CN102543649B - 离子迁移谱仪及利用离子迁移谱仪的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种离子迁移谱仪，包括：电极；分别设置在该电极的相对的两侧的两个存储电极，通过该两个存储电极的电位的变化来存储来自两个存储电极之间的中部的离子以及用于将存储的离子从该存储电极排出；以及设置在所述存储电极的、远离所述电极的一侧的迁移区入口电极。

Description

离子迁移谱仪及利用离子迁移谱仪的检测方法

本申请为申请号为200910088635.0、申请日为2009年6月30日、发明名称为“离子迁移谱仪及利用离子迁移谱仪的检测方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种离子迁移谱仪及利用离子迁移谱仪的检测方法。

背景技术

美国专利7259369 B2提出了使用四极电场对正负离子同时进行存储的方法，其中正负离子同处于一个存储区。但是，离子迁移谱仪仍然具有改进的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪能够同时检测正负离子。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪包括：电极；分别设置在该电极的相对的两侧的两个存储电极，通过该两个存储电极的电位的变化来存储来自两个存储电极之间的中部的离子以及用于将存储的离子从该存储电极排出。

根据本发明的另一方面，所述的离子迁移谱仪还包括：两个导出电极，该两个导出电极分别设置在两个存储电极附近、靠近所述电极的一侧，用于通过导出电极与所述电极的电位差，将来自两个存储电极之间的中部的离子导入到存储电极处。

根据本发明的另一方面，所述电极是环状的部件，离化源设置在该环状的部件的内部。

根据本发明的另一方面，所述存储电极具有内部空间，离子存储在该内部空间中。

根据本发明的另一方面，所述导出电极具有内部空间，离子通过该内部空间导入到存储电极处。

根据本发明的另一方面，所述存储电极包括形成所述内部空间的环状件，和设置在该环状件的、远离所述中部的一侧并与环状件电连接的、导电的网状件。

根据本发明的另一方面，所述导出电极包括形成所述内部空间的环状件。

根据本发明的另一方面，所述存储电极的环状件形成的所述内部空间的横截面积的大小朝向所述中部，逐渐减小。

根据本发明的另一方面，所述导出电极的环状件形成的所述内部空间的横截面积的大小朝向所述中部，逐渐减小。

根据本发明的另一方面，所述存储电极的环状件形成的所述内部空间具有大体截顶圆锥体的形状或部分球体的形状。

根据本发明的另一方面，所述导出电极的环状件形成的所述内部空间具有大体截顶圆锥体的形状或部分球体的形状。

根据本发明的另一方面，所述的离子迁移谱仪还包括：设置在所述存储电极的、远离所述导出电极的一侧的迁移区入口电极，该迁移区入口电极包括形成圆柱状的内部空间的环状件，和设置在该环状件的、靠近所述存储电极的一侧并与该迁移区入口电极的环状件电连接的、导电的网状件。

根据本发明的另一方面，所述导出电极、所述存储电极、所述电极同轴设置。

根据本发明的另一方面，所述导出电极、所述存储电极、所述电极、所述迁移区入口电极同轴设置。

根据本发明的另一方面，所述存储电极的网状件与所述迁移区入口电极的网状件的网孔在轴向上对准。

根据本发明的另一方面，在离子存储在存储电极处的存储阶段，对于负离子，存储电极的电位高于迁移区入口电极和导出电极的电位；对于正离子，存储电极的电位低于迁移区入口电极和导出电极的电位；在离子从存储电极导出的导出阶段，对于负离子，导出电极的电位、存储电极的电位、迁移区入口电极的电位依次升高，对于正离子，导出电极的电位、存储电极的电位、迁移区入口电极的电位依次降低。

根据本发明的另一方面，所述电极的电位是零。

根据本发明的再一方面，本发明提供了一种利用离子迁移谱仪的检测方法，所述离子迁移谱仪包括电极、设置在该电极的第一侧的第一导出电极、设置在该第一导出电极的远离所述电极的一侧的第一存储电极、设置在该第一存储电极的远离所述第一导出电极的一侧的第一迁移区入口电极、设置在该电极的与第一侧相对的第二侧的第二导出电极、设置在该第二导出电极的远离所述电极的一侧的第二存储电极和设置在该第二存储电极的远离所述第二导出电极的一侧的第二迁移区入口电极，所述方法包括：负离子存储步骤：通过使第一存储电极的电位高于第一迁移区入口电极和第一导出电极的电位，在第一存储电极存储负离子；以及正离子存储步骤：通过使第二存储电极的电位低于第二迁移区入口电极和第二导出电极的电位，在第二存储电极存储正离子，其中所述负离子存储步骤和所述正离子存储步骤能够同时进行。

