專利名稱：離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及離子遷移率譜儀技術領域，是一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣 方法及裝置。
背景技術：
離子遷移率譜技術是利用氣相離子在弱電場中遷移率的不同來檢測物質(zhì)的方法， 其原理與飛行時間質(zhì)譜相似，主要的區(qū)別是離子遷移率譜技術中離子的分離是在大氣壓或 接近大氣壓的環(huán)境下進行。離子遷移率譜儀(IMS Ion mobility spectrometer)主要由漂 移管以及外圍的氣路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)組成，其中漂移管包括離化區(qū)、離子門、離子漂移區(qū)以 及法拉第盤等。在利用離子遷移率譜儀進行檢測時，被檢測物質(zhì)進入漂移管離化區(qū)，在離化 源作用下形成帶電離子，然后通過離子門進入漂移區(qū)，漂移區(qū)的電場強度一般在102V/cm的 量級，具有特定遷移率的離子在電場作用下，經(jīng)過一定時間后到達法拉第盤并給出離子電 流信號。由于各種物質(zhì)離子的遷移速率互不相同，根據(jù)漂移時間的不同可以實現(xiàn)對樣品的 分離和檢測。
離子遷移率譜儀在大氣環(huán)境氣壓下工作，與質(zhì)譜等分析儀器相比具有體積小、重 量輕、功耗小、攜帶方便等優(yōu)點，同時還能保證非常低的檢測下限(皮克量級)，主要用于痕 量化學戰(zhàn)劑、毒品以及爆炸物的實時檢測。隨著技術的發(fā)展，離子遷移率譜儀已經(jīng)應用于戰(zhàn) 場環(huán)境中的實時毒劑勘察、機場和重要地域的安全檢查、環(huán)境中可揮發(fā)有機污染物的長期 監(jiān)測以及化學工業(yè)中泄漏檢測等。
為了提高離子遷移率譜儀的抗干擾能力，降低外界環(huán)境水汽及雜質(zhì)的影響，商品 化的漂移管多為封閉式結構，被測樣品通過半透膜進入漂移管。由于半透膜對化學戰(zhàn)劑、爆 炸物以及可揮發(fā)有機污染物等的透過率比較高，而對水汽的透過率較低，樣品氣體中所含 有的被測物可以通過半透膜，并被內(nèi)部載氣帶入漂移管離化區(qū)，而水汽等干擾物質(zhì)通過半 透膜的速度很慢，大部分被擋在漂移管外。半透膜進樣方法大大降低了環(huán)境水汽對離子遷 移率譜儀的影響。
以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為代表的有機硅材料早在上世紀80年代就被用于離子 遷移率譜儀以分離氣體樣品中的有機被測物和水汽。傳統(tǒng)的膜進樣方法中，待測樣品完全 依靠有機分子在半透膜前后分壓的不同而自由擴散通過半透模，由于樣品滲透效率及速度 與半透膜溫度有很大關系，所以需要將半透膜穩(wěn)定在50°C 300°C之間某個溫度。中國專 利200510028968. 6,200810116735. 5都提出通過維持半透膜內(nèi)外一定壓差，加快待測樣品 在半透膜中擴散速度的方法。這種方法有效提高了離子遷移率譜儀半透膜的進樣效率，減 少了樣品殘留。但這種方法中半透膜內(nèi)外存在一定壓差，機械強度不高的半透膜在壓差作 用下容易破損，不能加大半透膜面積以提高進樣效率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法及裝置，以解決現(xiàn)有技術中離子遷移率譜儀半透膜進樣方法效率不高的問題，能有效提高進樣效率，降低 離子遷移率譜儀的檢測下限。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是
一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法，其包括步驟
a)在采樣過程中，半透膜處于室溫；
b)而在解吸過程中，用半透膜溫控裝置或半透膜自加熱功能，將半透膜加熱至 80。。 300。。。
一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其包括采樣部分、半透膜進樣部分 和解吸部分；采樣部分位于管路上游，后端與半透膜進樣部分前端固接，并連通，解吸部分 位于管路下游，前端與半透膜進樣部分后端固接，并連通；采樣部分的前端為采樣口，采樣 部分管路側面設有采樣泵抽氣口 ；解吸部分管路側面設有載氣入口，解吸部分的后端為與 離子遷移率譜儀接口；
