大气压环境下制备水自由基阳离子团簇的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种大气压环境下制备水自由基阳离子团簇的装置，具有框架结构的一电离反应腔体，内部设有一电离通道、一输出通道、一不锈钢的圆锥形放电针设于所述电离通道内，所述放电针除针尖和末端接高压电部分外均涂有绝缘漆，所述电离通道内部还设有一个能引入具有一定湿度的空气通过所述电离通道进入电离反应腔体的辅助气体通道。本实用新型能够在常温常压环境下稳定制备大量水自由基阳离子团簇。
【专利说明】大气压环境下制备水自由基阳离子团簇的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及生物医疗、质谱分析、催化、合成和辐射化学、气体放电物理等相关【技术领域】，具体涉及到一种大气压环境下制备水自由基阳离子团簇的装置。
【背景技术】
[0002]水是生命之源，是人类赖以生存和发展不可缺少的重要资源之一。水自由基阳离子及团簇由水经过辐射(太阳紫外辐射、X射线辐射等)或简单电离(电子、宇宙射线)产生，是中高层大气离子的主要成分之一。水自由基阳离子团簇(H2O)n+反应活性非常強，极易与一系列非极性有机化合物分子发生反应，其产生的羟基自由基是引起人类衰老和许多疾病的重要因素，例如癌症、多发性硬化症、帕金森疾病、免疫系统疾病等。因此，大量水自由基阳离子团簇的制备和研究对于推动生物医疗、天体和大气物理、水生态环境、催化、合成及辐射化学、质谱分析等学科领域的发展具有极其重要的意义。
[0003]然而，由于自由基非常活泼，寿命非常短，而且其存在依赖于特定的反应环境，因此给水自由基阳离子团簇的制备和研究带来了极大的困难。目前，制备水自由基阳离子团簇一般是在溶液中进行，主要方法包括，电子辐射法、过氧化氢法等。气相水自由基阳离子团簇通常利用超声分子束和电子轰击质谱法或者通过真空紫外光致电离进行制备和表征，但这些方法一般都是在真空条件下进行，并且所需要的用到的装置体积庞大、能耗高、制备有危害副产物、对环境条件依赖大等。因此，对于水自由基阳离子团簇的研究和应用有很大的局限性。
[0004]由上述可知，目前制备水自由基阳离子团簇的方法有诸多不足，实用新型ー种能在常温常压下可以快速稳定制备大量的水自由基阳离子团簇的方法，对于满足现实需要具有重要的意义。
实用新型内容
[0005]有鉴于此，本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种能够在常温常压环境下稳定制备大量水自由基阳离子团簇的装置。
[0006]为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案来实现的:
[0007]本实用新型提供了一种大气压环境下制备水自由基阳离子团簇的装置，其中，其具有框架结构的ー电离反应腔体，内部设有ー电离通道、一输出通道、一不锈钢的圆锥形放电针设于所述电离通道内，所述放电针除针尖和接高压电部分均涂有绝缘漆，所述电离通道内部还设有一个能引入具有一定湿度的空气通过所述电离通道进入电离反应腔体的辅助气体通道。
[0008]作为优选，所述电离反应腔体还内置一祥品引入通道、一个锥形对电极，所述输出通道设于所述锥形对电极上，所述电离通道和样品引入通道间的夹角为60?90°、电离通道和锥形对电极间的夹角为60?80°、样品引入通道和锥形对电极间的夹角为60?80。。[0009]作为优选，还包括一能对锥形对电极的温度进行调控环形加热器，所述环形加热器设于所述锥形对电极内的输出通道外。
[0010]由上述技术方案可知，本实用新型的有益效果是:
[0011]相比现有技术，本实用新型放的放电针尖端与锥形对电极的开ロ处在同一水平线上，放电后所制备的离子通过输出通道输出，本实用新型中，电离通道内有一气体接ロ，其特点是:当空气湿度较低时，可以通过水吹气泡法补充水蒸气；当空气湿度较高时，也可以不通任何气体直接电离空气中的水蒸气，空气湿度一般控制在60%为宜。本实用新型还提供一种能够在常温常压下，快速稳定的制备大量的水自由基阳离子团簇，可以与通入的样品进行分子离子反应。所述质谱分析方法中，辅助气体为带有水蒸气的氮气、氦气、氩气等惰性气体。样品引入通道引入的样品，一般为气体样品或者是雾化的样品。