根据本发明的又一方面，所述方法还包括：负离子导出步骤：通过使第一导出电极的电位、第一存储电极的电位、第一迁移区入口电极的电位依次升高，从第一存储电极将离子导出到第一迁移区，以便进行检测；正离子导出步骤：通过使第二导出电极的电位、第二存储电极的电位、第二迁移区入口电极的电位依次降低，从第二存储电极将离子导出到第二迁移区，以便进行检测，其中所述负离子导出步骤和所述正离子导出步骤能够同时进行。

通过上述结构和方法，本发明能够有效地提高灵敏度和分辨率，且控制简单方便。

附图说明

图1是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的示意图；

图2是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的导出电极的示意剖视图；

图3是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的导出电极的示意图；

图4是根据本发明另一实施例的离子迁移谱仪的导出电极的示意剖视图；

图5是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的存储电极的示意剖视图；

图6是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的存储电极的网状导电件的示意剖视图；

图7是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的迁移区入口电极的示意剖视图；

图8是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的迁移区入口电极的导电网状件的示意剖视图；

图9是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的电极、导出电极、存储电极、迁移区入口电极、和迁移区其余电极上的电位的示意图，其中横轴表示电极位置，纵轴表示电位。

图10是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的电极、导出电极、存储电极、迁移区入口电极、和迁移区其余电极上的电位随时间变化的示意图，其中横轴表示时间，纵轴表示电位，并且上述各电极的电位针对正离子。

图11是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的电极、导出电极、存储电极、迁移区入口电极、和迁移区其余电极上的电位随时间变化的示意图，其中横轴表示时间，纵轴表示电位，并且上述各电极的电位针对负离子。

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。

如图1中所示，根据本发明实施例的离子迁移谱仪10包括：电极1和分别设置在该电极1的相对的两侧的两个存储电极5和5′。通过该两个存储电极5和5′的电位的变化来存储来自两个存储电极5和5′之间的中部(即，朝向图1中的电极1)的离子以及用于将存储的离子从该存储电极5和5′排出。

根据本发明实施例的离子迁移谱仪10还可以包括外壳100，设置在外壳1中的迁移气入口15和17，载气和样品入口21以及载气出口19。作为选择，离化源101可以设置在外壳100的外部，此时载气和样品入口21以及载气出口19可以相应地设置在离化源101上。

所述离子迁移谱仪还可以包括：两个导出电极3和3′，该两个导出电极3和3′分别设置在两个存储电极5和5′附近、靠近所述电极1的一侧，用于通过导出电极3和3′与所述电极1的电位差，将来自两个存储电极5和5′之间的中部的离子导入到存储电极5和5′。

所述电极1可以是环状的部件，离化源101可设置在该环状的部件的内部，如图1中所示。所述电极1也可以是任何其它合适的形状，例如，盘状。

如图1-4所示，所述导出电极3和3′分别具有内部空间31和31′，离子通过该内部空间31和31′导入到存储电极5和5′处。作为选择，在本发明的一个实施例中，所述离子迁移谱仪10不包括导出电极3和3′，而是通过存储电极5和5′与所述电极1之间的电位差，将离子引入到存储电极5和5′，并通过设置存储电极5和5′的电位，使离子存储在′存储电极5和5′。

如图1-4所示，导出电极3和3′是形成各自的内部空间31和31′的环状件。在本发明的一个实施例中，所述导出电极3和3′的所述内部空间31和31′的横截面积的大小朝向所述中部(即，朝向图1中的电极1)逐渐减小。作为选择，所述内部空间31和31′可以是诸如柱状的任何合适的其它形状。

如图1-4所示，在一些实施例中，导出电极3和3′的所述内部空间31和31′具有大体截顶圆锥体的形状或部分球体的形状。导出电极3和3′的所述内部空间31和31′可以具有任何合适的形状，例如抛物面所形成的空间等。

