用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法技术

本发明专利技术涉及用于从气溶胶颗粒生成元素离子和/或电离的金属氧化物的离子源，其包含：具有内部的减压室；入口和限流装置，用于将包含分散在气体中的气溶胶颗粒的分散体中的气溶胶颗粒引入减压室的内部，该入口经由限流装置将减压室的外部与减压室的内部流体耦合；激光器，用于在减压室的内部的等离子体区中诱导分散体中的等离子体，以将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和/或电离的金属氧化物；减压室适于在其内部实现并维持0.01mbar至100mbar的压力。本发明专利技术进一步涉及用于从气溶胶颗粒生成元素离子和/或电离的金属氧化物的方法。

【技术实现步骤摘要】
用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法
本专利技术涉及用于从气溶胶颗粒生成元素离子和潜在的电离金属氧化物的离子源，其包含具有内部的减压室；用于将包含分散在气体、特别是空气中的气溶胶颗粒的分散体中的气溶胶颗粒引入减压室的内部的入口和限流装置，该入口经由所述限流装置将减压室的外部与减压室的内部流体耦合；以及激光器，其用于在减压室的内部的等离子体区中诱导分散体中的等离子体，以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物。另外，本专利技术涉及用于从气溶胶颗粒生成元素离子和潜在的电离金属氧化物的方法。
技术介绍
气溶胶是细小固体或液体颗粒的气态悬浮液，也被称为气溶胶颗粒。在这样的悬浮液中，气态物质可在气溶胶颗粒的表面上冷凝，而液体或固体物质可同时从气溶胶颗粒表面蒸发到气相中，在这种意义上，气体和气溶胶颗粒彼此相互作用。气体与颗粒相之间的平衡很大程度上由各个化合物的饱和蒸汽压驱动。气溶胶颗粒的大小通常在10nm至10μm的范围内。小于10nm的气溶胶颗粒具有较大的比表面积(surfacetosizeratio)，因此快速生长成更大的气溶胶颗粒。另一方面，大于10μm的气溶胶颗粒变得太重，而不能长时间悬浮在气体中，最终将落到地面。由于这个原因，环境气溶胶颗粒的常见尺寸范围为50nm到2000nm或2μm。用于分析气溶胶颗粒的元素组成、特别是用于检测气溶胶颗粒、如金属和黑碳的元素化合物的方法和设备是已知的。例如，它们被用于分析含有痕量金属、例如工程化纳米颗粒的人为(人造)气溶胶和气溶胶颗粒。它们还被用于纳米颗粒分析，因为纳米颗粒通常由较高比例的金属组成。因此，它们被应用于大气科学、以及核分析鉴定(forensics)、纳米颗粒分析、环境分析、如水和空气监测、或食品和饮料的质量保证。传统上使用过滤器或拭子进行气溶胶颗粒采样。在这种方法中，气溶胶颗粒收集在过滤器或拭子上，随后在离线程序中进行分析。然而在过去的30年里，已经开发了几种用于在线和实时分析气溶胶颗粒的元素组成的仪器。这些仪器中的大多数都依赖于将空气直接取样到离子源中，其中气溶胶颗粒被原子化并电离，随后从离子源送入质量分析仪中。当直接将空气采样至离子源中时，这些电离源中的大多数首先在若干个差分泵浦级中使气相与颗粒相分离，由此将气相稀释大约1010倍，从而将气溶胶颗粒从大气压力(约1000mbar)变成具有约10-7mbar压力的高度真空或超高真空。随后，通过激光束轰击气溶胶颗粒，以使分子和原子从气溶胶颗粒上解吸，并使该分子或原子电离。在激光照射之后，将气溶胶颗粒蒸发并电离，从而由气溶胶颗粒材料产生等离子体。如果等离子体足够热，则会发生原子化，并且可以测量元素离子。这类仪器通常被称为气溶胶飞行时间质谱仪(ATOFMS)。例如，在Kimberley的US5,681,752或Kimberley等人的US8,648,294B2中教导了这类仪器的多种版本，其具有使用一个或多个激光器来蒸发气溶胶颗粒并在高度真空下将汽化物质电离的离子源。这些仪器相当紧凑，并且可现场部署。然而，它们具有需要高度真空或超高真空的缺点，因此是麻烦且复杂的装备。另外，由于气溶胶颗粒的原子化和电离不能很好地重现，所以这些仪器不允许高精度和可靠性的测量。可重现性的一个限制因素在于，气溶胶颗粒的原子化和电离取决于气溶胶颗粒的大小和化学组成以及气溶胶颗粒的结构和表面结构。可重现性的另一个限制因素在于，从特定的气溶胶颗粒获得的离子类型在很大程度上取决于激光束与相应的气溶胶颗粒的相互作用。例如，在电离时，相应的气溶胶颗粒例如可集中在(localise)激光束的边缘区域或激光束的中心区域。根据这种集中，所获得的离子可能在包含几个或多个原子的颗粒片段的离子到仅包含单一原子的元素离子之间变化。减少这些缺点的一种方法是经常重新调整激光光学器件。但是，这会导致装备的维护相当复杂。另一种从气溶胶颗粒产生元素离子的方法是使用这样的离子源，其采用气体等离子体，例如，在通常为氩气的清洁等离子体气体中产生的电感耦合等离子体(ICP)或微波诱导等离子体(MIP)。