用于气体混合物的化学电离的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于通过引入初级离子使载气中的分析物气体微粒化学电离的方法和装置，其特征在于，将初级离子和产物离子用旋转电场加速，所述旋转电场与向反应体积(1)的出口输送离子的方向(5)正交。由此可以例如减少不期望的簇形成而不提高离子通过反应室的输送速度，由此例如改进了产物离子产率。这通过N≥3个棒状电极(6)由根据本发明专利技术的装置实现，其中向所述棒状电极施加具有N个不同的沿一个旋转方向递增的相位1,...,N的N个交流电压U1(t),...,UN(t)。

Methods and devices for chemical ionization of gas mixtures

The invention relates to a method and device for analyte gas particle chemical ionization in the carrier gas made by introducing the primary ion, which is characterized in that the primary ions and product ions with rotating electric field acceleration, the rotating electric field and to the reaction volume (1) of the conveying direction of the ion outlet (5) orthogonal. Thus, it is possible to reduce the formation of undesired clusters without increasing the transport rate of ions through the reaction chamber, thus improving the yield of the product ions. The N = 3 (6) achieved by the rod electrode device according to the invention, which is applied to the rod electrode with N different along a rotating direction of increasing phase 1,..., N N AC voltage U1 (T), UN (T),...

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于气体混合物的化学电离的方法和装置
本专利技术涉及用于例如借助于离子-原子反应或离子-分子反应[IMR]、尤其是借助于质子转移反应[PTR]将气体混合物或样品气体化学电离[CI]的方法和装置。气体混合物由至少一种主要组分或载气(例如O2、N2或其混合物，例如空气)和一种或多种反应物气体或分析物(例如挥发性有机化合物[VOC])组成。这样进行电离：通过与附加引入气体混合物中的初级离子(例如H3O+、NH3+、NO+、O2+、NO3-)的反应，从反应物气体的未离子化的原子或分子产生产物离子。反应物气体大多以非常低的浓度存在，典型地在ppbv至pptv的范围(即十亿分之体积份/万亿分之体积份)内。本专利技术还涉及根据本专利技术的方法和/或根据本专利技术的装置在用于分析气体混合物或样品气体的性质，尤其是用于借助于CI质谱仪，尤其是IMR或PTR质谱仪分析的方法和/或装置中的用途。
技术介绍
在用于由主要组分或载气(例如O2、N2或其混合物，例如空气)和一种或多种(大多以非常低的浓度存在的)反应物气体或分析物(例如挥发性有机化合物[VOC])组成的气体混合物或样品气体的(至少部分)化学电离的方法和装置中，由此进行反应物气体的微粒(即原子或分子)的化学电离[CI]，向样品气体中引入初级离子并且通过初级离子与反应物气体微粒之间的反应从原先中性的反应物气体微粒产生所谓的产物离子，其中，这些电离反应还可以由多个反应步骤组成。载气微粒的电离在此大多是不想要的。将产物离子和剩余的初级离子在电离过程之后立即供应至离子选择性分析器/检测器单元(例如质谱仪或离子迁移谱仪)或供应至另外的方法步骤。化学电离过程的一种特定类型(即亚组)是所谓的质子转移反应[PTR]。在此，通过转变初级离子XH+的质子H+进行反应物气体微粒R的电离，由此形成产物离子RH+并且初级离子XH+变成中性分子X：R+XH+→RH++X已知许多化学电离过程，并且因此也存在许多已知的适合于化学电离的两种极性的初级离子(例如H3O+、NH3+、NO+、O2+、NO3-)以及甚至更大量的已知的通过CI过程可电离的原子和分子(例如非常多的挥发性有机化合物[VOC])。化学电离过程在将比在许多其它电离过程(例如电子碰撞电离)的情况下更少的能量转移至所产生的产物离子上意义上是“温和的”。CI过程因此对于其产物离子容易破碎(即其产物离子在低激发能下已彼此断裂)的分子的电离而言是特别有利的。因此CI过程对于如下应用特别有利，其中待电离的样品气体包含其产物离子容易破碎(例如VOC)但是其碎片是不期望的分子。用于样品气体的化学电离的方法和装置的最重要的主要应用之一是CI质谱法，尤其是分析性CI质谱法，即在样品气体的分析的情况下，不仅应当确定样品气体中所包含的分析物气体微粒的质量或类型，还应当绝对地或彼此相对地定量测量分析物气体微粒的浓度。与此同时，CI质谱法是非常高度发达的
