CN102646571B - 基于离子风抽气系统的高场不对称波形离子迁移谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于离子风气泵的高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS），包括电路系统和离子迁移管，所述离子迁移管包括离子源、分离检测系统和离子风抽气系统；离子迁移管的管体由两片镀有电极且与支撑梁紧密连接形成气流通道的基板组成，所述电极包括分离电极、检测电极、放电电极和牵引电极；其中分离电极、检测电极及其间的气流通道构成分离检测系统，放电电极、牵引电极及其间的气流通道构成离子风抽气系统；所述离子源置于基板进气口端内侧。气态样品在离子风带动下进入离子迁移管，被离子源电离后被分离检测系统分离检测。本发明可实现单片集成，具有集成度高、无可动部件、结构简单及控制容易的优点，可实现高集成、高稳定的FAIMS检测。
Description
技术领域
本发明涉及现场分析检测仪器领域，尤其涉及高场不对称波形离子迁移谱仪。
背景技术
高场不对称波形离子迁移谱仪（High-Field Asymmetry Ion Mobility Spectrometry, FAIMS）是新型的离子迁移谱仪，其依据不同物质离子在高电场下离子迁移率的非线性变化不同的特性，在物质离子前进方向的纵向加上一个高低不对称波形高频电场（高场>10000V/cm，频率0.5MHz~20MHz，高场占空比<0.5），利用不同物质离子在该电场下纵向迁移行为的差别而将其分离。相比于常规离子迁移谱仪，高场不对称波形离子迁移谱仪具有以下优点，其一，核心器件离子迁移管体积小，可微型化制作；其二，离子损耗小，从而灵敏度更高；其三，分离原理基于不同物质离子离子迁移率的非线性变化，从而分辨率有更大的提升空间；其四，从离子迁移管流出的离子可控，从而易于其他检测技术如质谱等联用。FAIMS具有灵敏度高、核心部件小以及易于其他分析检测技术联用等优点，从而在公共安全检测、有毒有害气体检测、法庭取证等现场检测方面具有广阔的应用前景。
抽气系统是FAIMS重要组成部分，样品进入排出、离子流向等都由抽气系统提供动力，现有的FAIMS抽气系统使用的是机械气泵。作为FAIMS抽气系统的气流动力源，机械气泵存在以下缺点：其一，现有机械气泵无法与离子迁移管高效集成，从而制约了其进一步的小型化；其二，现有机械气泵带来的噪声对弱电流检测容易带入干扰。因而，FAIMS技术应用于现场检测尚必须解决因机械气泵带来的难以微型集成化及检测干扰问题。
英国Owlstone公司的专利US 11659262，在离子迁移管两端加上直流电压，产生一个贯穿离子迁移管的电场对离子进行牵引，从而免去了抽气系统，然而因离子迁移管的长高比远远大于1（一般>20），所以产生的牵引分布很不均匀，这无论对FAIMS的灵敏度和迁移率都会产生很大的不利影响，而且会造成谱图分析困难，不仅如此，该牵引电场和离子迁移管内的分离电场重叠会导致相互干扰，进而影响FAIMS的分离能力。
发明内容
本发明针对现有基于气泵的高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS）体积大、干扰大、集成度低的缺陷，公开基于离子风抽气系统的高场不对称波形离子迁移谱仪，以满足FAIMS现场检测高度集成的需求，满足FAIMS高稳定性的需求。
本发明为实现其目的所采取的技术方案：基于离子风抽气系统的高场不对称波形离子迁移谱仪，包括电路系统和离子迁移管，所述离子迁移管包括离子源、分离检测系统和离子风抽气系统；离子迁移管的管体由两片镀有电极且与支撑梁紧密连接形成气流通道的基板组成，所述电极包括分离电极、检测电极、放电电极和牵引电极；其中分离电极、检测电极及其间的气流通道构成分离检测系统，放电电极、牵引电极及其间的气流通道构成离子风抽气系统；所述离子源置于基板进气口端内侧。
所述基板包括第一基板和第二基板，分离电极包括大小相同方向相对的第一分离电极和第二分离电极，检测电极包括大小相同方向相对的第一检测电极和第二检测电极，放电电极包括大小相同方向相对的第一放电电极和第二放电电极，牵引电极包括大小相同方向相对的第一牵引电极和第二牵引电极，放电电极在面向牵引电极的一端为尖端状，第一分离电极、第一检测电极、第一放电电极和第一牵引电极镀于第一基板，第二分离电极、第二检测电极、第二放电电极和第二牵引电极镀于第二基板，所有电极位于气流通道之内。
所述电路系统包括分离电路、检测电路、放电电路和牵引电路，分别在分离电极、检测电极、放电电极和牵引电极上施加分离电压、检测电压、放电电压和牵引电压，并产生分离电场、检测电场、放电电场和牵引电场。
所述基板制作材料采用陶瓷、硅或玻璃，所述支撑梁制作材料采用陶瓷、硅或玻璃，所述电极为镀于基板上的金属薄层。
由上述采用的技术方案使气态样品在离子风带动下进入离子迁移管，被离子源电离后被分离检测系统分离检测。
本发明有益效果：
本发明用离子风抽气系统替代了气泵抽气系统用于高场不对称波形离子迁移谱仪，具有以下有益效果：
