CN112713079B - 一种楔形电极离子迁移谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种楔形电极离子迁移谱仪，包括离子迁移管和信号探测和处理单元，离子迁移管包括离子存储区，离子门，迁移区，其中迁移区金属电极分别有左楔形、右楔形和左右对称楔形三种结构。离子通过离子门进入迁移区后，在楔形电极形成的非均匀电场内迁移，最终被信号探测与处理单元探测和分析，获得检测物的离子迁移谱图。利用这种楔形电极离子迁移谱技术，可获得三种功能各异的离子迁移谱仪，即：检测灵敏度增强、信号分辨率降低；信号分辨率增强、检测灵敏度降低和检测灵敏度不变，信号分辨率增强等三种仪器，以适应不同场合对仪器的不同需求。
Description
技术领域
本发明属于分析仪器与检测领域，具体涉及一种楔形电极离子迁移谱仪。
背景技术
离子迁移谱是利用大气压下离子在电场中迁移速度的差异，实现对离子的快速分离和探测，具有结构简单、探测灵敏度高、响应速度快等特点，广泛应用于爆炸物、毒品和化学战剂等危害危险品的现场快速定性检测，据统计，目前在全球机场、海关等地运行的离子迁移谱检测设备达数十万台。除公共安全领域外，离子迁移谱也被应用于其他领域，如食品的纯度检测、环境污染物检测、制药工业中的质量控制和病人呼气中生物标志物查找等。
离子迁移管是离子迁移谱仪的核心，其传统结构是由标准金属电极环和绝缘环相互隔离组合而成。金属电极环之间通过分压电阻串联，在迁移管离子迁移区内部形成均匀电场。离子通过离子门后，在均匀电场作用下往迁移区下游迁移，到达信号探测与处理单元被探测和分析处理，获得检测物的离子迁移谱图。离子的运动速度遵循以下公式：
v＝KE
其中v为离子的运动速度，K为待测物的迁移率，E为迁移区的电场强度。
近年来，研究者通过改变离子迁移管内离子门的控制方式，在迁移管内产生非均匀电场，使更多的离子通过迁移区，到达信号探测与处理单元，提高仪器的检测灵敏度；或压缩离子在迁移过程中的展宽，提高仪器的信号分辨率。到目前为止，尚无通过改变电极环的结构，在迁移区产生非均匀电场来提升离子迁移谱仪性能的公开报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：通过改变离子迁移管迁移区电极环的结构，在迁移区内产生非均匀电场，这种非均匀电场可影响离子在迁移区的运动轨迹，实现增强离子迁移谱的检测灵敏度或信号分辨率的目的。具体是：设计左楔形、右楔形和左右对称楔形等三种楔形电极环，替代离子迁移管迁移区的传统金属电极环，在迁移区内形成非均匀电场，对迁移区的离子运动进行不同程度的调制，实现离子迁移谱仪检测灵敏度和分辨率等核心指标的提升和增强。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种楔形电极离子迁移谱仪，包括离子迁移管和信号探测和处理单元，所述离子迁移管包括离子存储区，离子门，迁移区，其中迁移区金属电极为左楔形、右楔形或左右对称楔形三种结构之一；离子存储区与迁移区之间设置有离子门，迁移区末端出口位置设置有信号探测与处理单元；由分子-离子反应或电喷雾电离手段产生的离子在离子门作用下存储在离子存储区，当离子门开启时，离子束团进入迁移区，在楔形电极形成的非均匀电场E作用下往下游迁移，到达信号探测与处理单元被探测和分析处理，获得检测物的离子迁移谱图；
所述的楔形电极内圈为环形，且内圈截面形状为楔形，左楔形电极的楔形坡面朝着迁移区入口一侧，右楔形电极的楔形坡面朝着迁移区出口一侧，左右对称楔形电极的楔形坡面以楔形尖部为中心左右对称；
