CN101571508B - 多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪，属于对生化物质进行现场分析检测设备。该迁移谱仪由上基片、中间基片和下基片构成第一气体通道和第二气体通道。离子源位于第一气体通道，分离电极由上分离电极和下分离电极组成，上分离电极和下分离电极分别位于上基片和下基片上。在分离电场的作用下，带电样品离子进入第二气体通道，并在纯净载气的作用下进入迁移区进行过滤分离。离子源和迁移区中的载气流速可分别通过样品载气和纯净载气进行调节。本发明将中性分子和带电的样品离子在进入迁移区之前进行分离，避免了迁移区中分子离子反应的发生；离子源和迁移区中的载气流速可分别调节，提高了离子源的电离效率和迁移区的离子分离效果。

Description

多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪

技术领域

本发明涉及对生化物质进行快速测定，属于现场分析检测领域，具体为一种多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪。

背景技术

高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS，High-field Asymmetric Waveform Ion MobilitySpectrometry)，是在上世纪九十年代逐步发展起来的一种生化物质检测技术。它主要利用高电场下离子的迁移率会随电场强度的变化而不同的特性来分离检测不同种类的生化物质。离子在低电场条件下的迁移率系数与电场强度无关，当电场强度高到一定值以后，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。离子在高场下的迁移率与电场强度的关系可用如下式子表示：K＝K₀[1+α₁(E/N)²+α₂(E/N)⁴+…]，K为离子在高电场下(E/N大于40Td)的迁移率，K₀为离子在低电场下的迁移率，E为电场强度，N为气体密度，α₁，α₂为离子迁移率分解系数。令α(E)＝[α₁(E/N)²+α₂(E/N)⁴+…]，则K＝K₀[1+α(E)]。当α(E)＞0时，K＞K₀，则K随E增大而增大；当α(E)＜0时，K＜K₀，则K随着E的增大而减小；当α(E)≈0时，K≈K₀。由上述分析可见，在高场下，离子的迁移率呈现出各自不同的非线性变化趋势，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。

目前，高场非对称波形离子迁移谱主要有平板型和圆筒型两种结构，相比于圆筒型，平板型高场非对称波形离子迁移谱仪更易于用微机电系统技术(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)进行加工集成，便于微型化，因此在便携式生化检测仪器方面具有更大的优势。

对平板型高场非对称波形离子迁移谱仪进行深入研究的主要有美国新墨西哥州立大学和Sionex公司，其主体芯片结构采用MEMS加工技术设计加工，而离子源采用真空紫外灯离子源或63Ni离子源。这种平板型高场非对称波形离子迁移谱仪有两种结构形式，分别如图1所示的载气垂直于离子源和图2所示的对着离子源进入的方式。这两种结构方式都存在以下不足：

1.从离子源出来的离子和没有电离的中性分子在载气的作用下一起进入迁移区，容易形成团簇离子。在高场非对称波形射频电压的高场作用下，团簇离子容易分解；在低场下，中性分子和离子又容易重新结合形成团簇离子，这种团簇反应的发生，使某些容易结合的物质分子和离子不断发生分解和结合，在迁移区不能分离，从而降低FAIMS的分辨率，影响仪器整体性能。

2.在FAIMS系统中，离子源将样品电离成样品离子，迁移区对电离的样品离子进行分离，两者对载气的流速有不同要求。这两种平板型FAIMS中离子源和迁移区在同一气路上，不能分别调节离子源和迁移区的载气流速，降低了FAIMS系统的整体性能。

美国新墨西哥州立大学采用图1和图2所示结构的平板型FAIMS系统对丙酮和甲苯的混合物进行分离，由于分子离子反应的存在，实验中不能将丙酮和甲苯完全分离。因此，这种结构影响了FAIMS的性能，需要在现有的基础上实现功能的突破。

发明内容

本发明的目的是克服现有平板型高场非对称波形离子迁移谱的不足，提供一种将中性分子和带电离子分离，以及实现离子源和迁移区载气流速可分别调节的新型平板型高场非对称波形离子迁移谱仪。

本发明的技术方案如下：

一种多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪，其特征在于：该高场非对称波形离子迁移谱仪包括离子源3、迁移区14、分离电极、上基片7、中间基片17、下基片20和检测单元10；所述的上基片7和中间基片17构成第一气体通道6，中间基片17和下基片20构成第二气体通道12；所述的迁移区位于第二气体通道12内，迁移区内设有迁移区上电极13和迁移区下电极11，检测单元10位于迁移区的后端；所述的离子源3位于第一气体通道6的入口处；所述分离电极由上分离电极4和下分离电极15组成，上分离电极4位于上基片7上，紧邻离子源3出口；下分离电极15位于下基片20上；所述的中间基片17上设有离子通道16，下分离电极15通过离子通道16与上分离电极4对称布置。

