低压空气介质阻挡放电等离子体作为电离源的实验研究及其在质谱分析中的应用

本研究针对低压介质阻挡放电(DBD)等离子体特性展开系统实验，采用环-环电极构型，通过光谱和电学测量揭示了600 Pa附近等离子体发光区域最大、激发态N2(C3Πu)与N2+(B2Σu+)分别在660 Pa和100 Pa达峰值的规律，证实了Penning电离能力，为质谱电离源优化提供重要依据。

　　

在分析化学领域，寻找高效温和的电离源始终是质谱技术发展的核心挑战。传统大气压介质阻挡放电电离(DBDI)虽广泛应用，但受限于氦气成本高、易产生碎片离子等问题，而空气DBD又难以实现稳定均质放电。更棘手的是，现有技术对电离过程中激发态粒子行为与气压的关联机制缺乏系统认知，制约了电离源的精准调控。

针对这些瓶颈，获得国家重点研发计划（2021YFC2401101）和核能发展项目（HDJS2102）支持的研究团队在《International Journal of Mass Spectrometry》发表重要成果。研究人员创新性地采用低压环境下的环-环介质阻挡放电(DBD)构型，通过光谱诊断、电学测试与质谱联用技术，首次绘制出空气DBD等离子体特性随气压变化的完整图谱。

关键技术包括：1）搭建石英毛细管式环-环DBD系统（电极内径3mm），实现0.1-1000 Pa精确控压；2）采用发射光谱捕捉氮分子第二正系(SPS)337.1nm和第一负系(FNS)391.4nm特征峰；3）结合质谱验证Penning电离效应。

【Luminous region at different pressures】

通过高速摄像发现：当气压>300 Pa时等离子体发光区随降压扩张，600 Pa附近达到最大发光强度；<600 Pa后则出现收缩现象。这与电子平均自由程变化导致的放电模式转变密切相关。

【Emission spectra analysis】

光谱解析揭示：激发态N₂(C³Π_u)密度在660 Pa出现峰值，而离子态N₂⁺(B²Σ_u⁺)在100 Pa才达到最大值。这种"气压窗口效应"源于电子能量分布与碰撞截面的动态平衡。

【Mass spectrometry measurements】

质谱数据证实：11 eV激发能的N₂(C³Π_u)能有效引发Penning电离（亚稳激发态粒子碰撞转移能量的软电离方式），且碎片离子产率显著低于常规氦DBDI。

这项研究首次建立低压空气DBD等离子体参数与电离效率的定量关系，突破性地证明：1）600 Pa是最佳发光强度工作点；2）660 Pa与100 Pa分别对应分子激发和离子产生的优化气压；3）空气DBD在低压下可实现媲美氦DBDI的软电离性能。Chenxin Ye等学者的工作不仅为质谱电离源设计提供新思路，其揭示的气压调控规律更可拓展至等离子体催化、材料改性等领域，具有重要的方法论价值。