CN106290546B - 离子迁移谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及离子迁移检测领域，特别涉及一种离子迁移谱仪。离子迁移谱仪，包括硅底板，所述硅底板上表面依次设有离子源、迁移管、检测电极和气流驱动器，硅底板上面设有盖体，将离子源、迁移管、检测电极和气流驱动器均封装在盖体内部，其中离子源的出口与迁移管入口相连，迁移管出口处依次设有检测电极和气流驱动器。本发明所述离子迁移谱仪，利用电压控制介质阻挡放电电路的动作，进而控制迁移管内的气体流速，从而精确地获得离子的注入量，从而提高离子迁移谱仪的分辨率，利用本发明可以将离子迁移谱仪分别率提高至90左右。
Description
技术领域
本发明涉及离子迁移检测领域，特别涉及一种离子迁移谱仪。
背景技术
离子迁移谱（Ion Mobility Spectrometry，IMS）是一种基于气相离子分离和检测的化学检测技术，具有灵敏度高、分析速度快、价格低、结构简单等优点，广泛应用于化学战剂、爆炸物、毒品检测、环境监测、医疗卫生等军事和民用领域。
离子迁移谱仪器的核心部分包括电离源、离子分离区以及离子电流捕获装置。其工作原理为：样品气体分子经电离形成产物离子并随之注入离子分离区，在离子分离区中均匀电场作用下迁移，最后到达电流捕获设备。离子迁移率与其质量、尺寸和所带电荷有关，所以不同物质形成的产物离子的迁移率不同，通过均匀电场漂移到达电流捕获设备的时间也不同。根据不同的漂移时间可以区分物质的种类，从而完成样品气体的检测。
随着应用范围的不断扩展，在没有性能损耗的前提下，离子迁移谱(IMS)微型化是一个大的发展趋势，设备逐渐由车载式、台式机向便携式、手持式轻便仪器发展。微型化离子迁移谱仪将实现爆炸物、毒物、药物、大气污染物的更快速、方便检测，从而应用在防恐防爆、占地勘察、医疗护理、环境监测、工业生产等方面。
离子迁移谱(IMS)的分辨率R可由下式表
。
其中，tD为离子漂移时间，W0.5为离子信号谱峰的半峰全宽，L为漂移管长度，K为离子迁移率，Ud为漂移电压，Winj为离子注入量，kb为玻尔兹曼常数，T为温度，e为电子电量。从上式可以看出，在微型化时IMS仪器分辨率将随着迁移管长度的减小而降低。
目前，微型化的离子迁移谱（FAIMS）技术被广泛应用，但是其具有两方面的缺陷：一方面，其进气部分为机械式控制，反应时间较慢，迁移管中的气体流速无法实现精确计算，导致整个设备的分辨率较低，普遍低于50；另一方面，机械式进气部件体积较大，难以满足高分辨率微型IMS更小型化更集成化的需求。
发明内容
本发明提出一种高分辨率的离子迁移谱仪。
本发明所述离子迁移谱仪，包括硅底板，所述硅底板上表面依次设有离子源、迁移管、检测电极和介质阻挡放电电路，硅底板上面设有盖体，将离子源、迁移管、检测电极和介质阻挡放电电路均封装在盖体内部，其中离子源的出口与迁移管入口相连，迁移管出口处依次设有检测电极和介质阻挡放电电路，所述介质阻挡放电电路包括上电极，下电极、介质层，介质层上表面一端设有上电极，另一端设有辅助电极，介质层的下表面设有下电极，上电极与交流电相连，下电极接地，辅助电极接地或接常压电源；所述辅助电极与介质层之间设有非晶碳层。
优选地，所述介质阻挡放电电路有若干个，相互串联。
较优选地，所述下电极为阶梯状下电极，其阶梯部分埋入介质层内部。
进一步地，所述阶梯状下电极为二阶下电极，其上部的一个阶层埋入介质层内部。
进一步地，硅底板上表面涂覆有氧化硅介质薄膜。
进一步地，所述迁移管为离子迁移管，其包括两个铜电极，两铜电极平行设置在硅底板上，两铜电极、盖体和硅底板之间形成离子迁移管本体。
进一步地，所述离子迁移管其中一个铜电极连接漂移电压，另一个铜电极接地。
进一步地，所述离子源为介质阻挡放电离子源。
更进一步地，所述检测电极包括两个电极，其中一个连接电荷检测电路，通常为法拉第盘，另一个接地。
更优选地，所述所述电荷检测电路为法拉第盘。
本发明所述离子迁移谱仪，利用电压控制介质阻挡放电电路，从而形成具有一定密度梯度分布的等离子体区，并利用电流体力学驱动气流，进而控制迁移管内的气体流速，从而精确地获得离子的注入量，从而提高离子迁移谱仪的分辨率，利用本发明可以将离子迁移谱仪分别率提高至90左右。
附图说明
图1是本发明的连接结构示意图；
图2是本发明图1盖体内部结构主视图；
图3是本发明介质阻挡放电电路的结构示意图。
图中1-硅底板；2-离子迁移管；3-检测电极；4-介质阻挡放电电路；5-玻璃介质层；6-上电极；7-非晶碳层；8-辅助电极；9-下电极。
具体实施方式