当迁移区采用多个左楔形电极时，迁移区内产生的非均匀电场用于提高离子的通过率，提高检测灵敏度，降低仪器的信号分辨率；
当迁移区采用多个右楔形电极时，迁移区内产生的非均匀电场用于提高仪器的信号分辨率，降低仪器的检测灵敏度；
当迁移区采用多个左右对称楔形电极时，迁移区内产生的非均匀电场保持仪器的检测灵敏度不变，提高仪器的信号分辨率。
进一步的，所述的离子存储区内的离子，电离源包括光电离电离源、放射性电离源、电晕放电电离源、等离子体电离源或薄膜型电离源，通过电离方式在反应区通过离子-分子反应产生，或通过电喷雾电离源直接产生。
进一步的，所述的离子门为Bradbury-Nielson型，或是Tyndall-Powell型离子门。
进一步的，所述左楔形电极的内圈为环状，外圈为环形、规则或不规则多边形，材质为金属或表面有导电镀层的材料，且楔形的高度h和电极厚度d的比值为
进一步，所述右楔形电极的内圈为环状，外圈为环形、规则或不规则多边形，材质为金属或表面有导电镀层的材料，且楔形的高度h和电极厚度d的比值为
进一步的，所述左右对称楔形电极的内圈为环状，外圈为环形、规则或不规则多边形，材质为金属或表面有导电镀层的材料，且楔形的高度h和电极厚度d的比值为
进一步的，楔形的高度h为楔形尖部的三角形的高度，电极厚度d为楔形电极在轴向上的厚度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明是利用三种楔形电极环替代传统迁移管中的金属电极，在迁移管迁移区内产生非均匀电场，来调制离子在迁移区的运动轨迹，实现离子迁移谱仪性能的改善和提升。
(2)本发明中，离子迁移管迁移区采用左楔形电极时，可获得检测灵敏度增强、分辨率降低的离子迁移谱仪；采用右楔形电极时，可获得信号分辨率增强、检测灵敏度降低的离子迁移谱仪；采用左右对称楔形电极时，可获得仪器检测灵敏度不变，信号分辨率增强的离子迁移谱仪。这三种不同功能的仪器，可适应不同场合对仪器的不同需求。
附图说明
图1(a)左楔形电极离子迁移谱仪示意图；
图1(b)右楔形电极离子迁移谱仪示意图；
图1(c)左右对称楔形电极离子迁移谱仪示意图；
图2为传统圆环电极组成的迁移区电场模拟图和离子轨迹；
图3为左楔形电极组成的迁移区电场模拟图和离子轨迹；
图4为右楔形电极组成的迁移区电场模拟图和离子轨迹；
图5为左右楔形电极组成的迁移区电场模拟图和离子轨迹。
图中附图标记含义为：1为离子迁移管，2为信号探测和处理单元，3为离子存储区，4为离子门，5为迁移区，6为左楔形电极，7为右楔形电极，8为左右对称楔形电极，9为标准圆环电极
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，本发明是一种迁移区为楔形电极组成的离子迁移谱仪，和传统离子迁移谱仪的区别在于：离子迁移管迁移区的电极可以设置为楔形电极，可为左楔形、右楔形和左右对称楔形三种结构之一。
根据本发明的实施例，如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，所述的楔形电极具体是指：电极外圈可为环形、规则或不规则形状多边形，内圈为环形，且内圈截面形状为楔形；
楔形的高度h定义为楔形尖部的三角形的高度，电极厚度d定义为楔形电极在轴向上的厚度；
如图1(a)，左楔形电极6的楔形坡面朝着迁移区入口一侧；内圈为环状，外圈可为环形、规则或不规则多边形，材质为金属或表面有导电镀层的材料，且楔形的高度h和电极厚度d的比值为
