CN103681202A - 弯曲型离子迁移谱仪及其补偿式离子收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种补偿式离子收集装置，用于弯曲型离子迁移谱仪，其包括用于收集离子的离子收集件和屏蔽筒；所述离子收集件的离子收集面具有用于补偿离子漂移的补偿夹角；所述屏蔽筒一端开口而另一端封闭，所述开口端与所述离子收集面平行，封闭端设有信号线引出孔和进气管道；所述离子收集件置于所述屏蔽筒内，两者之间通过绝缘体隔离。通过设置可对弯曲型离子迁移管的漂移距离差进行补偿并使从不同出发点出发的离子的迁移距离保持一致，进而能够有效地提高弯曲型离子迁移谱仪的性能，如分辨率和灵敏度等。借此，本发明为弯曲型离子迁移谱仪的小型化、便携式化发展提供一种有效且可靠的基础。

Description

弯曲型离子迁移谱仪及其补偿式离子收集装置

技术领域

本发明涉及离子迁移谱技术，特别是涉及一种弯曲型离子迁移谱仪及其补偿式离子收集装置。

背景技术

IMS(Ion Mobility Spectrometry,离子迁移谱技术)是一种微量化学物质分析检测技术，最早于上世纪六七十年代由Karasek和Cohen首次提出来。由于其可在大气环境下直接对一些物质分子进行检测分析，且只需微量探测物或者气体就能进行分析,测定时间最快只需要几秒钟,无需专用气源,因多数炸药和毒品毒物能被气化电离成负离子和正离子，所以被广泛应用于生化武器、爆炸物和毒品等的在线检测。由于具有灵敏度较高、简单快速、操作方便和检测限低的优点,已成为目前痕量化合物现场探测领域应用最成功、最广泛的技术之一。离子迁移谱技术的基本原理是：样品由载气带入电离反应区后，载气分子和样品分子在离子源的作用下发生一系列的电离反应和离子-分子反应，形成各种产物离子。在电场的趋势下，这些离子通过周期性开启的离子门进入漂移区。然后在漂移区电场的作用下，离子在漂移管中进行定向的迁移，由漂移管终端的检测器实时测量离子电流随时间的变化，进而根据电流的变化可以计算出离子的迁移率。在一定的条件下，各种物质离子由于其质量、带电荷数、空间结构等因素不同而导致其具有不同的迁移率，因而将检测得到的不同离子对应的迁移率与标准物质库进行对比就能判断所检测物质的种类。

IMS在微型化便携式应用中有巨大的发展潜力，在几十年的发展历程中，IMS也经历着逐渐由车载式、台式机向便携式、手持式轻便仪器发展。当前研究者主要着手于对离子源、迁移管、离子捕获装置及IMS仪器的外围设备等几个方面对离子迁移谱仪进行微型化研究，均取得不错的成果。此外，基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems微机电系统）技术的微型化，IMS可能解决常规IMS中遇到的一些问题,如在实现其微型化的同时,降低其功耗、提高便捷性与适用性,更加充分地发挥IMS在痕量化学物质探测方面的优越性能。不过，现有的离子迁移谱仪基本上都是采用直线型漂移管，小型化的时候只能等比例将原来的漂移管结构缩小，导致迁移管长度减小。根据离子迁移谱理论，离子迁移谱仪的分辨率和灵敏度也就会相应降低。

申请号为201210148966.0的中国发明专利申请所提出的弯曲型离子迁移谱仪，与大部分传统离子迁移谱仪所用的直迁移管具有不同的结构，并且在实际应用中增加了漂移管的绝对长度，而且对于分辨率和灵敏度起到一定的改善作用。但是，由于弯道会引入离子漂移距离的误差，从而导致漂移时间误差，所以在实际应用中仍然存在不足之处。因此，有必要进一步改善以对弯曲型离子迁移管的广泛应用起到推动作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种可减小甚至消除采用弯道迁移管导致的漂移距离误差的补偿式离子收集装置。

本发明的技术问题还可通过以下技术方案予以解决：一种补偿式离子收集装置，用于弯曲型离子迁移谱仪，包括用于收集离子的离子收集件和屏蔽筒；所述离子收集件的离子收集面具有用于补偿离子漂移的补偿夹角；所述屏蔽筒一端开口而另一端封闭，所述开口端与所述离子收集面平行，封闭端设有信号线引出孔和进气管道；所述离子收集件置于所述屏蔽筒内，两者之间通过绝缘体隔离；还包括置于所述离子收集面之前、可防止离子接近时所述离子收集件上产生诱导电流的屏蔽栅网。

