CN103745908A - 一种时间补偿离子检测器及弯曲型离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种时间补偿离子检测器及弯曲型离子迁移谱仪，用于弯曲型离子迁移谱仪；所述时间补偿离子检测器包括用于收集离子的离子收集件和屏蔽筒；所述离子收集件置于所述屏蔽筒内，且两者之间通过绝缘体隔离；所述屏蔽筒一端开口而另一端封闭，所述封闭端设有信号线引出孔和进气管道；所述离子收集件的离子收集面为具有离子漂移时间误差补偿功能的曲面。因采用了离子收集面为具有离子漂移时间误差补偿功能的曲面的离子收集件，本发明可使从不同出发点出发的离子的迁移时间保持一致，进而能够有效地提高弯曲型离子迁移谱仪的分辨率等性能，借此，本发明为具有弯曲型迁移管的离子迁移谱仪的实际应用提供了一种有效且可靠的基础。

Description

一种时间补偿离子检测器及弯曲型离子迁移谱仪

技术领域

本发明涉及气相分离和检测技术，特别是涉及一种具有S型迁移管的离子迁移谱仪及其离子检测器。

背景技术

离子迁移谱仪(IMS,Ion Mobility Spectrometry)是一种检测分析未知样品组成成分的仪器。不同离子在电场中的迁移速率存在着差异，因而将在通过一定长度的漂移管后被分离开来，进而被检测器检测到，生成离子迁移谱图，实现对样品的成分的分析过程。与传统的质谱、色谱等分析仪器相比，IMS具有结构简单，灵敏度高，分析快速等优点。同时，IMS能在大气环境中对微量物质进行检测，因此能将其应用于现场检测。IMS的基本工作原理为：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。在电场力的驱使下，这些离子穿过周期性开闭的离子门进入漂移区。在漂移区电场的作用下，离子在漂移管中进行定向的迁移，到达漂移管终端的检测器，并被实时地检测到，获得测量离子电流随时间的变化，进而根据电流-时间谱图可以计算出离子的迁移率。在一定的条件下，各种物质电离产生的离子由于质量、带电荷数、空间结构等因素的不同而具有不同的迁移率。因而，将检测得到的不同离子对应的迁移率与标准物质迁移率库进行对比就能判断所检测物质的种类。离子迁移谱仪的微型化是当前IMS研究的一种趋势，目前国际上的研究已经使其由车载式、台式等传统结构向便携式的轻便仪器发展。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。现有的离子迁移谱仪基本都采用直线型漂移管，对其进行小型化设计时只能将原来的漂移管结构等比例缩小。这样将导致迁移管长度减小。根据离子迁移谱相关理论，这种用等比例缩小的方式设计出的离子迁移谱仪的分辨率和灵敏度都会降低。

专利申请号为201310539519.2中国发明专利申请所提出一种用于离子迁移谱仪的补偿式弯曲型离子迁移管，与大部分离子迁移管都有着不同的结构，它能够对弯曲管迁移距离进行迁移距离补偿，有效的提高了离子迁移谱仪的分辨率。但是补偿式弯曲型离子迁移管并不能完全对离子迁移时间进行补偿，会有一定的漂移时间误差，所以在实际应用中仍然存在不足之处。因此，有必要设计一种对补偿式弯曲型离子迁移管进行时间补偿的离子检测器从而对补偿式弯曲型离子迁移管的应用起到推动作用。

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，提供一种可对补偿式弯曲型离子迁移管中离子迁移时间进行补偿的时间补偿离子检测器。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种时间补偿离子检测器，用于弯曲型离子迁移谱仪；所述时间补偿离子检测器包括用于收集离子的离子收集件和屏蔽筒；所述离子收集件置于所述屏蔽筒内，且两者之间通过绝缘体隔离；所述屏蔽筒一端开口而另一端封闭，所述封闭端设有信号线引出孔和进气管道；所述离子收集件的离子收集面为具有离子漂移时间误差补偿功能的曲面。

