CN101752178B - 一种圆柱式非对称场离子迁移管 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种圆柱式非对称场离子迁移管，从内向外圆柱形内电极、圆筒状中电极及圆筒状外电极依次穿套为一体，且它们保持同轴；圆筒状中电极通过导线与高压射频电源相连，圆柱形内电极和圆筒状外电极通过导线与大相连；在圆筒状中电极的一端外侧设置有电离源和样品气入口；在圆筒状中电极另一端设置有气体出口，在气体出口处靠近圆柱形内电极的端部设置有环状内检测器，在气体出口处靠近圆筒状外电极的端部设置有环状外检测器。本发明改变可以传统同轴圆柱式的不足，即在不改变电场极性的情况下，可以同时检测出各种具有电场依赖迁移率的离子。另外，本发明的迁移管具有结构简单，离子的利用率高等特点，可以实现连续无间断检测。

Description

一种圆柱式非对称场离子迁移管
技术领域
本发明涉及离子迁移管，具体地说是一种新型圆柱式非对称场离子迁移管。该迁移管的突出特点在于可以弥补传统非对称场迁移管的不足，即在不改变电场极性的情况下，可以同时检测出各种具有电场依赖迁移率的离子。另外，本发明的迁移管具有结构简单，离子的利用率高等特点，可以实现连续无间断检测。
背景技术
离子迁移谱技术是一种基于离子迁移率的分离分析技术。目前广泛应用于机场安检、反恐爆炸物检测、毒品及易制毒化学品检测、生化战剂检测等领域，并且应用范围还在不断扩大。离子迁移谱技术主要分为两类，一类是由英美等国率先研发的传统式的离子迁移谱。另一类是由前苏联Buryakov等人于1993年提出的非对称场式离子迁移谱。前者利用低场(E/N＜2Td，1Td＝10-17Vcm2)下同一物质气相离子的迁移率在一定条件下有一确定值、基于不同物质迁移率的不同来进行分离检测，特点是定性能力比较高，物质与谱峰的对应关系较易确定。后者则是利用同一物质的气相离子在高电场(E/N＞40Td)和低电场下的迁移率的不同来进行分离检测，特点是仪器结构非常简单，易于实现小型化。
高电场下，离子的迁移率可以表示为：
K＝K0(1+α)
其中，K为高场下离子的迁移率，K0为低场下离子的迁移率，为高场下离子迁移率相对于低场下的变化率，其值可正可负，因物质而异。低场下α＝0。
非对称场离子迁移谱的原理如下：以载气使物质离子垂直于电场方向通过漂移区，漂移区施加以射频正负切换的非对称场，整个射频周期内，电压的时间平均值为零。这样，在高低场区段内，离子以迁移率K沿电场都有一垂直位移，但是，若高场与低场下的迁移率不同，在一个周期内离子总体上将在垂直于方向上离开原来的位置，产生一个净位移。经过一定时间的积累，离子的这种位移将使其打到极板上而被中和。为了使这种离子顺利通过检测区，可以在原来的电场上叠加一直流电场，当所加直流电场适当时，离子在垂直方向上的净位移为零，进而可以顺利通过检测通道被检测到。通过扫描上述的直流电场，就可以检测不同的离子。
非对称场离子迁移谱有平板式和同轴圆柱式两种构型。
研究发现，平板式结构能够实现所有离子的检测，对不同离子没有歧视效应，但不能实现聚焦功能，因而灵敏度较低。同轴圆柱式结构能够实现离子汇聚，可以对具有某种迁移率特征的离子产生很好的聚焦效果，有利于实现高灵敏度检测。但是，传统结构的同轴圆柱式结构不能同时实现对所有的离子有聚焦效果。对于α＞0的正离子的聚焦的条件，往往对同极性α＜0的离子散焦。这大大影响了此种结构应用上的灵活性和检测范围，带来了技术上的难度：如果切换电场的极性，则意味着电源设计要求的提高和不能同步检测上述两种离子。(参阅专利WO2006105994)
本发明的同轴圆柱式离子迁移管同时建立了两个具有形同电场梯度但是相反电场方向的离子检测通道，可以很好的解决上述问题。
发明内容
本发明涉及一种新型圆柱式非对称场离子迁移管。该迁移管的突出特点在于可以弥补传统非对称场迁移管的不足，即在不改变电场极性的情况下，可以同时检测出各种具有电场依赖迁移率的离子。另外，本发明的迁移管具有结构简单，离子的利用率高等特点，可以实现连续无间断检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种圆柱式非对称场离子迁移管，其是基于非对称场迁移谱的原理，采用圆柱式的构型；包括电离源、圆柱形内电极、圆筒状中电极、圆筒状外电极、内腔、外腔、环状内检测器、环状外检测器、高压射频电源，从内向外圆柱形内电极、圆筒状中电极及圆筒状外电极依次穿套为一体，且圆柱形内电极、圆筒状中电极和圆筒状外电极保持同轴；圆柱形内电极与圆筒状中电极间的空间为内腔，圆筒状中电极与圆筒状外电极间的空间为外腔；圆筒状中电极通过导线与高压射频电源相连，圆柱形内电极和圆筒状外电极通过导线与大相连；
在圆筒状中电极的一端外侧设置有电离源和样品气入口；在圆筒状中电极另一端设置有气体出口，在气体出口处靠近圆柱形内电极的端部设置有环状内检测器，在气体出口处靠近圆筒状外电极的端部设置有环状外检测器。
圆柱形内电极、圆筒状中电极和圆筒状外电极的位置分别通过绝缘材料固定，用于固定的绝缘材料可位于样品气入口端和/或气体出口端。
高压射频电源可为正压电源或负压电源；在环状内检测器和环状外检测器分别通过导线与一微电流放大系统信号连接；在气体出口设置有抽气泵系统。
在无需切换电源极性的情况下，本发明可以在内腔和外腔中形成不同方向的电场、而电场梯度的方向相同，可以满足电场依赖性相反的离子同时检测的需要。本发明可以使用不同的电离源，如放电源’63Ni源，ESI源等各种电离源以及电离源的组合。
本发明的优点在于：
1.本发明保留了非对称场离子迁移管的优点，即，结构简单，易于小型化。
2.本发明的突出优点是：在两通道同时构建起了极性相反的检测电场，能够同时实现对同极性但α符号相反的离子的同步同时检测，弥补了传统的此类迁移管的不足。
3.本发明可以充分用现有的各种电离源作为本发明迁移管的电离源。
4.本发明可以利用已有的所有的技术如掺杂剂技术等作为提高本发明迁移管性能的改进措施。
总之，本发明展示的是一种新型圆柱式非对称场离子迁移管。该迁移管的突出特点在于可以弥补传统同轴圆柱式的不足，即在不改变电场极性的情况下，可以同时检测出各种具有电场依赖迁移率的离子。另外，本发明的迁移管具有结构简单，离子的利用率高等特点，可以实现连续无间断检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；图中箭头方向为气流方向。
具体实施方式
一种圆柱式非对称场离子迁移管，包括电离源1、圆柱形内电极2(以下简称之内筒)、圆筒状中电极3(以下简称之中筒)、圆筒状外电极4(以下简称之外筒)、内腔5、外腔6、环状内检测器7、环状外检测器8、高压射频电源9，
从内向外圆柱形内电极2、圆筒状中电极3及圆筒状外电极4依次穿套为一体，且圆柱形内电极2、圆筒状中电极3和圆筒状外电极4保持同轴；圆柱形内电极2与圆筒状中电极3间的空间为内腔5，圆筒状中电极3与圆筒状外电极4间的空间为外腔6；圆筒状中电极3通过导线与高压射频电源9相连，圆柱形内电极2和圆筒状外电极4通过导线与大相连；
在圆筒状中电极3的一端外侧设置有电离源1和样品气入口；在圆筒状中电极3另一端设置有气体出口，在气体出口处靠近圆柱形内电极2的端部设置有环状内检测器7，在气体出口处靠近圆筒状外电极4的端部设置有环状外检测器8。
圆柱形内电极2、圆筒状中电极3和圆筒状外电极4的位置分别通过绝缘材料12固定，用于固定的绝缘材料位于气体出口端；高压射频电源9为正压电源；在环状内检测器7和环状外检测器8分别通过导线与一微电流放大系统10信号连接；在气体出口设置有抽气泵系统11。
内腔检测器和外腔检测器形成各自的独立通道，检测信号送入前级放大器进行放大。
检测时，中筒上加以数千伏的高压射频非对称电压并叠加扫描直流电压，外筒和内筒接地；也可以相反，即外筒和内筒接高压射频非对称电压并叠加扫描直流电压。这样，在内筒与中筒之间，中筒与外筒之间形成两个电场方向相反的检测通道。样品由载气带入电离区进行电离，电离产生的离子被载气载带进入上述两个检测通道。不同性质的离子在高压射频非对称电场的作用下，具有不同的电场垂直方向(径向)的运动特性。扫描直流电压，当直流电压值适当时，某一离子在某一通道内被检测，而一般情况下另一通道中不会同时测到该离子。在某一电压范围内扫描直流电压，便可以得到信号一扫描电压图。两通道共同作用的结果是得到几乎所有离子的检测谱图。

