CN106340436A - 一种场切换离子门及场切换离子门离子迁移管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种场切换离子门及场切换离子门离子迁移管。通过在离子源和法拉第盘之间设置始终产生与迁移区中电场方向相垂直或者相反的两个门电极组件，并在门电极组件靠近离子源一侧设置施加有脉冲电压的场切换电极，从而高效捕集反应区中的离子并将其注入到迁移区中。

Description

一种场切换离子门及场切换离子门离子迁移管

技术领域

本发明涉及一种场切换离子门及场切换离子门离子迁移管，通过在离子源和法拉第盘之间设置始终产生与迁移区中电场方向相垂直或者相反的两个门电极组件，并在门电极组件靠近离子源一侧设置施加有脉冲电压的场切换电极，从而高效捕集反应区中的离子并将其注入到迁移区中。

背景技术

离子门是迁移时间离子迁移谱仪器的一个重要组成部件，其对反应区中离子的利用效率决定了离子迁移谱最终所检测到离子信号的强度。低的离子利用效率往往造成差的信噪比。

Bradbury-Nielsen离子门(BNG)是离子迁移谱中广泛使用的一种离子门。目前，已经出现了多种制作BNG的方法，包括蚀刻、机械编织、微机械加工及PCB板穿丝等。通常，BNG由以交叉指型共面放置且相互绝缘的两组金属丝构成。通过在这两组金属丝上施加不同的电压，相邻金属丝之间会产生与迁移区中电场方向相垂直的电场，该电场能够阻断反应区中的离子进入到迁移区中。

为了保证离子迁移管具有较好的分辨能力，在一个控制周期内，BNG型离子门通常仅仅打开很短的一段时间让反应区的离子通过并进入到迁移区中，例如，每20ms内开门200μs。这意味着反应区中的离子仅有1％能够进入到迁移区中被分离和检测，其余99％的离子最终会中和在离子门电极组件上被消耗掉。另外，清空效应是BNG型离子门的结构和操作原理所造成的一个固有特征。在离子门关门的时候，相邻金属丝之间的电场会向离子门平面以外扩散。这种扩散造成了与离子门相邻的反应区和迁移区中电场的畸形，增大离子门的实际斩切宽度，造成离子门实际开门时间小于其名义开门时间。这将进一步降低进入到反应区中离子的比例。

另外，强脉冲电场具有高效捕集和压缩离子团的性能。利用强脉冲电场的这种性能并结合传统离子门的控制方式设计一种场切换离子门，有助于提高离子门对离子迁移管反应区中离子利用效率并同时获得较好的分辨能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高效离子利用效率的离子门，在保证离子迁移管分辨能力的同时，极大的提高离子迁移管的信噪比，从而获得更好的检测灵敏度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：在离子源和法拉第盘之间设置始终产生与迁移区中电场方向相垂直或者相反的两个门电极组件，并在门电极组件靠近离子源一侧设置施加有脉冲电压的场切换电极，从而高效捕集反应区中的离子并将其注入到迁移区中。

具体为：

一种场切换离子门，包括相互绝缘相对设置的第一门电极组件和第二门电极组件，第一门电极组件和第二门电极组件处于同一平面内或者两个相互平行平面上；

第一门电极组件和第二门电极组件处于同一平面内，于他们所在平面一侧设有与他们所在平面平行的可通过离子的场切换电极；

或，第一门电极组件和第二门电极组件分别处于两个相互平行平面上，于远离第二门电极组件的第一门电极组件一侧设有与他们所在平面平行的可通过离子的场切换电极。

场切换电极为网状电极、同心环状电极、环状电极、栅格状电极、螺旋线状电极中的一种或两种以上。

第一门电极组件和第二门电极组件处于同一平面内，第一门电极组件和第二门电极组件为栅格状电极、同心环状电极、螺旋线状电极中的一种；

或，第一门电极组件和第二门电极组件分别处于两个相互平行平面上，第一门电极组件和第二门电极组件形状为网状电极、同心环状电极、栅格状电极、螺旋线状电极中的一种或两种以上。

所述离子迁移管为一中空腔体，在腔体两端分别设置反应离子产生装置离子源以及离子接收装置法拉第盘；在腔体内部位于离子源和法拉第盘之间设置场切换离子门，将腔体内部分成两个区域，其中离子源和离子门之间构成反应区，离子门和法拉第盘之间构成迁移区；

