CN103187237B - 非对称场离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非对称场离子迁移谱仪，包括：电离源，用于产生离子；电极板；多个电极丝，所述多个电极丝与所述电极板相对且间隔开一分析间隙，在所述电极板和所述多个电极丝之间提供高压电场，从而形成了一离子迁移区，所述电极丝用于收集未通过所述离子迁移区的离子；收集电极，设置在所述离子迁移区的后端，用于收集通过所述离子迁移区的离子。该非对称场离子迁移谱仪能够提高离子峰位分辨的精确性，减少直流电压的扫描时间和补偿电压的种类，从而提高离子检测效率。

Description

非对称场离子迁移谱仪

技术领域

本发明涉及离子迁移技术领域，具体地涉及一种非对称场离子迁移谱仪。

背景技术

非对称场离子迁移是一种新型的离子迁移技术，它利用带电分子团在强电场下迁移率随电场强度变化而改变的特性对分子进行识别。通常，非对称离子迁移谱仪由两片平行的电极、收集电极组成，电极长通常小于10mm，宽小于5mm，其间距为0.5mm。电极由镀在两片玻璃板上的金属铜形成。分子电离后在均匀气流的作用下进入电极，只有满足一定条件的带电分子能够通过电极间隙到达收集极。一片电极接地，另一片上施加幅度高达1000V左右、脉宽几十纳秒的脉冲，同时施加一补偿直流电压，只有满足条件K1×t1＝K2×t2的离子能通过，其中K1是离子在强电场下的迁移率，t1是高压脉冲宽度，K2是弱电场下的固有迁移率，t2是弱电场脉宽。通过扫描直流补偿电压释放不同的离子，达到鉴别物质的目的。

然而，上述的平行电极板的非对称场离子迁移谱仪不能精确地分离出不同离子的峰位。有鉴于此，确实需要一种具有新的电极结构的离子迁移谱仪。

发明内容

本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。

相应地，本发明的目的之一是提供一种能够精确分辨出不同离子的峰位的非对称场离子迁移谱仪。

本发明的目的之一是提供一种能够在同一个补偿电压下分辨出不同离子的非对称场离子迁移谱仪。

本发明的目的之一是提供一种能够减少直流电压扫描的时间的非对称场离子迁移谱仪。

根据本发明的一个方面，提供一种非对称场离子迁移谱仪，包括：

电离源，用于产生离子；

电极板；

多个电极丝，所述多个电极丝与所述电极板相对且间隔开一分析间隙，在所述电极板和所述多个电极丝之间提供高压电场，从而形成了一离子迁移区，所述电极丝用于收集未通过所述离子迁移区的离子；

收集电极，设置在所述离子迁移区的后端，用于收集通过所述离子迁移区的离子。

具体地，所述多个电极丝可以包括至少一对彼此相邻的参考丝和信号丝，所述至少一对参考丝和信号丝中的参考丝和信号丝彼此间隔一预定距离设置，所述每对参考丝和信号丝之间具有一电位差。

进一步地，所述各自一对参考丝和信号丝中的参考丝和信号丝可以分别经由电容连接到电感耦合器的同一侧的两端，使得从电感耦合器的另一侧提取有关每个信号丝收集的离子的信号。

具体地，所述每对参考丝和信号丝之间的电位差可以小于或等于5V。

具体地，所述参考丝电位为0V，所述信号丝电位可以为+5V或-5V。

进一步地，所述非对称场离子迁移谱仪还可以包括设置在所述离子迁移区的前端的一对相对的导入电极，所述离子源被设置成位于所述一对导入电极中的一个导入电极的中间部分。

进一步地，所述分析间隙可以为0.5mm，所述电极丝的直径为0.1-0.3mm，所述各电极丝的间距为0.1-0.5mm。

进一步地，所述电极板可以为镀覆在玻璃材料或绝缘体上的铜镀层，所述电极丝为铜丝或镀覆在绝缘体上的铜丝。

进一步地，所述电离源可以为放射性源、电晕源或激光。

进一步地，所述电离源可以为电晕针。

进一步地，所述非对称场离子迁移谱仪还可以包括一控制器，用于施加非对称高电压射频波形和直流补偿电压到电极板和所述多个电极丝上。

本发明的上述不特定的实施方式至少具有下述一个或者多个方面的优点和效果：提高离子峰位分辨的精确性，减少直流电压的扫描时间和补偿电压的种类，从而提高离子检测效率。

附图说明

本发明的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的实施例的非对称场离子迁移谱仪的电极结构的结构示意图；

图2是在与电离源一起使用时图1中的电极结构的示意图；

图3是三种不同的离子A、B、C经过图1的电极结构的分布的模拟结果的视图；

图4是三种不同的离子A、B、C离子同时出射时在电极丝上获得的离子分布结果视图；

图5a、5b和5c分别是分子量为127、227、327的离子A、B、C落在图1中的电极结构上的分布结果视图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图1-5c，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

