CN107818908B - 一种差分离子迁移谱与高场不对称波形离子迁移谱联用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差分离子迁移谱与高场不对称波形离子迁移谱联用装置。包括差分离子迁移谱、高场不对称波形离子迁移谱以及连通两者的接口装置，所述的差分离子迁移谱包括第一基板、第一进气口、离子源、离子源基板、第二进气口、第一尾气口、第一离子选择电极及第二离子选择电极，所述的高场不对称波形离子迁移谱包括第二基板、第三进气口、第二尾气口、第一离子分离电极、第二离子分离电极、弱电流检测电极、弱电流探测器及偏置电极，所述的接口装置由第一牵引电极以及第二牵引电极组成。由上述技术方案可知，本发明实现了待测物质离子在空间位置和迁移速度差异的二次分离，可实现离子迁移谱在复杂环境下污染物的现场检测。

Description

一种差分离子迁移谱与高场不对称波形离子迁移谱联用装置

技术领域

本发明涉及离子迁移谱领域，具体涉及一种差分离子迁移谱与高场不对称波形离子迁移谱联用装置。

背景技术

离子迁移谱是一种基于气态离子迁移率差别，在电场和流场的共同作用下实现离子分离识别的一种分析技术，具有灵敏度高、结构简单、检测速度快等优点，已在爆炸物、环境等现场领域有着广泛的应用。离子迁移谱根据工作方式可分为多种，其中差分离子迁移谱和高场不对称波形离子迁移谱作为其中的两种，因其结构简单和工作条件为常压成为近年来研究的热点。

差分离子迁移谱是一种在低电场下带电粒子迁移空间位置差异实现离子分离的分析技术。早期用于气溶胶等颗粒物粒径的检测，在环境监测、生物质谱等领域需求的推动下，差分离子迁移谱检测对象粒径逐渐从微米拓展至纳米尺度，并在近年来被尝试用于生物大分子和气体小分子检测。20世纪80年代逐渐有人开始研究用于现场环境污染物检测的差分离子迁移谱技术，并成功的实现环境污染物挥发性有机物的检测，2013年，西班牙V.Pomareda等人采用差分离子迁移谱对丙酮和甲苯等分子物质进行检测和基于多变量数据处理进行定量和定性分析，研究发现差分离子迁移谱具有检测速度快、功耗低等优点，但是其分辨相对较低，无法满足复杂环境下的污染物成分分析。

高场不对称波形离子迁移谱是一种在高电场下离子迁移率差异实现离子分离的一种分析技术，具有分辨率高等优点，自问世以来一直在复杂环境领域有着广泛的应用。高场不对称波形离子迁移谱分辨率与其分离电场的大小有着密切关系，在上世纪九十年代，美国新墨西哥州立大学的G.A.Eiceman研究团队发现分辨率随着高场不对称波形离子迁移谱分析器内部电场的增加而增加，但是其在复杂环境中干扰物成分较多，为了提高高场不对称波形离子迁移谱的分辨识别能力，只有通过提高其核心器件分析器的内部电场，导致该仪器整体功耗大，且灵敏度也随着电场的增加呈指数形式下降，无法满足大部分物质成分的检测。

美国专利US7858927B2采用差分离子迁移谱与质谱联用，实现物质成分谱图的二维识别，其中差分离子迁移谱工作于常压下，而质谱工作于真空环境下，二者技术联用需要设计复杂的接口装置，且现有的质谱仪器体积相对较大，一般用于实验室物质成分分析，不能用于现场复杂环境下污染物的检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种差分离子迁移谱与高场不对称波形离子迁移谱联用装置，解决了离子迁移谱技术在复杂环境下分辨率低和功耗大等问题，实现复杂环境下现场物质成分的检测和分析。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括差分离子迁移谱、高场不对称波形离子迁移谱以及连通两者的接口装置，所述的差分离子迁移谱包括第一基板，差分离子迁移谱的内部设有相通的离化区及离子选择区，所述的离化区设有供载气进入的第一进气口，且离化区内设有离子源，所述的离子源固定在离子源基板上，所述的离子选择区设有供鞘气进入的第二进气口以及用于排气的第一尾气口，且离子选择区内设有第一离子选择电极及第二离子选择电极，所述的高场不对称波形离子迁移谱包括第二基板，所述的第二基板上设有供迁移气进入的第三进气口以及用于排气的第二尾气口，所述高场不对称波形离子迁移谱内设置有第一离子分离电极、第二离子分离电极、弱电流检测电极、与弱电流检测电极相连的弱电流探测器以及偏置电极，所述的接口装置由固定在第一基板表面的第一牵引电极以及固定第二基板表面的第二牵引电极组成。

所述的第一离子选择电极及第二离子选择电极与直流扫描电压相连，所述的第一离子分离电极与高频电压相连，所述的第二离子分离电极与直流扫描电压相连，所述的偏置电极与直流电压相连。

