CN104051220A - 一种离子分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子分离装置，包括离子分离区和绝缘弯曲管，所述绝缘弯曲管的内壁上设有多个电极，每个电极具有供离子通过的电极离子通道，所述绝缘弯曲管内形成所述离子分离区，所述绝缘弯曲管的入口处设置有离子入口，所述绝缘弯曲管的出口处设置有离子出口，所述绝缘弯曲管内的气压保持在设定气压阈值以下，所述设定气压阈值不超过标准大气压，从所述绝缘弯曲管的入口处至出口处，电极被施加的电压单调变化。本离子分离装置的结构简单，通过使非目标离子撞击而附着在电极上、使目标离子从离子出口出来，从而简化了检测离子的复杂度。

Description

一种离子分离装置

【技术领域】

本发明涉及离子检测领域，具体涉及一种离子分离装置。

【背景技术】

分析仪器是现代社会人们获取物质的成分、结构和状态信息，认识和探索自然规律的不可缺少的有力工具，是现代科学仪器的一个重要组成部分。随着恐怖主义的猖獗，毒品和爆炸物的检测变得非常重要，另一方面，随着生活水平的提高，食品安全问题也越来越受到重视。以前一般常用的仪器有质谱仪、色谱仪等，但是当前的质谱色谱等仪器对物质进行电离检测的时候容易引入一些杂质离子，给离子分析和检测带来了一些负面因素。

上个世纪80年代开始出现了一种新的用于检测物质成分的仪器，就是高场不对称波形离子迁移谱(High-Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry,FAIMS)，又称为差分式离子迁移谱、射频离子迁移谱、非线性离子漂移谱、增量离子迁移谱、场离子谱等等，是一种利用离子在高电场中的迁移率的非线性变化实现离子的筛选、分离以及识别的仪器。每种离子由于质量、截面积等固有参数的区别使得它们在高电场中具有不同的迁移率变化趋势，当控制离子所处的电场条件发生变化时，可使得不同的离子通过电场区域，实现离子的选择性分离。与传统的质谱、色谱等分析仪器相比，高场不对称波形离子迁移谱仪具有结构简单、核心器件体积小、高分辨能力、灵敏度高、分析快速等特点，引起了广泛的注意。

但是另一方面，FAIMS存在功率大、工作电压要求很高、很难批量生产的缺点，更重要的，FAIMS里面平均碰撞截面积、分子结构、离子行为等与射频强电场之间的关系等理论问题还没有完全探究清楚，还需要进一步的研究。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种结构简单的离子分离装置。

一种离子分离装置，包括离子分离区和绝缘弯曲管，所述绝缘弯曲管的内壁上设有多个电极，每个电极具有供离子通过的电极离子通道，所述绝缘弯曲管内形成所述离子分离区，所述绝缘弯曲管的入口处设置有离子入口，所述绝缘弯曲管的出口处设置有离子出口，所述绝缘弯曲管内的气压保持在设定气压阈值以下，所述设定气压阈值不超过标准大气压，从所述绝缘弯曲管的入口处至出口处，电极被施加的电压单调变化。

通过使绝缘弯曲管的气压保持在不超过设定气压阈值内，使得离子迁移的步长降低，从而离子运动不会沿着电场方向运动，从而能够使非目标离子撞击并附着在设置于绝缘弯曲管的内壁上的电极上，从而使得目标离子可以从离子出口出来，并被检测得到，降低了检测离子的复杂度。另外，完全的电场也使得离子不会严格按照电场方向运动。

在一个实施例中，还包括电离区，所述绝缘弯曲管的入口处设置所述电离区，所述电离区的入口处设有毛细结构，所述毛细结构用于引入被测样品，所述电离区用于对所述被测样品进行电离。

毛细结构的设置，可以使作为气体的样品进入电离区时，气体分子缓慢地进入电离区，而不会引起绝缘弯曲管内的气压上升，进而影响离子的迁移步长，进而影响离子分离装置的准确度。