在本发明的一个实施例中，如图1、5所示，所述存储电极5和5′分别具有内部空间53和53′，离子存储在该内部空间53和53′中。

如图1、5、6所示，在一些实施例中，存储电极5包括形成所述内部空间的环状件51，和设置在该环状件51的、远离所述中部(即，远离图1中的电极1)的一侧并与环状件51电连接的、导电的网状件52(存储电极5′具有相同的结构)。在一个实施例中，如图6中所示，该网状件52可以由导电的环状件521和与导电的环状件521电连接和机械连接的导电的网522构成。作为选择，网状件52可以仅仅由导电网构成。所述存储电极5和5′的环状件形成的所述内部空间53和53′的横截面积的大小朝向所述中部(即朝向图1中的电极1)逐渐减小。作为选择，所述内部空间53和53′可以是诸如柱状的任何合适的其它形状。作为存储电极5和5′的实例，网状件52的网孔包括各种样式的孔，如六边形孔、圆孔、矩形孔等，并且环状件51和网状件52压在一起且相互电连接。在一些实施例中，网状件52的网丝要求尽可能细，形成的离子存储区在轴向方向的尺寸小于5mm，该存储电极5的内部空间53形成无电场区。

如图1、5所示，并且参照图4，在一些实施例中，所述存储电极5和5′的环状件形成的所述内部空间53和53′可以具有大体截顶圆锥体的形状或部分球体的形状。所述存储电极5和5′的环状件形成的所述内部空间53和53′可以具有任何合适的形状，例如抛物面所形成的空间等。

如图1中所示，根据本发明实施例的离子迁移谱仪还可以包括：设置在存储电极5和5′的、远离导出电极3和3′的一侧的迁移区入口电极7和7′。该迁移区入口电极7包括形成圆柱状的内部空间73的环状件71，和设置在该环状件71的、靠近所述存储电极5的一侧并与该迁移区入口电极7的环状件71电连接的、导电的网状件72(迁移区入口电极7′与迁移区入口电极7具有相同的结构)。在一个实施例中，如图8中所示，该网状件72可以由导电的环状件721和与导电的环状件721电连接和机械连接的导电的网722构成。作为选择，网状件72可以仅仅由导电网构成。

作为选择，迁移区入口电极7和7′可以采用任何合适的其它结构，例如具有锥形的内部空间或者仅仅是一个环状件等。作为迁移区入口电极7的实例，网状件72的网孔包括各种样式的孔，如六边形孔、圆孔、矩形孔等，并且环状件71和网状件72压在一起且相互电连接。

如图1中所示，在一些实施例中，所述导出电极3和3′、所述存储电极5和5′、所述电极1同轴设置。在其它一些实施例中，如图1所示，所述导出电极3和3′、所述存储电极5和5′、所述电极1和所述迁移区入口电极7和7′同轴设置。

在一些实施例中，如图1中所示，所述存储电极5和5′的网状件与所述迁移区入口电极7和7′的网状件的网孔在轴向(即图1中的水平方向)上大体对准，由此可以减少离子撞死的概率。

在一些实施例中，根据本发明的实施例的离子迁移谱仪还包括：其余迁移区环电极9和9′，以及法拉第盘10和11等，如图1中所示。此外，上述各电极之间均用绝缘材料隔开。离化源可以为同位素源63Ni，可采用的离化技术可以为电晕放电、激光、紫外光、X射线等源。电极1可以作为所述离化源101的屏蔽外壳，且处于固定的零电位。在本发明的一些实施例中，所述的离子导出电极和所述的存储电极可以为喇叭口结构。

在一些实施例中，所述存储电极5与所述迁移区入口电极7以及所述存储电极5′与所述迁移区入口电极7′的间距小于3毫米，由此方便离子从所述迁移区入口电极推入迁移区。

如图9中所示，附图标记101、103、105、107、109、103′、105′、107′、109′分别表示电极1、导出电极3、存储电极5、迁移区入口电极7、其余迁移区环电极9、导出电极3′、存储电极5′、迁移区入口电极7′、其余迁移区环电极9′的电势。图9中，实线表示使离子存储在存储电极的存储状态时的电位，虚线表示从存储电极将离子导出到迁移区以便进行检测的电位。

在一些实施例中，导出电极3、存储电极5的电位可以变化。

在一些离子迁移谱仪的实施例中，在离子存储在存储电极5和5′处的存储阶段，对于负离子(参见图9中的左侧)，存储电极5′的电位105′高于迁移区入口电极7′的电位107′和导出电极3′的电位103′；对于正离子(参见图9中的左侧)，存储电极5的电位105低于迁移区入口电极7的电位107和导出电极3的电位103。在离子从存储电极5和5′导出的导出阶段，对于负离子，导出电极3′的电位103′、存储电极5′的电位105′、迁移区入口电极7′的电位107′依次升高，对于正离子，导出电极3′的电位103′、存储电极5′的电位105′、迁移区入口电极7′的电位107′依次降低。