场切换电极靠近离子源一侧放置，即场切换电极与离子源相对设置；

场切换电极与第一门电极组件之间构成场切换离子富集区。

所述离子源、离子门及法拉底盘以同轴方式设置于所述腔体中；

第一门电极组件与离子源之间的轴向距离小于等于第二门电极组件与离子源之间的轴向距离；

在第一预设时间间隔内，第一门电极组件上施加第一电压，第二门电极组件上施加第二电压，场切换电极上施加第三电压，离子源上施加第四电压；其中，第二电压高于第一电压，第四电压高于第三电压，第三电压高于第二电压，离子源中的离子经场切换电极进入到场切换电极和第一门电极组件定义的场切换离子富集区中；

在第二预设时间间隔内，第一门电极组件上施加第五电压，第二门电极组件上施加第六电压，场切换电极上施加第七电压，离子源上施加第八电压；其中，第六电压大于第五电压，第七电压高于第六电压和第八电压，场切换离子富集区中的离子被压缩富集并进入到迁移区中，离子源新形成的离子被阻止进入场切换离子富集区。

第一电压等于第五电压，第二电压等于第六电压，第四电压等于第八电压；

第一预设时间间隔的值大于零，第二预设时间间隔的值介于零和第一预设时间间隔的值的50％之间；

场切换离子富集区中的电压梯度为迁移区中电压梯度的1倍到100倍。

迁移区上设置有漂气入口，反应区上设置有样品入口和尾气出口；

待检测的样品由样品气载带经样品入口进入反应区与反应离子反应生成产物离子，漂气经漂气入口进入到迁移区对迁移区进行吹扫，最终和样品气一起经尾气出口流出离子迁移管。

本发明的优点是：

本发明可以在提高离子迁移谱的分辨能力的同时，将其灵敏度提高20倍以上；该发明无需对现有的迁移时间离子迁移管做任何硬件上的改进，简单易行，适用于不同结构和操作原理的离子源。

附图说明

图1、一种场切换离子门。其中：1——第一门电极组件；2——第二门电极组件；3——场切换电极。

图2、一种场切换离子门离子迁移管。其中：1——第一门电极组件；2——第二门电极组件；3——场切换电极；4——离子源；5——反应区；6——迁移区；7——法拉第盘；8——样品入口；9——漂气入口；10——尾气出口；11——场切换离子富集区。

图3、5ppbv丙酮样品在场切换离子门离子迁移管中形成的离子峰信号。其中第一时间间隔为40ms，第二预设时间间隔50～400μs。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

实施例1

如图1所示，一种场切换离子门，包括处于两个相互平行平面上相对设置的网格状第一门电极组件1和网格状第二门电极组件1，于远离第二门电极组件的第一电极组件一侧设有与他们所在平面平行的可通过离子的网格状场切换电极3。

如图2所示，一种场切换离子门离子迁移管为一中空柱状腔体，在腔体两端分别设置反应离子产生装置离子源4以及离子接收装置法拉第盘7；在腔体内部位于离子源和法拉第盘之间设置场切换离子门，将腔体内部分成两个区域，其中离子源和离子门之间构成反应区5，离子门和法拉第盘之间构成迁移区6；场切换电极靠近离子源一侧放置，即场切换电极与离子源相对设置；场切换电极与第一门电极组件之间构成场切换离子富集区11。

第一门电极组件与离子源之间的轴向距离小于第二门电极组件与离子源之间的轴向距离0.1～10mm；

在第一预设时间间隔内，第一门电极组件上施加第一电压，第二门电极组件上施加第二电压，场切换电极上施加第三电压，离子源上施加第四电压；其中，第二电压高于第一电压，第四电压高于第三电压，第三电压高于第二电压，离子源中的离子经场切换电极进入到场切换电极和离子门定义的场切换离子富集区中；

在第二预设时间间隔内，第一门电极组件上施加第五电压，第二门电极组件上施加第六电压，场切换电极上施加第七电压，离子源上施加第八电压；其中，第六电压大于第五电压，第七电压高于第六电压和第八电压，场切换离子富集区中的离子被压缩富集并进入到迁移区中，离子源新形成的离子被阻止进入场切换离子富集区。

