CN101082594B - 物质成分测定装置 - Google Patents
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Abstract
物质成分测定装置，属于物质成分快速检测装置技术领域。包括离子源(2)、迁移管(12)、上离子探测器(5)、信号处理电路(6)等。离子源(2)位于迁移管入口处；高场非对称波形电源(8)与微控制器(7)相连，离子探测器(5)与信号处理电路(6)相连，信号处理电路(6)与微控制器(7)相连。待测样品在载气的带动下到达离子源(2)被电离进入迁移管(12)。在电场作用下离子被探测器(5)检测到，经过微控制器等处理，就可以测定待测样品的化学成分。本发明具有微型化、低功耗、高可靠性、高集成度、高灵敏度、快速等特点，不仅适用于现场实时探测生化战剂和爆炸物，还适用于毒品检测、物质分析、药物提取、环境污染监测等。
Description
技术领域
本发明涉及对生化物质进行快速测定的微型装置，具体为具有片上温度控制器的多通道微型物质成分快速测定装置，属于物质成分快速检测装置技术领域。
背景技术
目前的检测装置都具有检测时间长、设备复杂、体积庞大、成本高、机动性差等缺点，难以满足实际使用的要求。为了应对战场上可能出现的化学武器袭击，为了预防并阻止针对平民的恐怖袭击，为了维护环境的安全，迫切需要研制灵敏度高、功耗低、微型化、实时性强、可靠性高的环境监测装置，以提高对环境的监测能力。
本微型物质成分测定系统是基于高场非对称波形离子迁移谱技术的生化物质探测装置，主要利用高场强下不同离子的迁移率会随电场强度的变化不同的特性来分离并检测不同种类的化合物。一种离子在低电场条件下的迁移率系数K0与电场强度无关。当电场强度高到一定值以后(约11000V/cm以上)，这种离子的迁移率系数K就会发生变化，并以一种非线性的方式随电场强度而变化，此时，K＝K0[1+α(E/N)]，E是电场强度，N是离子浓度，a(E/N)为离子迁移率有效系数。有些离子的迁移率随着电场强度的升高而增大，而有些离子的迁移率随着电场强度的先增大，后又减小，而另一些离子的迁移率却随着电场强度的升高而减小，这就使在低电场强度条件下离子迁移率相同或相近的离子能够在高电场强度条件下被分离开来。当把周期性高场非对称波形电场施加于一对电极板形成的狭窄空间并且有气流携带离子通过时，离子就会在两个电极板之间发生振动，其振动方向与电极板垂直，在一个周期内离子在与电极板垂直方向上有一个净位移，不同的离子在载气和电场共同作用下形成各自特定的运动轨迹。若与射频电压同时加在过滤电极上的还有一个直流补偿电压，调节这个补偿电压能够使离子在一个周期内与电极板垂直方向上的净位移为零，并保持在沿平行于极板方向的某一直线附近上下振动。在周期性高场非对称波形电场和直流电场的共同作用下，特定的离子将沿平行于过滤电极的方向运动，通过两电极之间的迁移区，到达探测电极被检测到，而不会撞击到过滤电极上。其它离子会与过滤电极发生碰撞，被中和后由载气流带出迁移区。每种离子都有各自特定的这种直流补偿电压。在一定范围内对补偿电压进行扫描，可以得到被测样品的离子迁移谱图，从而能够测定样品的成分。
发明内容
本发明的目的是提供了一种便携式痕量物质成分快速测定装置，它具有微型化、低功耗、高可靠性、高集成度、高灵敏度、快速等特点，它不仅适用于现场实时探测生化战剂和爆炸物，还可应用于毒品检测、物质分析、药物提取、环境污染监测等。微型物质成分快速测定系统一般是对气态样品或待测样品颗粒的蒸汽进行检测，并工作在大气气压环境下。
1.单通道微型物质成分快速测定装置
一个基本的单通道微型物质成分快速测定装置包括离子源2、迁移管12、上离子探测器5、下离子探测器19、信号处理电路6、微控制器7、高场非对称波形电源8，如图1所示。其中，迁移管12包括迁移区上电极4、迁移区下电极15、温度传感器11、温度传感器18、温度控制器10、温度控制器16。迁移管12是离子分离的场所。迁移管12是微型物质成分快速测定装置核心部件，其性能的好坏直接决定着整个物质成分测定系统检测性能的高低。
