CN111199867A - 一种低歧视离子门及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低歧视离子门及控制方法，该装置由依次设置在离子迁移管内的离子源和法拉第盘之间的三个平行、同轴、间隔、绝缘的栅网1、栅网2和栅网3组成。栅网1和离子源之间的区域为反应区，栅网3与法拉第盘之间的区域为迁移区。通过周期性控制该离子门中三个栅网之间的电场，实现不同迁移率离子的低歧视注入。每个周期有三种状态：第一状态时，离子源，栅网1、栅网2和栅网3和法拉第盘上的电势依次降低；调至第二状态，栅网1和栅网2之间的电场方向与反应区及迁移区的电场方向相反，将该离子门调至第三状态，第三状态维持一段时间后，再次切换到第一状态，开始下一周期。这种离子门和控制方法，可以实现不同迁移率离子的低歧视注入。

Description

一种低歧视离子门及控制方法

技术领域

本发明涉及一种离子迁移管中离子门装置及控制方法。

背景技术

离子迁移谱由于分析速度快，灵敏度高，体积小巧，操作简单等优点，被广泛应用于化学毒剂，炸药，毒品等的检测。[1]此外由于离子迁移谱能分离同分异构体，还经常和质谱联用检测生物样品。[2]近年来，离子迁移谱的应用深入到医疗诊断，环境检测，食品分析等领域。这些复杂的样品会产生多种不同迁移率的离子。离子门是迁移管中的关键零件之一，其作用是周期性的将一团离子注入到迁移区进行分离和检测。所以，离子门将不同迁移率的离子低歧视地注入到迁移区，是提高灵敏度的关键因素。

离子迁移管中最常用的离子门是Bradbury-Nielsen gate(BNG)，[1]这种离子门由两组平行，绝缘，依次交替，处于同一平面的金属丝组成。在开门时，两组丝上的电势相同。在关门时，在其中一组丝上叠加一个电压，或者在两组丝上叠加相反的电压，使相邻的两根丝之间形成和迁移电场垂直的电场，以阻止离子的通过。但是实际上离子门关门时，关门电压会在离子门前后的区域产生不均匀的电场，并在离子门后形成清空区，稀释区和压缩区。[3]这些区域的存在，一方面会使注入的离子成锯齿状，开门时间越小，注入的离子越不均匀；另一方面，这种离子门会造成对大离子的歧视效应，原因在于：开门时，进入清空区的离子，在下次关门时会被拉回到BNG的丝上变成中性分子，而迁移速度比较慢的大离子，如果在开门时没有来得及穿过清空区，则不能被有效注入。[4]

离子迁移管中另一种比较常用的离子门是场切换离子门。[1]这种离子门的结构为一个金属栅网。在关门时，离子源的电势比离子门的电势稍微低，使离子被局限在离子源和离子门之间，开门时，将离子源处的电势提高几百甚至上千伏，将电离区的离子全部注入迁移区。这种离子门不会造成离子歧视，也不会造成离子门附近的不均匀电场。但是它的应用范围比价窄，不适用于电离范围比较长的电离源，如真空紫外灯，或者本身需要维持一定电势才能工作的电离源，如电喷雾或者电晕放电电离源。[5]

另一种不常用的离子门是Tyndall-Powell gate，[1]这种电离源是由两片相互绝缘，平行的金属栅网组成。开门时，两个栅网之间的电场和迁移电场方向相同，关门时，两个栅网之间的电场和迁移电场方向相反。这种离子门在关门时造成的电场不均匀性较小，但是关门时，两个栅网之间都会形成清空区，因此对大离子的歧视更严重。虽然已经有文献报道，[6]可以通过提高开门两个栅网之间的电势差来减小歧视，但是这种方法，仍然没有消除清空区，所以歧视作用并未完全消除。

1.Eiceman,G.A.,Karpas,Z.,Hill Jr,H.H.(3rd ed.).CRC Press,(2013)；

2.Jiang,W.,Robinson,R.A.S.John Wiley&Sons,Ltd,(2013)；

3.Du,Y.,Wang,W.,Li,H.:Resolution enhancement of ion mobilityspectrometry by improving the three-zone properties of the Bradbury-Nielsengate.Anal Chem.84,1725-1731(2012)；

4.Kirk,A.T.,Zimmermann,S.:Bradbury-Nielsen vs.Field switchingshutters for high resolution drift tube ion mobilityspectrometers.International Journal for Ion Mobility Spectrometry.17,131-137(2014)；

5.Chen,C.,Tabrizchi,M.,Wang,W.,Li,H.:Field Switching Combined withBradbury-Nielsen Gate for Ion Mobility Spectrometry.Anal Chem.87,7925-7930(2015)；