根据实施例，本发明还可采用以下优选的技术方案：

所述曲面为内凹的椭圆柱面。

所述补偿离子检测器还包括屏蔽栅网，该屏蔽栅网弯曲为与所述离子收集件的离子收集面相同的曲面型，并在距离所述离子收集件的离子收集面0.5mm～2mm处设置。

所述补偿离子检测器还包括用于对接收信号进行放大的前置放大器，该前置放大器置于所述屏蔽栅网与所述离子收集件之间，并与所述离子收集件连接。

所述椭圆柱面的截面所在椭圆的长轴x和短轴y与所述弯曲型离子迁移谱仪所加载电压之间满足下式：

$\frac{{(y-d)}^2}{d^2}+\frac{x^2}{\frac{{\mathrm{Ud}}^2}{2\mathrm{nV}{\mathrm{\π}}^2}}=1$

其中，U为所述弯曲型离子迁移谱仪中离子迁移管的弯曲段的电压，V为所述离子收集面与所述弯曲型离子迁移谱仪中离子迁移管之间的电压，d为所述离子收集面与所述弯曲型离子迁移谱仪中离子迁移管之间的距离，n为≥1的自然数，x表示偏离漂移管轴线中心的距离，y表示离子a、b到达离子收集面时各自在离子收集面上所处位置沿离子运动方向上的距离差。

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、离子检测器，以及样品分析和图谱显示装置，其中，所述离子迁移管是补偿式弯曲型离子迁移管，所述离子检测器是如前任一项所述的时间补偿离子检测器。

所述离子迁移管包括两个以上成对设置的半圆形弯道。

所述离子迁移管还包括三个以上的直道，与所述两个以上的半圆形弯道间隔设置。

本发明与现有技术对比的有益效果是：采用离子收集面为具有离子漂移时间误差补偿功能的曲面的离子收集件，本发明可使从不同出发点出发的离子的迁移时间保持一致，进而能够有效地提高弯曲型离子迁移谱仪的分辨率等性能。

附图说明

图1是本发明一个优选实施例的时间补偿离子检测器结构与S型离子迁移管配合使用的结构示意图。

图2是离子a和b在图1的装置中迁移的时间补偿效果示意图。

图3是弯曲型离子迁移谱仪采用无时间补偿功能的离子检测器情况下的离子迁移谱图。

图4是弯曲型迁移离子谱仪采用实施例1的装置情况下的离子迁移谱图。

图5是另一实施例的叠加型离子迁移谱仪，包括两个串联连接的S型离子迁移管的，并采用实施例1的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图和结合优选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迁移管1和用于弯曲型离子迁移管1的离子检测器2配合使用的结构示意图，所述弯曲型离子迁移管1整体看呈S型（下称S型离子迁移管1），包括两个半径是R的半圆形弯道12、14和三个直道11、、13、15，所述半圆形弯道和直道间隔分布。该离子检测器2包括以下几个部分：一、离子收集件23，用于收集离子，所述离子收集件23朝向所述S型离子迁移管1的面为离子收集面，该离子收集面是一个椭圆柱面。二、金属制成的屏蔽筒21，该屏蔽筒21包括一个开口端一个封闭端，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23与所述金属筒21之间的绝缘垫22。四、位于离子收集件23的离子收集面的屏蔽栅网24，距离所述离子收集面约0.5mm～2mm处设置，该屏蔽栅网24的表面为椭圆柱面。此外，还设有与所述离子收集件23连接、用于对所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两个离子各自从S型离子迁移管的轴心以及偏移（相对于轴心）距离为x的地方开始出发，S型离子迁移管上的两个弯管为中心对称，回转半径为R，上面加载的电压为U，离子收集件与迁移管上最后一个电极环的距离为d，迁移管最后一个电极环与离子收集件之间的电压为V，在离子收集件上建立如图2所示坐标系。