所述的第一基板采用氧化铝陶瓷制成，所述的第一离子选择电极、第二离子选择电极及第一牵引电极采用厚膜工艺方法印刷银浆制成。

所述的第二基板采用硼硅玻璃制成，所述的第二牵引电极、第一离子分离电极及第二离子分离电极采用磁控溅射金靶材制成。

所述的载气、鞘气及迁移气分别与气泵相连。

由上述技术方案可知，本发明利用差分离子迁移谱在低电场条件下不同离子在迁移空间位置上的差异实现待测物质离子的初次分离，初次分离后的待测物质离子到达接口装置处，受到接口装置电场牵引至高场不对称波形离子迁移谱分离区，在高电场的作用下离子迁移速度差异进一步分离，并被分离。本发明实现了待测物质离子在空间位置和迁移速度差异的二次分离，可实现离子迁移谱在复杂环境下污染物的现场检测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种差分离子迁移谱与高场不对称波形离子迁移谱联用装置，包括差分离子迁移谱10、高场不对称波形离子迁移谱20以及连通两者的接口装置30，差分离子迁移谱10包括第一基板11，差分离子迁移谱10的内部设有相通的离化区及离子选择区，离化区设有供载气40进入的第一进气口12，且离化区内设有离子源13，离子源13固定在离子源基板14上，离子选择区设有供鞘气50进入的第二进气口15以及用于排气的第一尾气口16，且离子选择区内设有第一离子选择电极17及第二离子选择电极18。具体地说，离子源13和离子源基板14构成差分离子迁移谱10的离化区，第一离子选择电极17和第二离子选择电极18构成差分离子迁移谱10的离子选择区，载气40、第一尾气口16和鞘气50构成差分离子迁移谱10的气路结构。待测样品100在载气40的作用下由第一进气口12进入离化区，被离子源13离化成离子团200，离子团200在载气40的作用下进入离子选择区，通过在第一离子选择电极17和第二离子选择电极18上施加直流扫描电压，离子团200在鞘气50和扫描电场的共同作用下被选择为离子团300并进入接口装置30。

进一步的，接口装置30由固定在第一基板11表面的第一牵引电极31以及固定第二基板21表面的第二牵引电极32组成。

进一步的，高场不对称波形离子迁移谱20包括第二基板21，第二基板21上设有供迁移气60进入的第三进气口22以及用于排气的第二尾气口23，高场不对称波形离子迁移谱20内设置有第一离子分离电极24、第二离子分离电极25、弱电流检测电极26、与弱电流检测电极26相连的弱电流探测器27以及偏置电极28。具体地说，第一离子分离电极24和第二离子分离电极25构成高场不对称波形离子迁移谱20的分离区，弱电流探测器27、弱电流检测电极26和偏置电极28构成高场不对称波形离子迁移谱20的检测区，第二尾气口23和迁移气60构成高场不对称波形离子迁移谱20的气路结构。离子团300在接口装置30的第一牵引电极31、第二牵引电极32产生的电场作用下，离子团300全部进入高场不对称波形离子迁移谱20中，在迁移气60的作用下，离子团300被牵引至高场不对称波形离子迁移谱20的分离区，在第一离子分离电极24上施加高频率高电压，在第二离子分离电极25上施加直流扫描电压，离子团300在高频高电场和扫描电场的作用下分离为离子400，离子400随迁移气60进入检测区，在偏置电极28上施加5V的直流电压，离子400被牵引至弱电流检测电极26并被检测。

进一步的，第一离子选择电极17及第二离子选择电极18与直流扫描电压相连，第一离子分离电极24与高频电压相连，第二离子分离电极25与直流扫描电压相连，偏置电极28与直流电压相连。

进一步的，第一基板11采用氧化铝陶瓷制成，第一离子选择电极17、第二离子选择电极18及第一牵引电极31采用厚膜工艺方法印刷银浆制成。氧化铝陶瓷具有良好的力学性能，可通过其制造差分离子迁移谱10的基板，也可以改变离子入口结构便于离子源实现完美集成；

进一步的，第二基板21采用硼硅玻璃制成，第二牵引电极32、第一离子分离电极24及第二离子分离电极25采用磁控溅射金靶材制成。经过抛光后的硼硅玻璃基板表面平整度高，通过磁控溅射机溅射金靶材于其表面上，溅射的电极表面平整度高，降低了在高电场条件下高场不对称波形离子迁移谱20的分辨率，

