CN104538274B - 用于高场非对称波形离子迁移谱仪的分离电压施加方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高场非对称波形离子迁移谱仪的分离电压施加方法，所述的方法是在平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的迁移区的两个极板上，分别施加两路不同的分离电压，其中一路分离电压由高频高压射频电压和补偿电压通过叠加电路相叠加后施加于极板；另一路分离电压由高频高压射频电压直接施加于极板；两路分离电压共同形成迁移区内部的电场；两路分离电压中的高频高压射频电压作差，形成非对称高频高压波形。该方法能有效降低每路分离电压的幅值，进而能优化高频高压射频电压产生电路的设计，对系统稳定性和电磁兼容性的改善有较大帮助，具有较强的易用性和灵活性，并且能降低系统的功耗和体积，有利于系统的微型化。

Description

用于高场非对称波形离子迁移谱仪的分离电压施加方法

技术领域

本发明涉及对生化物质进行测定，属于现场分析检测领域，具体为一种高场非对称波形离子迁移谱仪施加分离电场的方法，在施加分离电压峰峰值不变的情况下，提高高场非对称波形离子迁移谱仪内迁移区内的分离电场，从而提高高场非对称波形离子迁移谱仪的分离效果。

背景技术

高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS，High-field Asymmetric Waveform IonMobility Spectrometry)，是于上世纪九十年代逐步发展起来的一种生化物质检测技术。它主要利用高电场下离子的迁移率会随电场强度的变化而不同的特性来分离检测不同种类的生化物质。它的基本原理如下：在低电场条件下，离子的迁移率系数与电场强度无关；当电场强度高到一定值(E/N>40Td)以后，离子的迁移率系数K就会以一种非线性的方式随电场强度而变化。离子在高场下的迁移率与电场强度的关系可用如下式子表示：

K＝K₀[1+α₁(E/N)²+α₂(E/N)⁴+···]，

其中K为离子在高电场下的迁移率，K₀为离子在低电场下的迁移率，E为电场强度，N为气体密度，α₁,α₂为离子迁移率分解系数。令

α(E)＝[α₁(E/N)²+α₂(E/N)⁴+···]，

则迁移率K可分解为线性项K₀和非线性项K₀α(E)，即K＝K₀[1+α(E)]。当α(E)>0时，K＞K₀，则K随E增大而增大；当α(E)<0时，K＜K₀，则K随着E的增大而减小；当α(E)≈0时，K≈K₀。由上述分析可见，在高电场的作用下，离子的迁移率会呈现出各自不同的非线性变化趋势，这就使得在低电场强度条件下离子迁移率相同或相近的离子能够在高电场强度条件下被分离开，满足这种使离子分离条件的电场称为分离电场，施加于电极上而形成这种分离电场的电压称为分离电压(Dispersion Voltage，简称DV)。用于高场非对称离子迁移谱仪的分离电压一般使用的是非对称的高频高压射频电压(Radio Frequency Voltage，简称RF电压)，导致不同的离子发生分离和偏转；同时施加一反方向的补偿电压(CompensateVoltage，简称CV)，补偿DV产生的离子偏转，使之能通过迁移区而到达检测区。

目前，高场非对称波形离子迁移谱仪中分离电压的施加方式主要有以下两种：一种方法如图1所示，将RF电压13和补偿电压10通过叠加电路11相叠加后施加于上极板5，将下极板6接地；另一种方法如图2所示，将RF电压13施加于上极板5，将补偿电压10施加于下极板6。这两种方法所施加的RF电压13因为在整个FAIMS仪中只需要一路，因此称为单路高频高压射频电压(简称单路RF电压)；因为两种方法只在单路RF电压和补偿电压相叠加的方式上有所区别，而形成分离电场的电压只有一路(即单路RF电压)，因此这两种分离电压施加的方法称为单路分离电压。在迁移区中所形成的电场为非对称高场，以方波为例，规定正方向时，场强随时间变化如图3所示。

非对称条件要求一周期内场强对时间的积分为零，即：

${\&Integral;}_0^{T}E\left(t\right)dt=0$

其中T为波形周期，E(t)为迁移区内的场强，t为时间。对于方波的情况，如图3所示，此条件表示为：

E_max·₁+E_min·₂＝0

或：

|E_max|·₁＝|E_min|·₂

上式中，E_max为方波形式的单路RF电压产生的电场的最大值，E_min为方波形式的单路RF电压产生的电场的最小值(一般为负值)，|E_min|为方波形式的单路RF电压产生的电场的最小值的绝对值；T₁为方波中单路RF电压每周期中为最大值的时间，T₂为方波中单路RF电压每周期中为最小值的时间。

