CN101999156B - 用于测量气体的方法及相应的离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量气态物质的方法和设备，其中所述方法包括以下步骤：—使气流(10)中的样本气体离子化，—在细长的离子迁移率测量室(12)所限定的横截面中将离子化的气流引导通过所述测量室，—在与测量电极(e₁，e₂，e₃)的相距一定距离处从离子化的气流中滤出(14)离子，从而使得只有从选定点处的流动横截面行进的离子通过，—借助于横向静电场和沿测量室的壁排布的至少一对测量电极(e1，e2，e3)，对离子迁移率不同的离子(J_1-n)进行分离。

Description

用于测量气体的方法及相应的离子迁移谱仪

技术领域

本发明涉及一种用于测量气体的方法，该方法包括以下步骤：

-使气流中的样本气体离子化；

-在细长的离子迁移测量室所限定的流动横截面使离子化的气流被引导通过该离子迁移测量室；

-借助于横向电场和设置在测量室壁上的至少一对测量电极对离子迁移率不同的离子进行分离。

本发明还涉及实施该方法的离子迁移谱仪(IMS)。

背景技术

离子迁移谱测定法(IMS)是用于测量空气中的气态杂质的方法(Eiceman＆Karpas，2005)。离子的迁移率可通过许多方法来进行测量。最常见的是飞行时间离子迁移谱测定法，或者漂移时间离子迁移谱测定法。另一种公知的方法是吸入离子迁移谱测定法。这可用来测量离子和悬浮颗粒的迁移率。吸入离子迁移谱测定法是基于离子在气流中移动并且通常具有垂直于流动方向的电场的事实。如果电场保持恒定，那么离子将基于其电子迁移率而行进到不同的位置，该迁移率由测量的位置决定。测量也可通过相对于时间改变电场来进行，在这种情况下在不同时间对代表不同迁移率的离子进行测量。

申请公开文献US 2007/0023647 A1(Zimmermann)中披露了一种离子迁移谱仪，样本气体在所述离子迁移谱仪中被离子化，并在测量电极之前被引导至输送气流的横截面中的窄点。这就是所谓的二级吸入离子迁移谱测定法的问题。理想地，当所有离子从相对于连续电极而言相同的横向距离处出发时，将呈窄流的离子化样本气体引导至输送气体的流动横截面的中心和电场。此时对分子的横向运动产生影响的变量是分子的质量和电荷。与来自整个横截面区域的离子流相比，通道的分离精度显著改善。对输送气体和待离子化样本气体的控制使得结构复杂化。然而，即使一个分流中的微小干扰也能够轻易导致较大的误差。公开文献US 2006/0054804A1(Wexler)中披露了相似的结构。

公开文献WO 2008/008826A2中披露了几种不同类型的离子迁移谱仪设备(IMS设备)。该公开文献中的图5和图6示出了使用Bradbury-Nielsen多组分栅极的IMS设备，其中使用的是约1Mhz等级的频率，以及扫描DC电压。这种带有若干与DC扫描结合的相RF源的电极装置极其复杂。

理论上能够将样本气体引导到中心，但是实践实施上却有困难，为此公开文献中披露了一种模型，其中将样本气体引导至输送气流的边缘。就输送气流的抛物线速度剖面而言，这种供给方式不是最佳的，反而会导致不精确。

图1示出了实施吸入单元的传统方式。来自流动通道整个区域的离子J1-n到达分离的测量带e1-e3。虽然大多数的离子因流动的速度剖面而来自中心，但是来自流动边缘的离子会造成相当程度的不精确。图2示出所谓的扫描(SWEEP)单元结构，其中来自流动通道整个区域的离子J1n到达单独的测量带e1-e2。在实施过程中，通过改变测量带的电场，使离子发生分离。该方法也如同前一个方法那样面临到达的离子分布广泛的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种与现有技术相比更为简单的用于测量气体样本的方法和设备，特别是实施所谓的二级吸入离子迁移谱测定法。

