CN102313774B - 用于离子迁移谱仪的离子门结构和离子迁移谱仪的操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于离子迁移谱仪的离子门结构，其包括用于存储来自离子迁移谱仪的电离源的离子的存储电极，其中所述存储电极包括锥形电极和等电位电极，所述等电位电极在离子存储阶段与所述锥形电极等电位，并且其中所述锥形电极包括中心孔和分布在所述中心孔周围的多个分流气孔。由于锥形电极上设置有多个分流气孔，能够分流或削弱用于携带样品分子或离子的大流量载气，避免存储在存储电极中的样品离子被强大的载气流带走，从而能够有效地提高离子迁移谱仪的存储效率和灵敏度。

Description

用于离子迁移谱仪的离子门结构和离子迁移谱仪的操作方法

技术领域

本发明涉及安全检测技术领域。更具体地，本发明涉及一种使用离子迁移技术检测毒品和爆炸物等的离子迁移谱仪及其操作方法，并且尤其涉及离子迁移谱仪采用的离子门结构。

背景技术

离子迁移谱仪是根据不同离子在均匀弱电场下漂移速度不同而实现对离子的分辨。通常由进样部分、电离部分、离子门、迁移区、收集区、读出电路、数据采集和处理、控制部分等构成。现有技术中，采用Bradbury和Nielson门只在开门阶段将在此期间产生的离子送往迁移区。关门时期的离子通过离子门被散射到管壁上不能被存储而浪费。

中国专利申请200310106393.6公开了一种离子存储方法，采用三片网电极代替Bradbury和Nielson门构成存储区，在离子存储阶段，离子存储在前两片电极之间的无电场区。当需要将离子推入迁移区进行迁移时，即将存储的离子导出时，改变第一片网电极电压将离子推到第二片和第三片网电极之间，再改变第二网电极将离子推到迁移区进行迁移和分辨。由于导出存储的离子需要经过网电极两次，则碰撞和散射会影响到灵敏度，而且控制较为复杂。

美国专利5200614也公开了一种离子存储的方法，但在离子存储阶段正负离子存在复合的问题，影响了灵敏度。由于将电离区和存储区合二为一，虽简化结构，但源的尺寸和形状受到一定限制，影响进一步的使用。

中国专利申请200710304330.X公开了一种新型的离子门结构，这种结构具有离子存储功能，在离子源被离化的样品离子在电场的作用下聚焦后进入存储电极，由于存储电极附近电场为零，因此样品离子源源不断地被存储，当需要释放或导出所存储的离子时，离子源、聚焦导向电极、存储电极的电位同时改变，从而将存储的离子推向迁移区。

但是，中国专利申请200310106393.6及美国专利5200614均需要较长的开门时间，才能将离子送入迁移区，会造成迁移峰谱形展宽，在相同迁移区情况下，会影响分辨率。而中国专利申请200710304330.X忽略了载气在离子存储与释放中的作用，根据大量实验发现探测器的分辨率、灵敏度与载气的流量、聚焦导向电极、存储电极直接相关，在确定的电极结构下，载气越大，进入离化区的样品分子越多，但是过大的载气会将处于无场区(存储区)的离子带走，从而降低了存储效率，影响了灵敏度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题和缺陷的至少一个方面。

本发明的目的之一在于提供一种用于离子迁移谱仪的离子门结构，其能够有效地提高进样效率，增大离子的存储效率，即提高灵敏度。

本发明的另一目的在于提供一种包括这种离子门结构的离子迁移谱仪的操作方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于离子迁移谱仪的离子门结构，该离子门结构包括用于存储来自离子迁移谱仪的电离源的离子的存储电极，其中所述存储电极包括锥形电极和等电位电极，所述等电位电极在离子存储阶段与所述锥形电极等电位，并且其中所述锥形电极包括中心孔和分布在所述中心孔周围的多个分流气孔。

根据本发明的优选方式，在上述离子门结构中，其中所述多个分流气孔可以均匀地分布在所述中心孔的周围。

根据本发明的优选方式，在上述离子门结构中，其中所述分流气孔可以为圆孔、方孔或条形孔。

根据本发明的优选方式，在上述离子门结构中，其中所述锥形电极可以具有大于0度且小于90度的锥角，所述中心孔的孔径可以小于电离源的内径。

根据本发明的优选方式，在上述离子门结构中，其中所述锥形电极和所述等电位电极之间的间距可以小于4mm。

根据本发明的优选方式，在上述离子门结构中，其中所述等电位电极可以为环状或网状电极。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括前述离子门结构的离子迁移谱仪的操作方法，包括离子存储步骤，用于将来自离子迁移谱仪的电离源的离子的存储在所述存储电极中，其中在所述离子存储步骤中，将待检样品分子引入到离子迁移谱仪中的载气经所述分流气孔分流后流经所述存储电极。

