CN108226272A - 一种基于光纤spr传感器的离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤SPR传感器的离子迁移谱仪，包括迁移管和与迁移管相耦合的检测装置，检测装置包括光谱仪、带宽光源、光纤SPR传感器，迁移管包括按样品气体的迁移方向依次设置的电离区、离子门、迁移区、聚焦区，光纤SPR传感器的光纤探头伸入迁移管内部，并通过光纤连接到带宽光源和光谱仪，待测气体产生的离子到达光纤探头时，使特定波长的反射光强度在光纤中减弱，利用光谱仪检测光纤中传导的减弱的反射光所对应的波长，并根据离子门开启时刻到光纤探头检测到信号的时刻，来确定离子在迁移管内的迁移时间，以结合检测的波长信息和迁移时间信息鉴别待测气体中所含的物质。该离子迁移谱仪响应速度快，检测灵敏度和准确性高，尺寸小，灵活性强。

Description

一种基于光纤SPR传感器的离子迁移谱仪

技术领域

本发明涉及离子迁移谱仪，特别是涉及一种基于光纤SPR传感器的离子迁移谱仪。

背景技术

离子迁移谱(IMS)检测技术是一种有效的化学物质分析方法，它是一种通过将气体分子或空气中的微粒电离，然后使带电微粒子在电场中迁移，通过迁移速率的不同，来区分物质种类的检测技术。现有的离子迁移谱仪的检测装置是法拉第盘，即一个导电的金属片。带电粒子撞击在法拉第盘上会产生微弱电流，此电流信号经过放大后成为有用的检测信号。以法拉第盘作为检测器虽然已经比较成熟，但仍然存在着一些难以解决的弊端，例如约翰逊噪声、增益带宽积限制、空气中电磁干扰、诱导电流等。

表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感器是一种新型的光电检测装置，它的关键探测部分是一个基于表面等离子体共振效应的敏感区域，当入射光在满足一定条件时，引起金属自由电子的共振，从而使特定波长的反射光明显减弱来实现传感效应。SPR传感器具有设备简单、灵敏度高、稳定性好、响应快速的优点，已经在医学、生物、环境、食品检测、制药等许多领域得到广泛的应用。传统的SPR传感器为棱镜式结构，体积较大，结构复杂。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光纤SPR传感器的离子迁移谱仪，消除传统的法拉第盘存在约翰逊噪声、受增益带宽积限制、受空气中电磁干扰影响以及存在诱导电流等缺点，提高离子迁移谱仪的响应速度、检测灵敏度和检测准确性，同时还获得小尺寸、高灵活性以及低成本的优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于光纤SPR传感器的离子迁移谱仪，包括迁移管和与所述迁移管相耦合的检测装置，所述检测装置包括光谱仪和带宽光源，所述迁移管包括按样品气体的迁移方向依次设置的电离区、离子门、迁移区和聚焦区，所述检测装置还包括光纤SPR传感器，所述光纤SPR传感器包括光纤探头，所述光纤探头伸入所述迁移管内部，并通过光纤连接到所述带宽光源和所述光谱仪，待测气体经电离后产生的离子依次经过所述离子门、所述迁移区、所述聚焦区，最终到达所述光纤探头，其中当离子到达所述光纤探头时，使来自所述带宽光源的特定波长的反射光强度在所述光纤中减弱，利用所述光谱仪检测所述光纤中传导的减弱的反射光所对应的波长，并根据所述离子门开启时刻到所述光纤探头检测到信号的时刻，来确定离子在所述迁移管内的迁移时间，以结合检测的波长信息和迁移时间信息鉴别待测气体中所含的物质。

进一步地：

所述光纤探头包括由银层覆盖的光密介质，所述光密介质的一端与所述光纤耦合，所述光密介质的另一端设置有全反射镜，所述银层的外侧设置有表面等离子体，来自所述光纤的入射光经过与所述表面等离子体相对应的光密介质表面和所述全反射镜的反射后，出射光返回所述光纤。

所述光纤SPR传感器还包括P型偏振片、光纤耦合器及耦合接头，所述带宽光源通过所述P型偏振片连接到所述光纤耦合器的第一端，所述光谱仪连接到所述光纤耦合器的第二端，所述光纤探头通过所述耦合接头连接到所述光纤耦合器的第三端。

所述迁移管在所述聚焦区设置有漂移气入口，在所述电离区靠近所述离子门处设置有漂移气出口，漂移气从所述漂移气入口进入所述迁移管内并从所述漂移气出口流出，优选地，所述迁移管内部设置有多个金属的迁移环，多个迁移环在所述迁移管内施加均匀递减电势，产生推动离子前进的匀强电场。