参见图1和2，本发明提供了一种具有新型的电极结构的非对称场离子迁移谱仪100，包括：电离源10，用于产生离子；电极板20；多个电极丝40，所述多个电极丝与所述电极板20相对且间隔开一分析间隙d，在所述电极板和所述多个电极丝之间提供高压电场，从而形成了一离子迁移区R，该电极丝40用于收集未通过离子迁移区的离子；收集电极60，设置在所述离子迁移区R的后端，用于收集通过所述离子迁移区R的离子。

在一实施例中，多个电极丝40可以包括至少一对彼此相邻的参考丝40a和信号丝40b。所述至少一对参考丝和信号丝中的参考丝40a和信号丝40b彼此间隔一预定距离(如图所示)设置。每对参考丝40a和信号丝40b之间具有一定的电位差。优选地，各参考丝40a和信号丝40b间隔地设置在同一平面中。本领域技术人员可知，可以采用绷紧或蚀刻丝线等的类似方式制造出上述的电极丝结构。

所述各自一对参考丝和信号丝中的参考丝40a和信号丝40b分别经由电容连接到电感耦合器50的同一侧的两端，使得从电感耦合器50的另一侧提取有关每个信号丝40b收集的离子的信号。进一步地，所述每对参考丝40a和信号丝40b之间的电位差可以小于或等于5V。

在一实施例中，每对参考丝40a和信号丝40b之间的电位差可以为5V。具体地，参考丝40a的电位可以为0V，信号丝的电位可以为+5V或-5V，上述的一对参考丝40a和信号丝40b能够通过差分耦合的方式将有关信号丝40b(作为收集丝)上收集的离子的信号引出。通过这样的对比收集的方式，将电荷都集中每根信号丝40b上，增强了收集的效率。如上文所述的，电极板上会施加高达上千伏的RF电场，从而产生了很强的噪声干扰。由此，能够测量到的电荷量必须强于噪声干扰(即满足一定的信噪比要求)才能被识别。这就造成了现有技术中的收集极必须足够大(例如做成块状)且电荷量必须足够大，从而产生信号。然而，这样的结构的分辨能力很差，通常看不出清晰的峰形。电极丝结构通过对比的方法直接消除了RF电场产生的高噪声干扰。因此，本发明可以在信号丝很小且电荷量很小的情况下，产生信号，增强了分辨能力。通过图3-5c的结果视图，可知，能够测量出峰形分布，增强了分辨能力。

应当理解，参考丝40a和信号丝40b之间的电位差不限于上述数值，本领域技术人员可以根据实际需要来选择参考丝40a和信号丝40b之间的电位差。

具体地，参见图2，本发明所述的非对称场离子迁移谱仪100还包括设置在所述离子迁移区R的前端的一对相对的导入电极70a和70b。具体地，所述一对导入电极为上导入电极70a和下导入电极70b。所述离子源10被设置成位于所述上导入电极70a的中间部分。在一实施例中，从上导入电极70a的上方将离子源10插入到其的圆孔中。

在本发明的实施例中，所述分析间隙可以为0.5mm，所述电极丝的直径可以为0.1-0.3mm，所述各电极丝的间距可以为0.1-0.5mm。在一种实施例中，电极板的长度为15mm，宽度为2mm，高度为0.5mm；电极丝的直径为0.1mm，各电极丝的间距为0.1mm。迁移区的长度为1.3mm-11.2mm。上导入电极70a与电极板20的间距为0.1mm。

所述电极板20可以为镀覆在玻璃材料或绝缘体上的铜镀层，所述电极丝40可以为铜丝或镀覆在绝缘体上的铜丝。所述电离源10可以为放射性源、电晕源或激光。在一实施例中，所述电离源为电晕针。应当注意，当电离源10采用脉冲电晕源或激光时，要求产生脉宽很小的离子团；当电离源10为放射性源时，要求通过额外的电极控制实现脉冲离子团，同时要求产生的离子团沿电极板的纵向很窄。

在一实施例中，根据本发明的非对称场离子迁移谱仪还可以包括一控制器(未示出)，用于施加非对称高电压射频波形和直流补偿电压到电极板20和所述多个电极丝40上。

参考图3-5c，本发明的非对称场离子迁移谱仪的工作原理如下：

根据上述可知，在参考丝40a的电位为0V时，当信号丝40b的电位为正时，可以对负离子进行分辨识别(负离子工作模式)；当信号丝40b的电位为负时，可以对正离子进行分辨识别(正离子工作模式)。