进一步的，载气40、鞘气50及迁移气60分别与气泵相连。

本发明的工作原理及工作过程如下：

待测样品100随载气40进入离化区，在离子源的作用下被离化成初始离子团200，该离子团200通过狭缝进入离子选择区，受到鞘气50和第一离子选择电极及第二离子选择电极所产生电场的共同作用，不同离子的迁移空间位置的差异而具有不同的运动轨迹，只有特定的离子团300才能穿过离子选择区到达接口装置30，被选择后的离子团300在第一牵引电极和第二牵引电极所产生的电场作用下，被全部牵引至高场不对称波形离子迁移谱20中，受到迁移气60和第一离子分离电极及第二离子分离电极所产生电场的共同作用，只有特定的离子400才能穿过分离区到达检测区，离子400进入检测区后受到偏置电极产生的偏置电压作用被牵引至弱电流检测电极，产生的微弱电流被弱电流探测器捕获到并放大输出至显示器上，获得待测物的特征离子谱图，通过谱图解析，实现对目标物的种类、含量等信息的确定。

本发明的有益效果在于：1）本发明在高场不对称波形离子迁移谱前端增加一个差分离子迁移谱，基于差分离子迁移谱离子迁移空间位置的差异实现待测物质离子的初次选择，在不牺牲离子迁移谱分辨率的前提下，降低了高场不对称波形离子迁移谱的分离电压，进而降低了迁移谱的功耗和体积，有利于离子迁移谱设备的微型化，为离子迁移谱在现场检测提供了契机；2）本发明的差分离子迁移谱和高场不对称波形离子迁移谱联用技术，将获得物质基于差分离子迁移谱和高场不对称波形离子迁移谱的二维谱图信息，提高离子迁移谱在复杂环境下的识别能力；3）本发明在接口装置处设计离子牵引电极，可以提高离子迁移谱的灵敏度；4）本发明的高场不对称波形离子迁移谱和差分离子迁移谱都工作在常压条件下，且结构和工作方式相似，可实现微型化联用技术的研制，用于现场复杂环境下污染物的检测。

综上所述，本发明对在复杂环境下污染物的现场检测具有重要意义，通过差分离子迁移谱迁移空间位置上的差异实现离子团的初次分离后，到达高场不对称波形离子迁移谱中被二次分离，随后被检测到，降低高场不对称波形离子迁移谱的分离电压，在不牺牲离子迁移谱的分辨率的前提下，提高灵敏度，降低仪器功耗和体积；同时本发明在接口装置处设计离子牵引区，将差分离子迁移谱选择后的离子全部牵引至高场不对称波形离子迁移谱中，解决了部分离子随鞘气牵引至迁移谱分析器外的问题，提高了联用技术的灵敏度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种差分离子迁移谱与高场不对称波形离子迁移谱联用装置，其特征在于：包括差分离子迁移谱（10）、高场不对称波形离子迁移谱（20）以及连通两者的接口装置（30），所述的差分离子迁移谱（10）包括第一基板（11），差分离子迁移谱（10）的内部设有相通的离化区及离子选择区，所述的离化区设有供载气（40）进入的第一进气口（12），且离化区内设有离子源（13），所述的离子源（13）固定在离子源基板（14）上，所述的离子选择区设有供鞘气（50）进入的第二进气口（15）以及用于排气的第一尾气口（16），且离子选择区内设有第一离子选择电极（17）及第二离子选择电极（18），所述的高场不对称波形离子迁移谱（20）包括第二基板（21），所述的第二基板（21）上设有供迁移气（60）进入的第三进气口（22）以及用于排气的第二尾气口（23），所述高场不对称波形离子迁移谱（20）内设置有第一离子分离电极（24）、第二离子分离电极（25）、弱电流检测电极（26）、与弱电流检测电极（26）相连的弱电流探测器（27）以及偏置电极（28），所述的接口装置（30）由固定在第一基板（11）表面的第一牵引电极（31）以及固定第二基板（21）表面的第二牵引电极（32）组成。

2.根据权利要求1所述的差分离子迁移谱与高场不对称波形离子迁移谱联用装置，其特征在于：所述的第一离子选择电极（17）及第二离子选择电极（18）与直流扫描电压相连，所述的第一离子分离电极（24）与高频电压相连，所述的第二离子分离电极（25）与直流扫描电压相连，所述的偏置电极（28）与直流电压相连。

3.根据权利要求1所述的差分离子迁移谱与高场不对称波形离子迁移谱联用装置，其特征在于：所述的第一基板（11）采用氧化铝陶瓷制成，所述的第一离子选择电极（17）、第二离子选择电极（18）及第一牵引电极（31）采用厚膜工艺方法印刷银浆制成。

4.根据权利要求1所述的差分离子迁移谱与高场不对称波形离子迁移谱联用装置，其特征在于：所述的第二基板（21）采用硼硅玻璃制成，所述的第二牵引电极（32）、第一离子分离电极（24）及第二离子分离电极（25）采用磁控溅射金靶材制成。

5.根据权利要求1所述的差分离子迁移谱与高场不对称波形离子迁移谱联用装置，其特征在于：所述的载气（40）、鞘气（50）及迁移气（60）分别与气泵相连。