其中，半透膜進樣部分位于管路中，包括半透膜、半透膜溫控裝置；半透膜熱容量 很小，徑向設置，周緣固接于管路內(nèi)壁；
使用時，采樣泵抽氣口與采樣泵相連通，載氣入口與載氣源相連通，解吸部分后端 的接口與離子遷移率譜儀漂移管相連通。
所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其所述半透膜，為聚二甲基硅氧 烷PDMS薄膜，厚度為4微米 100微米；由金屬網(wǎng)進行機械加固。
所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其所述半透膜溫控裝置，包括具 有低熱容的加熱器、測溫元件、氣路盤；加熱器是由金屬絲或金屬薄皮繞制成的加熱電阻， 測溫元件為微型熱敏電阻或熱電偶，氣路盤與半透膜相適配，其后表面上有多個同心圓狀 氣體通道，通過中心貫通孔與采樣口相通連；加熱器、測溫元件固定于氣路盤前表面，半透 膜位于氣路盤后面，半透膜前表面與氣路盤后表面上的多個同心圓狀氣體通道緊貼。
一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其包括采樣部分、半透膜進樣部分 和解吸部分；采樣部分位于管路上游，后端與半透膜進樣部分前端固接，并連通，解吸部分 位于管路下游，前端與半透膜進樣部分后端固接，并連通；采樣部分的前端為采樣口，采樣 部分管路側面設有采樣泵抽氣口 ；解吸部分管路側面設有載氣入口，解吸部分的后端為與 離子遷移率譜儀接口；
其中，半透膜進樣部分位于管路中，包括氣路盤、半透膜；半透膜熱容量很小，徑向 設置，周緣固接于管路內(nèi)壁；
半透膜為聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜，在薄膜表面固接雙螺旋結構的金屬絲，并有 邊框，邊框固接于管路內(nèi)壁，金屬絲作為聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜的骨架，起到加固薄膜， 提高薄膜機械強度的作用，同時金屬絲是半透膜的加熱電極及測溫電阻，具有自加熱功能， 以實現(xiàn)半透膜加熱控溫；
氣路盤與半透膜相適配，其后表面上有多個同心圓狀氣體通道，通過中心貫通孔 與采樣口相通連；氣路盤覆于半透膜前面，氣路盤后表面上的多個同心圓狀氣體通道緊貼 半透膜表面；
使用時，采樣泵抽氣口與采樣泵相連通，載氣入口與載氣源相連通，解吸部分后端 的接口與離子遷移率譜儀漂移管相連通。
所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其所述半透膜，厚度在4 100微米之間；其邊框為非金屬材料制備的框架，厚度在O. 5 Imm之間；金屬絲為雙螺旋結構， 以鉬絲或鎳鉻絲制作，位于半透膜的中心部分。
所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其工作流程是
I)在半透膜處于室溫時，啟動采樣泵，氣體樣品由采樣口進入，經(jīng)氣路盤同心圓狀氣體通道放出，流經(jīng)半透膜前表面后，經(jīng)采樣泵抽氣口排出；
2)經(jīng)過一段時間完成采樣后，關閉采樣泵；
3)啟動半透膜溫控裝置對半透膜加熱，或啟動半透膜自加熱功能加熱，將半透膜升溫至80°C 300°C之間的恒定溫度，使富集于半透膜的被測物解吸后，被從載氣入口進入的載氣攜帶，由接口帶入離子遷移率譜儀漂移管。·
本發(fā)明的進樣裝置，優(yōu)點是
被測物在半透膜的富集基于吸收或吸附機理。被測物在半透膜上的吸收或吸附過程是一個放熱過程，采樣過程中半透膜溫度越高，被測物在半透膜中的分配系數(shù)就越低，半透膜的富集效率就越低。在本發(fā)明離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法中，通過采樣過程中控制半透膜處于較低溫度，促進被測物在半透膜中的富集；采樣過程結束后，通過半透膜溫控裝置加熱半透膜，實現(xiàn)半透膜中被測物的熱解吸，從而使得半透膜具有樣品預富集的功能，降低了離子遷移率譜儀的檢測下限。