6.Chen,C.,Chen,H.,Li,H.:Pushing the Resolving Power of Tyndall-PowellGate Ion Mobility Spectrometry over 100with No Sensitivity Loss for MultipleIon Species.Anal Chem.(2017)；

7.Kirk,A.T.,Grube,D.,Kobelt,T.,Wendt,C.,Zimmermann,S.:High-ResolutionHigh Kinetic Energy Ion Mobility Spectrometer Based on a Low-DiscriminationTristate Ion Shutter.Anal Chem.(2018)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低歧视离子门及控制方法，来减弱或消除不同种类的离子的注入差异，只需要很短的开门时间，即可注入所有种类的离子，从而保证不同种类的产物离子都具有较高的灵敏度，同时在不牺牲灵敏度的前提下提高离子迁移谱的分辨率。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

于圆筒状离子迁移管内部离子源和法拉第盘之间依次同轴、平行、间隔、绝缘设置三个圆形栅网构成离子门，三个圆形栅网依次定义为栅网1、栅网2和栅网3；栅网1和离子源之间的区域为反应区，栅网3与法拉第盘之间的区域为迁移区。

离子源、栅网1、栅网2和栅网3、法拉第盘依次间隔设置，栅网1、栅网2和栅网3之间依次用两个圆环状绝缘片隔开，每个绝缘片与相邻的金属栅网平行、同轴设置，紧密配合。

构成离子门的三个圆形栅网为表面平整的丝状栅网或孔状金属栅网。

可通过周期性控制该离子门中三个栅网之间的电场，精确控制离子的通过；每个周期有连续的三种状态：

第一状态：离子源，栅网1、栅网2、栅网3和法拉第盘上的电势依次降低，相邻两栅网之间的电场方向均和反应区及迁移区的电场方向相同，离子可以通过离子门；

第二状态：第一状态保持一段时间后，将该离子门调至第二状态，此时，栅网1和栅网2之间的电场方向与反应区及迁移区的电场方向相反，阻止离子通过栅网1，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移区及反应区的电场方向相同；

第三状态：第二状态保持一段时间后，将该离子门调至第三状态，此时，栅网1和栅网2之间的电场方向与反应区及迁移区的电场方向相同，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移区及反应区的电场方向相反，阻止离子通过栅网2；第三状态维持一段时间后，完成一周期；

一周期完成后，再次切换到第一状态，开始下一周期。

第二状态的开启方法有两种：方法1是，保持栅网2和栅网3上的电位和第一状态时相同，降低栅网1上的电位，使其低于栅网2上的电位；方法2是，保持栅网1和栅网3上的电位和第一状态时相同，提高栅网2上的电位，使其高于栅网1上的电位。

当第二状态的开启采用权利要求5中所述方法1时，第三状态的开启方法有以下两种：一种是保持栅网2上的电位和第一状态时相同，提高栅网1上的电位使其和第一状态相同，同时提高栅网3上的电位，使其高于栅网2上的电位；另一种是保持栅网3上的电位和第一状态时相同，提高栅网1上的电位使其和第一状态相同，同时降低栅网2上的电位，使其低于栅网2上的电位；

当第二状态的开启采用权利要求5中所述方法2时，第三状态的开启方法有以下一种：保持栅网1上的电位和第一状态相同，降低栅网2上的电位使其和第一状态相同，同时提高栅网3上的电位，使其低于栅网2上的电位。

第一阶段和第二阶段维持的一段时间可为几至几百微秒，通常1-999微秒；第三阶段维持的一段时间可为几至一百毫秒，通常1-100毫秒。

本发明的优点是：

在只需很短开门时间，就能低歧视地注入所有种类的离子，提高不同离子特别是小迁移率离子的灵明度

可在不牺牲灵敏度的前提下，提高分辨率。

附图说明

图1为离子迁移管结构示意图。其中(1)为离子迁移管腔体，(2)为离子源，(3)为法拉第盘，(4)为反应区，(5)为迁移区，(6)为栅网1，(7)为栅网2(8)为栅网3，(9)为漂气出口，(10)为载气入口，(11)为尾气口。