施加的补偿电压10的波形如图4所示：补偿电压为锯齿波，从V_inf到V_sup周期性地进行变化；补偿电压变化周期远大于单路RF电压的周期，且远大于离子通过迁移区的时间，即在离子通过迁移区的过程中，补偿电压可近似看作不变。叠加电路11的作用是将补偿电压10与单路RF电压13进行叠加，即产生两波形加和的效果。此叠加后的电压波形在迁移区中产生相应的叠加后的电场，分别产生两种效果：叠加波形中的RF电压产生的电场的目的在于通过迁移率的非线性部分α(E)对离子产生分离，而补偿电压产生的电场的目的在于通过其扫描，使得不同偏转的离子通过迁移区而被检测到。

在分离电场的作用下，由于一周期内RF电压的积分为0，因此当离子在非对称高场作用下进行迁移运动时，迁移率中的线性项K₀项所导致的迁移作用为零，而非线性项K₀α(E)使得离子在一周期中产生一个静位移，该静位移与迁移率中的非线性项相关，而去除了K₀的影响。

因为当补偿电压远小于RF电压幅值时，电场对离子的作用可分解成非对称高场和直流补偿电场作用的线性和，而非对称高场会产生一个与迁移率非线性项相关的静位移，那么当补偿电压对离子的作用与此位移相反时，离子就可以通过迁移区而被检测区4所检测到。从V_inf到V_sup扫描这一补偿电压，如图4所示，当补偿电压能对离子静位移进行补偿时能检测到通过迁移区的离子电流，不能补偿时检测不到离子电流，这样建立一个离子电流随补偿电压变化的谱图，即形成了高场非对称波形离子迁移谱谱图，简称FAIMS谱图。不同的离子具有不同的迁移率非线性项，则他们在非对称高场作用下发生的静位移不同，产生的FAIMS谱图也不相同，这就是高场非对称波形离子迁移谱用于物质检测的实施原理。当然，影响FAIMS谱图的因素较多，如果要准确确定所检测的样品，还需要有其它系统参数与环境参数等信息。

例如，美国新墨西哥州立大学的Eiceman等人，用MEMS技术开发了一种基于FAIMS原理的微型离子筛选器，该装置由一个3×1×0.2cm³的长方体迁移区，和一对平行板电极组成，其极板间距为0.5mm。在近期发表的论文中，他们开始采用非对称方波电源，如图5所示，采用信号发生器驱动高速开关导通实现非对称方波输出，输出波形频率<1MHz，幅值<1200V。

对于上述单路RF波形产生的方法来说，波形的幅值越大，对器件耐压、耐流等的要求越大，相应满足耐压、耐流等要求器件的其它参数(如带宽、开启/关断时间等)会有所降低；且对器件寿命的影响也会越大；同时更大的幅值使波形在传输和施加的过程中，通过空间的电场对系统的干扰越大。所以，减小高频高压射频电压的幅值，不仅有利于更好平衡高频高压射频波形产生电路的设计，同时对于系统的稳定性和电磁兼容性的改善有较大帮助。尤其是对于脉冲放大型高频高压射频电路发生器和开关导通性方波产生器来说，输出幅值的降低还可减小对高压直流电源的电压要求，能进一步减小系统的功耗和体积。

高场非对称波形离子迁移谱主要有平板型和圆筒型两种结构，相比于圆筒型，平板型高场非对称波形离子迁移谱仪更易于用微机电系统技术(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)进行加工集成，便于微型化，因此在便携式生化检测仪器方面具有更大的优势。

发明内容

本发明的目的是克服现有高场非对称波形离子迁移谱仪的不足，提供一种RF电压的施加方法，使得在迁移区内分离电场不变的情况下，减小高频高压射频电压的幅值，从而降低对于高频高压射频电压产生电路的要求，提高系统的稳定性和电磁兼容性，减小系统的功耗和体积。

本发明的技术方案如下：

一种用于高场非对称波形离子迁移谱仪的分离电压施加方法，所述的高场非对称波形离子迁移谱仪包括离子源、迁移区和检测区，在迁移区内含有上极板和下极板，其特征在于：所述方法将分离电压分为两路，一路为在上极板上施加的主分离电压，该主分离电压由主高频高压射频电压和补偿电压通过叠加电路相叠加而成；另一路为在下极板上施加的辅助分离电压，其由辅助高频高压射频电压构成；主高频高压射频电压和辅助高频高压射频电压的幅值满足：V＝V1+V2，其中，V为上极板和下极板之间只施加单路高频高压射频电压的幅值，V1为主高频高压射频电压的幅值，V2为辅助高频高压射频电压的幅值。