圖1為離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置的結構示意圖2為一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置的剖面結構示意圖3為傳統(tǒng)半透膜進樣方法及本發(fā)明方法得到的一種被測樣品離子遷移率譜圖4為另一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置的剖面結構示意圖5為一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置的具有自加熱功能的半透膜結構示意圖。
圖中
1-采樣部分2-半透膜進樣部分3-解吸部分
11-采樣口12-采樣泵抽氣口13-氣路盤
21-半透膜22-半透膜溫控裝置； 31-載氣入口
32-與離子遷移率譜儀接口具體實施方式
參閱圖1，為離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置的結構示意圖。本發(fā)明的進樣裝置，由采樣部分1、半透膜進樣部分2以及解吸部分3組成。其中
采樣部分I的前端為采樣口 11，側面設置有采樣泵抽氣口 12與采樣泵相連。采樣口 11由金屬材料(包括但不限于不銹鋼、鋁合金)或者非金屬材料(包括但不限于聚四氟乙烯、聚醚醚酮、經(jīng)過共混、填充、纖維復合等加強改性的聚醚醚酮復合材料)制備。采樣過程中，在采樣泵作用下，樣品氣體或微粒經(jīng)采樣口 11進入采樣部分I內(nèi)部，流過半透膜21 表面，此時半透膜21處于室溫狀態(tài)；完成采樣后，采樣泵停止運轉，半透膜21在半透膜溫控裝置22作用下快速升溫至80°C 300°C，半透膜21中富集的被測物熱解吸并被從解吸 部分3的載氣入口 31進入的載氣通過與離子遷移率譜儀接口 32帶入離子遷移率譜儀漂移管。
傳統(tǒng)MS半透膜進樣裝置的半透膜工作中處于80°C 300°C之間的恒定溫度，而 本發(fā)明中的半透膜在采樣過程中處于室溫，有利于樣品中被測物在半透膜上的吸附或吸 收，使得被測物在半透膜上得到富集；在采樣結束后采樣泵停止運轉，半透膜溫度升高，一 方面使得半透膜中富集的被測物解吸釋放，另一方面加熱也提高了被測物在半透膜的透過 率。與傳統(tǒng)IMS半透膜進樣裝置中半透膜處于恒溫狀態(tài)的工作方式相比，本發(fā)明在采樣過 程中使半透膜處于室溫，提高了被測物在半透膜中的富集效果，同時在解吸時使半透膜處 于80°C 300°C的高溫，保證了被測物的透過率。
實施例1 :
如圖2所示一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特征在于所述的半 透膜預富集進樣裝置包括采樣口 11，采樣泵抽氣口 12、氣路盤13、半透膜21、半透膜溫控裝 置22以及載氣入口 31、進樣裝置與離子遷移率譜儀接口 32。
采樣過程中，半透膜處于室溫，在采樣泵作用下，樣品氣體經(jīng)過采樣口 11流到氣 路盤13經(jīng)過半透膜21表面后經(jīng)采樣泵抽氣口 12排出。氣路盤與半透膜接觸的一面有很 多同心圓狀氣體通道，保證了樣品氣體與半透膜表面的充分接觸，進一步促進樣品氣體中 被測物在半透膜中的富集。
采樣結束后，采樣泵停止運轉。半透膜21在半透膜溫控裝置22作用下，迅速升溫 至80°C 300°C之間的恒定溫度，富集于半透膜的被測物解吸后被從載氣入口 31進入的載 氣攜帶，經(jīng)進樣裝置與離子遷移率譜儀接口 32而進入離子遷移率譜儀漂移管。由于在采樣 泵停止運轉后氣路盤13與半透膜21之間形成相對密封的空間很小，保證半透膜中富集的 被測物大部分通過進樣裝置與離子遷移率譜儀接口 32進入離子遷移率譜儀漂移管。為了 提高半透膜溫控裝置22對半透膜的加熱效率，氣路盤13采用高熱導率的材料包括但不限 于鋁合金、銅制備，而進樣裝置其它部分采用熱導率低、熱穩(wěn)定性好的非金屬材料(包括但 不限于聚四氟乙烯、聚醚醚酮、經(jīng)過共混、填充、纖維復合等加強改性的聚醚醚酮復合材料) 制備。
圖3為本發(fā)明方法與傳統(tǒng)膜進樣方法下一種痕量被測物甲基磷酸二甲酯(DMMP) 離子遷移率譜圖的比較。
本發(fā)明方法的工作參數(shù)采樣過程采樣流量100毫升/分鐘，采樣時間200秒，采 樣時半透膜處于室溫；解吸過程采樣泵停止運轉，半透膜溫度180°C。
傳統(tǒng)膜進樣方法的工作參數(shù)半透膜溫度180°C恒定，采樣流量100毫升/分鐘， 采樣時間200秒，采樣結束后采樣泵停止運轉。
