阅读说明：本技术 用于小型质谱仪的大气压电弧离子源及其检测方法 (Atmospheric pressure electric arc ion source for small mass spectrometer and detection method thereof ) 是由 欧阳证 李柠汐 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于小型质谱仪的大气压电弧离子源及其检测方法,离子源包括离子源主体和电源,电源包括电源主体和连接导线,用于为离子源主体提供电能；离子源主体包括放电电极、绝缘外壳和绝缘保护；放电电极用于产生放电电弧,绝缘外壳包裹在放电电极外部,且不包裹放电电极的两端,绝缘外壳用于防止包裹位置的放电电极放电；放电电极包括第一放电电极和第二放电电极；放电电极的一端通过连接导线与电源主体连接,在放电电极连接处设置绝缘保护；放电电极另一端在第一放电电极和第二放电电极之间放电产生放电电弧。该离子源不需要复杂的进气管路,可以直接在大气压条件下非连续或连续工作。(The invention discloses an atmospheric pressure electric arc ion source for a small-sized mass spectrometer and a detection method thereof, wherein the ion source comprises an ion source main body and a power supply, wherein the power supply comprises a power supply main body and a connecting lead and is used for providing electric energy for the ion source main body; the ion source main body comprises a discharge electrode, an insulating shell and an insulating protector; the discharge electrode is used for generating discharge arc, the insulating shell is wrapped outside the discharge electrode and does not wrap the two ends of the discharge electrode, and the insulating shell is used for preventing the discharge electrode at the wrapped position from discharging; the discharge electrodes include a first discharge electrode and a second discharge electrode; one end of the discharge electrode is connected with the power supply main body through a connecting lead, and insulation protection is arranged at the connection part of the discharge electrode; the other end of the discharge electrode discharges between the first discharge electrode and the second discharge electrode to generate a discharge arc. The ion source does not need a complex air inlet pipeline and can work discontinuously or continuously under the atmospheric pressure condition directly.)

用于小型质谱仪的大气压电弧离子源及其检测方法

技术领域

本发明涉及质谱仪器分析技术领域，特别涉及一种用于小型质谱仪的大气压电弧离子源及其检测方法。

背景技术

质谱仪是目前灵敏度最高的分析化学仪器之一，它主要通过检测样品的质核比(m/z)来检定样品。相比与体积庞大的实验室质谱仪，小型质谱仪非常适合在户外进行实时现场检测。近十年来，小型质谱仪在设计和应用方面已经取得了巨大的进展。其中，原位电离技术是小型质谱仪设计的重要因素，这种电离技术不要复杂的实验室样品准备过程，不需要特定真空条件，简便了样品离子化过程，可以加快小型质谱仪现场检测速度。

表面痕迹检测是小型质谱仪应用的重要领域，例如机场对乘客进行***物检测，菜市场和超市对食物进行毒物超标筛查等。与其他机理的离子源方式相比，基于等离子体原理设计原位电离非常适合对表面固体样品检测。但是这类离子源目前并没有广泛的应用，这是因为：首先基于等离子原理的离子源常常需要通入一定流速的惰性气体，例如氦气和氮气，这些气体非常不适合小型质谱仪现场携带，因为在使用不慎时，这些高压气体会非常危险，而且气瓶不能保证小型质谱仪长时间使用；其次，与大型质谱仪不同的是，小型质谱仪通常采用非连续进样接口(DAPI)的进样方式，而目前大部分基于等离子体设计的原位电离是连续的，这些原位电离不能与小型质谱仪更好地结合，会造成样品浪费等问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种用于小型质谱仪的大气压电弧离子源，该离子源可以在大气下工作、不需要惰性气体产生等离子体。

本发明的另一个目的在于提出一种检测方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种用于小型质谱仪的大气压电弧离子源，包括：离子源主体和电源；

所述电源包括电源主体和连接导线，用于为所述离子源主体提供电能；

所述离子源主体包括放电电极、绝缘外壳和绝缘保护；所述放电电电极用于产生放电电弧，所述绝缘外壳包裹在所述放电电极外部，且不包裹所述放电电极的两端，所述绝缘外壳用于防止包裹位置的放电电极放电；