在离子迁移谱仪中，离子的迁移速度是：

v＝KE

其中，K为离子的迁移率系数（简称为迁移率），不同的温度和所给的漂移气不一样的时候，每种离子的迁移率系数（K值）都不同，存在如下的关系：

其中，e是一个电子的电荷；N是测量压力条件下

中性气体的分子数密度；α是校正因子；μ是离子和载气分子的约化质量；T_eff是离子的有效温度，由其热能和从电场获得的能量共同决定；Ω_D是载气中离子的有效碰撞截面积。一般的常用的检测离子在空气中的约化迁移率（273K和760mmHg条件下的离子迁移率）均为1～2左右。

由于离子迁移速度为，所以在理想运动状态下，离子a、b在S管的直管段的运动速度是一样的，所以其在三段直管段的迁移时间和也是一样的，设其为t_z。

离子a在两个弯道的迁移时间都为：

离子a在检测区的迁移时间（指离子自最后一个电极环迁移到离子收集件之间的这一段所用时间）为：

离子b在第一个弯道的迁移时间为：

离子b在第二个弯道的迁移时间为：

离子b在检测区的迁移时间为：

离子a的总迁移时间为：t_a＝t_z+2t_wa+t_ja

离子b的总迁移时间为：t_b＝t_z+t_wb1+t_wb2+t_jb

欲使检测区对其时间补偿，只需:t_a＝t_b

可算得： $\frac{{(y-d)}^2}{d^2}+\frac{x^2}{\frac{{\mathrm{Ud}}^2}{2\mathrm{nV}{\mathrm{\π}}^2}}=1$

其中，U为所述S型离子迁移管的弯曲段的电压，V为所述离子收集件与迁移管之间的电压，d为所述离子收集件与迁移管之间的距离。

即只需把离子收集面设计为一个椭圆柱面，就能对处于任意偏离轴线中心为x的位置出发的离子迁移进行时间补偿。亦即不同出发点出发的离子的漂移时间为一致，即对弯道所引入的漂移时间误差具有补偿的效果。该椭圆面与弯曲段加载电压U、检测器与迁移管之间的电压V以及检测区与迁移管之间的安装距离d成如前文所述的数学关系。

根据IMS的分辨率定义：

Re＝t_d/W_h

其中，t_d是离子迁移时间，W_h是离子峰的半高宽。

由此可见，采用时间补偿离子检测器以后，具有S型离子迁移管的离子迁移谱仪的分辨率有了明显提高。由图3和图4中离子迁移时间和离子峰的半高宽可以看到两者的离子迁移时间是差不多的，但是加了本实施例检测器的离子峰的半高宽变窄，所以分辨率变高了（从上面的计算公式也可得到这一结论）。

一般地，在实际应用中考虑到电场及加工等因素，采用一个向内凹的类椭圆柱面也能对S型离子迁移管的离子漂移时间的误差进行部分补偿，而前文则是结合实际情况设计的一个较佳的曲面用于对弯道所引入的漂移时间误差进行补偿。

实施例2

如图5所示，对于包括两个（或n个）S型离子迁移管的叠加型离子迁移谱仪，则首先计算在单个S型离子迁移管的时候的迁移时间，同实施例1，计算可得：

离子a在单个S型离子迁移管中两个弯道的迁移时间都为：

离子a在检测区的迁移时间为：

离子b在单个S型离子迁移管中第一个弯道的迁移时间为：

离子b在单个S型离子迁移管中第二个弯道的迁移时间为：

离子b在检测区的迁移时间为：

当n个S型离子迁移管叠加时，会有如下：

离子a的总迁移时间为：t_a＝t_z+2nt_wa+t_ja

离子b的总迁移时间为：t_b＝t_z+n(t_wb1+t_wb2)+t_jb

欲使检测区对其时间补偿，只需:t_a＝t_b

可算得： $\frac{{(y-d)}^2}{d^2}+\frac{x^2}{\frac{{\mathrm{Ud}}^2}{2\mathrm{nV}{\mathrm{\π}}^2}}=1$