，因此在此找到关于借助于化学电离[CI]的用于样品气体的电离的方法和装置的最多的现有技术。当然，CI过程的其它应用也是已知可想到的，例如离子迁移谱法。本专利技术在这样的其它应用中的用途也包括在本专利技术中，即使在下文中并未详细探讨这些另外的应用。CI质谱仪的最常规的结构类型包括以下装置或组件：i.初级离子源，在其中产生并且任选地选择初级离子，从而在初级离子源的出口处仅存在期望类型的离子。ii.所谓的“反应室”，空间区域(在下文称为“反应体积”或“反应区域”)位于所述反应室中，初级离子与样品气体在所述空间区域中相互作用并且因此产生产物离子。在许多情况下，形成该反应室，在其中还(大多借助于电场)将初级离子和产物离子输送和/或引导和/或聚焦。iii.质谱仪，向其供应在反应室中产生的产物离子和在大多数情况下还供应剩余的初级离子，从而确定其质量并且还优选确定它们的(相对)浓度。现在最常规的类型是四极质谱仪[Quad-MS]和飞行时间质谱仪[TOF-MS]。iv.任选地另外的单独组件，用于将离子从所述组件之一转移至下一个，例如用于加速、引导或聚焦离子，例如加速距离、离子引导器、离子透镜或或离子阱。v.另外的对于运行必要的部件和组件，例如阀、泵、电源供应尤其是例如为电极施加电压等。还存在通过借助于彭宁电离或借助于电离辐射而在反应室中原位产生初级离子而不需要单独的初级离子源(组件(i))的CI质谱仪。PTR质谱法和通常的CI质谱法例如描述于参考文献1，AT001637U1(Lindinger和Hansel)和其中提到的参考文献中。PTR质谱法的另外的描述此外可见于参考文献2，A.Hansel等人，InternationalJournalofMassSpectrometryandIonProcesses,149/150(1995)609-619和参考文献3，A.Jordan等人，InternationalJournalofMassSpectrometry，第286卷(2009)32-38中。本专利技术涉及组件(ii)(“反应室”)或在所述反应室中的所述组件上进行的方法步骤。在有关的专利文献和技术文献中，可以发现该反应室的几种不同的术语，例如“反应区域或电离区域”、“反应池或电离池”，或在其中初级离子和产物离子由电场驱动通过样品气体漂移的情况下还有“漂移管或漂移区或漂移区域”。CI反应室的最简单形式是所谓的“选择离子流动管”[SIFT]，例如参考文献4，N.G.Adams和D.Smith，InternationalJournalofMassSpectrometryandIonProcesses，第21卷(1976)，349-359中所示。在此，将初级离子和产物离子单独通过样品气流输送至反应室的出口。该实施方案的不利之处一方面在于，离子在它们的朝向反应室出口方向的路径上不受阻碍地扩散进室壁并且在那里损失。此外的不利之处在于，例如在样品气体中存在水蒸气的情况下，出现初级离子和水分子的簇形成，并且CI过程由于成簇的初级离子大多不再可以如期望那样进行：例如分析物C6H6(苯)被初级离子H3O+电离而不被初级离子簇H3O+·H2O电离。降低这样的不期望的簇形成的解决方案是构造为所谓的漂移管的反应室，例如上述参考文献2，A.Hansel等人，(1995)中所示。在此，反应室具有多个沿轴线间隔设置的同轴环状电极。这些环状电极围绕反应室的反应体积，在其中初级离子与样品气体反应并且产生产物离子。在环电极处分别施加直流电压，其中，在相邻的环电极之间分别存在电势差，其将离子轴向地向反应室出口方向加速。通过离子与样品气体的中性微粒的随机化的碰撞，形成离子特定的平均漂移速度和因此形成离子特定的平均碰撞能量，它们的量取决于样品气体的组成和压力和取决于局部电场强度。通过在环状电极上施加的直流电压，可以因此向产生的离子簇供应如此多的平均动能，使得它们在与不由电场加速的中性样品气体微粒的随后碰撞时多数重新分裂。但是另一方面，反应室中的离子的平均碰撞能应当如此低，从而尽可能地避免产物离子的同样不期望的碎片化。其中由环电极产生的静电场(DC场)在轴向上向反应室的出口驱动离子的这样的漂移管的特别不利之处在于，为了避免簇形成所需的在轴向上的离子加速缩短了离子在反应室中的停留本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于借助于离子‑原子反应或离子‑分子反应[IMR]、尤其是借助于质子转移反应[PTR]将气体混合物或样品气体化学电离的方法，其中，所述气体混合物由至少一种主要组分或载气(例如O2、N2或其混合物，例如空气)和一种或多种反应物气体或分析物(例如挥发性有机化合物[VOC])组成，其中，进行电离：通过与附加引入气体混合物中的初级离子(例如H3O