本发明所述的上基片7、中间基片17和下基片20为绝缘材料，所述的上分离电极4和下分离电极15为导电材料。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①本发明采用三级平板结构，使中性样品分子和带电样品离子在进入迁移区之前实现了分离，只有带电样品离子进入迁移区，避免了迁移区中分子离子团簇反应和分解反应的产生，提高了FAIMS系统的分辨率；②本发明基于三级平板结构，离子源和迁移区分别位于上下两路气体通道中，可根据不同离子源的工作特性和迁移区不同的尺寸分别调节两者的载气流速，提高了离子源的电离效率和迁移区的离子分离效果，从而提高FAIMS系统的整体工作性能；③本发明总体基于平板结构，离子源、分离电极、迁移区和离子检测单元的结构都便于采用MEMS加工技术进行加工，易于集成，便于FAIMS系统微型化。

附图说明：

图1是载气垂直于离子源进入的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪示意图。

图2是载气对着离子源进入的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪示意图。

图3是本发明提供的具有分子离子分离功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的原理结构示意图。

图4为高场非对称波形射频电压。

图5为直流扫描补偿电压。

图中：1-样品载气；2-直流电源；3-离子源；4-上分离电极；5-高场非对称波形射频电压和直流扫描补偿电压；6-第一气体通道；7-上基片；8-微处理器；9-分子筛净化器；10-检测单元；11-迁移区下电极；12-第二气体通道；13-迁移区上电极；14-迁移区；15-下分离电极；16-离子通道；17-中间基片；18-纯净载气；19-第二气体通道入口；20-下基片；21-静电计；22-第一气体通道入口。

具体实施方式

下面结合图例对本发明提供的多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪的具体结构和工作原理做进一步的说明。

图3是本发明提供的具有分子离子分离功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的原理结构示意图。该高场非对称波形离子迁移谱仪包括离子源3、迁移区14、分离电极、上基片7、中间基片17、下基片20和检测单元10；所述的上基片7和中间基片17构成第一气体通道6，中间基片17和下基片20构成第二气体通道12；所述的迁移区位于第二气体通道12内，迁移区内设有迁移区上电极13和迁移区下电极11，检测单元10位于迁移区的后端；所述的离子源3位于第一气体通道6的入口处；所述分离电极由上分离电极4和下分离电极15组成，上分离电极4位于上基片7上，紧邻离子源3出口；下分离电极15位于下基片20上；所述的中间基片17上设有离子通道16，下分离电极15通过离子通道16与上分离电极4对称布置。

本发明所示结构中上基片7、中间基片17和下基片20为绝缘材料的平板结构(如MEMS工艺中所用的硼硅玻璃或聚四氟乙烯平板等结构)，通过键和工艺或其他方法构成一个整体。上分离电极4、下分离电极15、迁移区上电极13和迁移区下电极11可通过溅射(如Ti/Pt/Au)或机械加工等方法形成。

本发明所示的多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪的作用原理如下：样品载气1携带挥发性样品经过第一气体通道入口22进入离子源3中电离，受离子源电离效果的限制，样品不能完全电离，将产生带电的样品离子和没有电离的样品分子。上分离电极4和下分离电极15之间通过直流电压源2加载一个垂直于载气1运动方向的电场。根据样品电离产生的离子电荷特性，调节上分离电极4和下分离电极15的电压极性，使带电的样品离子在电场的作用下克服样品载气1向右的气体流场作用，经过中间基片17上的离子通道16向下进入第二气体通道12。中性样品分子由于不受电场力作用，在载气1的作用下继续沿第一气体通道6运动，经过分子筛净化器9的净化过滤，排出系统。

不含样品的纯净载气18(如99.999％的高纯氮、净化过的空气、二氧化碳等)从第二气体通道入口19进入第二气体通道。在纯净载气18的作用下，受电场作用向下运动的样品离子的运动方向再次发生变化，克服使其向下分离电极15作用的电场力，随纯净载气18沿着第二气体通道向右运动，进入迁移区14。迁移区下电极11接地，迁移区上电极13接有高场非对称波形射频电压和直流扫描补偿电压5。高场非对称波形射频电压为上下面积相等的高场非对称波形，如图4所示。在高场和低场作用下，离子向迁移区上电极13或迁移区下电极11产生一个净位移(取决于离子在高场作用下的运动特性)，若没有补偿电压的作用，离子将产生偏转而撞击到迁移区上电极13或迁移区下电极11上被中和掉。若加载一个合适的直流补偿电压，使离子在高场非对称波形射频电压作用下产生的净位移能够得到补偿，则离子能通过迁移区14。在微处理器8的控制下，直流扫描补偿电压以特定的扫描频率和扫描步长在一定的补偿电压区间CV1～CV2之间进行扫描(如图5所示)，使对应某个补偿电压的离子能够通过迁移区，而其他的离子则撞击到金属电极上被中和掉。不同大小的直流补偿电压对应不同种类的离子，因此根据直流补偿电压的值就可确定样品的种类。