在一个实施例中，所述离子入口处设有毛细结构，离子通过所述毛细结构进入绝缘弯曲管。

在一个实施例中，相邻的电极之间具有间隔，每个电极凸出于所述绝缘弯曲管的内壁。

在一个实施例中，每个电极是一个导电环。

在一个实施例中，所述绝缘弯曲管的内壁上设有均匀的电阻涂层而构成所述多个电极。

在一个实施例中，还包括真空泵，所述真空泵用于对所述绝缘弯曲管内进行抽真空。

在一个实施例中，所述绝缘弯曲管内的气压小于10Torr。

在一个实施例中，所述绝缘弯曲管内的气压小于0.1Torr。

本离子分离装置的结构简单，通过使非目标离子撞击而附着在电极上、使目标离子从离子出口出来，从而简化了检测离子的复杂度。

【附图说明】

图1是本发明一种实施例的离子分离装置的结构示意图

图2是图1的离子分离装置在电极被施加单调电压后的等电势线示意图；

图3是四种离子在图2的等电势线条件下的运动轨迹；

图4是另外四种离子在图2等电势线条件下的运动轨迹；

图5是本发明另一种实施例的离子分离装置的结构示意图。

【具体实施方式】

以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。

如图1所示，一种实施例的离子分离装置，包括绝缘弯曲管1、电离区2、电极11、离子分离区12、绝缘弯曲管入口13、绝缘弯曲管出口14、真空泵3、毛细结构21、样品22和分压电阻15。

所述绝缘弯曲管1的内壁上设有多个电极11，每个电极11具有供离子通过的电极离子通道111，绝缘弯曲管入口13形成离子入口，用于供离子进入绝缘弯曲管13，所述绝缘弯曲管出口14形成离子出口，用于供某些依次通过多个电极离子通道111而通过绝缘弯曲管13的离子离开，绝缘弯曲管入口13处设置电离区2，电离区2的入口处设有毛细结构21，被测样品22通过毛细结构21而引入电离区，电离区2对被测样品22进行电离，电离得到的离子通过绝缘弯曲管入口13进入绝缘弯曲管1。

真空泵3可以设置在绝缘弯曲管出口14，用于对绝缘弯曲管1进行抽真空，以使绝缘弯曲管1内的气压保持在设定气压阈值以下，设定气压阈值不超过标准大气压，例如绝缘弯曲管1内的气压可以是10Torr，1Torr等。绝缘弯曲管1具有良好的密封性，这样更加有利于保证离子分离装置能够正确分离出目标离子。

从绝缘弯曲管入口13至绝缘弯曲管出口14，电极11被施加的电压单调变化，例如依次降低或者依次升高，当电压从绝缘弯曲管入口13至绝缘弯曲管出口14依次变小时，正离子从绝缘弯曲管入口13向绝缘弯曲管出口14运动。

在一个实施例中，相邻的电极之间具有间隔，每个电极凸出于所述绝缘弯曲管1的内壁，电极可以是导电环，导电环沿着绝缘弯曲管1的内壁上设置，导电环中间的孔即为供离子通过的电极离子通道111。

如图2所示，是图1所示的离子分离装置的电极11被施加了单调变换的电压后的等电势线示意图，可以看到，等势线4基本沿分离区12的径向分布，因而电场线方向(垂直于等势线的方向)沿分离区12的轴向(绝缘弯曲管的轴向)，也就形成了一个弯曲电场。

如图3所示，图2状态下的离子分离装置对四种相同电荷不同质量的离子进行分离的效果示意图(来自SIMION仿真软件)，在低压状态下(0.1Torr)，A、B、C、D四种质量不同但是带相同电荷(1个电荷)的离子(其中A的相对分子质量为1、B的相对分子质量为5、C的相对分子质量为10、D的相对分子质量为50)，在分离区12的弯曲电场的作用下，最后A、B、C三种离子都打在导电环上，被导电环吸附，只有D离子最后通过分离区被筛选出来。弯曲的电场保证了某些不符合条件的离子撞击在电极11上，而直线型的电场则很难达到这种效果。

在低气压状态下，由于气体密度比较疏，离子迁移的时间步长比较大(离子与周围环境中气体分子碰撞的时间较大)，因此在弯曲电场下运动时不能沿电场线方向进行运动，并且不同性质的离子(例如不同质量、不同电荷、不同碰撞面积)的偏移轨迹不一样，因此可以设定不同的电场大小和气压值来对离子进行分离，让目标离子能够顺利地通过离子分离装置，而其他的离子则在迁移过程中碰撞电极11而附着在电极11上，从而可以排除非目标离子通过离子分离装置，影响对目标离子的检测。