Claims (5)

1.一种圆柱式非对称场离子迁移管，其特征在于：包括电离源(1)、圆柱形内电极(2)、圆筒状中电极(3)、圆筒状外电极(4)、内腔(5)、外腔(6)、环状内检测器(7)、环状外检测器(8)、高压射频电源(9)，
从内向外圆柱形内电极(2)、圆筒状中电极(3)及圆筒状外电极(4)依次穿套为一体，且圆柱形内电极(2)、圆筒状中电极(3)和圆筒状外电极(4)保持同轴；圆柱形内电极(2)与圆筒状中电极(3)间的空间为内腔(5)，圆筒状中电极(3)与圆筒状外电极(4)间的空间为外腔(6)；圆筒状中电极(3)通过导线与高压射频电源(9)相连，圆柱形内电极(2)和圆筒状外电极(4)通过导线与大地相连；
在圆筒状中电极(3)的一端外侧设置有电离源(1)和样品气入口；在圆筒状中电极(3)另一端设置有气体出口，在气体出口处靠近圆柱形内电极(2)的端部设置有环状内检测器(7)，在气体出口处靠近圆筒状外电极(4)的端部设置有环状外检测器(8)。
2.如权利要求1所述非对称场离子迁移管，其特征在于：圆柱形内电极(2)、圆筒状中电极(3)和圆筒状外电极(4)的位置分别通过绝缘材料(12)固定，用于固定的绝缘材料可位于样品气入口端和/或气体出口端。
3.如权利要求1所述非对称场离子迁移管，其特征在于：高压射频电源(9)可为正压电源或负压电源。
4.如权利要求1所述非对称场离子迁移管，其特征在于：在环状内检测器(7)和环状外检测器(8)分别通过导线与一微电流放大系统(10)信号连接。
5.如权利要求1所述非对称场离子迁移管，其特征在于：在气体出口设置有抽气泵系统(11)。
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