所述光纤探头沿所述迁移管轴向伸入所述迁移管内部。

所述光纤探头位于所述迁移管中心处，伸入长度约3mm。

所述光纤探头垂直所述迁移管轴向伸入所述迁移管内部。

所述聚焦区具有等电势的电极片，所述电极片产生电场方向指向所述迁移管中心的对称电场以进行离子聚焦。

所述电极片为圆筒形，贴于所述聚焦区的内壁，与所述迁移管之间有绝缘层相隔，所述电极片的内部形成指向圆柱轴心的电场，将进来的离子汇聚。

所述电极片为铜片。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供的基于光纤SPR传感器的离子迁移谱仪，通过设计以光纤SPR传感器代替法拉第盘，能够很好地消除传统的法拉第盘存在约翰逊噪声、受增益带宽积限制、受空气中电磁干扰影响以及存在诱导电流等缺点，有效地提高了离子迁移谱仪的响应速度、检测灵敏度和检测准确性，其响应速度快，灵敏度高，具有很好的应用前景，同时，本发明基于光纤SPR传感器的离子迁移谱仪还获得了小尺寸、高灵活性以及低成本等独特优势。

本发明另一重要优势在于，基于光纤SPR传感器的离子迁移谱仪可以根据检测到的离子迁移的时间信息以及传导光纤中减弱的反射光所对应的波长信息，通过结合离子迁移时间和反射光波长两种信息，对待测物质进行鉴定，使检测结果更加准确。

附图说明

图1是本发明一种实施例的光纤SPR传感器离子迁移谱仪结构图；

图2是本发明一种实施例的光纤SPR传感器探头的结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种实施例中，一种基于光纤SPR传感器的离子迁移谱仪，包括迁移管和与所述迁移管相耦合的检测装置，所述检测装置包括光谱仪和带宽光源113，所述迁移管包括按样品气体的迁移方向依次设置的电离区103、离子门104、迁移区105和聚焦区107，所述检测装置还包括光纤SPR传感器，所述光纤SPR传感器包括光纤探头109，所述光纤探头109伸入所述迁移管内部，并通过光纤连接到所述带宽光源113和所述光谱仪114，待测气体经电离后产生的离子依次经过所述离子门、所述迁移区、所述聚焦区107，最终到达所述光纤探头109，其中当离子到达所述光纤探头109时，使来自所述带宽光源113的特定波长的反射光强度在所述光纤中减弱，利用所述光谱仪114检测所述光纤中传导的减弱的反射光所对应的波长，并根据所述离子门开启时刻到所述光纤探头109检测到信号的时刻，来确定离子在所述迁移管内的迁移时间，以结合检测的波长信息和迁移时间信息鉴别待测气体中所含的物质。

参阅图2，在优选的实施例中，所述光纤探头109包括由银层205覆盖的光密介质(纤芯)204，所述光密介质204的一端与具有包层203的光纤耦合，所述光密介质204的另一端设置有全反射镜206，所述银层205的外侧设置有表面等离子体207，来自所述光纤的入射光201经过与所述表面等离子体207相对应的光密介质204的表面和所述全反射镜206的反射后，出射光202返回所述光纤。

参阅图1，在优选的实施例中，所述光纤SPR传感器还包括P型偏振片112、光纤耦合器111及耦合接头，所述带宽光源113通过所述P型偏振片112连接到所述光纤耦合器111的第一端，所述光谱仪114连接到所述光纤耦合器111的第二端，所述光纤探头109通过所述耦合接头110连接到所述光纤耦合器111的第三端。

参阅图1，在一些实施例中，离子迁移谱仪还包括连接所述光谱仪114的数据处理与控制部分，例如计算机115。

参阅图1，在优选的实施例中，所述光纤探头109沿所述迁移管轴向伸入所述迁移管内部。

在更优选的实施例中，所述光纤探头109位于所述迁移管中心处，伸入长度约3mm。

在另一种实施例中，所述光纤探头109垂直所述迁移管轴向伸入所述迁移管内部。

参阅图1，在优选的实施例中，所述聚焦区107具有等电势的电极片108，所述电极片108产生电场方向指向所述迁移管中心的对称电场以进行离子聚焦。

在更优选的实施例中，所述电极片108为圆筒形，贴于所述聚焦区107的内壁，与所述迁移管之间有绝缘层相隔，所述电极片108的内部形成指向圆柱轴心的电场，将进来的离子汇聚。所述电极片108优选为铜片。

参阅图1，在优选的实施例中，迁移管在聚焦区107设置有漂移气入口，在电离区103靠近离子门处设置有漂移气出口，漂移气102从漂移气入口进入迁移管内并从漂移气出口流出。通过漂移气在迁移管内的流通，去除迁移管内多余的中性分子；提高离子在飞行过程中与分子的碰撞次数，提高检测分辨率；清洗管壁，去除检测残留。

在优选的实施例中，迁移管内部设置有多个金属的迁移环106。多个迁移环在迁移管内施加均匀递减电势，产生推动离子前进的匀强电场。

工作时，载气和样品气体101进入迁移管的电离区103，电离产生离子并迁移经过迁移区105、聚焦区107，所述光纤SPR传感器在有离子到达时，光纤中会有特定波长的反射光强度减弱，利用光谱仪114可检测出该信号。其中，所述光纤SPR离子迁移谱仪除了可以检测到传导光纤中减弱的反射光所对应的波长，还可以检测到离子迁移的时间信息，结合迁移时间和波长两种信息对物质进行鉴定，使检测结果更加准确。

