TWI512782B - 大氣游離裝置及熱重分析質譜系統 - Google Patents

Description

大氣游離裝置及熱重分析質譜系統

本發明係關於一種大氣游離裝置，特別是關於一種結合不同游離源的大氣游離裝置，以及利用該大氣游離裝置結合熱重分析法的質譜系統及質譜分析方法。

高分子聚合物與日常生活息息相關，在合成與加工的過程中，有效地對其結構、物性及化性分析，對於品質管理是相當重要的一環。然而，在高分子聚合物分析前，通常需要繁瑣的前處理及分離來將目標分析物純化，以便於進一步利用光譜或質譜等技術進行化學組成鑑定。由於聚合物本身的揮發性及溶解度相當低，因此無法直接進行游離偵測，文獻中大多搭配熱裂解裝置(Pyrolyzer)的使用，先將分析物進行裂解與氣化，再導入氣象層析質譜儀(Gas Chromatography/Mass Spectrometry，GC/MS)進行分析。或者，在工業上大部分是利用熱重分析儀(Thernogravimetric Analyzer，TGA)，透過質量與溫度之間的變化關係及逸散氣體的質譜分析可有效監測材料性能的變化。從上述方法中可知，質譜判讀高分子聚合物的化學組成對於學術研究及工業量產而言都是很重要的。

在質譜分析中，分析物必須經過游離使其帶有電荷，之後 被導入質譜儀中依其各自的電荷質量比(即m/z值，簡稱質荷比，其中m為質量，z為所攜電荷數)輸出分析圖譜，藉由判讀該分析圖譜來獲得分析物的分子組成訊息。應用於質譜儀中的游離的方法大致可以分類為早期所使用的電子游離法及近年來逐漸普及的化學游離法兩種。電子游離法所產生的訊號以碎片離子為主，其質譜圖顯得極為複雜，因此對於分析物的分子量判定不易。相反的，化學游離法由於相較於電子游離法具有相對較小的游離能量，因此可得到比例較高的分析物離子訊號，生成碎片離子的比例較低，故可獲得訊號較單純的質譜圖，有利於判讀，因此又稱為軟性游離法。在軟性游離法中，目前已知的電噴灑游離法(Electrospray ionization，ESI)可在大氣壓力下對極性樣品進行高靈敏度的分析，並且能使大分子化合物帶有多價電荷而游離，且所生成的離子都能完整保留原始分析物結構，具有軟性游離的優點。另一種可以在大氣壓力下操作的軟性游離法則是低溫電漿游離法，主要是可以針對中低極性的分析物進行分析。然而，不論是電噴灑或是低溫電漿游離法，所適用的分子極性都有各自的極限。也就是說，利用電噴灑所適用的是較高極性的樣品，當分析物的分子不具有極性時，就不適合使用電噴灑游離法來游離分析物，而需要更換適合的游離源。在此狀況下，對於未知結構的化合物的分析上，就需要重複數次以不同的游離方式進行分析，耗費分析時間及成本，或者是可能因為游離方法的限制，使得分析結果被誤判。

故，有必要提供一種大氣游離裝置及熱重分析質譜系統，可適用於廣泛的分子種類的分析，並具有單純的質譜訊號，以解決習用技術中所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種大氣游離裝置，可在大氣壓下同時間產生兩種以上的游離源，適用於廣泛分子種類的即時分析，簡化質譜分析裝置。

本發明之次要目的在於提供一種熱重分析質譜系統，利用上述大氣游離裝置結合熱重分析裝置，可提供各種不同種類分子所需要的游離源，提高偵測靈敏度，並節省分析時間及成本。

為達上述之目的，本發明的一實施例提供一種大氣游離裝置，其包含：一電噴灑單元，具有一噴嘴以及一容置部，該容置部內容置一電噴灑溶液，藉由在該容置部內遠離該噴嘴處對該電噴灑溶液施加一電壓，使該電噴灑溶液通過該噴嘴而產生一第一帶電粒子；一氣體腔室，用以容置並流通一氣體，包含一氣體注入端、一出口端以及一氣體通道，該電噴灑單元係設置於該氣體通道中；一第一電極部，設置於該電噴灑單元的外側；以及一第二電極部，設置於該氣體腔室的外側，其中該第一電極部與該第二電極部通電後形成一電場，將該氣體轉變成一第二帶電粒子，並且與該第一帶電粒子混合形成一複合游離源。