所述放电电极包括第一放电电极和第二放电电极；

所述放电电极的一端通过所述连接导线与所述电源主体连接，在所述放电电极连接处设置所述绝缘保护；

所述放电电极另一端在所述第一放电电极和所述第二放电电极之间放电产生放电电弧。

本发明实施例的用于小型质谱仪的大气压电弧离子源，属于基于等离子体原理的原位电离离子源，离子化方式为：通过放电电极间的火花热解吸和离子化待测样品，不需要复杂的进气管路，可以直接在大气压条件下非连续或连续工作，不需要惰性气体产生等离子体，可以对样品进行多次检测，得到可靠的检测结果。

另外，根据本发明上述实施例的用于小型质谱仪的大气压电弧离子源还可以具有以下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述放电电极为导电材料，包括金属丝、金属片和金属块。

在本发明的一个实施例中，所述放电电极的材质包括铂、铜和金。

在本发明的一个实施例中，所述放电电极放电端的直径范围为大于等于0.01mm，小于等于20mm。

在本发明的一个实施例中，所述电源为脉冲式高压交流电或连续高压交流电。

在本发明的一个实施例中，所述电源的电压大于500V。

在本发明的一个实施例中，所述绝缘外壳材质包括陶瓷、硅和大理石。

在本发明的一个实施例中，通过调整所述第一放电电极和所述第二放电电极的距离，调整放电电压和功率。

在本发明的一个实施例中，所述离子源直接检测擦拭后的样品表面，通过质谱仪得到检测结果。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种检测方法，利用上述大气压电弧离子源，包括以下步骤：

利用试纸擦拭待测试样品表面；

为离子源通电，通过离子源直接检测所述试纸表面的擦拭物；

所述擦拭物离子化后形成带电粒子，将所述带电粒子送入小型质谱仪的进样接口；

通过所述小型质谱仪生成质谱图，完成所述待测试样品表面的检测。

本发明实施例的检测方法，利用大气压电弧离子源，不仅仅可以在大气下工作、不需要惰性气体产生等离子体，而且需要具备非连续的离子化方式，使小型质谱仪可以对样品进行多次检测，得到可靠的检测结果。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的用于小型质谱仪的大气压电弧离子源结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的大气压电弧离子源绝缘壳和放电电极截面图；

图3为根据本发明一个实施例的利用大气压电弧离子源的检测方法示意图；

图4为根据本发明一个实施例的大气压电弧离子源检测西红柿表面农药阿特拉津的质谱一级图；

图5为根据本发明一个实施例的大气压电弧离子源检测西红柿表面农药阿特拉津的质谱二级图；

图6为根据本发明一个实施例的放电电极距离和产生电弧的击穿电压关系图；

图7为根据本发明一个实施例的放电电极距离和产生电弧的击穿功率关系图；

图8为根据本发明一个实施例的利用大气压电弧离子源的检测方法流程图。

附图标记：10-离子源主体、20-电源、101-放电电极、1011-第一放电电极、1012-第二放电电极、102-绝缘外壳、103放电火花、104-绝缘保护、201-电源主体、202-连接导线、301-质谱仪接口、302-检测试纸、303-带电粒子。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的用于小型质谱仪的大气压电弧离子源及其检测方法。

离子源是质谱仪的重要组成部分，它的功能是将把待测样品离子化，首先介绍本发明的用于小型质谱仪的大气压电弧离子源。

图1为根据本发明一个实施例的用于小型质谱仪的大气压电弧离子源结构示意图。

图2为根据本发明一个实施例的大气压电弧离子源绝缘壳和放电电极截面图。

如图1和图2所示，该用于小型质谱仪的大气压电弧离子源包括：离子源主体10和电源20。

其中，离子源主体包括放电电极101和、绝缘外壳102和绝缘保护104，在放电电极之间产生放电火花103，绝缘保护104。

放电电极101用于产生放电电弧，绝缘外壳102包裹在放电电极101外部，且不包裹放电电极的两端，绝缘外壳102用于防止包裹位置的放电电极放电。

绝缘外壳102具有高绝缘性，达到防止高压金属丝击穿的效果，可以为陶瓷、硅和大理石等材质。

电源20用于提供离子源电离时所需要的电压。离子源可以直接检测擦拭后的样品表面，并与小型质谱仪结合迅速得到结果。

放电电极101包括第一放电电极1011和第二放电电极1012，其中，放电电极为导电材料，导电材料可以为金属丝、金属片和金属块等其他导电材料。金属材料可以为铂、铜和金等。如图1和图2所示，放电电极为两根金属丝。