可以看出，由于被測物濃度極低，采用傳統(tǒng)膜進樣方法在譜圖中沒有出現(xiàn)DMMP離 子峰，而采用本發(fā)明方法可以在圖譜中出現(xiàn)DMMP離子峰，說明采用本發(fā)明方法可以有效提 高離子遷移率譜儀的響應靈敏度。由于受到環(huán)境中有機胺、丙酮等痕量有機氣體影響，采用 本發(fā)明方法得到的圖譜中出現(xiàn)其它未知離子峰。
實施例2
如圖4所示一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特征在于所述的預富集膜進樣裝置包括采樣口 11，采樣泵抽氣口 12、氣路盤13、半透膜21、以及載氣入口 31、 進樣裝置與離子遷移率譜儀接口 32。其中半透膜21具有自加熱功能，帶有加熱及測溫電 極，可以實現(xiàn)半透膜21的快速升溫。
采樣過程中，半透膜處于室溫，在采樣泵作用下，樣品氣體經(jīng)過采樣口 11流到氣 路盤13經(jīng)過半透膜21表面后經(jīng)采樣泵抽氣口 12排出。氣路盤與半透膜接觸的一面有很 多同心圓狀氣體通道，保證了樣品氣體與半透膜表面的充分接觸，進一步促進樣品氣體中 被測物在半透膜上的吸收和吸附。
采樣結束后，采樣泵停止運轉。半透膜21迅速升溫至80°C 300°C，吸附和吸收 于半透膜的被測物解吸后被從載氣入口 31進入的載氣攜帶，經(jīng)進樣裝置與離子遷移率譜 儀接口 32而進入離子遷移率譜儀漂移管。
具有自加熱功能的半透膜21熱容量小，可以快速升溫，解吸速度塊，可以獲得更 窄、更高的被測物脈沖，更有利于離子遷移率譜儀檢測下限的降低。
圖5為一種具有自加熱功能半透膜示意圖。邊緣部分為非金屬材料(聚四氟乙 烯、聚醚醚酮、經(jīng)過共混、填充、纖維復合等加強改性的聚醚醚酮復合材料)制備的框架，厚 度在O. 5 Imm之間；中心部分為半透膜(優(yōu)選聚二甲基硅氧烷(PDMS))，厚度在4 100 微米之間；中心部分半透膜采用雙螺旋結構的金屬絲(鉬絲、鎳鉻絲)進行機械加固，同時 金屬絲也是半透膜的加熱電極及測溫電阻，可以實現(xiàn)半透膜加熱控溫。
這種具有自加熱功能的半透膜熱容量小，熱解吸過程中可以快速升溫，具有解吸 速度快的優(yōu)點，可以獲得更窄、更高的被測物脈沖，有利于離子遷移率譜儀檢測下限的降 低。
上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā) 明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的 一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施 例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應該在本發(fā)明權 利要求書的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法，其特征在于包括步驟 a)在采樣過程中，半透膜(21)處于室溫； b)而在解吸過程中，用半透膜溫控裝置(22)或半透膜(21) 自加熱功能，將半透膜(21)加熱至80°C 300°C。
2.一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特征在于包括采樣部分(I)、半透膜進樣部分(2)和解吸部分(3);采樣部分(I)位于管路上游，后端與半透膜進樣部分(2)前端固接，并連通，解吸部分(3)位于管路下游，前端與半透膜進樣部分(2)后端固接，并連通；采樣部分(I)的前端為采樣口(11)，采樣部分(I)管路側面設有采樣泵抽氣口(12)；解吸部分(3)管路側面設有載氣入口(31)，解吸部分(3)的后端為與離子遷移率譜儀接口(32)； 其中，半透膜進樣部分(2)位于管路中，包括半透膜(21)、半透膜溫控裝置(22);半透膜(21)熱容量很小，徑向設置，周緣固接于管路內(nèi)壁； 使用時，采樣泵抽氣口(12)與采樣泵相連通，載氣入口(31)與載氣源相連通，解吸部分(3)后端的接口(32)與離子遷移率譜儀漂移管相連通。
3.如權利要求2所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特征在于所述半透膜(21)，為聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，厚度為4微米 100微米；由金屬網(wǎng)進行機械加固。