在本發明之一實施例中，該電噴灑單元係一毛細管，該噴嘴係該毛細管的一管口。

在本發明之一實施例中，該電噴灑單元係與該氣體通道同軸設置。

在本發明之一實施例中，該電噴灑溶液係甲醇、水和醋酸的混合溶液。

在本發明之一實施例中，該氣體係為乾燥空氣、氦氣、氮氣或氬氣。

在本發明之一實施例中，該第一電極部係一接地電極，且該第二電極部係一高壓電極。

在本發明之一實施例中，該第一電極部係一金屬管，具有一管體及一開口部，該電噴灑單元係穿設於該管體，且該噴嘴係露出該開口部。

在本發明之一實施例中，該第二帶電粒子係一低溫電漿。

再者，本發明的另一實施例提供一種熱重分析質譜系統，其包含：如上所述之大氣游離裝置；一熱重分析裝置，用以加熱一待測物，以形成一中性分子；以及一質譜分析裝置，具有一離子入口，其中該複合游離源與該中性分子先進行離子分子反應形成一帶電分子，該帶電分子隨後從該離子入口進入該質譜分析裝置以分析該帶電分子的質荷比。

在本發明之一實施例中，該熱重分析裝置包含一加熱單元、一重量量測單元以及一氣體輸出口，以獲得該待測物的溫度對重量的變化曲線。

在本發明之一實施例中，該氣體輸出口配置於該複合游離源附近，使該中性分子進入該複合游離源進行反應形成該帶電分子。

在本發明之一實施例中，該複合游離裝置的該複合游離源與該質譜分析裝置的該離子入口彼此相對。

1‧‧‧熱重分析質譜系統

10‧‧‧大氣游離裝置

11‧‧‧電噴灑單元

12‧‧‧氣體腔室

13‧‧‧第一電極部

14‧‧‧第二電極部

15‧‧‧直流電源產生器

16‧‧‧交流電源產生器

17‧‧‧導電元件

20‧‧‧熱重分析裝置

30‧‧‧質譜分析裝置

111‧‧‧噴嘴

112‧‧‧容置部

121‧‧‧氣體注入端

122‧‧‧出口端

123‧‧‧氣體通道

131‧‧‧管體

132‧‧‧開口部

201‧‧‧加熱單元

202‧‧‧重量量測單元

203‧‧‧氣體輸出口

301‧‧‧離子入口

A‧‧‧待測物

A1‧‧‧中性分子

A2‧‧‧帶電分子

E1‧‧‧第一帶電粒子

E2‧‧‧第二帶電粒子

I‧‧‧複合游離源

第1圖：本發明一實施例之一大氣游離裝置示意圖。

第2圖：本發明另一實施例之一熱重分析質譜系統的組合示意圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖所示，本發明一實施例之大氣游離裝置10主要包含一電噴灑單元11、一氣體腔室12、一第一電極部13以及一第二電極部14。本發明將於下文中逐一詳細說明該大氣游離裝置10之上述各元件的細部構造、組裝關係及其運作原理。

請再參照第1圖所示，該電噴灑單元11包含一噴嘴111以及一容置部112，該容置部112內可容置一電噴灑溶液，藉由在該容置部112內遠離該噴嘴111處對該電噴灑溶液施加一電壓，使該電噴灑溶液通過該噴嘴111而產生一第一帶電粒子E1。第一帶電粒子E1即為可用以游離待測物的一游離源。該電噴灑單元11可例如是一毛細管，其管徑尺寸800微米以下，可例如是100、250或750微米，然不限於此。該噴嘴111則是該毛細管的一管口。該電噴灑單元11亦可包含一幫浦(未繪示)，用以將該電噴灑溶液汲取到該容置部112。該電噴灑溶液為一混合溶液，其包含一極性溶劑、水和添加劑，該極性溶劑可例如是甲醇、乙醇、異丙醇或乙腈，該添加劑可例如 是甲酸、醋酸或氨水，比例介於0.1-5%。因此，該電噴灑溶液可例如是49.5%甲醇、49.5%水和1%醋酸的混合溶液；69.5%甲醇、39.5%水和1%甲酸的混合溶液；或者是79.5%異丙醇、29.5%水和1%甲酸的混合溶液。該電壓可為一直流電壓，例如利用一導電元件17(如鐵絲)連接一直流電源產生器15，之後導入該容置部112遠離該噴嘴111的一側，然不限於此方式，亦可利用其他導電方式，將該電壓施加於該電噴灑溶液。此外，該電壓的範圍係介於2kV至5kV，可例如是3.5kV。