在痕量物质成分测定过程中，温度是影响系统稳定性和可靠性的最主要原因之一。离子在迁移区运动的过程中，离子从迁移区电极获得能量，离子通过与其它粒子多次碰撞把能量传递给其它粒子，最后达到热平衡并使气体温度升高，这必然会改变离子的迁移率，导致被检测样品对应的补偿电压改变，另外，环境温度的变化也会引起补偿电压的改变，因此，微控制器7通过峰值查找算法提取离子迁移谱波峰位置并与数据库中的比对模板相比较时，系统会出错，无法准确测定样品的成分。热的控制和冷却成为物质成分快速测定系统稳定可靠和长寿命应用的关键技术。传统的致冷或加热方式，如风扇、热交换器、电阻加热等，体积大，功耗高，制冷或加热速度慢，与待致冷或加热器件是相对独立的，致冷工作时两者之间即使是处于紧密接触状态，依然存在一定的热阻，不利于集成和局部高效致冷；虽然半导体热电致冷器没有机械转动部分，无需致冷剂，但是半导体热电致冷器采用块状材料制备，制备工艺与MEMS工艺不兼容，需采取混合贴片装配方式与待致冷器件相连，热传导效率低，不利于系统的微型化和集成化。
本发明利用基于MEMS工艺的新型薄/厚膜微型温度控制器来提高物质成分快速测定装置可靠性和集成度，如图1所示。采用MEMS工艺在基片9的一个面上制备一层金属膜(如Ti/Pt/Au等)形成迁移区上电极4，在基片17的一个面上制备一层金属膜(如Ti/Pt/Au等)形成迁移区下电极15，然后在基片9的另一个面上制备薄/厚膜(如铁电薄/厚膜等)微型化阵列10和温度传感器11，在基片17的另一个面上制备薄/厚膜(如铁电薄/厚膜等)微型化阵列15和温度传感器18，基片9和基片17与硅或其它材料通过键合工艺或其它方法制成平行板迁移管12。
单通道物质成分快速测定装置的原理如图1所示。离子源位于迁移管12的入口处，迁移区下电极15接地，迁移区上电极4与高场非对称波形电源8相连，高场非对称波形电源8与微控制器7相连，温度传感器11和温度传感器18与微控制器7相连，温度控制器10和温度控制器16与微控制器7相连，上离子探测器5和下离子探测器19位于迁移管12的末端，上离子探测器5和下离子探测器19与信号处理电路6相连，信号处理电路6与微控制器7相连。
待测样品分子1在载气的带动下到达离子源2被电离，离子源可以是电晕放电离子源或其它的离子源。离子3在载气的继续推动下进入迁移管12。在迁移区上电极4上加上高场非对称波形驱散电压，其频率一般为200KHz～750KHz，如图2所示。高场非对称波形驱散电压在迁移区上电极4和迁移区下电极15之间形成非对称波形射频电场。在高场非对称波形驱散电压和补偿电压共同产生的射频电场的作用下，只有符合一定补偿电压的离子才能通过迁移管12被上离子探测器5或下离子探测器19检测到，而其它种类的离子因撞到迁移区上电极4或下电极15上被中和吸收。不同物质对应的补偿电压不同。高场非对称波形电源在微控制器7的控制下，补偿电压在一定范围内扫描就可得到待测样品的离子迁移谱图。微控制器7首先对离子迁移谱信号进行采集，然后经信号处理电路6滤波除去离子迁移谱中的噪声信号，通过峰值查找算法提取离子迁移谱波峰位置，再与数据库中的比对模板相比较，就可以准确的测定待测样品的化学成分。
利用温度传感器11和温度传感器18实时监测迁移区气体的温度，然后将温度信息反馈给微控制器7，微控制器7根据迁移区气体温度与设定温度的差值控制微型薄/厚膜温度控制器阵列10和微型薄/厚膜温度控制器阵列16的驱动电源开关电路并自动对迁移管12致冷或加热。当迁移管12内气体温度比设定温度低时，外加电场使微型薄/厚膜阵列10和微型薄/厚膜温度控制器阵列16温度升高，对迁移管12加热；当迁移管12内气体温度比设定温度高时，外加电场自动反向，使微型薄/厚膜温度控制器阵列10和微型薄/厚膜温度控制器阵列16温度降低，对迁移管12致冷。因此，只需改变电源极性，易于实现系统的恒温控制。该薄/厚膜微型温度控制器10和薄/厚膜微型温度控制器16可采用MEMS平面加工技术，与迁移区电极4、迁移区电极15、温度传感器11、温度传感器18等制备于同一衬底，有很好的兼容性，易于集成，符合单片系统集成特征，同时具有很高的热传导效率；其外加电场阀值电场强度低(一般低于3V)，便于实现数字化控制，而且灵敏度高、响应快、功耗低。