根据实施例，本发明还可采用以下优选的技术方案：

所述屏蔽栅网所处平面与所述离子收集面平行，两者间距离为0.5mm～2mm。

沿所述屏蔽栅网的周边设置有用于加载电压以使电场分布更均匀的闭合金属带。

所述闭合金属带是环状。

还设有与所述离子收集件连接、用于对接收信号进行放大的前置放大器。

所述补偿夹角为所述弯曲型离子迁移谱仪中迁移管末端轴线与所述离子收集面之间的夹角，大小为迁移管总回转角度的差。

所述补偿夹角为0°～90°。

所述补偿夹角为17.7°。

所述补偿夹角为θ～90°，θ满足下式：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{1}{{\∠B}_1+{\∠B}_2+...+{\∠B}_n-{\∠A}_1-{\∠A}_2-...-{\∠A}_m}\right),$

其中，

∠B₁、∠B₂……∠B_n为所述弯曲型离子迁移谱仪中迁移管的各顺时针弯道回转角度，∠A₁、∠A₂……∠A_m为所述弯曲型离子迁移谱仪中迁移管的各逆时针弯道回转角度，n、m均为自然数。

本发明还提供一种弯曲型离子迁移谱仪，包括采样和进样装置、离子迁移管、离子收集装置，以及样品分析和图谱显示装置，其中，所述离子收集装置为前述任一所述的补偿式离子收集装置。

本发明与现有技术对比的有益效果是：通过设置可对弯曲型离子迁移管的漂移距离差进行补偿并使从不同出发点出发的离子的迁移距离保持一致，进而能够有效地提高弯曲型离子迁移谱仪的性能，如分辨率和灵敏度等。借此，本发明为弯曲型离子迁移谱仪的小型化、便携式化发展提供一种有效且可靠的基础。

附图说明

图1是本发明一个优选实施例的用于弯曲型离子漂移谱仪的离子收集装置结构示意图。

图2是图1的离子迁移补偿效果示意图。

图3是本发明一类用于弯曲型离子漂移谱仪的离子收集装置（弯曲型离子漂移管基管轴线与补偿效果）基本原理示意图（此为示意性质的原理图，故没有画出更多个弯道）。

图4是一个实施例的弯曲型离子漂移管的结构示意图。

图5是另一实施例的弯曲型离子漂移管的结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的具体实施方式对本发明进行详细的阐述。

实施例1

如图1所示，本实施例是一个弯曲型离子漂移管1和用于弯曲型离子漂移管1的离子收集装置，所述弯曲型离子漂移管1包括一个半径是R的半圆形弯道和连接于其两端的两个长度为l的直道。在图中我们可以看到，该离子收集装置包括以下几个部分：一、离子收集件2，用于收集离子，其离子收集面与弯曲型离子漂移管1的末端轴线成θ夹角，离子收集件2面向所述弯曲型离子漂移管1的一端为离子收集面。二、金属制成的屏蔽筒3，该屏蔽筒3的开口一端所在平面与所述离子收集件2上的离子收集面平行，另一端封闭，是金属筒，其封闭端设有信号线引出孔和进气管道（图中未示出）。三、置于所述离子收集件2与所述金属筒之间的绝缘垫5。四、平行于离子收集件2的离子收集面的屏蔽栅网4，该屏蔽栅网4位于离子收集件2前面，距离所述离子收集面约0.5mm～2mm处。沿所述屏蔽栅网4的周边设置有用于加载电压以使电场分布更均匀的闭合金属带（图中未示出）。该屏蔽栅网4的作用在于抑制迁移区离子迁移运动对离子收集件2的影响，防止离子群通过漂移区接近离子收集件2时，离子收集件2上产生诱导电流。所述闭合金属带优选采用环状。此外，还设有与所述离子收集件2连接、用于对接收信号进行放大的前置放大器（图中未示出）。