在进行分辨测试时，将离子源设置在电离源10的下方，如图3所示，产生的离子团沿纵向分布，离子团的中心位于上下导入电极70a和70b的中心处，且呈现半高宽为0.4mm的高斯分布。在如图3所示的实施例中，离子团包括分子量为127、227、327的三种负电荷离子，每种离子的数量为500个。

受到电场的作用，离子团经过上导入电极70a与电极板20的间隙时被聚焦，之后进入到分析间隙或宽度d为0.5mm的离子迁移区中，质量最轻的离子落在离子迁移区的前端(图2中的左侧，例如入口)处的信号丝40b上；质量较重的离子落在了离子迁移区的中间部分上；质量最重的离子通过离子迁移区到达收集电极。

参见图3，离子A为分子量127的负离子，离子B为分子量227的负离子，离子C为分子量327的负离子。三种离子同时出射时，各自落在不同的信号丝40b上，形成了一定的分布。从图4中能清晰的分辨出不同的峰位，从而能够区分三种不同分子量的离子。

参见图5a-c，分别标识出三种离子在信号丝40b上的峰位。具体地参见图5a，分子量127的离子峰位(沿电极丝在纵向上的位移)为2.2mm，FWHM(半高宽)为1mm，落在离子迁移区的前端的信号丝上。参见图5b，分子量227的离子峰位为5mm，FWHM为4.5mm，落在离子迁移区的中段的信号丝上。参见图5c，分子量327的离子通过了离子迁移区，被离子迁移区后端的收集电极收集。

注意到，图4和图5是在相同的条件下进行的离子A、B、C在图1的信号丝上的分布结果视图。图4和图5的不同之处在于信号丝对离子A、B、C的离子计数不同(即图4和5中的纵坐标不同)，其它的条件均相同。或者说，从图4和5可知，虽然它们对离子A、B、C的离子计数不同，但是都可以清楚地分辨出离子A、B、C的离子峰位，获得的分辨结果是相同的(即离子A、B、C的离子峰位是相同的)。

应当理解，图4和5是示意性的视图，其的目的主要是说明通过使用本发明的如图1所示的非对称场离子迁移谱仪能够对离子A、B、C的离子峰位能够进行很好地分辨。

通过这种方法，在一个补偿电压下能够区分出多种不同的分子，从而有效地提高非对称场离子迁移谱仪对物质的分辨能力，也能减少电压扫描的范围并缩短时间。根据本发明的非对称场离子迁移谱仪不仅能够收集通过离子迁移区的离子，还能够对未通过离子迁移区的离子进行收集和分析。

虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (10)

1.一种非对称场离子迁移谱仪，包括：

电离源，用于产生离子；

电极板；

多个电极丝，所述多个电极丝与所述电极板相对且间隔开一分析间隙，在所述电极板和所述多个电极丝之间提供高压电场，从而形成了一离子迁移区，所述电极丝用于收集未通过所述离子迁移区的离子；

收集电极，设置在所述离子迁移区的后端，用于收集通过所述离子迁移区的离子，

其特征在于，

所述多个电极丝包括至少一对彼此相邻的参考丝和信号丝，所述至少一对参考丝和信号丝中的参考丝和信号丝彼此间隔一预定距离设置，同一参考丝和信号丝中的参考丝和信号丝之间具有一电位差。

2.根据权利要求1所述的非对称场离子迁移谱仪，其特征在于：

所述各自一对参考丝和信号丝中的参考丝和信号丝分别经由电容连接到电感耦合器的同一侧的两端，使得从电感耦合器的另一侧提取有关每个信号丝收集的离子的信号。

3.根据权利要求1所述的非对称场离子迁移谱仪，其特征在于：

所述同一对参考丝和信号丝中的参考丝和信号丝之间的电位差小于或等于5V。

4.根据权利要求1所述的非对称场离子迁移谱仪，其特征在于：

所述参考丝电位为0V，所述信号丝电位为+5V或-5V。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的非对称场离子迁移谱仪，其特征在于：

还包括设置在所述离子迁移区的前端的一对相对的导入电极，所述离子源被设置成位于所述一对导入电极中的一个导入电极的中间部分。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的非对称场离子迁移谱仪，其特征在于：

所述分析间隙为0.5mm，所述电极丝的直径为0.1-0.3mm，所述各电极丝的间距为0.1-0.5mm。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的非对称场离子迁移谱仪，其特征在于：

所述电极板为镀覆在玻璃材料或绝缘体上的铜镀层，所述电极丝为铜丝或镀覆在绝缘体上的铜丝。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的非对称场离子迁移谱仪，其特征在于：

所述电离源为放射性源、电晕源或激光。

9.根据权利要求8所述的非对称场离子迁移谱仪，其特征在于：

所述电离源为电晕针。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的非对称场离子迁移谱仪，其特征在于：

还包括一控制器，用于施加非对称高电压射频波形和直流补偿电压到电极板和所述多个电极丝上。