[0012]采用以上设计，本实用新型在电离通道放电稳定的制备大量的水自由基阳离子团簇，在输出通道输出直接用于科学研究；也可以在电离通道制备大量水自由基的同时，在样品引入通道通入其它化学物质进行分子离子反应，反应产物从输出通道输出。其设计巧妙，使用方便，应用范围广泛，可以对生物医疗、天体和大气物理、水生态环境、催化、合成及辐射化学、质谱分析等诸多领域的发展有着极大地推动作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1本实用新型在大气压环境下制备水自由基阳离子团簇的装置的结构及工作原理示意图。
[0014]图2本实用新型在大气压环境下制备的水自由基阳离子团簇的ー级质谱扫描图。
[0015]图3本实用新型在大气压条件下制备的水自由基阳离子团簇与丙酮的反应得到的质谱图。
[0016]图4本实用新型在大气压条件下制备的水自由基阳离子团簇与氨气的反应得到的质谱图。
[0017]图5本实用新型在大气压条件下制备的水自由基阳离子团簇与甲醇的反应得到的质谱图。
[0018]图6本实用新型在大气压条件下制备的水自由基阳离子团簇与こ醇的反应得到的质谱图。
[0019]图7本实用新型在大气压条件下制备的水自由基阳离子团簇与丙醇反应得到的质谱图。
【具体实施方式】
[0020]为了使本领域技术人员能更进一歩了解本实用新型的特征及技术内容，请參阅以下有关本实用新型的详细说明与附图。
[0021]本实用新型采用的技术方案是，一种大气压环境下能够稳定制备大量水自由基阳离子团簇的方法及装置，采用ー根不锈钢的圆锥形钢针，通过对针尖施以高压(3?6KV)，以常压下一定湿度的空气(大约60%)为试剂，通过高压电晕放电产生水自由基阳离子团簇(H2O)n+,其装置主要包括ー电离反应腔体，所述电离反应腔体内置一个电离通道，所述电离通道内设ー辅助气体通道，所述辅助气体通道内放一根放电针，所述放电针末端接有一高压电源接ロ，所述电离通道在反应腔体内的空间角度可调节，所述电离反应腔体内置一样品引入通道，所述样品引入通道在反应腔体内的空间角度可调节，所述电离反应腔体内置ー锥形对电极，所述锥形对电极内设ー输出通道，所述输出通道外置一有环形加热器，所述环形加热器可对温度进行控制，所述输出通道能够与质谱仪器的离子传输管耦合，所述反应腔体配置一水平距离调节卡，所述水平距离调节卡可对电离反应腔体与锥形对电极的水平距离进行调节。其主要特点是:放电针尖端与锥形对电极的开ロ处在同一水平线上，放电后所制备的离子通过输出通道输出。其电离通道内的放电针上有一高压接ロ，电离通道与水平面间的夹角可以调节，电离通道与锥形对电极间的距离可以调节，输出通道可以与质谱仪接ロ相连。输出通道可以与反应腔体接ロ。
[0022]具体请參阅图1及图7所示，以下结合附图详细说明本实用新型在常温常压下制备大量水自由基阳离子团簇的装置结构与工作原理。
[0023]图1为本实用新型大气压条件下水自由基阳离子团簇制备装置的基本构成和エ作原理。整个系统包括:1.电离通道，2.样品引入通道，3.锥形对电极，4.输出通道，5.辅助气体通道，6.放电针，7.气路管，8.样品管道，9.反应腔体，10.环形电加热装置，11.水平水平距离调节卡。电离通道I插入反应腔体的长度和角度可以进行调节，样品引入通道2插入反应腔体的长度和角度可以进行调节，锥形对电极固定在反应腔体的内部，输出通道4连接到腔体外也可与质谱ロ连接，辅助气体通道5为绝缘材料可与气体管道耦合，放电针6除针尖和接高压电部分均涂有绝缘漆，气路管7为绝缘材料,样品管道8为耐酸碱腐蚀材料，反应腔体9为绝缘材料腔体。电离通道I和锥形对电极3间的夹角为60° <a<80°，电离通道I和样品引入通道2间的夹角为60° < 0 <90°，样品引入通道2和锥形对电极3间的夹角为60° < Y <80°，电离通道放电针尖端与锥形对电极尖端的最佳优化距离为22mm左右，环形电加热器10可对输出通道进行温度的调节和控制，对于产生最大丰度的水自由基阳离子团簇的温度优化值为140°C左右，电压的优化值为3.5kV。
[0024]从辅助气体通道通入湿度为40?60%的气体后，对放电针加3.5kV的高电压，放电针尖端产生电晕放电，空气中的水蒸气被电离成水的自由基阳离子和质子化的离子，通过实验优化放电针的电压(V = 3.5kV)，放电针与锥形对电极的水平距离(d = 22_)，和离子输出通道的温度(T = 140° 0C )可以得到丰度较大的自由基阳离子团簇。此时，也可以在样品引入通道中通入雾化样品，样品分子与水自由基阳离子团簇发生分子离子反应，在反应腔体中得到反应产物，从输出通道中输出。
[0025]以下结合具体实例详细说明本实用新型的应用，利用此装置在常温常压下制备装置制备大量的水自由基阳离子团簇，与不同化学特性的样品分子(丙酮、氨气、甲醇、こ醇、丙醇)进行分子离子反应，得到不同的反应产物。本实例应用中，将大气压条件下水自由基阳离子团簇的制备装置的输出通道与质谱仪器相连，可得到反应产物的谱图信息，从而对反应产物进行定性和定量。
