一种水同位素分子的检测方法及系统与流程

本发明属于同位素检测，具体涉及一种水同位素分子的检测方法及系统。

背景技术：

1、水(h2o)是自然界中最丰富的化合物，水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。氢同位素有三种，分别为氕(h)、氘(d)和氚(t)，稳定的氧元素有16o(或o)、17o和18o。根据氢氧同位素可进行不同的组合，使得水同位素分子多种多样，其中最为常见的有普通水h2o、半重水hdo、重水d2o、氚化水hto和重氧水h218o。基于水的化学和物理性质是现在科学研究的重要基础，不同的水同位素分子在不同领域举足轻重。d2o在化学分析中常作为h2o的同位素发挥着重要作用。在核工业中，重水主要是用在核反应堆中做“减速剂”，降低中子速度，控制核裂变过程；同时重水也是反应堆的冷却剂。高浓度重水主要由d2o和hdo组成，其浓度影响工艺过程的稳定运行，必须对重水浓度进行严格监控。h218o在水环境中的浓度变化可用于全球水循环规律的研究。氚是唯一一种具有放射性的氢同位素，在环境中主要以hto形式存在，很容易进入到空气、水、土壤等环境介质中，并随着这些介质中水分的迁移过程而转移，进入身体后可产生内照射造成健康损害，需对环境中的hto浓度进行检测，及时预警。

2、由于水同位素分子具有高度相似的结构和化学性质，对其进行检测和区分非常困难。目前，常用的重水检测方法有密度法和质谱法等。基于密度法的重水浓度测量需要依赖专业的高精度密度计，价格昂贵，需要专业的操作技能，且同位素物质会对检测结果造成干扰。质谱法通过离子质荷比(m/z)和离子丰度来确定分子结构信息，d2o、hto和h218o的相对分子质量分别为20.0276、20.0234和20.0150，相对分子质量非常接近，很难对其进行区分。因此，需使用超高分辨率质谱仪对这三种物质进行分辨，对仪器精度要求很高。此外，质谱常用的电离方式为电子轰击电离，会产生大量的碎片离子，质谱图复杂，无法直观且快速确定物质信息。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，提供一种水同位素分子的检测方法及系统，能快速、准确地检测出水同位素分子。

2、第一方面，本发明提供一种水同位素分子的检测方法，包括：获取各种水同位素分子的单体离子和二聚体离子对应的浓度标准曲线，其中，水同位素分子包括以下任意之一：h2o、h217o、h218o、d2o、hto、hdo、dto、t2o；获取待测样品的质谱图；根据待测样品的质谱图及所述浓度标准曲线，确定待测样品的物质及其浓度。

3、优选地，所述获取各种水同位素分子的单体离子和二聚体离子对应的浓度标准曲线，具体包括：获取各种水同位素分子在不同浓度下产生的离子峰强度的测量结果，得到各种水同位素分子的单体离子和二聚体离子对应的浓度标准曲线，其中，所述浓度标准曲线包括离子强度与浓度的对应关系。

4、优选地，所述根据待测样品的质谱图及所述浓度标准曲线，确定待测样品的物质及其浓度，具体包括：根据待测样品的质谱图中的质谱峰确定待测样品的物质；根据待测样品的质谱图中的离子峰强度及所述浓度标准曲线，确定待测样品的浓度。

5、优选地，所述获取待测样品的质谱图，具体包括：基于水同位素分子的检测装置测量待测样品，得到待测样品的质谱图。所述水同位素分子的检测装置包括依次连通的光子发生系统、电离系统、质量分析系统、数据采集分析系统。光子发生系统用于产生真空紫外光，并照射至电离系统。电离系统，用于诱导待测样品和质子化剂发生激发态质子转移反应，以生成离子。质量分析系统，用于对生成的离子进行检测，输出相应的检测信号。数据采集分析系统，用于采集并分析检测信号，得到待测样品的质谱图。

6、优选地，电离系统包括电离器、激发态质子转移反应腔和离子出口。所述水同位素分子的检测装置还包括与电离系统连通的质子化剂系统和进样系统。质子化剂系统包括气相质子化剂供给装置、第一流量控制计和质子化剂进样管，质子化剂进样管与电离器垂直设置，质子化剂系统和激发态质子转移反应腔通过质子化剂进样管连通。进样系统包括气相待测样品供给装置、第二流量控制计和待测样品进样管，待测样品进样管与电离器垂直设置，进样系统和激发态质子转移反应腔通过待测样品进样管连通。质子化剂进样管与待测样品进样管分别位于电离器的两侧。

7、优选地，光子发生系统包括射频发生器、灯管、放电气体入口管、放电气体出口管和透镜。电离系统通过透镜与光子发生系统连接，电离系统中产生的离子通过离子出口进入质量分析系统进行检测。质子化剂进样管与透镜的间隔距离为第一预设距离，待测样品进样管与透镜的间隔距离为第二预设距离，其中，第一预设距离小于第二预设距离。质量分析系统还包括质量分析系统入口。灯管、透镜、电离器、激发态质子转移反应腔、离子出口和质量分析系统入口同轴分布，激发态质子转移反应腔为电离器内通孔。灯管内放电气体的气压用于通过放电气体入口管和放电气体出口管保持动态平衡，放电气体包括稀有气体。

8、优选地，质量分析系统包括以下任意之一或多种组合：飞行时间质量分析器、四级杆质量分析器、离子阱质量分析器、磁质谱质量分析器、傅里叶变换离子回旋共振质量分析器、轨道阱质量分析器。稀有气体包括氪气、氙气、氖气、氦气。

9、优选地，水同位素分子在所述水同位素分子的检测装置中作为质子提供者和/或质子接收者。在水同位素分子作为质子提供者时，h2o、h217o和h218o提供的质子为h，d2o提供的质子为d，hdo提供的质子为h和d，hto提供的质子为h和t，dto提供的质子为d和t，t2o提供的质子为t。

10、第二方面，本发明还提供一种水同位素分子的检测系统，包括第一获取模块、第二获取模块和检测模块。

11、第一获取模块，用于获取各种水同位素分子的单体离子和二聚体离子对应的浓度标准曲线，其中，水同位素分子包括以下任意之一：h2o、h217o、h218o、d2o、hto、hdo、dto、t2o。第二获取模块，用于获取待测样品的质谱图。检测模块，与第一获取模块和第二获取模块连接，用于根据待测样品的质谱图及所述浓度标准曲线，确定待测样品的物质及其浓度。

12、优选地，检测系统还包括水同位素分子的检测装置。所述水同位素分子的检测装置包括依次连通的光子发生系统、电离系统、质量分析系统、数据采集分析系统。

13、光子发生系统用于产生真空紫外光，并照射至电离系统。电离系统，用于诱导待测样品和质子化剂发生激发态质子转移反应，以生成离子。质量分析系统，用于对生成的离子进行检测，输出相应的检测信号。数据采集分析系统，用于采集并分析检测信号，得到待测样品的质谱图。

14、本发明提供的水同位素分子的检测方法及系统，通过获取各种水同位素分子的单体离子和二聚体离子对应的浓度标准曲线作为对照，基于水同位素分子产生的单体离子、二聚体离子的不同确定待测样品为何种水同位素分子，基于水同位素分子的单体离子、二聚体离子对应的浓度标准曲线的不同，可进一步确定待测样品相应的浓度，从而快速、准确地检测出水同位素分子。此方法对检测装置的精度要求低，仅需检测装置能获取水同位素分子的单体离子和二聚体离子对应的离子强度即可。