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.25 EP 15156526.41.用于借助于离子-原子反应或离子-分子反应[IMR]、尤其是借助于质子转移反应[PTR]将气体混合物或样品气体化学电离的方法，其中，所述气体混合物由至少一种主要组分或载气(例如O2、N2或其混合物，例如空气)和一种或多种反应物气体或分析物(例如挥发性有机化合物[VOC])组成，其中，进行电离：通过与附加引入气体混合物中的初级离子(例如H3O+、NH3+、NO+、O2+、NO3-)的反应，从反应物气体的中性原子或分子产生产物离子，其中，所述方法包括以下方法步骤：(a)将所述气体混合物引入反应区域或反应体积(1)，所述反应区域或反应体积具有平行于轴向方向并且与径向方向和径向平面正交的中心线(5)，其中，所述反应体积的表面由第一顶面(2)、第二顶面(3)和在两个顶面(2,3)之间延伸的侧面(4)组成，并且所述中心线(5)从第一顶面(2)延伸至第二顶面(3)并且完全在所述反应体积中延伸；(b)将适合于一种或多种反应物气体组分化学电离的初级离子(例如H3O+、NH3+、NO+、O2+、NO3-)引入所述反应体积(1)中；另外的特征在于：(c)借助于时间上的周期性电场E(x,t)加速位于反应体积(1)中的离子(初级离子、产生的产物离子和必要时产生的离子簇)，(d)其中，E(x,t)在所有处于中心线(5)上的点{Z}处具有与该中心线(5)正交的(即径向的)场矢量分量Er(Z,t)，所述场矢量分量周期性地旋转，即在周期时间T期间正好在径向平面内完成360°旋转，并且场矢量分量的大小|Er(Z,t)|优选在处于周期时间T内的时间的大于80％不等于零，特别优选在所有时间不等于零，(e)其中，E(x,t)在所有处于中心线(5)上的点{Z}处具有与中心线(5)平行的(即轴向的)场矢量分量Eaxi(Z,t)，并且其大小|Eaxi(Z,t)|优选小于旋转径向分量的大小|Er(Z,t)|，优选明显更小或为零，并且(f)其中，t为时间，x为位置矢量，例如具有笛卡尔坐标(x,y,z)，Z为处于中心线(5)上的点的位置矢量，{Z}为所有属于中心线(5)的位置矢量Z的集合且T为Er(Z,t)的360°旋转的周期时间。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，大小|Er(Z,t)|在所有处于中心线(5)上的点{Z}处在处于周期时间T内的时间的大于80％最高变动其最大值Emax(Z)的50％，即处于区间[0.5*Emax(Z),Emax(Z)])中。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，大小|Er(Z,t)|在中心线(5)的长度的至少80％上改变其最大值的最多50％。4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，径向场矢量分量Er(Z,t)的旋转基本上对应于谐波环状运动，即Er(Z,t)以笛卡尔坐标(X,Y)示出，径向场矢量分量处于与中心线(5)正交的相应点Z处，Er(Z,t)满足以下方程：Er(Z,t)＝ux·[Ax(Z,t)·sin(ωt+Φ0)]+uy·[Ax(Z,t)·cos(ωt+Φ0)],其中，ux为X-坐标的单位矢量且uy为Y-坐标的单位矢量，ω为旋转的圆频率，Φ0为全局相偏移，并且其中，大小|Er(Z,t)|改变最多±10％，优选在所有时间内恒定，即|Er(Z,t)|＝E0±10％，其中E0为常量。5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，旋转场矢量Er(Z,t)的大小|Er(Z,t)|在所有时间t上和在所有处于中心线上的点{Z}处不等于零并且几乎恒定，即与在其时间方面和位置方面平均的中值E0偏差最大±10％，并且其中，轴向场分量Eaxi(Z,t)在所有时间等于零，即E(Z,t)＝Er(Z,t)且|Er(Z,t)|＝E0±10％。6.用于借助于离子-原子反应或离子-分子反应[IMR]、尤其是借助于质子转移反应[PTR]将气体混合物或样品气体化学电离的装置，其中，所述气体混合物由至少一种主要组分或载气(例如O2、N2或其混合物，例如空气)和一种或多种反应物气体或分析物(例如挥发性有机化合物[VOC])组成，其中，进行电离：使得通过与附加引入气体混合物中的初级离子(例如H3O+、NH3...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·布赖滕莱希纳，A·汉塞尔，
申请(专利权)人：因斯布鲁克大学，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT