CN106783508A - 离子迁移管和操作离子迁移管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子迁移管及其操作方法。离子迁移管包括内部空间以及位于内部空间的离子门；内部空间包括具有电位绝对值V1的电离区和迁移区。电离区和迁移区之间设置的离子门包括具有电位绝对值V2的第一离子门栅和具有电位绝对值V3的第二离子门栅。迁移区至少包括具有电位绝对值V4的第一迁移区电极和具有电位绝对值V5的第二迁移区电极。在所述离子门被打开时，在第一离子门栅和第一迁移区电极之间形成离子的势阱以便对进入迁移区的离子群压缩。
Description
技术领域
本发明涉及离子迁移管技术领域，特别涉及离子迁移管和操作离子迁移管的方法。
背景技术
离子迁移谱(IMS)已成为基于分子水平上较成熟的现场痕量检测技术。离子迁移谱仪中的核心部件为离子迁移管。在迁移管中，样品分子在电离源的作用下，通过质子夺取、电子附着、电子交换等生成相对稳定的产物离子可以产生相应的产物离子。产物离子通过离子门的控制在近乎同一时间内成批的进入迁移区进行迁移。这些产物离子在大气压环境的恒定电场中，它们因受电场的加速和中性迁移气分子的碰撞减速，在宏观上就表现为获得了一个恒定的平均速度。由于不同的产物离子其荷质比、几何构型和碰撞截面不同，因而获得的平均速度也不同，所以在经过一段电场以后他们就被分离，先后到达探测器从而完成被检测。
由于离子迁移谱仪具有灵敏度高、分析速度快、价格低、结构简单、便携等的优点而被广泛应用于爆炸物探测、毒品筛查以及化学战剂预警等领域。但是，分辨能力较低一直是困扰离子迁移谱应用和发展的瓶颈之一。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种离子迁移管，包括内部空间以及位于内部空间的可打开和关闭的离子门；内部空间包括具有电位绝对值V1的电离区和迁移区，物质由电离区一端进入离子迁移管，在电离区被离化，之后被电场驱使进入迁移区；
其中，电离区和迁移区之间设置的离子门包括具有电位绝对值V2的第一离子门栅和具有电位绝对值V3的第二离子门栅，第一离子门栅和第二离子门栅相互平行、通过绝缘片间隔开且将离子迁移管划分为所述电离区和迁移区；迁移区至少包括具有电位绝对值V4的第一迁移区电极和具有电位绝对值V5的第二迁移区电极，第二迁移区电极比第一迁移区电极远离第二离子门栅；
其中，在所述离子门被打开时，在第一离子门栅和第一迁移区电极之间形成被离化的离子的势阱以便对进入迁移区的离子群压缩。
在一个实施例中，在所述离子门被打开时，第一离子门栅的电位绝对值V2＞第一迁移区电极的电位绝对值V4＞第二离子门栅的电位绝对值V3≥第二迁移区电极的电位绝对值V5。
在一个实施例中，在所述离子门被打开时，保持第一离子门栅的电位绝对值V2和电离区的电位绝对值V1不变，对第二离子门栅施加反向的脉冲电位，使得第二离子门栅电位绝对值V2减小一个脉冲电位绝对值。
在一个实施例中，在所述离子门被打开时，迁移区的包括第一迁移区电极和第二迁移区电极的电极的电位绝对值保持与所述离子门关闭情况下相同。
在一个实施例中，在所述离子门保持关闭的情况下，离子迁移管设置为使得电离区的电位绝对值V1≥第二离子门栅的电位绝对值V3＞第一离子门栅的电位绝对值V2＞第一迁移区电极的电位绝对值V4＞第二迁移区电极的电位绝对值V5。
在一个实施例中，在所述离子门保持关闭的情况下，第二离子门栅的电位绝对值V3比第一离子门栅的电位绝对值V2高7～30伏特，并且第二离子门栅的电位绝对值V3与电离区的电位绝对值V1的差值不高于50伏特。
本发明的另一方面提供一种操作离子迁移管的方法，其中离子迁移管内部空间以及位于内部空间的可打开和关闭的离子门；内部空间包括具有电位绝对值V1的电离区和迁移区，物质由电离区一端进入离子迁移管，在电离区被离化，之后被电场驱使进入迁移区；