在这种情况下，气溶胶颗粒在等离子体中解吸、原子化并电离。随后，所获得的元素离子从离子源转移到质量分析仪。由于在这些离子源中，等离子体的生成不依赖于气溶胶颗粒，因此具有更好的可重现性，并因此使得能够进行更加可靠和更加可重现的元素离子生产。然而，在这种方法中，气溶胶颗粒的原始气态悬浮液的气相必须与清洁气体交换，以避免来自气态污染物的背景。例如，如在Bazargan等人的US2015/0235833A1中教导的，在一种被称为单一颗粒电感耦合等离子体质谱(SI-ICP-MS)的技术中采用这种方法。在其中，气溶胶颗粒从原始气相转变成液体或清洁气体。后者利用如J.Anal.At.Spectrom.,2013,28,831-842；DOI:10.1039/C3JA50044F或J-SCIENCELAB,Kyoto,Japan描述的“gasexchangedevice”实现。用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法的另一个更大的缺点是它们的复杂性以及需要大量的等离子体气体供应和大量的能量来驱动等离子体。因此，这些离子源和方法不适用于监测应用或现场应用。鉴于上述原因，已知用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法的缺点在于，它们要么不能有效且可靠地产生元素离子，要么需要大量的装备。因此，用于分析依赖于这类离子源的气溶胶颗粒的元素组成的已知设备和方法以及用于从气溶胶颗粒生成元素离子的方法不能提供可靠且精确的结果，并且同时不能灵活地用于例如在监测应用或现场应用中的在线和实时分析所需要的对不同类型的气溶胶颗粒元素组成的分析。
技术实现思路
本专利技术的目的在于创建一种用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法，其适合于属于最初提到的
的用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备和方法，其使得能够精确且可靠地分析气溶胶颗粒的元素组成，并且可用于气溶胶颗粒的元素组成的不同类型分析，例如在监测应用或现场应用中的在线和实时分析。本专利技术的方案由权利要求1的特征限定。根据本专利技术，减压室适于在减压室的内部实现并维持0.01mbar至100mbar、优选0.1mbar至100mbar或1mbar至100mbar、特别优选0.1mbar至50mbar或1mbar至50mbar、最优选0.1mbar至40mbar或1mbar至40mbar的压力。如果减压室的内部的压力过小，则每单位体积的气体分子不足以用于在减压室的内部的等离子体区中诱导分散体的气体中的等离子体以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子。然而，如果减压室的内部的压力过高，则气体和潜在的等离子体中会出现冲击波，该冲击波不会将气溶胶颗粒完全原子化并电离成元素离子，因此获得分子离子或甚至不带电荷的碎片，而不是元素离子。因此，减压室的内部的压力范围的下限越高，利用激光在减压室的内部的等离子体区中的分散体的气体中能够诱导等离子体以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子就越可靠。因此，当压力范围的下限从上文指定的0.01mbar分别提高至上文指定的0.1mbar或甚至上文指定的1mbar时，等离子体诱导变得更加可靠。另外，减压室的内部的压力范围的上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于从气溶胶颗粒生成元素离子和潜在的电离金属氧化物的离子源(50、150)，其包含：a)具有内部的减压室(61)；b)入口(56)和限流装置(60)，其用于将包含分散在气体、特别是空气中的所述气溶胶颗粒的分散体中的所述气溶胶颗粒引入所述减压室(61)的所述内部，所述入口(56)经由所述限流装置(60)将所述减压室(61)的外部与所述减压室(61)的所述内部流体耦合；c)激光器(62)，其用于在所述减压室(61)的所述内部的等离子体区(63)中诱导所述分散体中的等离子体，以用于将所述气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物，其中所述激光器(62)适用于在所述减压室(61)的所述内部的所述等离子体区(63)中诱导所述分散体的所述气体中的所述等离子体，以用于将所述气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子；其特征在于，所述减压室(61)适于在所述减压室(61)的所述内部实现并维持0.01mbar至100mbar、优选0.1mbar至100mbar或1mbar至100mbar、特别优选0.1mbar至50mbar或1mbar至50mbar、最优选0.1mbar至40mbar或1mbar至40mbar范围内的压力。...