請再參照第1圖所示，該氣體腔室12包括一氣體注入端121、一出口端122以及一氣體通道123。該氣體腔室12可例如是一中空管柱，用以流通一氣體，其材質可為玻璃或其他介電材料。此外，該電噴灑單元11係設置於該氣體通道123中。較佳的，該電噴灑單元11與該氣體通道123係同軸設置，例如，當該電噴灑單元11為毛細管，該氣體腔室12為中空管柱時，兩者的軸心位置相同，使該電噴灑單元11的周圍流通有該氣體，但並不限於此。該氣體通過該氣體注入端121進入該氣體腔室12，其係為可產生電漿的氣體，例如是乾燥空氣、氦氣、氮氣或氬氣，或是以前述氣體混摻氫氣或氧氣，然不限於此。

再者，該第一電極部13被設置於該電噴灑單元11的外側，可為一金屬管，例如是不銹鋼管，具有一管體131及一開口部132，中間穿設有該電噴灑單元11，較佳的，該噴嘴111露出該開口部132。該第二電極部14則設置於該氣體腔室12的外側，可例如是一不鏽鋼環，但並不限於此，也可以是一不鏽鋼片。因此，該第一電極部13與該第二電極部14的中間是以該氣體腔室12相隔，並在通電後形成一電場，使流通於其中的該氣體流 經此電場時轉變為一第二帶電粒子。該第二帶電粒子即為另一游離源，可例如是一低溫電漿，與該第一帶電粒子共同混合成為一複合游離源I。

在本發明之一實施例中，該第一電極部13為一接地電極，該第二電極部14則相應的是一高壓電極，用以連接一交流電源產生器16，形成一高壓電場。該第一電極部13及該第二電極部14所施加的電壓範圍可例如介於2kV至5kV，較佳的是3.5kV。為了使該第一帶電粒子與第二帶電粒子所形成的該複合游離源I的密度較為均勻，該第一電極部13及該第二電極部14的位置較佳的是靠近該電噴灑單元11的該噴嘴111且並不超過該噴嘴111處，但並不限於此，可依照實際使用時該第一帶電粒子E1與該第二帶電粒子E2的狀況調整。

請接著參考第2圖，其係本發明另一實施例之熱重分析質譜系統1的組合示意圖。該熱重分析質譜系統1主要包含：如上述之大氣游離裝置10；一熱重分析裝置20，用以加熱一待測物A，以形成一中性分子A1；以及一質譜分析裝置30，具有一離子入口301。在本實施例中，該複合游離源I與該中性分子A1先進行離子分子反應形成一帶電分子A2，該帶電分子A2隨後進入該質譜分析裝置30以分析該帶電分子的質荷比。該熱重分析裝置20可包含一加熱單元201、一重量量測單元202以及一氣體輸出口203，以獲得該待測物的溫度對重量的變化曲線。該熱重分析裝置20例如是一熱重分析儀，具有可程式調整及設定加熱條件的功能。該質譜分析裝置30則可例如是一離子阱質譜儀。

在本實施例中，較佳的，該複合游離裝置10配置於該質譜分析裝置30正對面，且該複合游離源I與該質譜分析裝置30的該離子入口301 彼此相對。該熱重分析裝置20的氣體輸出口203配置於該複合游離源I附近，且位於該複合游離裝置10以及該質譜分析裝置30的該離子入口301之間，使該中性分子A1可進入該複合游離源I的範圍反應形成該帶電分子A2，可以藉著電場或真空引導進入該質譜分析裝置。

以下例示性的概略說明本發明之熱重分析質譜系統1進行分析時的實際操作方式，但此操作方式或描述並非用以限制該熱重分析質譜系統1的結構。

在此分析操作中，所使用的熱重分析裝置為由瑞士METTLER-TOLEDO公司所製造，型號為TGA1的熱重分析儀。所使用的質譜分析裝置為德國Bruker Daltonics公司所製造，型號為Esquire 6000的離子阱質譜儀。