其中，电离区和迁移区之间设置的离子门具有电位绝对值V2的第一离子门栅和具有电位绝对值V3的第二离子门栅，第一离子门栅和第二离子门栅相互平行、通过绝缘片间隔开且将离子迁移管划分为所述电离区和迁移区；迁移区至少包括具有电位绝对值V4的第一迁移区电极和具有电位绝对值V5的第二迁移区电极，第二迁移区电极比第一迁移区电极远离第二离子门栅；
其中，所述方法包括，在所述离子门被打开时，在第一离子门栅和第一迁移区电极之间形成被离化的离子的势阱以便对进入迁移区的离子群压缩。
在一个实施例中，在所述离子门被打开时，保持第一离子门栅的电位绝对值V2和电离区的电位绝对值V1不变，对第二离子门栅施加反向的脉冲电位，使得第二离子门栅电位绝对值V2减小一个脉冲电位绝对值，从而第一离子门栅的电位绝对值V2＞第一迁移区电极的电位绝对值V4＞第二离子门栅的电位绝对值V3≥第二迁移区电极的电位绝对值V5。
在一个实施例中，在所述离子门被打开时，保持迁移区的包括第一迁移区电极和第二迁移区电极的电极的电位绝对值与所述离子门关闭情况下相同。
在一个实施例中，在所述离子门保持关闭的情况下，操作离子迁移管，使得电离区的电位绝对值V1≥第二离子门栅的电位绝对值V3＞第一离子门栅的电位绝对值V2＞第一迁移区电极的电位绝对值V4＞第二迁移区电极的电位绝对值V5。
在一个实施例中，在所述离子门保持关闭的情况下，操作离子迁移管使得第二离子门栅的电位绝对值V3比第一离子门栅的电位绝对值V2高7～30伏特，并且第二离子门栅的电位绝对值V3与电离区的电位绝对值V1的差值不高于50伏特。
附图说明
图1为本发明一个实施例的离子迁移管的示意图；
图2为采用Simion软件对传统迁移管所建模型图；
图3为采用Simion软件对所建迁移管模型在常规工作方式下运行10000个事例所获得的离子迁移谱；
图4为采用Simion软件对所建迁移管模型在根据本发明的实施例的工作模式下运行10000个事例所获得的离子迁移谱。
具体实施方式
尽管本发明容许各种修改和可替换的形式，但是它的具体的实施例通过例子的方式在附图中示出，并且将详细地在本文中描述。然而，应该理解，随附的附图和详细的描述不是为了将本发明限制到公开的具体形式，而是相反，是为了覆盖落入由随附的权利要求限定的本发明的精神和范围中的所有的修改、等同形式和替换形式。附图是为了示意，因而不是按比例地绘制的。
常规的离子迁移管主要由电离区11、迁移区30和探测器三部分组成，如图1。其中，电离区11与迁移区30采用离子门隔开。迁移区30和探测器则采用离子门隔开。离子门通常采用两个间隔开或者说是靠得很近的门栅形成，并且两个门栅之间通过绝缘片隔开。门栅可以是金属细丝形成的门栅，两个门栅之间加绝缘片。
在图1中，Vi为离化区电压，Vg1为第一门栅电极的电压，Vg2为第二个离子门栅电极的电压，同时第二个离子门栅电极的电压又是迁移区30的起始端电压(即迁移区30的最高电压)，同时迁移区30上的各电极电压由电阻分压获得，管体外壳和收集极为零电位。在离子门关闭的情况下，各电极电压的绝对值分别为|Vi|＝V1、|Vg1|＝V2、|Vg2|＝V3、|Vd1|＝V4，|Vd2|＝V5其高低关系如下：V1＞V3＞V2＞V4＞V5，其中V4与V5压差在75V左右。显然在离子门关闭时，两个离子门栅电极间有一个与迁移区30电场方向相反的电场，离子无法通过。
在常规的离子迁移管中，在离子门打开的瞬间，Vg1将被施加一个同原先电压极性相同的脉冲，幅度为ΔV，此时：(V2+ΔV)＞V3＞V4＞V5。在离子门打开瞬间，两个离子门栅电极间的反向电场被纠正，离子被允许通过。
在常规的离子迁移管的工作模式下，在离子门打开时间内进入迁移区30的离子群由于初始状态时各离子所处的位置及电位的不同从而获得了不同的飞行速度造成的飞行时间不同，最终将导致谱峰半高宽展宽，从而降低离子迁移谱仪分辨率。
在根据本发明的实施例中，提供一种离子迁移管，包括内部空间以及位于内部空间的可打开和关闭的离子门；内部空间包括具有电位绝对值V1的电离区11和迁移区30，物质由电离区11一端进入离子迁移管，在电离区11被离化，之后被电场驱使进入迁移区30。电离区11和迁移区30之间设置的离子门具有电位绝对值V2的第一离子门栅和具有电位绝对值V3的第二离子门栅，第一离子门栅和第二离子门栅相互平行、通过绝缘片间隔开且将离子迁移管划分为所述电离区11和迁移区30；迁移区30至少包括具有电位绝对值V4的第一迁移区电极31和具有电位绝对值V5的第二迁移区电极32，第二迁移区电极32比第一迁移区电极31远离第二离子门栅。根据本实施例，在所述离子门被打开时，在第一离子门栅和第一迁移区30电极之间形成被离化的离子的势阱以便对进入迁移区30的离子群压缩。
在本实施例中，在所述离子门被打开时，第一离子门栅的电位绝对值V2＞第一迁移区电极31的电位绝对值V4＞第二离子门栅的电位绝对值V3≥第二迁移区电极32的电位绝对值V5，即V2＞V4＞V3≥V5。其中，第二门栅的电压V3与第一门栅的电压V2之间的反向电场的电压幅度7V～30V，并且第二门栅与电离区11电位相差不高于50V。
由此，可以保证离子门打开时能够有足量的离子进入迁移区30，以保证迁移谱仪的灵敏度；另一方面，还可以保证在关门时无离子泄露。并且，离子门开启时将在第二离子门及第二迁移电极之间形成势垒，率先进入迁移区30的离子将被势垒减速以实现对离子群的压缩，离子门关闭后迁移电场恢复再对离子群加速。
根据本发明的实施例，在所述离子门有限的开门时间内，初始位置靠近离子门的第二门栅(靠前)的离子群率先进入迁移区，离子群将在由离子门系统(即第一门栅和第二门栅)和前两级迁移区电极(第一和第二迁移区电极)之间形成的势阱中率先减速，而初始位置靠后的离子群后进入迁移区，并在势阱中减速时间较率先进入迁移区离子群短或不减速，从而实现对进入迁移区总离子群的压缩，进而提高迁移管的分辨率。
根据本实施例，在所述离子门被打开时，可以保持第一离子门栅的电位绝对值V2和电离区11的电位绝对值V1不变，对第二离子门栅施加反向的脉冲电位，使得第二离子门栅电位绝对值V2减小一个脉冲电位绝对值。即，将现有技术中施加给第一离子栅门Vg1的跳动电压施加给第二离子栅门Vg2，且电压脉冲反向，同时维持第一离子栅门电压Vg1＝V2及离化区电压Vi＝V1。
根据本实施例，在离子迁移管中，在所述离子门保持关闭的情况下，离子迁移管设置为使得电离区11的电位绝对值V1≥第二离子门栅的电位绝对值V3＞第一离子门栅的电位绝对值V2＞第一迁移区电极31的电位绝对值V4＞第二迁移区电极32的电位绝对值V5，即，V1≥V3＞V2＞V4＞V5。根据本实施例，在所述离子门被打开时，包括第一迁移区电极31和第二迁移区电极32的电极的电位绝对值V4、V5保持与所述离子门关闭情况下相同。迁移区30的其他电极的电位绝对值可以保持与所述离子门关闭情况下相同。具体地，在一个实施例中，离子迁移管中，在所述离子门保持关闭的情况下，第二离子门栅的电位绝对值V3比第一离子门栅的电位绝对值V2高7～30伏特，并且第二离子门栅的电位绝对值V3与电离区11的电位绝对值V1的差值不高于50伏特。
根据本发明实施例的离子迁移管较之于现有技术中的常规结构的离子迁移管，迁移管的分辨率能提高5～10％左右。
本发明的实施例还提供一种操作离子迁移管的方法，其中离子迁移管内部空间以及位于内部空间的可打开和关闭的离子门；内部空间包括具有电位绝对值V1的电离区11和迁移区30，物质由电离区11一端进入离子迁移管，在电离区11被离化，之后被电场驱使进入迁移区30；其中，电离区11和迁移区30之间设置的离子门具有电位绝对值V2的第一离子门栅和具有电位绝对值V3的第二离子门栅，第一离子门栅和第二离子门栅相互平行、通过绝缘片间隔开且将离子迁移管划分为所述电离区11和迁移区30；迁移区30至少包括具有电位绝对值V4的第一迁移区电极31和具有电位绝对值V5的第二迁移区电极32，第二迁移区电极32比第一迁移区电极31远离第二离子门栅；其中，所述方法包括，在所述离子门被打开时，在第一离子门栅和第一迁移区电极31之间形成被离化的离子的势阱以便对进入迁移区30的离子群压缩。