本发明提出了一种用于测量气态物质的方法，所述方法包括以下步骤：

-对气流中的样本气体离子化，

-引导离子化的气流通过细长的离子迁移率测量室，

-借助于横向电场和设置在所述测量室的壁上的至少一对测量电极，

在所述测量室中对离子迁移率不同的离子进行分离，

其特征在于，

-沿流动方向在所述测量电极之前的选定距离处，将气流分成至少两个分流以对离子进行预过滤，其中

-所述选定距离处的其中一个分流称作发射流，另一个分流称作截断流，以及

-借助与离子迁移率相关的静电场，从每个截断流的所述离子化气体中滤出离子，以及

-在所述预过滤之后，借助于设置在所述发射流中的零场，允许所述发射流中的至少选定离子进入分离。

优选地，具有至少三个分流，并且所述发射流实质上处于气流的速度分布的最大点处。

优选地，通过分通道来产生分流，所述分通道的长度从边缘朝向所述发射流减小。

优选地，在所述预过滤之后，将气流引向实质上较小的横截面，在该横截面，通过至少一个未离子化的截断流将含有离子的发射流引导至所述较小的横截面中精确限定的点处。

本发明还提出一种用于测量气态物质的离子迁移谱仪，其中，所述离子迁移谱仪包括：

-测量室，

-用于生成气流并引导所述气流通过所述测量室的装置，

-在所述测量室之前使气流离子化的装置，

-在所述测量室的选定长度上用于生成横向测量电场的装置和位于所述测量室的壁上的至少一对测量电极，

-从每个测量电极对测量离子流的装置，

其特征在于，所述测量室还包括：

-预滤器，所述预滤器沿流动方向设置在所述测量电极对之前，用于沿横截面将所述测量室分成至少两个单独的平行分通道以生成分流，

一个分通道为发射通道，还有一个分通道为截断通道，以及

-用于生成与离子迁移率有关的静电场的装置，以及在每个截断通道中用于远离这些分通道的分流进行收集的集电极，

-一个电无源分通道，所述电无源分通道在所述横截面的选定点处形成所述发射通道，从而允许离子尽可能不受干扰地通过所述电无源分通道。

优选地，选定的分通道为三个，所述发射通道位于所述截断通道之间。

优选地，使用几个金属薄板构成分通道，所述金属薄板在选定长度上将测量室分成多个窄的部分。

优选地，预滤器包括3-11个分通道。

优选地，预滤器包括5-9个分通道。

优选地，离子迁移谱仪由置于彼此顶部的板组组装而成，所述板组由多个板构成，其中，在彼此的顶部上形成板开口，以形成测量室和其他通道空间，其特征在于，预滤器的分通道由颈部构成，所述颈部在选定板处穿过测量室，在板的相应位置处形成有开口。

优选地，离子迁移谱仪包括定位于预滤器之前的带有电压源的附加电极，用于通过电场使带有不同极性的离子彼此分离。

优选地，预滤器的集电极是电路板的各个部分，所述板由所述集电极形成。

借助于根据本发明的过滤技术，发射流可处于流动横截面的中心，在该处流动的速度剖面最大。该结构比上述Zimmermann的设备结构简单得多。最简单的是，发射流中可以是绝对的0电场，但是在研制程度更高的实施例中，也可以使用弱电场和集电极来选择离子，这使得仅一部分通过发射通道的离子得以分离。

在离子聚集部分的流动中，即在所谓截断通道中，电场相对于离子的迁移而言处于静态。根据选定的实施例，可以使用缓慢变化(小于100Hz，更普遍地为0Hz-50Hz)的电场或者绝对静电场。例如，在一秒的期间内，可使用缓慢改变的电场来优化迁移率不同的离子的分离。对于能够在截断通道以外聚集的离子和所确保的发射通道的无干扰操作而言，预滤器的电场在流动方向上足够长。在预滤器之后，根据计算的路径，分离电极沿轴向定位于测量室中。