以下结合图进一步描述本发明的具体实施例。

图1显示本发明一种具体实施例的离子迁移谱仪结构，其中103为电离区，104为离子门，105为迁移区，106为漂移环，107为聚焦区，108为电极片，109为光纤探头，110为耦合接头，111为光纤耦合器，112为P型偏振片，113为带宽光源，114为光谱仪，115为计算机。

离子迁移谱仪的迁移管的结构按样品气的迁移方向依次为电离区、离子门、迁移区、聚焦区。样品气体经电离后依次经过离子门、迁移区、聚焦区，最终到达光纤探头。

光纤探头安装于迁移管末端，伸入迁移管内部。光纤探头安装方向为沿迁移管轴向，位于迁移管中心处，伸入长度约3mm。当离子到达传感器探头时，光纤中特定波长的反射光强度减弱，利用光谱仪将检测出该信号。

电极片为金属铜，将其加工成圆筒形状放置于迁移管中，传感器器探头前，通有稳定电压。内部形成指向圆柱轴心的电场，将进来的粒子汇聚。电极片与迁移管以绝缘材料间隔。

在一次检测过程中，从光谱仪的信号当中可以同时获取信号产生的时间和信号对应的波长。离子门开门时刻到检测到信号的时刻所经历的时间为离子在迁移管内迁移的时间。由于迁移率的区别，不同成分的样品离子会按不同时间先后抵达，由迁移时间信息可以鉴别待测气体中所含的物质；波长信息也反映出待检测气体中所含有的物质信息。利用相互补充的两种信息，能够提高整个仪器的灵敏度和准确性。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤SPR传感器的离子迁移谱仪，包括迁移管和与所述迁移管相耦合的检测装置，所述检测装置包括光谱仪和带宽光源，其特征在于,所述迁移管包括按样品气体的迁移方向依次设置的电离区、离子门、迁移区和聚焦区，所述检测装置还包括光纤SPR传感器，所述光纤SPR传感器包括光纤探头，所述光纤探头伸入所述迁移管内部，并通过光纤连接到所述带宽光源和所述光谱仪，待测气体经电离后产生的离子依次经过所述离子门、所述迁移区、所述聚焦区，最终到达所述光纤探头，其中当离子到达所述光纤探头时，使来自所述带宽光源的特定波长的反射光强度在所述光纤中减弱，利用所述光谱仪检测所述光纤中传导的减弱的反射光所对应的波长，并根据所述离子门开启时刻到所述光纤探头检测到信号的时刻，来确定离子在所述迁移管内的迁移时间，以结合检测的波长信息和迁移时间信息鉴别待测气体中所含的物质。

2.如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于,所述光纤探头包括由银层覆盖的光密介质，所述光密介质的一端与所述光纤耦合，所述光密介质的另一端设置有全反射镜，所述银层的外侧设置有表面等离子体，来自所述光纤的入射光经过与所述表面等离子体相对应的光密介质表面和所述全反射镜的反射后，出射光返回所述光纤。

3.如权利要求1或2所述的离子迁移谱仪，其特征在于,所述光纤SPR传感器还包括P型偏振片、光纤耦合器及耦合接头，所述带宽光源通过所述P型偏振片连接到所述光纤耦合器的第一端，所述光谱仪连接到所述光纤耦合器的第二端，所述光纤探头通过所述耦合接头连接到所述光纤耦合器的第三端。

4.如权利要求1至3任一项所述的离子迁移谱仪，其特征在于,所述迁移管在所述聚焦区设置有漂移气入口，在所述电离区靠近所述离子门处设置有漂移气出口，漂移气从所述漂移气入口进入所述迁移管内并从所述漂移气出口流出，优选地，所述迁移管内部设置有多个金属的迁移环，多个迁移环在所述迁移管内施加均匀递减电势，产生推动离子前进的匀强电场。

5.如权利要求1至4任一项所述的离子迁移谱仪，其特征在于,所述光纤探头沿所述迁移管轴向伸入所述迁移管内部。

6.如权利要求5所述的离子迁移谱仪，其特征在于,所述光纤探头位于所述迁移管中心处，伸入长度约3mm。

7.如权利要求1至4任一项所述的离子迁移谱仪，其特征在于,所述光纤探头垂直所述迁移管轴向伸入所述迁移管内部。

8.如权利要求1至7任一项所述的离子迁移谱仪，其特征在于,所述聚焦区具有等电势的电极片，所述电极片产生电场方向指向所述迁移管中心的对称电场以进行离子聚焦。

9.如权利要求8所述的离子迁移谱仪，其特征在于,所述电极片为圆筒形，贴于所述聚焦区的内壁，与所述迁移管之间有绝缘层相隔，所述电极片的内部形成指向圆柱轴心的电场，将进来的离子汇聚。

10.如权利要求8或9所述的离子迁移谱仪，其特征在于,所述电极片为铜片。