根据本发明的实施例的方法，在所述离子门被打开时，保持第一离子门栅的电位绝对值V2和电离区11的电位绝对值V1不变，对第二离子门栅施加反向的脉冲电位，使得第二离子门栅电位绝对值V2减小一个脉冲电位绝对值，从而第一离子门栅的电位绝对值V2＞第一迁移区电极31的电位绝对值V4＞第二离子门栅的电位绝对值V3≥第二迁移区电极32的电位绝对值V5，即V2＞V4＞V3≥V5。其中，第二门栅的电压V3与第一门栅的电压V2之间的反向电场的电压幅度7V～30V，并且第二门栅与电离区11电位相差不高于50V。
根据本实施例的方法，在所述离子门被打开时，保持迁移区30的包括第一迁移区电极31和第二迁移区电极32的电极的电位绝对值与所述离子门关闭情况下相同。
根据本实施例的方法，在所述离子门保持关闭的情况下，操作离子迁移管，使得电离区11的电位绝对值V1≥第二离子门栅的电位绝对值V3＞第一离子门栅的电位绝对值V2＞第一迁移区电极31的电位绝对值V4＞第二迁移区电极32的电位绝对值V5即，V1≥V3＞V2＞V4＞V5。
下面给出一个离子迁移管的具体示例，及其分辨率的检测结果。
图2为根据常规的迁移管的结构及尺寸采用例如Simion软件所建模型，其中迁移区30长度为88mm，离子门的两个离子门栅之间的电压设置为20V，间距设置为0.5mm，迁移区30电场强度设置为260V/cm。
在离子门打开的常规方式下，当离子门关闭时，V3＞V2，两个离子门栅电极间有一个与迁移区30电场方向相反的电场，离子无法通过。在离子门打开的瞬间，第一门栅电极Vg1将被施加一个同原先电压极性相同的脉冲，幅度为ΔV，此时：(V2+ΔV)＞V3，两个离子门栅间的反向电场被改变，离子被允许通过。离子群在离子门的正向电场作用下，进入迁移区30，并在迁移区30弱电场及迁移气流的反向碰撞下穿过离子门栅，到达法拉第盘并被收集。
图3为采用Simion在常规的离子门工作状态下，运行10000个事例获得的迁移谱图，其中设定离子门打开时间为200us，周期为43ms。获得迁移谱半峰宽为0.475ms，峰位为23.8ms，分辨率为50.075。
在不改变Simion所建离子迁移管机构前提下，调整Simion软件运行条件，将原先施加给第一离子栅门Vg1的跳动电压施加给第二离子栅门Vg2，且电压脉冲反向，同时维持第一离子栅门电压Vg1＝V2及离化区电压Vi＝V1。关门时，V2＜V3两个离子门栅电极间有一个与迁移区30电场方向相反的电场，离子无法通过；离子门打开时，V2＞V4＞V3≥V5，离子门间的反向电场被改变，离子被允许通过，离子到达迁移区30后，由于第二离子栅门电压V3小于第一迁移电极电压V4，达到迁移区30的离子群在反向电场的作用下将得到压缩。离子门关闭后，迁移电场恢复正常，离子群在迁移电场及迁移气流的作用下匀速迁移并被法拉第盘接收。图4为采用Simion将离子门打开方式按本方案更改后运行10000个事例获得的迁移谱图，其中设定离子门打开时间为200us，周期为43ms。获得迁移谱半峰宽为0.440ms，峰位为23.8ms，分辨率为54.071。
从计算来看按照本方案在不改变迁移管结构的前提下调整传统迁移管的离子门打开方式后，迁移谱半峰宽由0.475ms降至0.440ms。调整后离子门打开方式对进入迁移区30的离子群具有一定的压缩效果，迁移管分辨率提高了8％左右。(效果部分：1.改动小，实现简单；2.压缩，不仅是势垒，而是势阱)
虽然本总体专利构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体专利构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
Claims (11)
1.一种离子迁移管，包括内部空间以及位于内部空间的可打开和关闭的离子门；内部空间包括具有电位绝对值V1的电离区和与电离区通过离子门分隔开的迁移区，物质由电离区一端进入离子迁移管，在电离区被离化，之后被电场驱使进入迁移区；