发射通道的静电场要求两侧的电极等势。然而，静电场的每个电极都可位于绝缘板的相对侧上，并同时为截断通道的第二电极。

与没有离子过滤的探测器相比，借助于根据本发明的离子过滤技术可获得相当高的测量精度。依靠根据本发明的过滤技术，发射通道可位于流动横截面的中心、即流动的速度剖面最大处。其结构比上述Zimmermann的设备的结构简单得多。

例如采用α辐射或β辐射对样本气体离子化。只允许来自受限截面的离子进入测量部。在本发明中，从所谓的截断流动中滤除流动通道的边缘的离子，并且仅允许所谓发射流的离子从流动通道的中心部进入迁移率测量。相应部分的通道称作截断通道和发射通道。与允许来自流动通道整个区域的离子进入测量的情况(所谓的一级吸入离子迁移谱测定法)相比，该方式显著改善了迁移率的分辨力。发射流周围的截断流使流动的速度剖面保持在可控制下。

在一个实施例中，通过在流动通道中放置非常薄的金属板来移除离子，一些金属板中存在电压。允许离子从单个间隙进入测量室。在这种情况下，发射间隙处于通道的中心部，或者不完全处于侧部。发射间隙定位于中心通道是有利的，这是因为离子相对于流动是分散的，并且每单位时间最大离子的密度是在通道的中心。通过将离子设为等电势而使得离子通过最居中的(或另外选择的)间隙。通过合适的势垒场收集在别处远离的离子。足够薄的板不会干扰流动，反而会以下述方式使合适通道的流阻均等，即，以流动经过每个间隙的方式。在优选结构中，流动引导板可具有相互不同的尺寸，以控制流动分布。

根据本发明的便携式(尺寸)二级吸入离子迁移谱测定法的特征总结如下：例如通过放射源在流动通道的整个高度上产生离子。通过分隔流动通道的板结构滤除来自别处的离子，使得离子从受限区域，优选从流动速度分布的最大处进入测量室。这里，通过允许离子从中心部进入迁移率测量室，可充分利用流动通道中心部的较大的离子密度(每单位时间)。借助发射板结构之前的电场，例如通过依靠电场来增加通道中心部的离子密度，能够对离子进行引导。发射板结构还起屏蔽的作用，防止直接离子化的辐射进入测量室。该结构允许进行紧凑地测量。该结构能够充分加以利用以实施DMS/FAIMS型测量。当二级产生的离子流去掉了迁移率分布的期望部分时，该结构可与所谓扫描型测量结合。

附图说明

下面，借助于示例并参考附图描述本发明，其中

图1示出实施传统吸入单元的方式；

图2示出所谓的扫描单元的结构；

图3a示出另一个二级吸入离子迁移光谱测定单元的示意图；

图3b示出图3a的实施例的变型；

图4示出实施预滤器的阻挡板结构的一种替代方案；

图5示出另一个二级吸入离子迁移光谱测定单元的结构；

图6示出预滤器的示意性结构；

图7示出预滤器之前的流道的剖视图；

图8示出先前的、稍作更改的二级方案的示意图；

图9示出吸入离子迁移光谱测定单元的实践实施方案的轴测图和截面；

图10示出吸入离子迁移光谱测定单元的第二实践实施方案的轴测图和截面；以及

图11示出比先前更为简单的吸入离子迁移光谱测定单元的第三实践实施方案的截面。

具体实施方式

图3a示出位置分离二级吸入离子迁移谱测定法的操作的示意图。将离子化的气流10导入测量通道12中，由此在通道中出现典型的抛物线速度剖面。从实际测量的角度而言，中心部件是位置分离单元，其中不同迁移率的离子聚集到由标记K1、K2和K3所指示的不同位置。气流以如下方式形成抛物线型剖面，即，以中心处的流动最强的方式。这样的流动剖面使得单位时间到达中心的离子多于到达边缘的离子。借助于预滤器14使得离子在远离边缘处被收集。该预滤器14包括金属薄板16，在最外侧的两个金属薄板16上设有集电压。由于带有电场的通道去除离子，所以也称作截断通道。截断通道对实际的气流几乎没有任何的影响。最居中的板以这样的方式接地或者设置为互相等势，即，以板之间不存在电场且使离子通过所述板的方式，从而在这些板之间形成发射通道a。利用这种结构，在不同的位置都能够精确地收集不同迁移率的离子。在优选结构中，最居中的通道的横截面面积小于整个横截面面积，并存在多个发射通道。简单而言，在图中仅示出了描述该构思所需要的间隙数量。