图2为三种状态下的电场方向和离子注入过程示意图。其中箭头为电场和离子运动方向，灰色色块为离子团。

图3为使用该离子门及控制方式与使用普通Tydall-Powell型离子门的迁移管检测化学战剂模拟剂DMMP的谱图对比。

具体实施方式

如图3所示为在⁶³Ni电离源-正离子模式离子迁移谱中，采用该发明的低歧视离子门及控制方法和采用常规的Tyndall-Powell检测化学战剂模拟剂二甲基甲基磷酸酯(DMMP)的谱图对比。其中该实施例中所用的栅网50μm厚的方孔不锈钢金属栅网，孔径的大小为1mm。在两种离子门中，相邻两栅网之间的间距为0.5mm。使用该离子门时，第一状态时离子门开门，栅网1、栅网2和栅网3上的电势分别为5100V，5050V，5000V，开门时间为50μs；第二状态时栅网1、栅网2和栅网3上的电势分别为5100V，5150V，5000V，维持时间为200μs。第三状态时栅网1、栅网2和栅网3上的电势分别为5100V，5050V，5100V维持时间为9.75ms。使用Tyndall-Powell门时，开门时面对反应区和面对迁移区的栅网上的电势分别为5050V，5000V，开门时间为80μs。关门时两栅网上的电势分别为5050V，5100V，关门时间为9.92ms。使用两种离子门的其它条件相同。由图3可以看出，使用该发明所述的离子门及控制方法开门时间50μs，和使用Tyndall-Powell门开门时间80μs，所获得的谱图中水合质子试剂离子的峰高相同。但是使用该离子门及控制方法时，其它迁移率较小的离子，如DMMP的单体和二聚体离子，均远高于使用Tyndall-Powell门，说明该发明的离子门可以明显降低离子歧视；同时可以看出，使用该发明的离子门获得的谱图的半峰宽和使用Tyndall-Powell门获得的半峰宽几乎相同，说明分辨率仍不降低。

Claims (7)

1.一种低歧视离子门，其特征在于：于圆筒状离子迁移管内部离子源和法拉第盘之间依次同轴、平行、间隔、绝缘设置三个圆形栅网构成离子门，三个圆形栅网依次定义为栅网1、栅网2和栅网3；栅网1和离子源之间的区域为反应区，栅网3与法拉第盘之间的区域为迁移区。

2.根据权利要求1所述的低歧视离子门，其特征在于：

离子源、栅网1、栅网2和栅网3、法拉第盘依次间隔设置，栅网1、栅网2和栅网3之间依次用两个圆环状绝缘片隔开，每个绝缘片与相邻的金属栅网平行、同轴设置，紧密配合。

3.根据权利要求1或2所述的低歧视离子门，其特征在于：

构成离子门的三个圆形栅网为表面平整的丝状栅网或孔状金属栅网。

4.一种权利要求1、2或3所述低歧视离子门的控制方法，其特征在于：

可通过周期性控制该离子门中三个栅网之间的电场，精确控制离子的通过；

每个周期有连续的三种状态：

第一状态：离子源，栅网1、栅网2、栅网3和法拉第盘上的电势依次降低，相邻两栅网之间的电场方向均和反应区及迁移区的电场方向相同，离子可以通过离子门；

第二状态：第一状态保持一段时间后，将该离子门调至第二状态，此时，栅网1和栅网2之间的电场方向与反应区及迁移区的电场方向相反，阻止离子通过栅网1，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移区及反应区的电场方向相同；

第三状态：第二状态保持一段时间后，将该离子门调至第三状态，此时，栅网1和栅网2之间的电场方向与反应区及迁移区的电场方向相同，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移区及反应区的电场方向相反，阻止离子通过栅网2；第三状态维持一段时间后，完成一周期；

一周期完成后，再次切换到第一状态，开始下一周期。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：

第二状态的开启方法有两种：

方法1是，保持栅网2和栅网3上的电位和第一状态时相同，降低栅网1上的电位，使其低于栅网2上的电位；

方法2是，保持栅网1和栅网3上的电位和第一状态时相同，提高栅网2上的电位，使其高于栅网1上的电位。

6.根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于：

当第二状态的开启采用权利要求5中所述方法1时，第三状态的开启方法有以下两种：一种是保持栅网2上的电位和第一状态时相同，提高栅网1上的电位使其和第一状态相同，同时提高栅网3上的电位，使其高于栅网2上的电位；另一种是保持栅网3上的电位和第一状态时相同，提高栅网1上的电位使其和第一状态相同，同时降低栅网2上的电位，使其低于栅网2上的电位；

当第二状态的开启采用权利要求5中所述方法2时，第三状态的开启方法有以下一种：保持栅网1上的电位和第一状态相同，降低栅网2上的电位使其和第一状态相同，同时提高栅网3上的电位，使其低于栅网2上的电位。

7.根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于：

第一阶段和第二阶段维持的一段时间可为几至几百微秒，通常1-999微秒；第三阶段维持的一段时间可为几至一百毫秒，通常1-100毫秒。

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