在一些实施例中，电极1的电位是零。

在一些实施例中，如图1和9中所示，作为离化源101的屏蔽金属外壳的电极1、导出电极3和存储电极5存在电位差，迁移区入口电极7加上固定电位，其余的迁移区环电极9加上均匀递减的电位而形成迁移区，由此对正离子进行存储、迁移并被法拉第盘11进行收集。同样，电极1、离子导出电极3′和存储电极5′存在电位差，迁移区入口电极7′加上固定电位，其余的迁移区环电极9加上均匀递增的电压形而成迁移区，由此对负离子进行存储、迁移并被法拉第盘10进行收集。实线109和109′分别为各环电极9和9′的电位，在存储阶段和离子导出阶段都保持稳定不变。

在一些实施例中，在离子存储阶段时，正离子将移动到形成的势阱105处进行存储，负离子将移动到形成的势阱105′处进行存储，可通过调节各电极的电位，形成合适的势阱深度来实现最大存储量和离子从势阱的快速推出。离子导出电极3、存储电极5上的电位同时提高到如103和105所指的虚线位置，正离子被导入到迁移区进行漂移、收集，随后离子导出电极3、存储电极5上的电位恢复到存储状态时的电位。导出电极3′、存储电极5′上的电位同时提高到如103′和105′所指的虚线位置，负离子被导入到迁移区进行漂移、分辨，随后导出电极3′、存储电极5′上的电位恢复到存储状态时的电位。

本发明还提供了一种利用离子迁移谱仪10的检测方法，所述离子迁移谱仪包括：电极1、设置在该电极的一侧的导出电极3′、设置在该导出电极3′的远离所述电极1的一侧的存储电极5′、设置在该存储电极5′的远离所述导出电极3′的一侧的迁移区入口电极7′、设置在该电极1的与导出电极3′相对的一侧的导出电极3、设置在该导出电极3的远离所述电极1的一侧的存储电极5和设置在该存储电极5的远离所述导出电极3的一侧的迁移区入口电极7，所述方法包括：负离子存储步骤：通过使存储电极5′的电位高于迁移区入口电极7′和导出电极3′的电位，在存储电极5′存储负离子；以及正离子存储步骤：通过使存储电极5的电位低于迁移区入口电极7和导出电极3的电位，在存储电极5存储正离子，其中所述负离子存储步骤和所述正离子存储步骤能够同时进行。

在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：负离子导出步骤：通过使导出电极3′的电位、存储电极5′的电位、迁移区入口电极7′的电位依次升高，从存储电极5′将离子导出到相应的迁移区91′，以便进行检测；正离子导出步骤：通过使导出电极3的电位、存储电极5的电位、迁移区入口电极7的电位依次降低，从存储电极5将离子导出到迁移区91，以便进行检测，其中所述负离子导出步骤和所述正离子导出步骤能够同时进行。

图10中的附图标记201、207、203、205分别是电极1、迁移区入口电极7、导出电极3、存储电极5的电位随时间变化的波形。在存储阶段时，电极1的电位为0并等于或高于导出电极3的电位，导出电极3和迁移区入口电极7的电位均高于存储电极5的电位，在存储电极5处形成存储区。此时，离化源101(参见图1)处产生的正离子送入存储区进行存储。当要将正离子从存储区导入迁移区时，离子导出电极3和存储电极5的电位同时升高一定幅度，且均高于迁移区入口电极7的电位207，就可以将正离子推到迁移区，随后离子导出电极3和存储电极5的电位再恢复到存储状态。

图11中的附图标记201、207′、203′、205′分别是电极1、迁移区入口电极7′、导出电极3′、存储电极5′的电位随时间变化的波形。在存储阶段时，电极1的电位为0并等于或低于导出电极3′的电位，导出电极3′和迁移区入口电极7′的电位均低于存储电极5′的电位，在存储电极5′处形成存储区。此时，电离源101(参见图1)处产生的负离子被送入存储区进行存储。当要将负离子从存储区导入迁移区时，离子导出电极3′和存储电极5′的电位同时降低一定幅度，且均低于迁移区入口电极7′的电位207′，就可以将负离子推到迁移区，随后离子导出电极3′和存储电极5′的电位再恢复到存储状态。