[0026]对放电针加上高电压，调整放电针尖到锥形对电极的距离，从质谱图中可以观察至IJ，有大量的水自由基阳离子团簇m/z36和m/z54，如图2所示。则说明大气压环境下水自由基阳离子团簇制备装置能够制备大量的水自由基阳离子团簇，并通过装置的输出通道。在水自由基阳离子团簇的研究应用中，可直接在输出通道进行收集使用。
[0027]丙酮是ー种良好的溶剂、萃取剂，也是ー种重要的有机合成原料，在化工和エ业合成中广泛的得到使用。在常温下丙酮较稳定，不易被氧化，而当丙酮与水自由基阳离子团簇(H2O) 2+m/z36结合后，性质会变的活泼，易与其它物质制备相应的化学反应。如图3，为丙酮与水自由基阳离子团簇生成反应产物m/z76。这在エ业合成和催化反应中有着重要意义。
[0028]氨气是ー种重要的エ业原料，在化工领域广泛的使用，氨气的质子亲和能较高，在被电离后只能将电荷或质子传递给质子亲和能更高的样品分子，因此，将氨气作为电荷与能量传递的载体，具有一定的选择性电离作用。如图4，为氨气与水自由基阳离子团簇反应主要产物m/z35。
[0029]甲醇是最简单的饱和醇，也是重要的化学エ业基础原料和清洁液体燃料，它广泛用于有机合成、医药、农药、涂料、染料、汽车和国防等エ业中。甲醇的质子亲和能较低，因此，容易将所带的电荷或质子传递给样品分子，将甲醇作为电荷与能量的载体，能够电离大部分的样品分子。如图5，为甲醇与水自由基阳离子团簇的反应产物为m/z50。
[0030]水自由基阳离子团簇化学性质非常活泼，能够与极性、弱极性、甚至非极性的样品分子发生反应，改变样品分子的活性，因此在质谱分析中是ー种很好的离子选择试剂；由于水自由基阳离子团簇非常高的化学活性，也是ー种良好的化学催化剂，在化学合成中有着潜在的应用价值；同时，水自由基阳离子及团簇是大气放电层的重要产物，其产生的羟基自由基也是放射治疗和水生态环境过程的重要研究对象。如图6和图7，分别为水自由基阳离子团簇m/z36与こ醇、丙醇反应得到的谱图。
[0031]本实用新型的输出通道可与质谱仪接ロ相连接。
[0032]步骤ー:将带有水蒸气的辅助气体通道接通气体，流速为300psi ；
[0033]步骤ニ:在放电针施以3?6kV高压；
[0034]步骤三:从样品引入通道通入样品，流速为20?50 ii L/min ；
[0035]步骤四:启动质谱仪扫描系统，获取水自由基阳离子团簇与样品反应后的谱图。
[0036]水平距离调节卡上优选为设有刻度，可根据需要来调节。锥形对电极内的输出通道外有ー环形加热器，根据生成离子的稳定性大小，可对锥形对电极的温度进行调控。电离室内设有一祥品引入管，通入样品可以与制备的水自由基阳离子团簇反应或被电离制备ニ次离子。电离通道和样品引入通道与锥形对电极间的距离可进行自由调节(5?30mm)。
[0037]本实用新型的装置结构简単，制造成本低，能够满足现行对水自由基阳离子及团簇的研究及应用需求。
[0038]但以上所述仅为本实用新型的较佳可行实施例，并非用以局限本实用新型的专利范围，故凡运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变化，均同理包含在本实用新型的范围内。
【权利要求】
1.一种大气压环境下制备水自由基阳离子团簇的装置，其特征在干，其具有框架结构的ー电离反应腔体，内部设有ー电离通道、一输出通道、一不锈钢的圆锥形放电针设于所述电离通道内，所述放电针除针尖和末端接高压电部分外均涂有绝缘漆，所述电离通道内部还设有一个能引入具有一定湿度的空气通过所述电离通道进入电离反应腔体的辅助气体通道。
2.如权利要求1所述的大气压环境下制备水自由基阳离子团簇的装置，其特征在干，所述电离反应腔体还内置一祥品引入通道、一个锥形对电极，所述输出通道设于所述锥形对电极上，所述电离通道和样品引入通道间的夹角为60?90°、电离通道和锥形对电极间的夹角为60?80°、样品引入通道和锥形对电极间的夹角为60?80°。
3.如权利要求2所述的大气压环境下制备水自由基阳离子团簇的装置，其特征在干，还包括一能对锥形对电极的温度进行调控环形加热器，所述环形加热器设于所述锥形对电极内的输出通道外。
【文档编号】B01J19/08GK203448088SQ201320252263
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年4月14日 优先权日:2013年4月14日
【发明者】欧阳永中, 洪锋, 贾滨, 陈焕文 申请人:东华理工大学