根据本发明的优选方式，在上述操作方法中，其中在所述离子存储步骤中，所述锥形电极和所述等电位电极的电位相同。

根据本发明的优选方式，上述操作方法还可以包括用于导出存储在所述存储电极中的离子的离子导出步骤，并且在该离子导出步骤中，锥形电极和所述等电位电极的电位同时抬升或降低。

根据本发明的优选方式，在上述操作方法中，其中电位抬升或降低的幅度小于1kV。

根据本发明的上述技术方案，存储电极包括锥形电极和与该锥形电极等电位的电极，其中锥形电极上设置有多个分流气孔，能够分流用于携带样品分子或离子的大流量载气，避免存储在存储电极形成的存储区附近的样品离子被强大的载气流带走而进入泵，从而能够有效地提高离子迁移谱仪的存储效率和提高灵敏度。并且，由于可以采用大流量的载气，在短时间内可以将渗透过来的样品分子带入到电离源或离子源内进行离化，从而能够提高离化效率，这又会进一步提高灵敏度。

附图说明

图1为示出根据本发明实施例的用于离子迁移谱仪的离子门结构的示意图；

图2为示出根据本发明实施例的离子迁移谱仪的整体结构的示意图；

图3A和3B为示出根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用的锥形电极的结构示意图；

图4A和4B为示出根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用的两种等电位电极的结构示意图；和

图5为根据本发明实施例的离子迁移谱仪处于离子存储阶段和离子导出阶段时各个电极的电位分布图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明的离子迁移谱仪既可以工作在负离子模式也可以工作在正离子模式，为方便起见，下文仅介绍正离子模式的情形。

图1为示出根据本发明实施例的用于离子迁移谱仪的离子门结构的示意图，图2为示出根据本发明实施例的离子迁移谱仪的整体结构的示意图。如图1和2所示，本发明的离子迁移谱仪包括依次排列包括源前电极1、电离源2、锥形电极3、等电位电极4、第一环或网电极5、迁移区电极6、抑制栅7和法拉第盘8。源前电极1可以采取图4A或4B的样式，并且可以包含各种样式的孔，如六边形孔、圆孔等。电离源2可以为圆筒状。其中锥形电极3和等电位电极4构成存储电极，用于在离子存储阶段存储来自电离源2的离子。并且如图3A和3B所示，锥形电极3包括中心孔9和分布在中心孔9周围的多个分流气孔10。

在优选的实施方式中，存储电极3的中心孔9的孔径小于电离源的直径或内径，带有一定的锥角，以形成聚焦电场，其锥角大于0度小于90度。在优选的实施方式中，锥形电极3的分流气孔10在中心孔9周围均匀分布。图3A和3B分别示出了这种电极的可能结构，其中左边的为切面图，右边为正视图。分流气孔10可为圆孔、方孔、条形孔等样式，根据分流气孔的大小、数目及位置可以实现不同的分流作用。在优选的实施方式中，如图4A和4B所示，等电位电极4可以为网状或环状电极，当然包含各种样式的孔，如六边形孔、圆孔等，其与锥形电极3之间的间距可为0或小于4mm。抑制栅7可以为网状电极。

接下来参照图5，描述本发明的离子迁移谱仪的操作方法。离子迁移谱仪的操作一般包括下述步骤：进样步骤，通过载气将待检样品分子引入到离子迁移谱仪中；离化步骤，样品分子进入离化源(如Ni63)后被离化为样品离子；离子存储步骤，由于离化源与锥形电极之间存在递减电场，位于离化源中的样品离子在电场的作用下经过锥形电极进入到由存储电极形成的存储区，并驻留在存储区内；离子导出步骤，包括同时改变源前电极、电离源和存储电极的电位，以导出存储在存储区中的离子；离子迁移步骤，在迁移区电极上施加均匀递减或递增的电压，使得被导出的离子通过离子迁移谱仪的迁移区产生迁移；离子收集步骤，收集通过迁移区产生迁移的离子。

图5示出了本发明实施例的离子迁移谱仪处于离子存储阶段和离子导出阶段时各个电极的电位分布，其中，实线为离子存储阶段各个电极的电位分布，虚线为离子引出阶段各个电极的电位分布。

在图5中，其中附图标记11表示源前电极1和电离源2的电位，附图标记12、13、14、15分别表示锥形电极3、等电位电极4、第一环或网电极5、迁移区电极6的电位分布。

根据本发明的实施方式，在样品分子扫入阶段，如图2所示，进样气流带着样品分子到达源前电极1前面的半透膜前方，样品分子经渗透后进入到密封的迁移管内部，在载气的作用下样品分子被带入到电离源2的离化区。随后，样品分子被离化，产生大量所需的离子。

其中，对离子迁移谱仪来说，当进样气流较小时，样品分子会更长时间驻留在半透膜前，会导致更多的分子渗透过半透膜；采用流量很大的载气，在短时间内可以将渗透过来的样品分子带入到电离源2内进行离化，从而能够提高离化效率。