根据图3b，与上述不同的是，如果实际上存在有静电场或缓慢变换(扫描)的弱电场，那么可将发射通道改造成过滤器。在该图中，示出了边界13a和13b：

-边界线13a：迁移率受DMS或DC发射场限制，迁移率较大的离子将无法通过。

-边界线13b：从DMS或DC场发射的迁移率较小的离子通过并行进到测量区域以进行分离。

发射通道还能够以如下两种方式用作过滤器：

1)借助于发射通道，通过在发射通道中设置电压(场)，可以限制进入高迁移率的测量通道。发射通道的电压确定迁移率，高于该电压时不能进入测量。通过逐步改变该电压，并通过选择合适的发射窗能够使测量的精度得到显著改善。

2)通过将发射通道用作DMS过滤器，只有通过不均匀电场的这些离子得以进入测量，所述不均匀是相对于DMS过滤器的补偿电压、时间、场强中每一个而言的。

由于可采用替代方案来提高测量的速度，所以上述方法也是可以替换的。

图4示出了实现预滤器14的阻挡板结构的一种替代方式。传感器的主体用附图标记20标示。在图4的实施方案中，离子在别处被离子化，并且被离子化的气体被引到阻挡板之前的流动通道(从左侧)。在图中，原始实施方案的窄带14.1相对于电压场位于左侧。在大量生产的结构中，板通过组装孔或其他单独的连接点连接到电压源。

图5示意性示出了大体上的二级结构。到达预滤器的离子J1-n来自流动通道整个区域，但是只从中心离开预滤器14。出于简化的原因，在图中只画出三个测量通道e1-e3，即三个测量带，事实上可以多于三个。

从图6中可以看出预滤器的大体结构，其中E一般表示电场，而字母旁边的数字指的是实际排布中各个场可具有不同的量级。虽然在最佳情况下，最居中的场(E＝0)实际上布置成使得其中的场强为零，或者布置成将变化的电场用于所讨论的流动通道。在这种情况下，发射通道用附图标记“a”来标示。其他电场用于排出离子，采用多通道的方案是为了通过使整个通道上的流阻统一而使流道流动均衡。

图7示出了绝缘包20′和形成在其内部的、在预滤器14之前切开的流动通道12的横断面。气流从图中的左手侧进入，经预滤器14在通道中行进，并且从流动通道的端部处设置的开口(未示出)离开。在绝缘包20上方和下方封闭该结构的测量板在图7中未示出。该图中示出了系统的总结构，其由交替的绝缘板和场板组成。

通过使用恒定电场，或者使用变化的电场，可以从一个或多个位置对离子进行不受位置影响的测量。这两个方案在公开文献和专利文献中均有描述。通过在尽可能靠近测量位置处产生离子并在聚集之前由电场对离子进行引导，或者以机械方式依靠用于控制流动的板，上述二级方案能够得到进一步发展。这些措施旨在使测量过的离子所带来的流动信号最大化。

图8是对前一方案稍作更改的二级方案的示意图。在该实施例中，通过电场引导不同极性的离子，使其彼此分开。其目的在于减缓离子重组并增加到达测量位置的离子数量，而且通过这种方式对电流进行测量。由于极性分离使从中心部到达的离子发生移动，因此可对发射间隙进行定位。

以上是机电式二级实施方案的示意图。流动通道12的高度可以是例如5mm。因而可以将辐射源定位在流动通道中(步骤1-离子化区域)。在图中，管内的虚线示意性示出了辐射源。紧随形成之后，不同的极性通过电场彼此分离(步骤2-离子根据极性预先分离)。极性分离使测量的极性发生移动而稍稍远离中心部。其目的是在广阔区域上充分利用流动通道中心部的高速度。