第一电压等于第五电压，第二电压等于第六电压，第四电压等于第八电压；

第一预设时间间隔的值为0～100ms，第二预设时间间隔的值为10～500μs；

场切换离子富集区中的电压梯度为迁移区中电压梯度的1倍到15倍。

迁移区上设置有漂气入口9，反应区上设置有样品入口8和尾气出口10；

待检测的样品由样品气载带经样品入口进入反应区与反应离子反应生成产物离子，漂气经漂气入口进入到迁移区对迁移区进行吹扫，最终和样品气一起经尾气出口流出离子迁移管。

应用例

一种场切换离子门离子迁移管。迁移区的长度为7.2cm，迁移区电场强度为338V/cm，温度为100℃，样品气流速10mL/min，漂气流速200mL/min，离子源为10mCi(毫居里)的⁶³Ni源，第一门电极组件、第二门电极组件、场切换电极均为丝间距1mm、丝径0.05mm的网格状电极，场切换离子富集区的长度为8mm，第一门电极组件距第二门电极组件1mm，第一预设时间间隔40ms，在第二预设时间间隔50～400μs；第一预设时间间隔内离子源上的电压为3780V，场切换电极上的电压为2970V，离子门第一电极组件的电压为2700V，第二电极组件的电压为2780V；第二预设时间间隔内离子源上的电压为3780V，场切换电极上的电压为5970V，离子门第一电极组件的电压为2700V，第二电极组件的电压为2780V，5ppbv的丙酮形成的离子信号峰如图2上中所示。

Claims (7)

1.一种场切换离子门，包括相互绝缘相对设置的第一门电极组件和第二门电极组件，第一门电极组件和第二门电极组件处于同一平面内或者两个相互平行平面上；其特征在于：

第一门电极组件和第二门电极组件处于同一平面内，于他们所在平面一侧设有与他们所在平面平行的可通过离子的场切换电极；

或，第一门电极组件和第二门电极组件分别处于两个相互平行平面上，于远离第二门电极组件的第一门电极组件一侧设有与他们所在平面平行的可通过离子的场切换电极。

2.根据权利要求1所述的场切换离子门，其特征在于：场切换电极为网状电极、同心环状电极、环状电极、栅格状电极、螺旋线状电极中的一种或两种以上。

3.根据权利要求1所述的场切换离子门，其特征在于：

第一门电极组件和第二门电极组件处于同一平面内，第一门电极组件和第二门电极组件为栅格状电极、同心环状电极、螺旋线状电极中的一种；

或，第一门电极组件和第二门电极组件分别处于两个相互平行平面上，第一门电极组件和第二门电极组件形状为网状电极、同心环状电极、栅格状电极、螺旋线状电极中的一种或两种以上。

4.一种场切换离子门离子迁移管，所述离子迁移管为一中空腔体，在腔体两端分别设置反应离子产生装置离子源以及离子接收装置法拉第盘；在腔体内部位于离子源和法拉第盘之间设置离子门，将腔体内部分成两个区域，其中离子源和离子门之间构成反应区，离子门和法拉第盘之间构成迁移区；其特征在于：

所述离子门为权利要求1、2或3所述的场切换离子门，场切换电极靠近离子源一侧放置，即场切换电极与离子源相对设置；

场切换电极与第一门电极组件之间构成场切换离子富集区。

5.根据权利要求4所述的离子迁移管，其特征在于：

所述离子源、离子门及法拉底盘以同轴方式设置于所述腔体中；

第一门电极组件与离子源之间的轴向距离小于等于第二门电极组件与离子源之间的轴向距离；

在第一预设时间间隔内，第一门电极组件上施加第一电压，第二门电极组件上施加第二电压，场切换电极上施加第三电压，离子源上施加第四电压；其中，第二电压高于第一电压，第四电压高于第三电压，第三电压高于第二电压，离子源中的离子经场切换电极进入到场切换电极和第一门电极组件定义的场切换离子富集区中；

在第二预设时间间隔内，第一门电极组件上施加第五电压，第二门电极组件上施加第六电压，场切换电极上施加第七电压，离子源上施加第八电压；其中，第六电压大于第五电压，第七电压高于第六电压和第八电压，场切换离子富集区中的离子被压缩富集并进入到迁移区中，离子源中新形成的离子被阻止进入场切换离子富集区。

6.根据权利要求4所述的离子迁移管，其特征在于：

第一电压等于第五电压，第二电压等于第六电压，第四电压等于第八电压；

第一预设时间间隔的值大于零，第二预设时间间隔的值介于零和第一预设时间间隔的值的50％之间；

场切换离子富集区中的电压梯度为迁移区中电压梯度的1倍到100倍。

7.根据权利要求4所述的离子迁移管，其特征在于：

迁移区上设置有漂气入口，反应区上设置有样品入口和尾气出口；

待检测的样品由样品气载带经样品入口进入反应区与反应离子反应生成产物离子，漂气经漂气入口进入到迁移区对迁移区进行吹扫，最终和样品气一起经尾气出口流出离子迁移管。