CN105428200B - 漂移时间离子迁移谱装置 - Google Patents

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Abstract

一种漂移时间离子迁移谱装置，包括漂移管，所述漂移管包括：第一离子门、第二离子门以及出口栅网，通过控制所述第二离子门的状态，控制在所述第一离子门与所述第二离子门之间的前漂移区电迁移后的样品离子的状态，在所述第二离子门的状态为开启状态时，所述电迁移后的样品离子通过所述第二离子门进入所述第二离子门与所述出口栅网之间的后漂移区，并通过所述出口栅网到达检测器。本发明实施例通过双离子门的设置，可以简化谱图、提高谱图信噪比、还可去除反应离子的干扰，可以在各种功能之间方便地切换，有利于对物质进行更深入的研究。

Description

漂移时间离子迁移谱装置
技术领域
本发明涉及离子迁移技术领域，特别涉及一种漂移时间离子迁移谱装置。
背景技术
离子迁移谱技术(ion mobility spectrometry，IMS)是20世纪六七十年代发展起来的一种痕量化学物质分析检测技术，利用在一定温度、气压氛围和电场中，具有不同形状大小(该条件下的碰撞截面Ω)和带电情况(电荷大小z)的离子，其迁移速率不同这一特点，对物质进行分离，从而实现对样品成分的分析。IMS的原理和方法都很简单，适合现场快速检测或分析，即可用于气体样品的检测也可用于液体样品的分析。其仪器可制成便携式，并具有可靠性高、成本低廉的优势。与通常的质谱、色谱分析等检测技术相比，IMS具有仪器简单、体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高和分析时间短等许多优点。从技术层面来说，除了漂移时间离子迁移谱(drift tube ion mobility spectrometry,DTIMS)以外，还有吸气式(或气路开放式)离子迁移谱和高场离子谱等多种方法或技术。
DTIMS是一种基于离子形状大小(碰撞截面)和带电情况的分离技术，离子源电离出的分析物离子通过各种方式引入到具有一定电场强度的漂移管前端，在电场的作用下，这些离子通过周期性开启的离子门进入漂移区，在漂移管中与中性的气体分子不断发生碰撞，由于不同离子的碰撞截面不同，发生碰撞的几率不同，从而表现为离子群迁移速率不同，使得不同的离子得到分离，先后到达收集极被检测到。
离子束在电场作用下，以一定的速度(迁移速率)通过漂移管。离子的迁移速度Vm(cm/s)与电场强度E(V/cm)成正比，可表示为：
Vm＝KE (1)
其中，K称为离子的电迁移率，单位(cm2/V·s)。在长度为L的漂移管中，离子的漂移时间可表示为：
Tm＝L/Vm＝L/KE (2)
检测不同时间到达收集极的离子的信号，即可得到离子迁移率的大小。
根据离子的漂移时间，和仪器的测试条件等信息，可以得到离子的碰撞截面：
与行波场离子迁移谱(travelling wave ion mobility spectrometry，TWIMS)、高场非对称波形离子迁移谱(high-field asymmetric waveform ion mobilityspectrometry，FAIMS)或差分迁移谱(differential mobility spectrometry，DMS)不同，漂移时间离子迁移谱无需大量的标定实验，就可以根据测量结果直接得到离子的碰撞截面，这是与物质的结构信息相关的信息，因而也是该技术最大的特点之一。
国内外对DTIMS开展了大量的研究，在其发展过程中，很多研究工作者对其进行了多方面的改进。然而有几个问题始终困扰者离子迁移谱的使用者：复杂基质条件下目标峰的识别和定量；反应离子的存在，造成谱图的辨识度降低；离子结构组成更深层次的研究。这些问题的存在，在一定程度上限制了DTIMS的进步和应用。
发明内容
基于此，本发明实施例的目的在于提供一种漂移时间离子迁移谱装置，其可以简化谱图、提高谱图信噪比、还可去除反应离子的干扰，有利于对物质进行更深入的研究。
为达到上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：
一种漂移时间离子迁移谱装置，包括漂移管，所述漂移管包括：第一离子门、第二离子门以及出口栅网，通过控制所述第二离子门的状态，控制在所述第一离子门与所述第二离子门之间的前漂移区电迁移后的样品离子的状态，在所述第二离子门的状态为开启状态时，所述电迁移后的样品离子通过所述第二离子门进入所述第二离子门与所述出口栅网之间的后漂移区，并通过所述出口栅网到达检测器。
