快速切换模式检测挥发性有机物苯的离子迁移谱图，图2(a)为正离子检测模式检测苯，图2(b)为负离子检测模式检测苯。

[0024] 图3为苯的正负离子监控模式，其中，图3(a)为监控苯正离子随时间变化，图3(b)为监控苯负离子随时间变化。

[0025] 图中附图标记含义为：1为进样系统，2为离子迁移管，3为正负离子检测快速切换模块，4为离子信号分析与处理模块，5挥发性有机物快速识别模块，6为挥发性有机物浓度计算模块，7为电离源，8为反应区，9为离子门，10为离子迁移区，11为离子信号探测单元。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图，以挥发性有机物苯为代表，电晕放电离子迁移谱检测苯的正负离子快速切换检测及其浓度随时间变化的监测为例变换离子迁移谱仪为例对本发明的具体实施方式进行详细阐述。

[0027] 如图1所示，一种用于挥发性有机物实时在线监测的离子迁移谱仪，它由进样系统1、离子迁移管2、正负离子检测快速切换模块3、离子信号分析与处理模块4、挥发性有机物快速识别模块5和挥发性有机物浓度计算模块6组成；离子迁移管2包括电离源7、反应区8、离子门9、离子迁移区10和离子信号探测单元11。正负离子检测快速切换模块3首先选择正离子或负离子检测模式，然后，挥发性有机物分子经进样系统1进入离子迁移管2的反应区8后，和电离源7产生的反应离子在反应区8发生离子-分子反应，得到带正电荷或负电荷的产物离子，并汇聚在离子门9前；当离子门开启时，产物离子以脉冲形式进入离子迁移区10，并在电场作用下到达离子迁移管2的离子信号探测单元11，产生脉冲电信号，离子信号分析与处理模块4对这些电信号处理后，挥发性有机物快速识别模块5再对上述信号进行快速识别，并将识别数据传输到挥发性有机物浓度计算模块6，计算检测到的挥发性有机物的浓度，并跟踪挥发性有机物的浓度随时间的变化情况。随后，正负离子检测快速切换模块3切换到相反极性检测模式，其对应离子也被检测、识别和计算浓度，从而完成挥发性有机物的实时在线监测。利用这种正负离子同时检测的挥发性有机物实时在线监测离子迁移谱技术，挥发性有机物的快速定性识别更加全面、准确，结合浓度计算，可进行定量检测，实现挥发性有机物的实时在线监测。

[0028] 实验过程中采用注射泵进样，将挥发性有机物苯的饱和蒸汽稀释到一定的浓度后，注入到离子迁移谱的反应区，发生如下分子-离子反应：

[0029] 正离子检测模式:

[0030] 负离子检测模式:

[0031] 当正负离子检测快速切换模块选择正离子检测模式时，得到的谱图如图2(a)所示，紧接着，正负离子检测快速切换模块迅速切换到负离子检测模式，获得如图2(b)谱图。挥发性有机物快速识别模块通过其内部嵌入的寻峰顺序，把每个离子峰对应的迁移时间找出来，并和其数据库进行对比匹配，结果显示：P1对应的是正离子检测模式的反应离子峰，P2对应的是苯的正离子峰，而P3对应的是负离子检测模式的反应离子峰，P4对应的是苯的负离子峰。这种检测模式，对于正负离子都有响应的挥发性有机物，正负离子同时检测，定性更准确，而对于只对一种检测模式响应的挥发性有机物，正负离子同时检测，可确保不漏检，使检测更全面。

[0032] 挥发性有机物快速识别模块把识别结果、峰面积等数据传送到挥发性有机物浓度计算模块，该模块根据苯的正离子浓度计算公式：

[0033] Y1＝0.1642×X1 (1)

[0034] 或苯的负离子浓度计算公式：

[0035] Y2＝0.7260×X2 (2)

[0036] 其中，Y1、Y2分别是苯的正负离子检测模式计算得到的苯的浓度，单位是ppbv，X1、X2分别为苯的正负离子信号峰的面积，计算可得Y1为330.2ppbv，Y2为331.3ppbv，两者非常接近，这个结果一方面证明了检测方式的可靠性和一致性，也说明了正负离子同时检测在切换过程中并没用发生明显的信号丢失。

[0037] 随后，挥发性有机物浓度计算模块可跟踪挥发性有机物苯的浓度随时间变化的情况，如图3(a)和图3(b)所示，当注射泵尚未开始工作时，此时苯的正负离子信号均为0；当注射泵开启后，苯的正负离子信号开始增强，当苯正负离子信号稳定时，他们的浓度均约为330pptv，说明了正负离子监控结果的一致性。如图3所示，随着注射泵周期性开启和关闭，苯的浓度也随着时间发生周期性变化，这样就可实现挥发性有机物的实时在线监测。

[0038] 以上实例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

[0039] 本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。

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