1. 具有高的集成度，气泵抽气系统体积大且结构复杂，因而无法与离子迁移管集成，本发明中离子风抽气系统仅由电路和电极构成，这些电极很容易集成于离子迁移管，因而具有高的集成度。
2. 具有高的稳定性，气泵抽气系统本身的机械振动和气流波动容易对离子迁移管内的弱电流检测产生干扰，因而稳定性低，而本发明中离子风抽气系统抽气速率仅由电路决定，不存在气流波动，且无机械振动，因而具有高的稳定性。
附图说明
图1为本发明侧面结构示意图；
图2为本发明俯视结构示意图；
图3为离子迁移管的管体端面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步解释。
图1 为基于离子风抽气系统的高场不对称波形离子迁移谱仪结构示意图，在图中，1是第一基板；2是分离电路；3是分离电极；4是检测电路；5是检测电极；6是放电电极；7是离子风电路；8是牵引电极；9是气流通道；10是出气口；11是第二基板；12是进气口；13是待测样品；14离子源；15是支撑梁。
第一基板1和第二基板11由支撑梁15支撑，并与支撑梁15紧密连接以形成除进气口12和出气口10以外密闭的气流通道9，携带待测样品13的气流依次流过离子源14、分离电极3、检测电极5、放电电极6和牵引电极8，第一基板1、第二基板11和支撑梁15制作材料包括陶瓷、玻璃和硅，待测样品13状态为气态，随气流运动，分离电极3包括大小相同方向相对的第一分离电极和第二分离电极，检测电极5包括大小相同方向相对的第一检测电极和第二检测电极，放电电极6包括大小相同方向相对的第一放电电极和第二放电电极，牵引电极8包括大小相同方向相对的第一牵引电极和第二牵引电极，放电电极在面向牵引电极的一端为尖端状，第一分离电极、第一检测电极、第一放电电极和第一牵引电极镀于第一基板1，第二分离电极、第二检测电极、第二放电电极和第二牵引电极镀于第二基板11，所有电极位于气流通道9之内，分离电极3、检测电极5以及其间的气流通道构成分离检测系统，放电电极6、牵引电极7以及其间的气流通道构成离子风抽气系统，亦称离子风气泵。
分离电路2为分离电极3提供一个高频不对称电压，从而在第一分离电极和第二分离电极之间的气流通道产生一个高频不对称分离电场，分离电场高场场强大于10000V/cm，频率大于100KHz，高场占空比小于0.5，分离电场能够对不同离子产生分离且能控制飞向检测电极5的离子，检测电路4为检测电极5提供一个直流电压并检测被第一检测电极和第二检测电极捕获的离子流从而产生检测电流，离子风电路7在放电电极6和牵引电极8之间加上高电压并产生击穿气流的强电场，第一放电电极和第二放电电极的尖端发生放电并产生离子，这些离子在电场作用下到达第一牵引电极和第二牵引电极，离子在行进过程中碰撞气体分子从而产生定向的气流，气流方向从放电电极6到牵引电极8。
离子风抽气系统产生定向气流，气流带动待测样品13进入离子迁移管，待测样品13在离子源14的作用下被离子化，产生待测离子，待测离子随气流进入分离检测系统，在分离电场作用下被分离并被检测电极5捕获，通过比较分离电压和检测电流就实现了对待测样品的检测。
本发明将离子风技术用于FAIMS气路系统，解决现有FAIMS气路系统体积大的问题、解决FAIMS气路系统集成度低的问题、解决气路系统振动导致的离子流检测噪声大的问题。
Claims (3)
1.基于离子风抽气系统的高场不对称波形离子迁移谱仪，包括电路系统和离子迁移管，所述离子迁移管包括离子源、分离检测系统和离子风抽气系统；离子迁移管的管体由两片镀有电极且与支撑梁紧密连接形成气流通道的基板组成，所述电极包括分离电极、检测电极、放电电极和牵引电极；其中分离电极、检测电极及其间的气流通道构成分离检测系统，放电电极、牵引电极及其间的气流通道构成离子风抽气系统；所述离子源置于基板进气口端内侧；其特征是：
所述基板包括第一基板和第二基板，所述分离电极包括大小相同方向相对的第一分离电极和第二分离电极，所述检测电极包括大小相同方向相对的第一检测电极和第二检测电极，所述放电电极包括大小相同方向相对的第一放电电极和第二放电电极，所述牵引电极包括大小相同方向相对的第一牵引电极和第二牵引电极，所述放电电极在面向牵引电极的一端为尖端状；所述第一分离电极、第一检测电极、第一放电电极和第一牵引电极镀于第一基板；所述第二分离电极、第二检测电极、第二放电电极和第二牵引电极镀于第二基板，所有电极位于气流通道之内。
2.根据权利要求1所述基于离子风抽气系统的高场不对称波形离子迁移谱仪，其特征是：所述电路系统包括分离电路、检测电路、放电电路和牵引电路，分别在所述分离电极、检测电极、放电电极和牵引电极上施加分离电压、检测电压、放电电压和牵引电压，并产生分离电场、检测电场、放电电场和牵引电场。
3.根据权利要求1所述基于离子风抽气系统的高场不对称波形离子迁移谱仪，其特征是：所述基板制作材料采用陶瓷、硅或玻璃，所述支撑梁制作材料采用陶瓷、硅或玻璃，所述电极为镀于基板上的金属薄层。
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