如图4所示，图2所述离子分离装置对四种相同质量不同电荷的离子进行分离的效果示意图中(来自SIMION仿真软件)，在低压状态下(0.1Torr)，E、F、G、H四种电荷不同但是质量相同(相对分子质量为40)的离子(其中E所带电荷量为10、F的相对分子质量为5、G的相对分子质量为2、H的相对分子质量为1)，在分离区弯曲电场的作用下，最后E、F、G三种离子都打在导电环上并附着在电极11上，只有H离子最后通过分离区被筛选出来。

本实施例中，分离区12形成180度的半圆曲度。但本领域技术人员明白，这只是实际应用中一种选择而已，分离区12不一定就是半圆曲度或者四分之一圆弧曲度，可以为其它任意角度的圆弧。

可以通过改变所述离子分离装置内部的气压、导电环上的电压、绝缘弯曲管1的长度和弯曲度来选择性地对离子进行分离，例如，通过标定某一种离子在相应的条件下恰好通过该离子分离装置，而形成一个对照关系表，检测样品时，在该条件下如果在离子出口检测到有离子，则说明被测样品中含有该离子。由此可知，这种离子分离装置与离子迁移谱仪是不同的，离子迁移谱仪使样品的众多离子通过离子迁移谱仪的时间不同，从而区分不同的离子，进而检测判断样品具有哪些离子，而本离子分离装置通过使某些离子无法从离子出口出来，从而只要检测到离子就能判断是某个符合条件的目标离子，因此可以简化离子出口端的接收检测装置。

如果没有毛细结构，直接将气体样品引入离子电离区2，由于绝缘弯曲管1内保持低压，气体样品容易进入绝缘弯曲管1内，从而破坏了里面的气压环境，导致某种本该通过离子分离装置的离子不能通过，进而造成对被测样品的误检测。

作为电极的导电环之间设置有分压电阻，多个分压电阻依次串联在直流电源之间，从而保证了每个导电环上的电压依次单调变化。

如图5所示，另一种实施例的离子分离装置，其采用在绝缘弯曲管1的内壁上的电阻涂层作为电极，在这种情况下，如图5中的虚线框内的部分电阻涂层可以视为一个电极，因此电阻涂层可以视为由多个电极构成，同样可以形成弯曲的电场。

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，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种离子分离装置，包括离子分离区和绝缘弯曲管，其特征是：

所述绝缘弯曲管的内壁上设有多个电极，每个电极具有供离子通过的电极离子通道，所述绝缘弯曲管内形成所述离子分离区，所述绝缘弯曲管的入口处设置有离子入口，所述绝缘弯曲管的出口处设置有离子出口，所述绝缘弯曲管内的气压保持在设定气压阈值以下，所述设定气压阈值不超过标准大气压，从所述绝缘弯曲管的入口处至出口处，电极被施加的电压单调变化。

2.如权利要求1所述的离子分离装置，其特征是，还包括电离区，所述绝缘弯曲管的入口处设置所述电离区，所述电离区的入口处设有毛细结构，所述毛细结构用于引入被测样品，所述电离区用于对所述被测样品进行电离。

3.如权利要求1所述的离子分离装置，其特征是，所述离子入口处设有毛细结构，离子通过所述毛细结构进入绝缘弯曲管。

4.如权利要求1所述的离子分离装置，其特征是，相邻的电极之间具有间隔，每个电极凸出于所述绝缘弯曲管的内壁。

5.如权利要求1所述的离子分离装置，其特征是，每个电极是一个导电环。

6.如权利要求1所述的离子分离装置，其特征是，所述绝缘弯曲管的内壁上设有均匀的电阻涂层而构成所述多个电极。

7.如权利要求1所述的离子分离装置，其特征是，还包括真空泵，所述真空泵用于对所述绝缘弯曲管内进行抽真空。

8.如权利要求1所述的离子分离装置，其特征是，所述绝缘弯曲管内的气压小于10Torr。

9.如权利要求6所述的离子分离装置，其特征是，所述绝缘弯曲管内的气压小于0.1Torr。