在图2所示的离子迁移补偿效果示意图中，我们可以看到，a、b、c三个离子10各自从弯曲型离子漂移管的轴心以及内偏移距离为r、2r（相对于轴心）的地方开始出发，通过弯曲型离子漂移管后到达离子收集装置，被离子收集件接收。在图中我们给出：离子收集件与迁移管末端轴心的夹角θ，补偿式离子收集装置分别对b、c离子产生补偿位移q、p，我们计算得到：

p＝2r/tanθ，

q＝r/tanθ，

A离子的总漂移距离为：

L_A＝2l+π(R+r)，

B离子的总漂移距离为：

L_B＝2l+πR+q＝2l+πR+r/tanθ，

C离子的总漂移距离为：

L_C＝2l+π(R-r)+q＝2l+πR-πr+2r/tanθ

欲使该离子收集装置对离子漂移进行完全补偿，即：

L_A＝L_B＝L_C

只需使：πr＝r/tanθ

亦即：tanθ＝1/π

此时，θ＝17.7°

值得说明的是：如a、c两个离子从内、外偏移（相对于轴心）不等距的地方开始出发，若设置补偿角度为完全补偿角度（即17.7°）时，其最终总漂移的距离仍然是相等的。

所以,设置离子收集件2与迁移管轴线的夹角为17.7°时能通过离子收集装置对弯曲管的离子迁移距离进行完全补偿。事实上，实际应用中考虑到电场等因素，采用0°到90°之间任意角度进行设计时都能对弯曲型离子迁移管的离子漂移距离的误差进行部分补偿，此时我们应结合实际情况选取一个最佳的补偿角度。

实施例2

在图3所示的一类用于弯曲型离子漂移谱仪的离子收集装置（弯曲型离子漂移管基管轴线与补偿效果）基本原理示意图中，对于具有多弯道的弯曲型离子迁移管，假设∠B₁、∠B₂……∠B_n为所述弯曲型离子迁移谱仪中迁移管的各顺时针弯道回转角度，∠A₁、∠A₂……∠A_m为所述弯曲型离子迁移谱仪中迁移管的各逆时针弯道回转角度，n、m均为自然数。

此时，只需设置一个补偿角度为θ的补偿式离子收集装置就能对离子在弯道漂移产生的漂移距离误差进行完全补偿，其中需要满足：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{1}{{\∠B}_1+{\∠B}_2+...+{\∠B}_n-{\∠A}_1-{\∠A}_2-...-{\∠A}_m}\right)$ 即可。

当设置一个补偿角度为θ的补偿式离子收集装置时，两个离子从弯曲型离子漂移管的轴心以及偏移距离为r（相对于轴心）的地方开始出发，通过弯曲型离子漂移管后到达离子收集装置，被离子收集件2接收。

在此过程中，漂移管内产生的漂移距离差为：

Δl＝(∠B₁+∠B₂+...+∠B_n-∠A₁-∠A₂-...-∠A_m)r

补偿式离子收集装置的补偿距离为：

Δd＝r/tanθ＝(∠B₁+∠B₂+...+∠B_n-∠A₁-∠A₂-...-∠A_m)r＝Δl

两个离子的漂移距离相等，所以此时为完全补偿。

当选择θ为 $\arctan \left(\frac{1}{{\∠B}_1+{\∠B}_2+...+{\∠B}_n-{\∠A}_1-{\∠A}_2-...-{\∠A}_m}\right)$ 到90°之间的一个值时，也能对弯曲型离子迁移管进行迁移距离补偿。

本实施例中，各弯曲型离子漂移管的顺时针弯道和逆时针弯道均为一段圆弧，如半圆或四分之一圆弧等。但本领域技术人员明白，这只是实际应用中一种选择而已，不一定就是半圆或者四分之一圆弧，可以为其它任意角度的圆弧。具体结构举例说明如下：

如图4所示的由多个补偿式S型离子漂移管叠加而成的补偿式离子漂移管的结构示意图中，可以看到，其采用多个补偿式S型离子漂移管叠加排布的方式，包括S型的基管和设在该基管上的若干导电环D_a、D_b、D_c、……，可根据实际需要选择适当的导电环数量。该S型离子漂移管在离子迁移谱仪中工作时，每个导电环上均加有恒定的直流电压，并且从该S型离子漂移管的一端到另一端，各个导电环上所加的直流电压单调递减或者单调递增。被检测样品经过离子漂移管前端的电离区被电离成各种离子后进入该S型离子漂移管的一端，由于S型离子漂移管上的导电环被加载不同的直流电压，且导电环上的电压呈单调递增或者单调递减的排布方式，会生成和S型基管轴线大致平行的电场线（即为电势线的垂直方向的线），因此由样品电离生成的离子将会沿着电场线的方向进行迁移。也就是说，该S型离子漂移管内的电场呈现比较均匀的分布，离子漂移管轴心的电场线方向（即电势线的垂直方向）基本与S型离子漂移管机械结构的轴线保持一致，同时弯道内的电势线分布保持均匀。该S型离子漂移管能够有效地增加离子漂移管的绝对长度，且离子漂移管自身已经进行了部分内补偿，故只需设置一个如上所述的补偿角度θ即可对离子在弯道漂移产生的漂移距离误差进行完全补偿。