本发明的技术特征还在于，在所述的两路分离电压中，主高频高压射频电压与辅助高频高压射频电压是同频率的，但两路波形不同，且主高频高压射频电压波形与辅助高频高压射频电压波形的差形成非对称波形。所述主高频高压射频电压与辅助高频高压射频电压为幅值相等、正负相反的波形。

本发明具有以下优点及突出效果：①本发明的分离电压施加方法可以在产生相同迁移区电场的情况下有效降低每路高频高压射频电压的幅值，进而能优化高频高压射频电压产生电路的设计，对系统稳定性和电磁兼容性的改善有较大帮助，并且能降低系统的功耗和体积，有利于系统的微型化；②本发明不仅适用于平板型的高场非对称波形离子迁移谱仪中，还可用于圆筒型等其它形式的高场非对称波形离子迁移谱仪中，适用范围广；③本方法在现有的高场非对称波形离子迁移谱仪上能直接加以施用，而不需要对现有系统进行很大的修改，易用性好；④本方法中主RF波形和辅助RF波形可以不是非对称波形，只要两者之差为非对称即可，提高了施加分离电压的灵活性。

附图说明

图1是现有技术中一种高场非对称波形离子迁移谱仪单路分离电压施加的示意图。

图2是现有技术中一种高场非对称波形离子迁移谱仪单路分离电压施加的示意图。

图3是现有非对称高场的示意图。

图4是现有补偿电压的示意图。

图5是现有的一种非对称方波波形形式的单路分离电压。

图6是本发明提供的高场非对称波形离子迁移谱仪差分分离电压施加的示意图。

图7是本发明采用的差分RF电压示意图。

图8是本发明产生差分RF电压的全桥方法。

图9(a)、图9(b)和图9(c)分别是本发明与现有单路分离电压方法实施的高场非对称波形离子迁移谱仪实验结果对比。

图中：1-样品气体；2-离子源；3-迁移区；4-检测区；5-上极板；6-下极板；7-检测偏转极板；8-检测极板；9-主RF电压；10-补偿电压；11-叠加电路；12-辅助RF电压；13-单路RF电压。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种高场非对称波形离子迁移谱仪的分离电压施加方法做进一步说明。

本发明提供的一种用于高场非对称波形离子迁移谱仪的分离电压施加方法，采用两路不同的分离电压，分别施加于迁移区的上极板和下极板，共同形成迁移区内部的电场，这两路分离电压称差分分离电压。

上述差分分离电压，一路为在上极板上施加的称为主分离电压，主分离电压由主高频高压射频电压(简称主RF电压)和补偿电压通过叠加电路相叠加而成；另一路为在下极板上施加的称为辅助分离电压，辅助分离电压由辅助高频高压射频电压(简称辅助RF电压)构成；主RF电压和辅助RF电压的幅值满足：

V＝V1+V2

其中，V为上极板和下极板之间施加单路RF电压的幅值，而V1、V2为施加能产生相同离子分离和偏转效果的两路RF电压的幅值，其中V1为主高频高压射频电压的幅值，V2为辅助高频高压射频电压的幅值。主RF电压和辅助RF电压称为差分高频高压射频电压(简称差分RF电压)。在两路分离电压中，主高频高压射频电压与辅助高频高压射频电压是同频率的，但两路波形不同，且主高频高压射频电压波形与辅助高频高压射频电压波形的差形成非对称波形。所述主高频高压射频电压与辅助高频高压射频电压为幅值相等、正负相反的波形。

图6是本发明的高场非对称波形离子迁移谱仪差分分离电压施加的示意图，所述的高场非对称波形离子迁移谱仪包括离子源2、迁移区3和检测区4，其中迁移区3中的差分分离电场分别施加于上极板5和下极板6；所测样品随载气组成样品气1进入电离区中，被离子源2电离形成离子，离子随气流进入迁移区3。

迁移区上极板5和下极板6分别施加两路差分分离电压，从而相应地在迁移区3中产生相应的差分分离电场。该差分分离电压对离子的分离和偏转效果和满足式V＝V1+V2的单路分离电压相同，而差分分离电压中的主RF电压的幅值V1与辅助RF电压幅值V2都要小于单路RF电压的幅值V。