放电电极101可以在尖端击穿空气，产生电弧，且不会在放电过程中大量分解，放电电极放电端的直径(或厚度)范围为大于等于0.01mm，小于等于20mm。

绝缘外壳102不包裹放电电极的两端，在放电电极101的未包裹尖端产生放电火花103；绝缘外壳102套在放电电极101外，用于防止除尖端外其它位置产生火花。

电源20包括电源主体201和连接导线202；电源主体201用于提供脉冲交流电或连续交流电；连接导线用于连接电源主体201和放电电极101，在放电电极与连接处设置绝缘保护104，用于防止放电电极101与电源20连接处放电。

在本发明的实施例中，离子源的放电电源为脉冲式高压交流电或连续高压交流电，高压电的电压通常大于500V。

可以理解的是，由于该离子源产生离子的方式比较剧烈，因此，样品不需要直接接触等离子电弧。同时，与其他离子源相比，由于电弧产生的等离子体非常剧烈，且距离样品近，不需要额外的气流将等离子体吹入质谱仪。因此不需要复杂的进气管路，另外小型质谱仪采用非连续进样接口，导致进样口吸气量较大，有利于样品的引入，而且这种离子化方式也可以直接在大气压条件下非连续或连续工作。

如图3所示，展示了离子源工作的过程。该离子源可以直接通过擦拭的方法检测样品表面的固体颗粒。用测试纸擦拭样品，通过新型电弧离子源进行离子化测试纸上样品，然后离子化后的带电待测物进入小型质谱仪进样口，迅速得到质谱图。

具体地，首先，采用试纸302擦拭待测试表面，然后离子源可以直接检测试纸302表面的擦拭物，擦拭物离子化后形成带电粒子303，进入质谱仪接口301，最终形成质谱图，从而检定出样品表面的待测物。图4和图5是采用图3方法，擦拭实际样品西红柿表面的1ng/mm²的农药阿特拉津得到的质谱一级图和质谱二级图。

如图6和图7所示，展示了放电电极距离和击穿电压和击穿功率的关系，击穿电压和击穿功率为产生电火花的最小电压和功率。使用者可以根据放电电极(可以为金属丝)间的距离，确定需要的放电电压和功率，当电压小于击穿值时，离子源不会产生火花，不能进行正常工作。

综上，上述离子源属于基于等离子体原理的原位电离离子源，离子化方式为：通过放电电极间的火花热解吸和离子化待测样品，与其他离子源相比，这种离子源的优势在于不需要复杂的进气管路，这是因为电弧产生的等离子体非常剧烈，且距离样品近，不需要额外的气流将等离子体吹入质谱仪。另外小型质谱仪采用非连续进样接口，导致进样口吸气量较大，有利于样品的引入，而且这种离子化方式也可以直接在大气压条件下非连续或连续工作。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的检测方法。

图8为根据本发明一个实施例的利用大气压电弧离子源的检测方法流程图。

如图8所示，该检测方法包括以下步骤：

S1，利用试纸擦拭待测试样品表面。

S2，为离子源通电，通过离子源直接检测试纸表面的擦拭物。

S3，擦拭物离子化后形成带电粒子，将带电粒子送入小型质谱仪的进样接口。

S4，通过小型质谱仪生成质谱图，完成待测试样品表面的检测。

需要说明的是，前述对大气压电弧离子源实施例的解释说明也适用于该实施例的方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的检测方法，用测试纸擦拭样品，通过新型电弧离子源进行离子化测试纸上样品，然后离子化后的带电待测物进入小型质谱仪进样口，迅速得到质谱图。可以直接在大气压条件下非连续或连续工作，且不需要惰性气体产生等离子体。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。