根据如上所述的本发明实施例的漂移时间离子迁移谱装置，其通过双离子门的设置，与常规的单离子门漂移时间离子迁移谱相比，通过第二个离子门的状态进行控制，可以对已经在前漂移区分离开的电迁移后的样品离子做进一步的处理，例如通过对第二离子门的开启、关闭状态的控制，可以实现选择性的通过，以实现离子隔离、离子去除功能，通过对第二离子门的电压控制，还可以实现串级粒子迁移谱，对碎片离子进行分析，从而可以简化谱图、提高谱图信噪比、还可去除反应离子的干扰，可以在各种功能之间方便地切换，有利于对物质进行更深入的研究。
附图说明
图1是一个实施例中本发明的漂移时间离子迁移谱装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
一个实施例中的本发明的漂移时间离子迁移谱装置，包括有漂移管，其中，该漂移管包括：第一离子门、第二离子门以及出口栅网，通过控制所述第二离子门的状态，控制在所述第一离子门与所述第二离子门之间的前漂移区电迁移后的样品离子的状态，其中，在所述第二离子门的状态为开启状态时，所述电迁移后的样品离子通过所述第二离子门进入所述第二离子门与所述出口栅网之间的后漂移区，并通过所述出口栅网到达检测器。
基于本实施例中的装置，一个具体的工作原理可以是如下所述：
离子源产生的离子进入第一离子门与离子源之间的反应区，在反应区中与反应区中的样本气体相互碰撞或发生气体反应，形成样品离子，第一离子门周期性地开启，将样品离子以脉冲形式注入第一离子门与第二离子门之间的前漂移区，样品离子在前漂移区中发生电迁移，到达第二离子门，通过控制第二离子门的状态，控制电迁移后的样品离子的状态。其中，在第二离子门的状态为开启状态时，电迁移后的样品离子通过第二离子门进入第二离子门与出口栅网之间的后漂移区，并通过出口栅网到达检测器。
根据如上所述的本发明实施例的漂移时间离子迁移谱装置，其通过双离子门的设置，与常规的单离子门漂移时间离子迁移谱相比，通过第二个离子门的状态进行控制，可以对已经在前漂移区分离开的电迁移后的样品离子做进一步的处理，例如通过对第二离子门的开启、关闭状态的控制，可以实现选择性的通过，以实现离子隔离、离子去除功能，通过对第二离子门的电压控制，还可以实现串级粒子迁移谱，对碎片离子进行分析，从而可以简化谱图、提高谱图信噪比、还可去除反应离子的干扰，可以在各种功能之间方便地切换，有利于对物质进行更深入的研究。
图1中示出了一个具体示例中的漂移时间离子迁移谱装置的结构示意图。如图1所示，该具体示例中的漂移时间离子迁移谱装置包括有漂移管20，同时还可以包括有离子源10、检测器30。其中，漂移管20包括有第一离子门22、第二离子门24以及出口栅网26，离子源10与第一离子门22为反应区21，第一离子门22与第二离子门24之间为一个漂移区(本发明实施例中称之为前漂移区)23，第二离子门24与出口栅网26之间为另一个漂移区(本发明实施例中称之为后漂移区)25，出口栅网26与检测器30相连接。通过对第二离子门24的状态进行控制，可以对已经在前漂移区23分离开的离子选择性通过，实现离子隔离、离子去除的功能，还可以通过离子碰撞诱导解离，实现串级迁移谱分析，并且可以在各种功能之间方便地切换。
结合图1中所示的装置，其中一个具体的工作过程可以是如下所述：
离子源10产生的初级离子(还可能包括团簇离子或带电液滴等)，在电场的驱动或一定的初动能条件下向漂移管20运动，并进入反应区21，在反应区21中与背景气体相互碰撞或与样品气体反应，形成样品离子；
第一离子门22周期性地开启，让反应区21中形成的样品离子以脉冲形式注入到前漂移区23，在电场和气体碰撞的同时作用下，离子发生电迁移，由于具有不同碰撞截面的离子与气体发生碰撞的几率不同，受到的阻力不同，最后表现为离子的电迁移速率不同，脉冲式的离子群中不同的离子得以分离；
当电迁移后的样品离子到达第二离子门24时，基于第二离子门24的不同的状态，从而可以使电迁移后的样品离子呈现不同的状态，从而实现不同的离子迁移谱模式的分析。
其中一种方式中，如果第二离子门24始终处于开启状态，则电迁移后的样品离子能够全部通过第二离子门24，进入后漂移区25，并最终通过出口栅网26到达检测器30，从而能够实现对离子迁移谱的全谱图扫描，实现单离子迁移谱分析。
在另一种方式中，如果第二离子门24处于关闭状态，则电迁移后的样品离子将发生湮灭，不能通过第二离子门24。
由于不同离子的电迁移速率不同，从而不同离子到达第二离子门24的时间也不同，通过对第二离子门24的开启和关闭的时间进行控制，从而可以实现对不同离子的隔离或者去除的功能。
其中一种方式中，可以使第二离子门24在指定离子的漂移时间处于开启状态，在该指定离子的漂移时间之外的其他时间处于关闭状态。从而只有该指定离子可以通过第二离子门24，进入后漂移区25，并最终通过出口栅网26到达检测器30，从而实现离子隔离功能，实现对单一迁移率离子的监测功能。