在尽量靠近迁移率测量位置处实施离子化使得所测量的离子的数量最大化。极性的彼此分离降低了重组速度，这可能具有明显增加离子数量的影响。除了其主要任务之外，离子预滤器(步骤3-离子屏蔽场和发射通道a)还可作为辐射源的α粒子的屏蔽，即防止α粒子进入离子迁移率测量室(步骤4-测量迁移率)。

除以上实施方式以外，二级结构也可实施为所谓的DMS结构，其中采用了旨在生成二级的过滤器，从而生成高强度的非均匀高频场。DMS测量原理本身是公知的，但是以二级方式执行的方式却是新颖的。

图9中示出了离子迁移谱仪的传感器部件20″的更详细视图，其中在测量通道12处将传感器部件纵向剖开，同时将上方的离子室18横向剖开。

在这种情况下，下测量板21是更大的电路板的一部分，其上具有设备的其它电子器件。传感器部件包括多层结构，其中最底部是支撑板22，在所述支撑板22上方依次是：下测量板21、通道板23、上测量板24和较厚的连接器板26。

样本气体从连接部“入口”被带入到离子化室18，在所述离子化室18中具有选定的辐射源8(未示出)。离子化的样本气体经中间连接部19导入到细长的测量室12，其操作将稍后说明。样本气体从测量室12排出到连接部“出口”-也就是排出到周围空气中，或者在封闭式抽样中，样本气体返回到其起始处。

按公知的方式，在测量室12中具有测量带(e1，e2，e3)，每个测量带都是一对电极(例如e1+和e1-)，其电压保持恒定，并测量其中的电流。

在该图中，未示出预滤器14的横断面，因此预滤器14从该结构的其余剖面突出。同时，这对测量室12的宽度给出了一些概念。如上所述，预滤器14包括连接到选定电势的金属薄板。发射通道板，即通常最居中的板，接地。电压从另一侧(未示出)引到所述板。

图10中示出了离子迁移谱仪的更为简化的第二种实施例，其中传感器部件如同图9中那样剖开。与上面相同的附图标记用于功能相似的部件。相似的部件有：

-配备有连接部“入口”的离子室18，

-测量室12，

-将离子室18连接至测量室12的中间连接部19，

-位于测量室端部的“出口”连接部，

-由板组装的结构，包括板22、21、23、24、25和26，另外，新板22a和24a-24d。

多层结构与之前的结构相似，只是所有板的厚度均相等，而且用较薄的分隔板来替代去除板的部分厚度。预滤器14的形成方式为，在板21和24的选定点具有横穿测量室的颈部16′。与图7和9中的分隔板16相对应，在这些颈部处，板的表面上具有导体。电极因此是每个电路板的一部分。在颈部16′之间形成分通道，在本实例中为三个分通道。最居中的一个通道为发射通道(a)，而另两个通道为截断通道。生成发射通道的静零电场的电极或者位于发射通道内，或者位于绝缘部外。发射通道的电极可以是单独的，或者在每侧上与截断通道的最近的电极成对共用。

多层结构可按照许多其他方式自然形成。结构的主要特征在于通道空间和电极。测量室12在预滤器14之后变窄，从而成为甚至比发射通道a更窄的通道12′。在通道12′中，具有如上所述的分离器电极(未示出)并且其高度为预滤器高度的约20％(通常为10％-30％)，宽度保持相同。已证实该结构出人意料地有用和稳定。发射流在来自边缘的截断流之间变窄，当不与测量通道12′混合时，发射流一起变得更大。于是在测量通道的较小横截面处能够将离子精确地引导至较窄部分，而且获得精确的距离分离。由于横向距离小(0.2mm-1mm，优选0.4mm-0.7mm)，所以分离在低压下工作良好。通常，通过使用一个或两个截断通道，能够将含有离子的发射流精确地引导至较小横截面的选定点。

图11以简化形式示出了又一个实施例。在厚度平均的测量室中具有预滤器，其中截断通道板16a的长度与速度剖面恰恰相反，即板朝向发射通道的长度有所减小。另外，发射通道a的板相对于其他的板组稍稍突出。这是用来指示电场和流动剖面的形状。分离按照如上所述的相同方式进行。