2.多通道微型物质成分快速测定装置
一个基本的多通道微型物质成分快速测定装置包括离子源2、多个迁移管12、多个上离子探测器5、多个下离子探测器19、信号处理电路6、微控制器7、高场非对称波形电源8，如图3所示。其中，每个迁移管12包括迁移区上电极4、迁移区下电极15、温度传感器11、温度传感器18、温度控制器10、温度控制器16。迁移管12是离子分离的场所。迁移管12是多通道微型物质成分快速测定装置核心部件，其性能的好坏直接决定着整个物质成分测定系统检测性能的高低。
微型物质成分快速测定系统检测速度主要取决于补偿电压完成一次扫描所需时间和迁移谱图峰值查找所消耗的时间，灵敏度取决于通过迁移管并最终到达离子探测器的离子量。本发明提供了具有高灵敏度、高可靠性和高集成度等特点的便携式痕量物质成分快速测定装置。
本发明利用基于MEMS工艺的新型薄/厚膜微型温度控制器来提高物质成分快速测定装置可靠性和集成度，如图2所示。采用MEMS工艺在基片9的一个面上制备一层金属膜(如Ti/Pt/Au等)形成迁移区上电极4，在基片17的一个面上制备一层金属膜(如Ti/Pt/Au等)形成迁移区下电极15，然后在基片9的另一个面上制备薄/厚膜(如铁电薄/厚膜等)微型化阵列10和温度传感器11，在基片17的另一个面上制备薄/厚膜(如铁电薄/厚膜等)微型化阵列15和温度传感器18，基片9和基片17与硅或其它材料通过键合工艺或其它方法制成平行板迁移管12。每个迁移管与一对离子探测器5和离子探测器19构成一个离子检测通道，多个检测通道形成多通道结构。
多通道物质成分快速测定装置的原理如图3所示。离子源位于多个迁移管12的入口处，每个迁移管的迁移区下电极15接地，每个迁移管的迁移区上电极4与高场非对称波形电源8相连，高场非对称波形电源8与微控制器7相连，每个温度传感器11和温度传感器18与微控制器7相连，每个温度控制器10和温度控制器16与微控制器7相连，每个上离子探测器5和下离子探测器19位于迁移管12的末端，每个上离子探测器5和下离子探测器19与信号处理电路6相连，信号处理电路6与微控制器7相连。
每个通道有三种工作模式，即全扫面模式、分段扫描模式、非扫描模式，任何一个通道都可随意从这三种工作模式中选择一种。
当采用全扫面工作模式时，微控制器通过程序控制补偿电压在整个扫描电压范围内进行扫描，检测电流等于处于该工作种模式下的各通道离子探测器输出电流之和，从而提高了系统的灵敏度。
当采用分段扫描工作模式时，把整个扫描电压范围分成若干段，微控制器通过程序控制处于该工作种模式下的各个通道的补偿电压在不同的扫描电压段进行扫描，然后把处于该工作种模式下的各个通道所得到的离子迁移谱图结合起来，就可得到完整的离子迁移谱图，当系统工作在这种模式下，有效的缩短了扫描时间，提高了检测速度，从而能够快速测定待测样品的成分。
当采用非扫描工作模式时，微控制器通过程序给处于该工作种模式下的检测通道设定一个补偿电压值，若在特殊场合怀疑某种或某几种物质存在并需要进行快速测定，可采用这种工作模式，补偿电压无需扫描，也不需要经过复杂的峰值查找计算，可以大大提高系统检测速度。