本发明所述离子迁移谱仪，包括硅底板1，其上表面涂覆有氧化硅介质薄膜，所述硅底板1上面依次设有介质阻挡放电离子源、离子迁移管2、检测电极3和介质阻挡放电电路4，硅底板上面设有盖体，将离子源、迁移管、检测电极3和介质阻挡放电电路4均封装在盖体内部，使得底板和盖体键合后形成气流通道，能够容纳底板上的各元器件，气流微通道用于保障气体的流通。
其中介质阻挡放电离子源的出口与离子迁移管2入口相连，本实用新型所述离子迁移管2，其包括两个相互平行设置的铜电极，其中一个铜电极连接漂移电压，另一个铜电极接地。所述离子迁移管2出口处依次设有检测电极3和气流驱动器，所述检测电极3包括两个电极，其中一个连接法拉第盘，另一个接地；所述介质阻挡放电电路4，其包括上电极6，下电极9、玻璃介质层5和辅助电极8，玻璃介质层5上表面一端设有上电极6，另一端设有辅助电极8，玻璃介质层5的下表面设有下电极9，上电极6与交流电相连，下电极9接地，辅助电极8接地或接常压电源；所述辅助电极8与玻璃介质层5之间设有非晶碳层7，非晶碳层7作为电荷泄漏层可以缓解截至表面的电荷积累现象。所述介质阻挡放电电路4有若干个，相互串联。本实施例所述下电极9为二阶下电极9，其上部的一个阶层埋入玻璃介质层5内部，利用这种梯形埋层结构可以调节电场分布，从而进一步改善等离子体梯度分布，实现离子的快速流动。
本发明利用介质阻挡放电离子源通过介质阻挡放电模式形成的等离子体作为离子源，工作时，蒸汽或微粒进入介质阻挡放电离子源离化成离子状态，设置在硅底板另一端的介质阻挡放电电路4不断抽气，利用电流体力学驱动气流，控制迁移管内的气体流速，离子状态下的气体进入离子迁移管2中，并在其中实现离子的分离，并通过其中的铜电极获得漂移电压Ud，同时利用检测电极3上的法拉第盘检测到离子类型，得到离子迁移谱图，本发明的介质阻挡放电电路4，其上电极6连接交流电，当交流电电压增大时，产生的电子推动力更强，从而使得离子迁移管2中的气体流速加快；相反，交流电电压减小时，介质阻挡放电电路4产生的电子驱动力变弱，使得离子迁移管2中的减缓。因此只需通过不断调整交流电压的大小，即可精确获得离子注入量Winj，从而实现对气体流速的精确控制，同时由于将原有的机械控制变成为现有的电控制方式，利用电控制反应速度快的特性，实际情况下离子注入量Winj必然小于机械控制方式下的离子注入量Winj. 。因此，比原有方式大幅度提高了分辨率。同时电压控制的方式还便于在操作的过程中实现微调节，可以获得离子注入量Winj的最大临界值和最小临界值，可以有效的提高离子迁移谱的分辨率。
分辨率R的计算公式：
。
其中，L-离子迁移管2的长度；K-常数； Ud-漂移电压； Winj-离子注入量；Kb-常数；T-测量环境的实时温度；e-常数。
利用本发明所述离子迁移谱仪测量的几种蒸汽或微粒的分辨率：
。
Claims (10)
1.离子迁移谱仪，包括硅底板（1），所述硅底板（1）上表面依次设有离子源、迁移管、检测电极（3）和介质阻挡放电电路（4），硅底板（1）上面设有盖体，将离子源、迁移管、检测电极（3）和介质阻挡放电电路（4）均封装在盖体内部，其中离子源的出口与迁移管入口相连，迁移管出口处依次设有检测电极（3）和介质阻挡放电电路（4），所述介质阻挡放电电路（4）包括上电极（6），下电极（9）、介质层，介质层上表面一端设有上电极（6），另一端设有辅助电极（8），介质层的下表面设有下电极（9），上电极（6）与交流电相连，下电极（9）接地，辅助电极（8）接地或接常压电源；所述辅助电极（8）与介质层之间设有非晶碳层（7）。
2.如权利要求1所述离子迁移谱仪，其特征在于：所述介质阻挡放电电路（4）有若干个，相互串联。
3.如权利要求1或2所述离子迁移谱仪，其特征在于：所述下电极（9）为阶梯状下电极（9），其部分埋入介质层内部。
4.如权利要求3所述离子迁移谱仪，其特征在于：所述阶梯状下电极（9）为二阶下电极（9），其上部的一个阶层埋入介质层内部。
5.如权利要求4所述离子迁移谱仪，其特征在于：硅底板（1）上表面涂覆有氧化硅介质薄膜。
6.如权利要求5所述离子迁移谱仪，其特征在于：所述迁移管为离子迁移管（2），其包括两个铜电极，两铜电极平行设置在硅底板（1）上，两铜电极、盖体和硅底板（1）之间形成离子迁移管（2）本体。
7.如权利要求6所述离子迁移谱仪，其特征在于：所述离子迁移管（2）其中一个铜电极连接漂移电压，另一个铜电极接地。
8.如权利要求7所述离子迁移谱仪，其特征在于：所述离子源为介质阻挡放电离子源。
9.如权利要求8所述离子迁移谱仪，其特征在于：所述检测电极（3）包括两个电极，其中一个连接电荷检测电路，另一个接地。
10.如权利要求9所述离子迁移谱仪，其特征在于：所述电荷检测电路为法拉第盘，所述介质层为玻璃介质层（5）。
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