在上述实施例中，样本气体的流速通常为每分钟1-3升，优选为约2升/分钟。

Claims (13)

1.一种用于测量气态物质的方法，所述方法包括以下步骤：

-对气流(10)中的样本气体离子化，

-引导离子化的气流通过细长的离子迁移率测量室(12)，

-借助于横向电场和设置在所述测量室的壁上的至少一对测量电极(e₁，e₂，e₃)，在所述测量室(12)中对离子迁移率不同的离子(J_1-n)进行分离，

其特征在于，

-沿流动方向在所述测量电极(e₁，e₂，e₃)之前的选定距离处，将气流分成至少两个分流以对离子进行预过滤(14)，其中

-所述选定距离处的其中一个分流称作发射流(a)，另一个分流称作截断流，以及

-借助与离子(J_1-n)迁移率相关的静电场，从每个截断流的离子化气体中滤出离子(J_1-n)，以及

-在所述预过滤(14)之后，借助于设置在所述发射流(a)中的零场，允许所述发射流(a)中的至少选定离子进入分离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具有至少三个分流，并且所述发射流(a)实质上处于气流的速度分布的最大点处。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过分通道来产生分流，所述分通道的长度从边缘朝向所述发射流减小。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述预过滤之后，将气流引向实质上较小的横截面，在该横截面，通过至少一个未离子化的截断流将含有离子的发射流(a)引导至所述较小的横截面中精确限定的点处。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述预过滤之前，基于不同的极性使离子彼此分离。

6.一种用于测量气态物质的离子迁移谱仪，其中，所述离子迁移谱仪包括：

-测量室(12)，

-用于生成气流并引导所述气流通过所述测量室(12)的装置，

-在所述测量室(12)之前使气流离子化的装置(18)，

-在所述测量室(12)的选定长度上用于生成横向测量电场的装置和位于所述测量室(12)的壁上的至少一对测量电极(e₁，e₂，e₃)，

-从每个测量电极对(e₁，e₂，e₃)测量离子流的装置，

其特征在于，所述测量室还包括：

-预滤器，所述预滤器沿流动方向设置在所述测量电极对(e₁，e₂，e₃)之前，用于沿横截面将所述测量室分成至少两个单独的平行分通道以生成分流，一个分通道为发射通道(a)，还有一个分通道为截断通道，以及

-用于生成与离子迁移率有关的静电场(E0-E6)的装置，以及在每个截断通道中用于远离这些分通道的分流进行收集的集电极(16)，

-一个电无源分通道，所述电无源分通道在所述横截面的选定点处形成所述发射通道(a)，从而允许离子尽可能不受干扰地通过所述电无源分通道。

7.根据权利要求6所述的离子迁移谱仪，其特征在于，选定的分通道为三个，所述发射通道位于所述截断通道之间。

8.根据权利要求6所述的离子迁移谱仪，其特征在于，使用几个金属薄板(16)构成所述分通道，所述金属薄板在选定长度上将所述测量室分成多个窄的部分。

9.根据权利要求6或7所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述预滤器(14)包括3-11个分通道。

10.根据权利要求9所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述预滤器(14)包括5-9个分通道。

11.根据权利要求6或7所述的离子迁移谱仪，其由置于彼此顶部的板组组装而成，所述板组由多个板(22，21，22，23，23，24，26)构成，其中，在彼此的顶部上形成板开口，以形成所述测量室(12)和其他通道空间，其特征在于，所述预滤器(14)的所述分通道由颈部(16’)构成，所述颈部在选定板处穿过所述测量室(12)，在所述板的相应位置处形成有开口。

12.根据权利要求6或7所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述离子迁移谱仪包括定位于所述预滤器之前的带有电压源的附加电极，用于通过电场使带有不同极性的离子彼此分离。

13.根据权利要求12所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述预滤器的集电极(16)是电路板的各个部分，所述板(22，21，22，23，23，24，26)由所述集电极形成。

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