待测样品分子1在载气的带动下到达离子源2被电离，离子源可以是电晕放电离子源或其它的离子源。离子3在载气的继续推动下进入每个迁移管12。在每个迁移区上电极4上加上高场非对称波形驱散电压，其频率一般为200KHz～750KHz，如图2所示。高场非对称波形驱散电压在每个迁移区上电极4和每个迁移区下电极15之间形成非对称波形射频电场。在高场非对称波形驱散电压和补偿电压共同产生的射频电场的作用下，只有符合一定补偿电压的离子才能通过每个迁移管12被上离子探测器5或每个下离子探测器19检测到，而其它种类的离子因撞到每个迁移区上电极4或每个下电极15上被中和吸收。不同物质对应的补偿电压不同。高场非对称波形电源在微控制器7的控制下，补偿电压在一定范围内扫描就可得到待测样品的离子迁移谱图。微控制器7首先对离子迁移谱信号进行采集，然后经信号处理电路6滤波除去离子迁移谱中的噪声信号，通过峰值查找算法提取离子迁移谱波峰位置，再与数据库中的比对模板相比较，就可以准确的测定待测样品的化学成分。
利用每个温度传感器11和温度传感器18实时监测迁移区气体的温度，然后将温度信息反馈给微控制器7，微控制器7根据迁移区气体温度与设定温度的差值控制每个微型薄/厚膜温度控制器阵列10和微型薄/厚膜温度控制器阵列16的驱动电源开关电路并自动对每个迁移管12致冷或加热。当每个迁移管12内气体温度比设定温度低时，外加电场使微型薄/厚膜阵列10和微型薄/厚膜温度控制器阵列16温度升高，对每个迁移管12加热；当迁移管12内气体温度比设定温度高时，外加电场自动反向，使每个微型薄/厚膜温度控制器阵列10和微型薄/厚膜温度控制器阵列16温度降低，对每个迁移管12致冷。因此，只需改变电源极性，易于实现系统的恒温控制。每个薄/厚膜微型温度控制器10和薄/厚膜微型温度控制器16可采用MEMS平面加工技术，与每个迁移区电极4、每个迁移区电极15、每个温度传感器11、每个温度传感器18等制备于同一衬底，有很好的兼容性，易于集成，符合单片系统集成特征，同时具有很高的热传导效率；其外加电场阀值电场强度低(一般低于3V)，便于实现数字化控制，而且灵敏度高、响应快、功耗低。
附图说明
图1微型物质成分快速测定系统原理图。
图2高场非对称波形示意图。
图3多通道结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例说明本发明。
具体实施例1
利用微型物质成分快速测定装置对热带空气污染物进行测定，由于气温T比微型物质成分快速测定装置的标准工作温度T0低高，温度传感器11、18实时监测迁移区气体的温度T，然后将温度T反馈给微控制器7，微控制器7根据迁移区气体温度T与标准工作温度T0的差值控制微型薄/厚膜温度控制器阵列10、16的驱动电源开关电路并自动对迁移管12制冷，使迁移区保持在标准工作温度T0下工作。
具体实施例2
利用微型物质成分快速测定装置对寒冷地带空气污染物进行测定，由于气温T比微型物质成分快速测定装置的标准工作温度T0低，温度传感器11、18实时监测迁移区气体的温度T，然后将温度T反馈给微控制器7，微控制器7根据迁移区气体温度T与标准工作温度T0的差值控制微型薄/厚膜温度控制器阵列10、16的驱动电源开关电路，改变电源极性并自动对迁移管12加热，使迁移区保持在标准工作温度T0下工作。
具体实施例3
利用微型物质成分快速测定装置对食品中农药残留成分进行测定，由于农药残留成分一般含量很低，单通道微型物质成分快速测定装置的灵敏度太低，就需要选用全扫描工作模式。将微型物质成分快速测定装置控制面板上工作模式选择按钮调至全扫描工作模式，微控制器7使所有通道工作在全扫描工作模式，农药残留成分被离子源2电离成离子，离子在载气带动下进入检测通道12，微控制器7通过程序控制补偿电压在整个扫描电压范围内进行扫描，在补偿电压和高场非对称波形产生的电场的共同作用下，不同的离子依次通过通道12到达离子探测器5、19，离子探测器的总检测电流等于各通道离子探测器输出电流之和，微控制器7首先对离子探测器输出信号进行采集，然后经信号处理电路6滤波除去噪声信号，通过峰值查找算法提取离子迁移谱波峰位置，再与数据库中的比对模板相比较，就可以准确的测定食品中残留农药成分。
具体实施例4