其中，电离区和迁移区之间设置的离子门包括具有电位绝对值V2的第一离子门栅和具有电位绝对值V3的第二离子门栅，第一离子门栅和第二离子门栅相互平行、通过绝缘片间隔开且将离子迁移管划分为所述电离区和迁移区；迁移区至少包括具有电位绝对值V4的第一迁移区电极和具有电位绝对值V5的第二迁移区电极，第二迁移区电极比第一迁移区电极远离第二离子门栅；
其中，在所述离子门被打开时，在第一离子门栅和第一迁移区电极之间形成被离化的离子的势阱以便对进入迁移区的离子群压缩。
2.如权利要求1所述的离子迁移管，其中，在所述离子门被打开时，第一离子门栅的电位绝对值V2大于第一迁移区电极的电位绝对值V4，第一迁移区电极的电位绝对值V4大于第二离子门栅的电位绝对值V3，第二离子门栅的电位绝对值V3大于或等于第二迁移区电极的电位绝对值V5。
3.如权利要求2所述的离子迁移管，其中，在所述离子门被打开时，保持第一离子门栅的电位绝对值V2和电离区的电位绝对值V1不变，对第二离子门栅施加反向的脉冲电位，使得第二离子门栅电位绝对值V2减小一个脉冲电位绝对值。
4.如权利要求2所述的离子迁移管，其中，在所述离子门被打开时，迁移区的包括第一迁移区电极和第二迁移区电极的电极的电位绝对值保持与所述离子门关闭情况下相同。
5.如权利要求1所述的离子迁移管，其中，在所述离子门保持关闭的情况下，离子迁移管设置为使得电离区的电位绝对值V1大于或等于第二离子门栅的电位绝对值V3，第二离子门栅的电位绝对值V3大于第一离子门栅的电位绝对值V2，第一离子门栅的电位绝对值V2大于第一迁移区电极的电位绝对值V4，第一迁移区电极的电位绝对值V4大于第二迁移区电极的电位绝对值V5。
6.如权利要求5所述的离子迁移管，其中，在所述离子门保持关闭的情况下，第二离子门栅的电位绝对值V3比第一离子门栅的电位绝对值V2高7～30伏特，并且第二离子门栅的电位绝对值V3与电离区的电位绝对值V1的差值不高于50伏特。
7.一种操作离子迁移管的方法，其中离子迁移管内部空间以及位于内部空间的可打开和关闭的离子门；内部空间包括具有电位绝对值V1的电离区和迁移区，物质由电离区一端进入离子迁移管，在电离区被离化，之后被电场驱使进入迁移区；
其中，电离区和迁移区之间设置的离子门具有电位绝对值V2的第一离子门栅和具有电位绝对值V3的第二离子门栅，第一离子门栅和第二离子门栅相互平行、通过绝缘片间隔开且将离子迁移管划分为所述电离区和迁移区；迁移区至少包括具有电位绝对值V4的第一迁移区电极和具有电位绝对值V5的第二迁移区电极，第二迁移区电极比第一迁移区电极远离第二离子门栅；
其中，所述方法包括，在所述离子门被打开时，在第一离子门栅和第一迁移区电极之间形成被离化的离子的势阱以便对进入迁移区的离子群压缩。
8.如权利要求7所述的方法，其中在所述离子门被打开时，保持第一离子门栅的电位绝对值V2和电离区的电位绝对值V1不变，对第二离子门栅施加反向的脉冲电位，使得第二离子门栅电位绝对值V2减小一个脉冲电位绝对值，从而使得第一离子门栅的电位绝对值V2大于第一迁移区电极的电位绝对值V4，第一迁移区电极的电位绝对值V4大于第二离子门栅的电位绝对值V3，第二离子门栅的电位绝对值V3大于或等于第二迁移区电极的电位绝对值V5。
9.如权利要求8所述的方法，其中在所述离子门被打开时，保持迁移区的包括第一迁移区电极和第二迁移区电极的电极的电位绝对值与所述离子门关闭情况下相同。
10.如权利要求7所述的方法，其中在所述离子门保持关闭的情况下，操作离子迁移管，使得电离区的电位绝对值V1大于或等于第二离子门栅的电位绝对值V3，第二离子门栅的电位绝对值V3大于第一离子门栅的电位绝对值V2，第一离子门栅的电位绝对值V2大于第一迁移区电极的电位绝对值V4，第一迁移区电极的电位绝对值V4大于第二迁移区电极的电位绝对值V5。
11.如权利要求10所述的方法，其中在所述离子门保持关闭的情况下，操作离子迁移管使得第二离子门栅的电位绝对值V3比第一离子门栅的电位绝对值V2高7～30伏特，并且第二离子门栅的电位绝对值V3与电离区的电位绝对值V1的差值不高于50伏特。
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