[發(fā)明專利]用于從氣溶膠顆粒生成元素離子的離子源和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711460682.4
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108695135B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: U·羅納
• 申請（專利權(quán)）人: 托夫沃克股份公司
• 主分類號: H01J49/10
• 分類號: H01J49/10
• 代理公司: 北京思益華倫專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11418
• 代理人: 趙飛;郭紅麗

本發(fā)明涉及用于從氣溶膠顆粒生成元素離子和/或電離的金屬氧化物的離子源，其包含：具有內(nèi)部的減壓室；入口和限流裝置，用于將包含分散在氣體中的氣溶膠顆粒的分散體中的氣溶膠顆粒引入減壓室的內(nèi)部，該入口經(jīng)由限流裝置將減壓室的外部與減壓室的內(nèi)部流體耦合；激光器，用于在減壓室的內(nèi)部的等離子體區(qū)中誘導(dǎo)分散體中的等離子體，以將氣溶膠顆粒原子化并電離成元素離子和/或電離的金屬氧化物；減壓室適于在其內(nèi)部實現(xiàn)并維持0.01mbar至100mbar的壓力。本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于從氣溶膠顆粒生成元素離子和/或電離的金屬氧化物的方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于從氣溶膠顆粒生成元素離子和潛在的電離金屬氧化物的離子源，其包含具有內(nèi)部的減壓室；用于將包含分散在氣體、特別是空氣中的氣溶膠顆粒的分散體中的氣溶膠顆粒引入減壓室的內(nèi)部的入口和限流裝置，該入口經(jīng)由所述限流裝置將減壓室的外部與減壓室的內(nèi)部流體耦合；以及激光器，其用于在減壓室的內(nèi)部的等離子體區(qū)中誘導(dǎo)分散體中的等離子體，以用于將氣溶膠顆粒原子化并電離成元素離子和潛在的電離金屬氧化物。另外，本發(fā)明涉及用于從氣溶膠顆粒生成元素離子和潛在的電離金屬氧化物的方法。

背景技術(shù)

氣溶膠是細(xì)小固體或液體顆粒的氣態(tài)懸浮液，也被稱為氣溶膠顆粒。在這樣的懸浮液中，氣態(tài)物質(zhì)可在氣溶膠顆粒的表面上冷凝，而液體或固體物質(zhì)可同時從氣溶膠顆粒表面蒸發(fā)到氣相中，在這種意義上，氣體和氣溶膠顆粒彼此相互作用。氣體與顆粒相之間的平衡很大程度上由各個化合物的飽和蒸汽壓驅(qū)動。

氣溶膠顆粒的大小通常在10nm至10μm的范圍內(nèi)。小于10nm的氣溶膠顆粒具有較大的比表面積(surface to size ratio)，因此快速生長成更大的氣溶膠顆粒。另一方面，大于10μm的氣溶膠顆粒變得太重，而不能長時間懸浮在氣體中，最終將落到地面。由于這個原因，環(huán)境氣溶膠顆粒的常見尺寸范圍為50nm到2000nm或2μm。

用于分析氣溶膠顆粒的元素組成、特別是用于檢測氣溶膠顆粒、如金屬和黑碳的元素化合物的方法和設(shè)備是已知的。例如，它們被用于分析含有痕量金屬、例如工程化納米顆粒的人為(人造)氣溶膠和氣溶膠顆粒。它們還被用于納米顆粒分析，因為納米顆粒通常由較高比例的金屬組成。因此，它們被應(yīng)用于大氣科學(xué)、以及核分析鑒定(forensics)、納米顆粒分析、環(huán)境分析、如水和空氣監(jiān)測、或食品和飲料的質(zhì)量保證。

傳統(tǒng)上使用過濾器或拭子進(jìn)行氣溶膠顆粒采樣。在這種方法中，氣溶膠顆粒收集在過濾器或拭子上，隨后在離線程序中進(jìn)行分析。然而在過去的30年里，已經(jīng)開發(fā)了幾種用于在線和實時分析氣溶膠顆粒的元素組成的儀器。這些儀器中的大多數(shù)都依賴于將空氣直接取樣到離子源中，其中氣溶膠顆粒被原子化并電離，隨后從離子源送入質(zhì)量分析儀中。當(dāng)直接將空氣采樣至離子源中時，這些電離源中的大多數(shù)首先在若干個差分泵浦級中使氣相與顆粒相分離，由此將氣相稀釋大約10¹⁰倍，從而將氣溶膠顆粒從大氣壓力(約1000mbar)變成具有約10^-7mbar壓力的高度真空或超高真空。隨后，通過激光束轟擊氣溶膠顆粒，以使分子和原子從氣溶膠顆粒上解吸，并使該分子或原子電離。在激光照射之后，將氣溶膠顆粒蒸發(fā)并電離，從而由氣溶膠顆粒材料產(chǎn)生等離子體。如果等離子體足夠熱，則會發(fā)生原子化，并且可以測量元素離子。這類儀器通常被稱為氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀(ATOFMS)。

例如，在Kimberley的US 5,681,752或Kimberley等人的US 8,648,294 B2中教導(dǎo)了這類儀器的多種版本，其具有使用一個或多個激光器來蒸發(fā)氣溶膠顆粒并在高度真空下將汽化物質(zhì)電離的離子源。