首先，將欲分析的固體樣品取1-10毫克置於熱重分析儀內，關閉熱重分析儀的爐體之後，安裝好加熱氣體傳輸線與大氣游離裝置。上述裝置設置完成後，設定程式所需之動態升溫條件(溫度對時間的變化曲線)。在分析過程中，在熱重分析儀內因為加熱而產生的氣相產物會經由反應氣體的吹送，通過加熱傳輸線，進入該大氣游離裝置所產生的複合游離源與質譜儀入口之間的游離區域進行游離反應，所產生的離子則藉由電場引導與質譜內部的真空吸引進入質譜儀進行分析。該複合游離源配置於該質譜儀正對面距離質譜儀入口處約1公分，且與該熱重分析儀垂直距離該加熱傳輸線出口約0.5公分。因此，該複合游離源、該熱重分析儀出口與該質譜儀入口三者包圍的區域即為游離反應進行的區域。

相較於習知技術，依照本發明所提供之大氣游離裝置及熱 重分析質譜系統，能夠在常溫常壓下進行游離反應，可同時間產生兩種以上的游離源，適用於廣泛分子種類的即時分析，能夠有效偵測到目標分析物，簡化質譜分析裝置，節省分析時間及成本。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧大氣游離裝置

11‧‧‧電噴灑單元

12‧‧‧氣體腔室

13‧‧‧第一電極部

14‧‧‧第二電極部

15‧‧‧直流電源產生器

16‧‧‧交流電源產生器

17‧‧‧導電元件

111‧‧‧噴嘴

112‧‧‧容置部

121‧‧‧氣體注入端

122‧‧‧出口端

123‧‧‧氣體通道

131‧‧‧管體

132‧‧‧開口部

E1‧‧‧第一帶電粒子

E2‧‧‧第二帶電粒子

I‧‧‧複合游離源

Claims (10)

1. 一種大氣游離裝置，其包含：一電噴灑單元，包含一噴嘴以及一容置部，該容置部內容置一電噴灑溶液，藉由在該容置部內遠離該噴嘴處對該電噴灑溶液施加一電壓，使該電噴灑溶液通過該噴嘴而產生一第一帶電粒子；一氣體腔室，用以容置並流通一氣體，包含一氣體注入端、一出口端以及一氣體通道，該電噴灑單元係設置於該氣體通道中；一第一電極部，設置於該電噴灑單元的外側；以及一第二電極部，設置於該氣體腔室的外側；其中該第一電極部與該第二電極部通電後形成一電場，將該氣體轉變成一第二帶電粒子，並且與該第一帶電粒子混合形成一複合游離源。
2. 如申請專利範圍第1項所述之大氣游離裝置，其中該電噴灑單元係一毛細管，該噴嘴係該毛細管的一管口。
3. 如申請專利範圍第1項所述之大氣游離裝置，其中該電噴灑單元係與該氣體通道同軸設置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之大氣游離裝置，其中該第一電極部係一接地電極，且該第二電極部係一高壓電極。
5. 如申請專利範圍第1項所述之大氣游離裝置，其中該第一電極部係一金屬管，具有一管體及一開口部，該電噴灑單元係穿設於該管體，且該噴嘴係露出該開口部。
6. 如申請專利範圍第1項所述之大氣游離裝置，其中該第二帶 電粒子係一低溫電漿。
7. 一種熱重分析質譜系統，其包含：如申請專利範圍第1項所述之大氣游離裝置；一熱重分析裝置，用以加熱一待測物，以形成一中性分子；以及一質譜分析裝置，具有一離子入口；其中該複合游離源與該中性分子先進行離子分子反應形成一帶電分子，該帶電分子隨後從該離子入口進入該質譜分析裝置以分析該帶電分子的質荷比。
8. 如申請專利範圍第7項所述之熱重分析質譜系統，其中該熱重分析裝置包含一加熱單元、一重量量測單元以及一氣體輸出口，以獲得該待測物的溫度對重量的變化曲線。
9. 如申請專利範圍第8項所述之熱重分析質譜系統，其中該氣體輸出口配置於該複合游離源附近，使該中性分子進入該複合游離源進行反應形成該帶電分子。
10. 如申請專利範圍第7項所述之熱重分析質譜系統，其中該複合游離裝置的該複合游離源與該質譜分析裝置的該離子入口彼此相對。