在另一种方式中，可以使第二离子门24在指定离子的漂移时间处于关闭状态，在该指定离子的漂移时间之外的时间处于开启状态。从而除了该指定离子外，其他离子都可以通过第二离子门24，进入后漂移区25，并最终通过出口栅网26到达检测器30，从而可以实现离子去除功能，实现对单一迁移率离子的去除，简化谱图的功能。
其中，在第二离子门24在处于开启状态时，在某一种指定离子通过该第二离子门24的时刻，可以在第二离子门24的两组电极施加高压射频，从而在施加高压射频期间通过该第二离子门24的电迁移后的样品离子，将会在经过第二离子门24时发生离子碰撞诱导解离后进入后漂移区25。经过第二离子门24时发生离子碰撞诱导解离后得到的碎片离子，将会在后漂移区25进行分离，然后通过出口栅网26到达检测器30。
这样，通过在指定离子通过第二离子门24的时刻，在第二离子门24的两组电极施加高压射频，会促使离子碰撞诱导解离，形成更小的碎片离子，进入到后漂移区，进行碎片离子的离子迁移谱分析。其中，用于碰撞诱导解离的高压射频可以结合实际需要进行设置，在一个具体示例中，该高压射频的频率可以为100kHz～10MHz之间，电压幅值可以是从几十伏到上千伏不等。
基于这种方式，在反应区21得到的样品离子会在前漂移区22中得到分离，获得一级离子迁移谱，在此基础上，通过在第二离子门24的某个时刻施加高压射频，可以将某一种离子进行打碎，然后在后漂移区25中进行分离，获得二级离子迁移谱，从而可以实现串级离子迁移谱。
可见，通过改变第二离子门24的驱动电压，可以改变离子的通过性或促使其碰撞打碎，实现多种模式的迁移谱分析。
由上可见，本发明实施例的装置可实现三种工作模式：离子去除模式、离子隔离模式、串级分析模式，其中：
装置工作在离子去除模式时，第二离子门24在待去除离子通过时关闭，在所述待去除离子通过之外的时间开启；
装置工作在离子隔离模式时，第二离子门24在待隔离离子通过时开启，在所述待隔离离子通过之外的时间关闭；
装置工作在串级分析模式时，第二离子门24在指定离子通过时开启并施加高压射频。
基于如上所述的本发明实施例的思想，本领域技术人员可以理解，在上述设置两个离子门的基础上，还可以采用其他个数的离子门，例如3个、4个离子门等，从而实现多个串级离子迁移谱。因此，上述第二离子门24，可以包括有两个以上的多个。
其中，各离子通过第二离子门的时刻，可以采用各种可能的方式来确定。例如，可以是进行一次全谱图扫描，确定该离子的漂移时间，然后通过该漂移时间可以计算出该离子经过第二离子门24的时间，然后通过设置第二离子门24与第一离子门22的脉冲电源的延迟和脉冲宽度，来实现该离子在到达第二离子门24时可以或者不能通过该第二离子门24。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种漂移时间离子迁移谱装置，包括漂移管，其特征在于，所述漂移管包括：第一离子门、第二离子门以及出口栅网，第一离子门周期性地开启，让离子源与第一离子门之间的反应区中形成的样品离子以脉冲形式注入到前漂移区，通过控制所述第二离子门的状态，控制在所述第一离子门与所述第二离子门之间的前漂移区电迁移后的样品离子的状态，在所述第二离子门的状态为开启状态时，所述电迁移后的样品离子通过所述第二离子门进入所述第二离子门与所述出口栅网之间的后漂移区，并通过所述出口栅网到达检测器，通过对第二离子门的开启和关闭的时间进行控制，实现对不同离子的隔离或者去除的功能；
所述装置工作在离子隔离模式时，所述第二离子门在指定离子的漂移时间处于开启状态，在所述指定离子的漂移时间之外的时间处于关闭状态；
所述装置工作在串级分析模式时，所述第二离子门在指定离子通过时开启并施加高压射频，所述电迁移后的样品离子在经过所述第二离子门时发生离子碰撞诱导解离后进入所述后漂移区。
2.根据权利要求1所述的漂移时间离子迁移谱装置，其特征在于，在所述第二离子门的状态为关闭状态时，所述电迁移后的样品离子湮灭。
3.根据权利要求1所述的漂移时间离子迁移谱装置，其特征在于，所述装置工作在离子去除模式时，所述第二离子门在指定离子的漂移时间处于关闭状态，在所述指定离子的漂移时间之外的时间处于开启状态。
4.根据权利要求1所述的漂移时间离子迁移谱装置，其特征在于，所述高压射频的频率范围为100kHz～10MHz。
5.根据权利要求1所述的漂移时间离子迁移谱装置，其特征在于，还包括所述检测器。
6.根据权利要求1所述的漂移时间离子迁移谱装置，其特征在于：所述第二离子门包括两个以上。
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