【技术特征摘要】
2017.04.10 EP 17165739.81.一种用于从气溶胶颗粒生成元素离子和潜在的电离金属氧化物的离子源(50、150)，其包含：a)具有内部的减压室(61)；b)入口(56)和限流装置(60)，其用于将包含分散在气体、特别是空气中的所述气溶胶颗粒的分散体中的所述气溶胶颗粒引入所述减压室(61)的所述内部，所述入口(56)经由所述限流装置(60)将所述减压室(61)的外部与所述减压室(61)的所述内部流体耦合；c)激光器(62)，其用于在所述减压室(61)的所述内部的等离子体区(63)中诱导所述分散体中的等离子体，以用于将所述气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物，其中所述激光器(62)适用于在所述减压室(61)的所述内部的所述等离子体区(63)中诱导所述分散体的所述气体中的所述等离子体，以用于将所述气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子；其特征在于，所述减压室(61)适于在所述减压室(61)的所述内部实现并维持0.01mbar至100mbar、优选0.1mbar至100mbar或1mbar至100mbar、特别优选0.1mbar至50mbar或1mbar至50mbar、最优选0.1mbar至40mbar或1mbar至40mbar范围内的压力。2.根据权利要求1所述的离子源(50，150)，其特征在于，用于去除所述分散体中的污染物的扩散管(64)，所述扩散管(64)将所述入口(56)与所述限流装置(60)流体耦合，以用于将所述分散体通过所述扩散管(64)并随后通过所述限流装置(60)引入所述减压室(61)的所述内部。3.根据权利要求1或2所述的离子源(50，150)，其特征在于，气体交换装置(52)，用于在将包含所述气溶胶颗粒的所述分散体引入所述减压室(61)的所述内部之前，用清洁等离子体气体交换所述分散体中的所述气体，特别是所述空气。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的离子源(50，150)，其特征在于，空气动力学透镜(57)或声学透镜，用于将所述气溶胶颗粒聚焦至所述减压室(61)的所述内部的聚焦区。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的离子源(50，150)，其特征在于，碎裂装置(65)、特别是碰撞单元，用于使来源于所述气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物碎裂成元素离子，其中该金属来源于所述气溶胶颗粒，其中所述碎裂装置(65)与所述减压室(61)的所述内部的所述等离子体区(63)流体耦合，以用于将在所述等离子体中生成的所述气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物通过该碎裂装置(65)转移，以用于使来源于所述气溶胶颗粒的所述电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物碎裂成元素离子，其中该金属来源于该气溶胶颗粒。6.一种用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备(1，101)，其包含：a)根据权利要求1至5中的任一项所述的离子源(50，150)；以及b)第一质量分析仪(5，105)，用于分析所述元素离子和潜在的电离金属氧化物，其中所述减压室(61)的所述内部与所述第一质量分析仪(5，105)流体耦合。7.根据权利要求6所述的设备(1，101)，其特征在于，差分泵浦接口(8，108)，其包含至少一个差分泵浦级，优选至少两个差分泵浦级，特别优选至少三个差分泵浦级，所述差分泵浦接口(8，108)将所述减压室(61)的所述内部与所述第一质量分析仪(5，105)流体耦合，以用于将所述元素离子和潜在的电离金属氧化物从所述减压室(61)转移至所述第一质量分析仪(5，105)。8.根据权利要求6或7所述的设备(1，101)，其特征在于，用于所述元素离子和潜在的电离金属氧化物的共振激发的多极离子导向器...

【专利技术属性】
技术研发人员：U·罗纳，
申请(专利权)人：托夫沃克股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH