本發(fā)明涉及一種光誘導(dǎo)離子源質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀(PTR-MS)，這是一種可以對(duì)可揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行分析及連續(xù)監(jiān)測(cè)的儀器。

背景技術(shù)：

可揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)參與城市光化學(xué)煙霧及近地臭氧的生成，可通過(guò)一系列的大氣物理化學(xué)作用形成二次有機(jī)氣溶膠，促進(jìn)灰霾的形成，且它們中的一部分(如三苯)已經(jīng)是公認(rèn)的致癌物。其危害日益受到關(guān)注。在大氣中，VOCs的平均體積分?jǐn)?shù)為1×10^-9(ppbv)，含量很低，對(duì)其直接的檢測(cè)存在一定難度。此外，汽車(chē)尾氣、物質(zhì)燃燒、植物葉片呼吸、食品貯存變質(zhì)、人體呼吸等排放VOCs的過(guò)程中，VOCs的成分和數(shù)量均變化較快，傳統(tǒng)的離線分析方法(氣相色譜/質(zhì)譜法，高效液相色譜/質(zhì)譜法等)因靈敏度低、預(yù)處理過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)等原因難以充分對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。PTR-MS是目前最靈敏的有機(jī)物在線檢測(cè)質(zhì)譜儀，具有測(cè)量響應(yīng)時(shí)間短(微秒量級(jí))、靈敏度高(1×10^-12,V/V)、無(wú)需對(duì)樣品氣體預(yù)處理、無(wú)需定標(biāo)等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被應(yīng)用于大氣痕量VOCs的監(jiān)測(cè)及以上VOCs釋放過(guò)程的監(jiān)控。

PTR-MS主要包括離子源和質(zhì)量分析器兩部分。PTR-MS的發(fā)展主要集中在前者，后者并無(wú)多大變化。商業(yè)化的PTR-MS常用空心陰極放電來(lái)形成質(zhì)子化的水分子(H₃O⁺)離子源，由于放電過(guò)程本身是一個(gè)非穩(wěn)定過(guò)程，需200-500V電壓激發(fā)并維持放電，在這個(gè)電壓條件下的放電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很多雜質(zhì)離子，此外空心陰極放電的垂直電場(chǎng)還會(huì)造成H₃O⁺一定的損失。2000年，De Gouw等將電子轟擊電離源引入PTR-MS，但仍未解決產(chǎn)生大量雜散離子的問(wèn)題。2003年，Hanson等報(bào)道了一種采用α粒子輻射體²⁴¹Am放射產(chǎn)生H₃O⁺的PTR-MS，用放射性電離源產(chǎn)生的H₃O⁺離子流穩(wěn)定不需額外的電流且雜離子的污染小，但由于放射性物質(zhì)的應(yīng)用使該質(zhì)譜存在安全隱患。2006年，Inomata等報(bào)道了一種平面電極直流放電來(lái)形成H₃O⁺的PTR-MS，直流放電可以防止由于分析物的回流而產(chǎn)生的干擾離子，但因其產(chǎn)生的H₃O⁺離子流比空心陰極放電低一個(gè)數(shù)量級(jí)而使PTR-MS的靈敏度有所降低。2011年，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)CN201110020412.8公開(kāi)了一種微波放電電離源和一種基于此電離源的PTR-MS，但由于微波放電也需較高的電壓激發(fā)并維持，因此同樣存在雜散離子的問(wèn)題?？傊婋x源產(chǎn)生H₃O⁺流的不穩(wěn)定會(huì)造成PTR-MS靈敏度的不穩(wěn)定，雜質(zhì)離子會(huì)使儀器檢測(cè)限變高，電離源存在安全隱患使得儀器的操作者受到危害。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了靈敏穩(wěn)定地檢測(cè)微量可揮發(fā)性有機(jī)物，本發(fā)明提供一種光誘導(dǎo)離子源質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀(PIE-PTR-MS)，它采用光電子激發(fā)水蒸汽來(lái)產(chǎn)生質(zhì)子化的水分子(H₃O⁺)，使之與可揮發(fā)性有機(jī)物分子碰撞產(chǎn)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)來(lái)生成可揮發(fā)性有機(jī)物離子，再通過(guò)飛行時(shí)間(TOF)質(zhì)量分析器來(lái)探測(cè)可揮發(fā)性有機(jī)物離子。光誘導(dǎo)離子源雜質(zhì)離子少，安全環(huán)保；同時(shí)，該光誘導(dǎo)離子源PTR-MS還采用了多級(jí)電壓離子遷移技術(shù)和反射式離子測(cè)量技術(shù)，使儀器靈敏度高且穩(wěn)定。

本發(fā)明專(zhuān)利采用的技術(shù)方案是：1、由真空紫外光光源產(chǎn)生的真空紫外光照射金屬電極產(chǎn)生光電子；2、光電子加速后與水蒸氣作用產(chǎn)生H₃O⁺；3、H₃O⁺與VOCs碰撞產(chǎn)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成VOCs離子；4、生成的VOCs離子由飛行時(shí)間(TOF)質(zhì)量分析器檢測(cè)。

本發(fā)明的有益效益是，采用光誘導(dǎo)離子源使形成的H₃O⁺離子源更加穩(wěn)定、雜散離子更少，更安全，結(jié)合多級(jí)電壓離子遷移技術(shù)和反射式離子測(cè)量技術(shù)，儀器的靈敏度更高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的外觀圖，分別為1、分子泵，2、真空紫外光光源室，3、水蒸氣供給管，4、H₃O⁺發(fā)生腔，5、VOCs進(jìn)樣管，6、質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)腔，7、離子遷移腔，8、反射式TOF質(zhì)量分析器。

圖2為本發(fā)明的剖面構(gòu)造圖，主要部件有：9、真空紫外燈，10、氟化鎂窗片，11、離子反射鏡，12、光電子生成及加速電極，13、質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)控制電極，14、多元離子遷移透鏡，15、離子提取及加速電極，16、微通道板探測(cè)器。

具體實(shí)施方式

光誘導(dǎo)電離源PTR-MS的主體部分由真空紫外光光源室2，水蒸氣供給管3，H₃O⁺發(fā)生腔4，VOCs進(jìn)樣管5，質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)腔6，離子遷移腔7和反射式TOF質(zhì)量分析器8七部分構(gòu)成。前三部分結(jié)合形成光誘導(dǎo)離子源。具體實(shí)施方式是：

一、水蒸氣由不銹鋼水蒸氣供給管3直接供入H₃O⁺發(fā)生腔4，其流量由針閥控制；

二、在真空紫外光源室2中，10.5eV的真空紫外光子由真空紫外燈9產(chǎn)生后，經(jīng)氟化鎂窗片10進(jìn)入H₃O⁺發(fā)生腔4，真空紫外光照射金屬電極產(chǎn)生光電子，光電子被加速電極加速后撞擊由水蒸氣供給管2供給的水蒸汽形成H₃O⁺；加在加速電極上的低壓光電子驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)與生成的H₃O⁺運(yùn)動(dòng)方向一致，使生成的H₃O⁺被加速后進(jìn)入質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)腔6。

三、進(jìn)入的H₃O⁺在質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)控制電極13產(chǎn)生的電場(chǎng)控制下獲得特定的移動(dòng)速度，并與由進(jìn)樣管5進(jìn)入質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)腔6的VOCs發(fā)生碰撞，經(jīng)質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成相應(yīng)的VOCs離子，VOCs為大氣壓直接進(jìn)樣，其流量由針閥調(diào)節(jié)；

四、VOCs離子經(jīng)質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)控制電極13產(chǎn)生的電場(chǎng)控制后進(jìn)入離子遷移腔7；

五、離子遷移腔7內(nèi)裝有多元離子遷移透鏡14(由離子聚焦透鏡和多個(gè)加速電極組成)，VOCs離子經(jīng)多元離子遷移透鏡14聚焦成細(xì)離子流，并被加速；

六、加速后的VOCs離子經(jīng)質(zhì)量分析器入口進(jìn)入反射式TOF質(zhì)量分析器8。在反射式TOF質(zhì)量分析器8內(nèi)VOCs離子先后經(jīng)由離子提取及加速電極15和離子反射鏡11的作用飛行一個(gè)V型的路徑，然后被微通道板探測(cè)器16捕獲。根據(jù)離子質(zhì)荷比不同則飛行速度不同，到達(dá)檢測(cè)器時(shí)間也就不同的原理即得到VOCs的質(zhì)譜。