4.如權利要求2所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特征在于所述半透膜溫控裝置(22)，包括具有低熱容的加熱器、測溫元件、氣路盤(13);加熱器是由金屬絲或金屬薄皮繞制成的加熱電阻，測溫元件為微型熱敏電阻或熱電偶，氣路盤(13)與半透膜(21)相適配，其后表面上有多個同心圓狀氣體通道，通過中心貫通孔與采樣口(11)相通連；加熱器、測溫元件固定于氣路盤(13)前表面，半透膜(21)位于氣路盤(13)后面，半透膜(21)前表面與氣路盤(13)后表面上的多個同心圓狀氣體通道緊貼。
5.一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特征在于包括采樣部分(I)、半透膜進樣部分(2)和解吸部分(3);采樣部分(I)位于管路上游，后端與半透膜進樣部分(2)前端固接，并連通，解吸部分(3)位于管路下游，前端與半透膜進樣部分(2)后端固接，并連通；采樣部分(I)的前端為采樣口(11)，采樣部分(I)管路側面設有采樣泵抽氣口(12)；解吸部分(3)管路側面設有載氣入口(31)，解吸部分(3)的后端為與離子遷移率譜儀接口(32)； 其中，半透膜進樣部分(2)位于管路中，包括氣路盤(13)、半透膜(21);半透膜(21)熱容量很小，徑向設置，周緣固接于管路內(nèi)壁； 半透膜(21)為聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，在薄膜表面固接雙螺旋結構的金屬絲，并有邊框，邊框固接于管路內(nèi)壁，金屬絲作為聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜的骨架，起到加固薄膜，提高薄膜機械強度的作用，同時，金屬絲是半透膜(21)的加熱電極及測溫電阻，具有自加熱功能，以實現(xiàn)半透膜(21)加熱控溫； 氣路盤(13)與半透膜(21)相適配，其后表面上有多個同心圓狀氣體通道，通過中心貫通孔與采樣口(11)相通連；氣路盤(13)覆于半透膜(21)前面，氣路盤(13)后表面上的多個同心圓狀氣體通道緊貼半透膜(21)表面； 使用時，采樣泵抽氣口(12)與采樣泵相連通，載氣入口(31)與載氣源相連通，解吸部分(3)后端的接口(32)與離子遷移率譜儀漂移管相連通。
6.如權利要求5所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特征在于所述半透膜(21)，厚度在4 100微米之間；其邊框為非金屬材料制備的框架，厚度在0. 5 Imm之間；金屬絲為雙螺旋結構，以鉬絲或鎳鉻絲制作，位于半透膜(21)的中心部分。
7.如權利要求2或5所述的離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣裝置，其特征在于工作流程是 1)在半透膜(21)處于室溫時，啟動采樣泵，氣體樣品由采樣口(11)進入，經(jīng)氣路盤(13)同心圓狀氣體通道放出，流經(jīng)半透膜(21)前表面后，經(jīng)采樣泵抽氣口(12)排出； 2)經(jīng)過一段時間完成采樣后，關閉采樣泵； 3)啟動半透膜溫控裝置(22)對半透膜(21)加熱，或啟動半透膜(21)自加熱功能加熱，將半透膜(21)升溫至80°C 300°C之間的恒定溫度，使富集于半透膜(21)的被測物解吸后，被從載氣入口(31)進入的載氣攜帶，由接口(32)帶入離子遷移率譜儀漂移管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種離子遷移率譜儀半透膜預富集進樣方法及裝置，涉及離子遷移率譜儀技術，該裝置包括采樣部分、半透膜進樣部分和解吸部分，其中半透膜進樣部分包括半透膜、半透膜溫控裝置；在離子遷移率譜儀半透膜富集進樣過程中，采樣時半透膜處于室溫，而解吸時利用半透膜溫控裝置將半透膜加熱至80℃～300℃。由于采樣過程中半透膜處于室溫，有利于被測物在半透膜中的富集；而解吸過程中半透膜加熱至80℃～300℃，有利于其中富集的被測物在熱解吸的同時更有效地透過半透膜進入離子遷移率譜儀漂移管。采用本發(fā)明裝置及方法有效地降低離子遷移率譜儀的檢測下限。
文檔編號G01N27/62GK103018313SQ20111027940
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權日2011年9月20日
發(fā)明者高曉光, 賈建, 李建平, 何秀麗 申請人:中國科學院電子學研究所