离化后的大量样品离子在载气与引出电场的作用下到达锥形电极3和等电位电极4所在的存储区域。

接下来，在离子存储阶段，设置各个电极的电压，使得源前电极1与电离源2等电位，且高于锥形电极3的电位，锥形电极3与等电位电极4等电位，且低于第一环或网电极5的电位，因此在存储电极附近形成了零电场区域或存储区，此区域用于存储来自电离源2产生的离子。在本发明的实施方式中，在离子存储阶段，源前电极1和电离源2与所述存储电极之间存在电压差且相对电压固定。

由此可见，离化后的样品离子在引出电场与载气的作用下到达存储电极附近，在离子存储阶段，由于存储电极附近的电场为0，因此离子到达后便被存储在存储电极附近的存储区域中。此时，如果载气较大，存储在存储区中的样品离子便会被强大的载气带走而进入泵，从而造成大量存储离子的损失。而在本发明的实施方式中，锥形电极3上设置有多个分流气孔10，大量的载气被分流气孔10所分流，因此经过离子存储区的载气气流流量较小或已经被削弱，使得大量的样品离子能够保存在存储区，从而能够有效地提高离子迁移谱仪的存储效率，即提高灵敏度。

根据本发明的实施方式，设置第一环或网电极5、迁移区电极6和抑制栅7的电压，形成均匀递减的电压，以形成离子迁移区；在需要将所存储的离子释放或导出时，即离子导出阶段，源前电极1、电离源2、存储电极的电位同时抬升，在存储区存储的离子被瞬间释放到迁移区，在迁移区电场和迁移气流的作用下到达法拉第盘8被收集，进而输出信号。

在本发明的实施方式中，在离子导出阶段，第一环或网电极5上的电压保持不变，源前电极1、电离源2、存储电极的电位抬升的时间即为离子门开门时间，一般是几十到几百微秒。在本发明的优选实施方式中，考虑到分辨率与灵敏度，电位抬升的时间选取150微秒。并且，在本发明的实施方式中，电位抬升的幅度大于存储电极与第一环或网电极5之间的电位差，但优选电位抬升的幅度小于1KV，此外，考虑到灵敏度，优选选用270V。

以上是针对正离子模式描述本发明的离子迁移谱仪的操作方法的。本发明的离子迁移谱仪也可以工作在负离子模式。对本领域技术人员来说，当离子迁移谱仪工作在负离子模式时，各个电极上所施加的电压的极性和变化需要调整或反相。例如，为了将由电离源离化的离子存储在存储区，可以使锥形电极和等电位电极的电位高于源前电极和电离源的电位以及第一环或网电极的电位，从而形成负离子存储区；为了将存储区的负离子释放或导出，可以在第一环或网电极、迁移区电极和抑制栅上施加均匀递增的电压，以形成负离子迁移区，并同时降低源前电极1、电离源2、存储电极的电位，以导出存储的负离子。

虽然已经参照较佳实施例描述了本发明，本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的精髓或范围的前提下，可在形式和细节上进行改变。

Claims (9)

1.一种用于离子迁移谱仪的离子门结构，包括用于存储来自离子迁移谱仪的电离源的离子的存储电极，其特征在于：

所述存储电极包括锥形电极和等电位电极，所述等电位电极在离子存储阶段与所述锥形电极等电位以在存储电极附近形成零电场存储区域，并且

其中所述锥形电极包括中心孔和分布在所述中心孔周围的多个分流气孔。

2.根据权利要求1所述的用于离子迁移谱仪的离子门结构，其中所述多个分流气孔均匀地分布在所述中心孔的周围。

3.根据权利要求2所述的用于离子迁移谱仪的离子门结构，其中所述分流气孔为圆孔、方孔或条形孔。

4.根据权利要求1所述的用于离子迁移谱仪的离子门结构，其中：

所述锥形电极具有大于0度且小于90度的锥角；

并且所述中心孔的孔径小于所述电离源的内径。

5.根据权利要求1所述的用于离子迁移谱仪的离子门结构，其中所述锥形电极和所述等电位电极之间的间距小于4mm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于离子迁移谱仪的离子门结构，其中所述等电位电极为环状或网状电极。

7.一种利用前述权利要求1-6中的任一项所述的离子门结构存储和导出离子的方法，包括离子存储步骤，用于将来自离子迁移谱仪的电离源的离子存储在所述存储电极中，其特征在于，

在所述离子存储步骤中，将待检样品分子引入到离子迁移谱仪中的载气经所述分流气孔分流后流经所述存储电极，

该方法还包括导出存储在所述存储电极中的离子的离子导出步骤，并且在该离子导出步骤中，所述锥形电极和所述等电位电极的电位同时抬升或降低。

8.根据权利要求7所述的操作方法，其中在所述离子存储步骤中，所述锥形电极和所述等电位电极的电位相同。

9.根据权利要求7所述的操作方法，其中电位抬升或降低的幅度小于1kV。

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