本方法和传统高场非对称离子迁移谱仪中电压施加的方法相比，产生非对称高场的方法是有一定的区别的。具体来说，对于现有的施加分离电压的方法，图1方法通过叠加电路将单路RF电压和补偿电压进行叠加，而图2方法通过在两极板分别施加单路RF电压与补偿电压，使产生的电场是二者的线性叠加。但是这两种方式中，单路RF电压都直接单个电路所产生，这样对于高频高压射频电压产生电路来说，输出波形的峰峰值较大。而使用本方法，如图6所示，适当选取两路差分RF电压的波形，如使两者是大小相同极性相反的对称波形，那么主RF电压9和辅助RF电压12的幅值都可以降低，从而能优化RF产生电路的设计，降低对器件和电路的耐压、耐流等性能的高需求，对系统稳定性和电磁兼容性的改善有较大帮助，并且能降低系统的功耗和体积，有利于系统的微型化。

实施例1：

使用图7所示意的两种RF电压方波作为主RF电压和辅助RF电压。使用全桥电路产生两路等幅值、同频率但反相的非对称RF电压方波RF1和RF2。将正占空比小于50％的一路作为主RF电压，通过叠加电路将其与补偿电压相叠加；另一路正占空比大于50％的一路作为辅助RF电压。使用全桥电路的示意图如图8所示，PWM1和PWM2分别为两路高低电平互补的两路用于控制开关器件S1、S2、S3和S4的信号，分别反向施加在两个桥臂的两路开关上，HDV为直流电压电源。

通过上述方法实际产生的差分RF电压实测波形图，两路电压的正占空比分别为29％与71％，频率均为1MHz，可用于FAIMS仪。

实施例2：

使用平板型高场非对称离子迁移谱仪进行实验，两平板电极间距为250um。实验使用99.999％氮气作为载气，流速0.5L/min；使用乙醇为样品，10.6eV紫外灯作为电离源进行实验。

实验以图6所示方法作为实验组，进行分离电压的施加，并进行对照实验。对照实验使用图1所示方法施加分离电压，对照组分离电压幅值为实验组分离电压的两倍。实验进行三组，第一组中，实验组分离电压峰峰值都为150V，对照组分离电压峰峰值为300V；第二组中，实验组分离电压峰峰值都为250V，对照组分离电压峰峰值为500V；第三组中，实验组分离电压峰峰值都为350V，对照组分离电压峰峰值为700V。

实验结果如图9(a)、9(b)和9(c)所示，其中图9(a)为第一组实验，左图为对照组(图1方式施加，峰峰值300V)，右图为实验组(图6方式施加，差分RF电压峰峰值150V)；图9(b)为第二组实验，左图为对照组(图1方式施加，峰峰值500V)，右图为实验组(图6方式施加，差分RF电压峰峰值250V)；图9(c)为第二组实验，左图为对照组(图1方式施加，峰峰值700V)，右图为实验组(图6方式施加，差分RF电压峰峰值350V)。

对上述结论的谱图进行拟合和分析，通过上述高场非对称离子迁移谱仪的原理知，谱峰位置所对应的补偿电压值与迁移率非线性项K₀α(E)相关。通过Gauss峰进行拟合，得到主要峰位置如下表所示：

对于较为容易区分出的谱图(如第二组峰1，第三组峰1、峰2)，本方法相对于传统方法产生的误差都在10％以内，而拟合出的隐峰由于靠近0点，且有拟合精度的限制，误差相对较大。从整体来看，本发明使用的差分RF方法在降低一半电压幅值的情况下，能保证主要谱峰位置与传统方法相比偏差小于10％，且谱峰结构一致。这说明本发明能有效地降低分离电压的幅值。

Claims (2)

1.一种用于高场非对称波形离子迁移谱仪的分离电压施加方法，所述的高场非对称波形离子迁移谱仪包括离子源(2)、迁移区(3)和检测区(4)，在迁移区内含有上极板(5)和下极板(6)，其特征在于：所述方法将分离电压分为两路，一路为在上极板上施加的主分离电压，该主分离电压由主高频高压射频电压和补偿电压通过叠加电路相叠加而成；另一路为在下极板上施加的辅助分离电压，其由辅助高频高压射频电压构成；主高频高压射频电压和辅助高频高压射频电压的幅值满足：V＝V1+V2，其中，V为上极板和下极板之间只施加单路高频高压射频电压的幅值，V1为主高频高压射频电压的幅值，V2为辅助高频高压射频电压的幅值；

两路分离电压中，主高频高压射频电压与辅助高频高压射频电压是同频率的，但两路波形不同，且主高频高压射频电压波形与辅助高频高压射频电压波形的差形成非对称波形。

2.如权利要求1所述的一种用于高场非对称波形离子迁移谱仪的分离电压施加方法，其特征在于：主高频高压射频电压与辅助高频高压射频电压为幅值相等、正负相反的波形。