其中，U为所述S型离子迁移管的弯曲段的电压，V为所述离子收集件与迁移管之间的电压，d为所述离子收集件与迁移管之间的距离，n为自然数，表示所用叠加的S型离子迁移管的个数，y代表离子a、b到达离子收集面时各自在离子收集面上所处位置沿离子运动方向上的距离差。

即只需把离子收集面设计为一个椭圆柱面，就能对处于任意偏离轴线中心为x的地方出发的离子迁移进行时间补偿。亦即：不同出发点出发的离子的漂移时间为一致，即对弯道所引入的漂移时间误差具有补偿的效果。该椭圆面与弯曲段加载电压U、检测器与迁移管之间的电压V以及检测区与迁移管之间的安装距离d、以及所叠加的S型离子迁移管的个数n成前文所述数学关系。

一般地，在实际应用中考虑到电场及加工等因素，采用一个向内凹的类椭圆柱面也能对n个S型离子迁移管叠加型的离子迁移谱仪的离子漂移时间的误差进行部分补偿，而前文则是结合实际情况设计的一个较佳的曲面用于对弯道所引入的漂移时间误差进行补偿。

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 (8)

1.一种时间补偿离子检测器，其特征在于：

用于弯曲型离子迁移谱仪；

所述时间补偿离子检测器包括用于收集离子的离子收集件和屏蔽筒；所述离子收集件置于所述屏蔽筒内，且两者之间通过绝缘体隔离；所述屏蔽筒一端开口而另一端封闭，所述封闭端设有信号线引出孔和进气管道；

所述离子收集件的离子收集面为具有离子漂移时间误差补偿功能的曲面。

2.如权利要求1所述的时间补偿离子检测器，其特征在于：所述曲面为内凹的椭圆柱面。

3.如权利要求1所述的时间补偿离子检测器，其特征在于：所述补偿离子检测器还包括屏蔽栅网，该屏蔽栅网弯曲为与所述离子收集件的离子收集面相同的曲面型，并在距离所述离子收集件的离子收集面0.5mm～2mm处设置。

4.如权利要求1所述的时间补偿离子检测器，其特征在于：所述补偿离子检测器还包括用于对接收信号进行放大的前置放大器，该前置放大器置于所述屏蔽栅网与所述离子收集件之间，并与所述离子收集件连接。

5.如权利要求1所述的时间补偿离子检测器，其特征在于：所述椭圆柱面的截面所在椭圆的长轴x和短轴y与所述弯曲型离子迁移谱仪所加载电压之间满足下式：

$\frac{{(y-d)}^2}{d^2}+\frac{x^2}{\frac{{\mathrm{Ud}}^2}{2\mathrm{nV}{\mathrm{\π}}^2}}=1$

其中，U为所述弯曲型离子迁移谱仪中离子迁移管的弯曲段的电压，V为所述离子收集面与所述弯曲型离子迁移谱仪中离子迁移管之间的电压，d为所述离子收集面与所述弯曲型离子迁移谱仪中离子迁移管之间的距离，n为≥1的自然数，x表示偏离漂移管轴线中心的距离，y表示离子a、b到达离子收集面时各自在离子收集面上所处位置沿离子运动方向上的距离差。

6.一种弯曲型离子迁移谱仪，包括采样和进样装置、离子迁移管、离子检测器，以及样品分析和图谱显示装置，其特征在于：所述离子迁移管是补偿式弯曲型离子迁移管，所述离子检测器如权利要求1-5任一项所述。

7.如权利要求6所述的弯曲型离子迁移谱仪，其特征在于：所述离子迁移管包括两个以上成对设置的半圆形弯道。

8.如权利要求7所述的弯曲型离子迁移谱仪，其特征在于：所述离子迁移管还包括三个以上的直道，与所述两个以上的半圆形弯道间隔设置。

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