另一可用的弯曲型离子漂移管举例如图5所示，由图我们可以看到，相较于图4的不同是：该离子漂移管包括一个大弯道和一个小弯道，其漂移管包括基管和在该基管上的若干导电环D_e、D_f、D_g、……，每个导电环上均加有恒定的直流电压，并且从该漂移管的一端到另一端，各个导电环上所加的直流电压单调递减（也可是单调递增）。该基管在离子迁移谱仪中工作时，被检测样品经过离子漂移管前端的电离区被电离成各种离子后进入该基管的一端，由于基管上的导电环被加载不同的直流电压，且导电环上的电压呈单调递增或者单调递减的排布方式，会生成和基管轴线大致平行的电场线，因此由样品电离生成的离子将会沿着电场线的方向进行迁移。同样地，该离子漂移管内的电场呈现比较均匀的分布，离子漂移管轴心的电场线方向（即电势线的垂直方向）基本与离子漂移管机械结构的轴线保持一致，同时弯道内的电势线分布保持均匀。显然，该图中的大弯道和/或一个小弯道可以是两个以上的组合。

前述仅为本优选具体实施方式的举例，但并不局限于此。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种补偿式离子收集装置，用于弯曲型离子迁移谱仪，其特征在于：

包括用于收集离子的离子收集件和屏蔽筒；

所述离子收集件的离子收集面具有用于补偿离子漂移的补偿夹角；

所述屏蔽筒一端开口而另一端封闭，所述开口端与所述离子收集面平行，封闭端设有信号线引出孔和进气管道；

所述离子收集件置于所述屏蔽筒内，两者之间通过绝缘体隔离；

还包括置于所述离子收集面之前、可防止离子接近时所述离子收集件上产生诱导电流的屏蔽栅网。

2.如权利要求1所述的补偿式离子收集装置，其特征在于：所述屏蔽栅网所处平面与所述离子收集面平行，两者间距离为0.5mm～2mm。

3.如权利要求1或2所述的补偿式离子收集装置，其特征在于：沿所述屏蔽栅网的周边设置有用于加载电压以使电场分布更均匀的闭合金属带。

4.如权利要求3所述的补偿式离子收集装置，其特征在于：所述闭合金属带是环状。

5.如权利要求1所述的补偿式离子收集装置，其特征在于：还设有与所述离子收集件连接、用于对接收信号进行放大的前置放大器。

6.如权利要求1所述的补偿式离子收集装置，其特征在于：所述补偿夹角为所述弯曲型离子迁移谱仪中迁移管末端轴线与所述离子收集面之间的夹角，大小为迁移管总回转角度的差。

7.如权利要求6所述的补偿式离子收集装置，其特征在于：所述补偿夹角为0°～90°。

8.如权利要求7所述的补偿式离子收集装置，其特征在于：所述补偿夹角为17.7°。

9.如权利要求1所述的补偿式离子收集装置，其特征在于，所述补偿夹角为θ～90°，θ满足下式：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{1}{{\∠B}_1+{\∠B}_2+...+{\∠B}_n-{\∠A}_1-{\∠A}_2-...-{\∠A}_m}\right),$

其中，

∠B₁、∠B₂……∠B_n为所述弯曲型离子迁移谱仪中迁移管的各顺时针弯道回转角度，∠A₁、∠A₂……∠A_m为所述弯曲型离子迁移谱仪中迁移管的各逆时针弯道回转角度，n、m均为自然数。

10.一种弯曲型离子迁移谱仪，包括采样和进样装置、离子迁移管、离子收集装置，以及样品分析和图谱显示装置，其特征在于：所述离子收集装置为权利要求1-9任一所述的补偿式离子收集装置。

Images