经过迁移区14过滤选择后的离子在纯净载气18的作用下继续向右运动，进入检测单元10，将离子信号转化为电流信号，并通过静电计21测出电流信号的值。微处理器8记录每个补偿电压对应静电计21的相关数据，并通过软件实时地绘出两者的对应关系曲线。经过微处理器的噪声和图像处理，确定每个波形中电流信号最大值对应的补偿电压值。将此时的高场非对称波形射频电压和直流扫描补偿电压5的相关参数(电压最大值、频率、占空比、波形等)、迁移区14的尺寸(长度、宽度、间距)、气压、纯净载气18的流速、温度和种类(高纯氮、净化过的空气、二氧化碳等)和补偿电压值与微处理器8数据库中的数据进行比对，从而确定样品载气1中所携带的样品物质种类。

实施例1：

利用多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪对丙酮和甲苯的混合物进行检测。样品载气1携带丙酮和甲苯的混合物进入真空紫外灯离子源。根据真空紫外灯的电离特性，样品载气1的流速确定为1L/min。通过直流电源2在上偏转电极4和下偏转电极15之间加载7V的直流电压，未电离的丙酮分子和甲苯分子在样品载气1的作用下经过分子筛净化器9净化过滤后排出系统，电离的丙酮离子和甲苯离子在7V的直流电压作用下运动发生偏转进入第二气体通道12。纯净载气18为99.999％的高纯氮，气体流速调为2.5L/min，携带丙酮离子和甲苯离子在迁移区分离，通过微控制器8得到丙酮和甲苯补偿电压和电流信号对应关系的实时曲线，确定丙酮和甲苯对应的补偿电压，通过数据比对确定丙酮和甲苯的物质种类。

实施例2

采用MEMS工艺对多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪进行系统集成。离子源3采用圆筒型结构的电晕放电离子源，检测单元10采用圆柱结构的微阵列式法拉第筒。离子源3和检测单元10都可通过ICP工艺刻蚀导电硅片而成。上基片7、中间基片17和下基片20采用硼硅玻璃，中间基片17中的离子通道16通过精密加工工艺在硼硅玻璃上加工出直径3mm的圆孔。基片上的上分离电极4、下分离电极15、迁移区上电极13、迁移区下电极11通过在硼硅玻璃上溅射Ti/Pt/Au金属而成(厚度Ti：400

Pt：300

Au：900)。基片通过键合工艺组装而成。采用负电晕的放电模式，对样品载气1中所携带的乙酸样品进行电离。根据圆筒型电晕放电离子源的工作特性，样品载气1的气体流速调为100ml/min，直流电源2调为2V，纯净载气20采用净化过的空气，流速为1.5L/min。由于电晕放电能对空气中的某些物质电离，因此电离产物除了乙酸离子外，还有CO₃ ^-、NO₃ ^-等离子。在一定高场非对称波形射频电压参数下扫描补偿电压，得到相应的信号曲线，通过对乙酸补偿电压的比对确定乙酸的物质种类。

Claims (2)

1.一种多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪，其特征在于：该高场非对称波形离子迁移谱仪包括离子源(3)、迁移区(14)、分离电极、上基片(7)、中间基片(17)、下基片(20)、检测单元(10)和静电计(21)；所述的上基片(7)和中间基片(17)构成第一气体通道(6)，中间基片(17)和下基片(20)构成第二气体通道(12)；所述的迁移区位于第二气体通道(12)内，迁移区内设有迁移区上电极(13)和迁移区下电极(11)，检测单元(10)位于迁移区的后端；所述的离子源(3)位于第一气体通道(6)的入口处；所述分离电极由上分离电极(4)和下分离电极(15)组成，上分离电极(4)位于上基片(7)上，紧邻离子源(3)出口；下分离电极(15)位于下基片(20)上；所述的中间基片(17)上设有离子通道(16)，下分离电极(15)通过离子通道(16)与上分离电极(4)对称布置；所述的静电计的一端与微处理器(8)连接，另一端与检测单元(10)连接。

2.按照权利要求1所述的多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪，其特征在于：所述的上基片(7)、中间基片(17)和下基片(20)为绝缘材料，所述的上分离电极(4)和下分离电极(15)为导电材料。

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