利用微型物质成分快速测定装置对毒品进行快速侦测，可选用分段扫描工作模式。将微型物质成分快速测定装置控制面板上工作模式选择按钮调至分段扫描工作模式，微控制器7使所有通道工作在分段扫描工作模式并给不同的通道分配不同的扫描电压范围，扩散到空气中的毒品分子随空气进入离子源2被电离成离子，离子在载气带动下进入检测通道12，微控制器7通过程序控制各个通道的补偿电压在各自的扫描电压范围内进行扫描，在补偿电压和高场非对称波形产生的电场的共同作用下，不同的离子依次通过通道12到达离子探测器5、19，微控制器7首先对各个离子探测器输出信号进行采集，然后把各个离子探测器的输出信号结合起来，再经信号处理电路6滤波除去噪声信号，通过峰值查找算法提取离子迁移谱波峰位置，再与数据库中的比对模板相比较，就可以准确快速的完成对毒品进行侦测。
具体实施例5
利用微型物质成分快速测定装置对怀疑遭到沙林毒气恐怖袭击的场所进行快速侦测，由于沙林毒气杀伤力极强，很少量的沙林毒气就可以迅速的致人于死地，需要选用非扫描工作模式。将微型物质成分快速测定装置控制面板上工作模式选择按钮调至非扫描工作模式，然后将测定对象选为沙林毒气，微控制器7使所有通道工作在非扫描工作模式并将所有通道的补偿电压调到沙林毒气的补偿电压，补偿电压为一个固定值，无需扫描，扩散到空气中的沙林毒气分子随空气进入离子源2被电离成离子，沙林毒气离子在载气带动下进入检测通道12，在固定的补偿电压和高场非对称波形产生的电场的共同作用下，沙林毒气离子通过通道12到达离子探测器5、19，微控制器7首先对离子探测器输出信号进行采集，然后经信号处理电路6滤波除去噪声信号，再通过判断是否有波峰出现来却定沙林毒气是否存在，就可以准确快速的完成对沙林毒气进行侦测。
Claims (2)
1.一种物质成分测定装置，其特征在于，该装置包括离子源(2)、迁移管(12)、上离子探测器(5)、下离子探测器(19)、信号处理电路(6)、微控制器(7)、高场非对称波形电源(8)，
其中，迁移管(12)包括迁移区上电极(4)、迁移区下电极(15)、第一温度传感器(11)、第二温度传感器(18)、第一温度控制器(10)、第二温度控制器(16)；
离子源(2)位于迁移管(12)的入口处；迁移区下电极(15)接地；迁移区上电极(4)与高场非对称波形电源(8)相连，高场非对称波形电源(8)与微控制器(7)相连，第一温度传感器(11)和第二温度传感器(18)与微控制器(7)相连，第一温度控制器(10)和第二温度控制器(16)与微控制器(7)相连，上离子探测器(5)和下离子探测器(19)位于迁移管(12)的末端，上离子探测器(5)和下离子探测器(19)与信号处理电路(6)相连，信号处理电路(6)与微控制器(7)相连；
所述温度控制器为薄/厚膜微型温度控制器。
2.一种物质成分测定装置，其特征在于，该装置包括离子源(2)、多个迁移管(12)、多个上离子探测器(5)、多个下离子探测器(19)、信号处理电路(6)、微控制器(7)、高场非对称波形电源(8)；
其中，每个迁移管(12)包括迁移区上电极(4)、迁移区下电极(15)、第一温度传感器(11)、第二温度传感器(18)、第一温度控制器(10)、第二温度控制器(16)；
离子源(2)位于多个迁移管(12)的入口处；每个迁移管的迁移区下电极(15)接地，每个迁移管的迁移区上电极(4)与高场非对称波形电源(8)相连，高场非对称波形电源(8)与微控制器(7)相连，每个第一温度传感器(11)和第二温度传感器(18)与微控制器(7)相连，每个第一温度控制器(10)和第二温度控制器(16)与微控制器(7)相连，每个上离子探测器(5)和下离子探测器(19)位于迁移管(12)的末端，每个上离子探测器(5)和下离子探测器(19)与信号处理电路(6)相连，信号处理电路(6)与微控制器(7)相连；
所述温度控制器为薄/厚膜微型温度控制器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101215 Termination date: 20190706 |