通过上述描述可以看出，在本发明的一些实施例中，由两边的导出电极与中间的电极形成的电场方便离子的引出并高效率地将离子导入存储区。由于存储电极在离子需要移动的方向可以加工成很薄的结构，且存储电极的直径可以做得较大，且内部电场几乎为零，可以收集大量的离子且团簇厚度很小，且定向速度几乎为零，减少了离子迁移谱的宽度，可提高分辨率。此外，喇叭口或球形的存储区方便离子的引出和聚焦。在离子导出阶段，由于喇叭口的导出电极，使得离化源与导出电极之间形成的反向电场对存储电极离子引出的影响大大降低。由于在存储阶段离子持续的被导入存储区，且离子导出的时间很短，大大提高了灵敏度。

Claims (16)

1.一种离子迁移谱仪，包括：

电极；

分别设置在该电极的相对的两侧的两个存储电极，通过该两个存储电极的电位的变化来存储来自两个存储电极之间的中部的离子以及用于将存储的离子从该存储电极排出，以及

设置在所述存储电极的、远离所述中部的一侧的迁移区入口电极，

该迁移区入口电极包括形成圆柱状的内部空间的环状件，和设置在该环状件的、靠近所述存储电极的一侧并与该迁移区入口电极的环状件电连接的、导电的网状件。

2.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，还包括：

两个导出电极，该两个导出电极分别设置在两个存储电极附近、靠近所述电极的一侧，用于通过导出电极与所述电极的电位差，将来自两个存储电极之间的中部的离子导入到存储电极处。

3.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中：

所述电极是环状的部件，离化源设置在该环状的部件的内部。

4.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中：

所述存储电极具有内部空间，离子存储在该内部空间中。

5.根据权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中：

所述导出电极具有内部空间，离子通过该内部空间导入到存储电极处。

6.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中：所述存储电极包括形成所述内部空间的环状件，和设置在该环状件的、远离所述中部的一侧并与环状件电连接的、导电的网状件。

7.根据权利要求5所述的离子迁移谱仪，其中：所述导出电极是形成所述内部空间的环状件。

8.根据权利要求6所述的离子迁移谱仪，其中：所述存储电极的环状件形成的所述内部空间的横截面积的大小朝向所述中部逐渐减小。

9.根据权利要求5所述的离子迁移谱仪，其中：所述导出电极的所述内部空间的横截面积的大小朝向所述中部逐渐减小。

10.根据权利要求6所述的离子迁移谱仪，其中：所述存储电极的环状件形成的所述内部空间具有大体截顶圆锥体的形状或部分球体的形状。

11.根据权利要求5所述的离子迁移谱仪，其中：所述导出电极的所述内部空间具有大体截顶圆锥体的形状或部分球体的形状。

12.根据权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中：

所述电极是环状的部件，离化源设置在该环状的部件的内部；

所述存储电极具有内部空间，离子存储在该内部空间中，所述存储电极包括形成所述内部空间的环状件，和设置在该环状件的、远离所述中部的一侧并与环状件电连接的、导电的网状件；

所述导出电极具有内部空间，离子通过该内部空间导入到存储电极处，所述导出电极是形成所述内部空间的环状件；并且

所述导出电极、所述存储电极和所述电极同轴设置。

13.根据权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中：

所述电极是环状的部件，离化源设置在该环状的部件的内部；

所述存储电极具有内部空间，离子存储在该内部空间中，所述存储电极包括形成所述内部空间的环状件，和设置在该环状件的、远离所述中部的一侧并与环状件电连接的、导电的网状件；

所述导出电极具有内部空间，离子通过该内部空间导入到存储电极处，所述导出电极是形成所述内部空间的环状件；

该迁移区入口电极包括形成圆柱状的内部空间的环状件，和设置在该环状件的、靠近所述存储电极的一侧并与该迁移区入口电极的环状件电连接的、导电的网状件；并且

所述导出电极、所述存储电极、所述电极和所述迁移区入口电极同轴设置。

14.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中：所述存储电极包括形成所述内部空间的环状件，和设置在该环状件的、远离所述中部的一侧并与环状件电连接的、导电的网状件，所述存储电极的网状件与所述迁移区入口电极的网状件的网孔在轴向上大体对准。

15.根据权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中：

在离子存储在存储电极处的存储阶段，对于负离子，存储电极的电位高于迁移区入口电极和导出电极的电位；对于正离子，存储电极的电位低于迁移区入口电极和导出电极的电位；

在离子从存储电极导出的导出阶段，对于负离子，导出电极的电位、存储电极的电位、迁移区入口电极的电位依次升高，对于正离子，导出电极的电位、存储电极的电位、迁移区入口电极的电位依次降低。

16.根据权利要求15所述的离子迁移谱仪，其中：

所述电极的电位是零。