如图1(b)，右楔形电极7的楔形坡面朝着迁移区出口一侧，右楔形电极的内圈为环状，外圈可为环形、规则或不规则多边形，材质为金属或表面有导电镀层的材料，且楔形的高度h和电极厚度d的比值为
如图1(c)左右对称楔形电极8的楔形坡面以楔形尖部为中心左右对称，内圈为环状，外圈可为环形、规则或不规则多边形，材质为金属或表面有导电镀层的材料，且楔形的高度h和电极厚度d的比值为
这三种楔形电极在迁移区产生电场分布各异的非均匀电场，来调制离子在迁移区的运动轨迹，从而改善离子迁移谱仪的检测灵敏度和分辨率。
如图1(a)为左楔形电极离子迁移谱仪示意图，这种楔形离子迁移谱仪包括离子迁移管1和信号探测和处理单元2，其中离子迁移管1包括离子存储区3，离子门4，迁移区5，多个左楔形电极6。在离子存储区3和迁移区5之间设置有离子门4，在迁移区末端出口位置设置有信号探测与处理单元2；由分子-离子反应或电喷雾电离等手段产生的离子在离子门4作用下存储在离子存储区3，当离子门4开启时，离子束团进入迁移区5，在电场E作用下往迁移区5下游迁移，并在迁移电场E电场作用下，到达信号探测和处理单元2，获得检测物的离子迁移谱图。
以最终到信号探测和处理单元2的离子数目N来衡量离子迁移谱仪的检测灵敏度S，到达信号探测和处理单元2的离子数目越多，仪器的检测灵敏度越高；即检测灵敏度S和到达信号探测和处理单元2的离子数目成正比例：S＝K1N，K1为比例系数。
不同离子到达信号探测和处理单元2的时间差△T代表着同一水平面上的离子通过迁移区后产生的信号展宽,△T越大，信号展宽越宽，仪器的信号分辨率R越差。因此信号分辨率R和时间差△T成反比：K2为比例系数，f(△T)是和△T正相关的函数。
本发明对离子在传统圆环电极形成的均匀电场、楔形电极形成的非均匀电场的离子的通过率、运动轨迹和离子到达信号探测和处理单元2的迁移时间进行了理论计算和模拟。模拟条件是：迁移区内径为18mm，离子门4关闭时，离子门4前放置81个单电荷离子，这些离子以迁移区中轴线为起点，往两边均匀分布在垂直于迁移区5轴线的一条直线上，两个离子间隔彼此为0.2mm，迁移区的电场强度为330V/cm，信号探测和处理单元2的有效信号探测半径为5mm。考虑到离子在迁移区内的运动轨迹是以迁移区中轴线为对称轴对称分布，因此图2-图5仅给出了迁移区一侧的离子运动轨迹及模拟结果。
如图2所示，传统离子迁移谱仪迁移区使用的是标准圆环电极9，这种电极在迁移区5内产生均匀电场。当离子门4开启时，离子在电场作用下进入迁移区5，往信号探测和处理单元2迁移。由于离子在迁移过程中的自由扩散，以及迁移管边缘电场的畸变，最终到达信号探测和处理单元2的离子数N为56个，到达信号探测和处理单元2的时间差△T为2.36毫秒。
图3所示为迁移区电极为左楔形电极的模拟结果，此时左楔形电极的高宽比左楔形电极在迁移区产生的是非均匀电场。当离子门4开启后，最终到达信号探测和处理单元2的离子数目N为60个，离子到达信号探测和处理单元2的时间差△T为3.41毫秒。和传统离子迁移谱仪的结果相比，通过的离子数增加了7％，但信号展宽增加了44.5％。这表明这种左楔形电极离子迁移谱仪有利于提高仪器检测灵敏度而降低信号分辨率。且随着楔形电极的高宽比越大，检测灵敏度也增大，但信号分辨率也随之变差。为了保持检测灵敏度和信号分辨率的平衡，并结合仪器的制作难易程度，左楔形电极的高宽比/>为适宜。
图4所示为迁移区电极为右楔形电极的模拟结果，右楔形电极的高宽比右楔形电极在迁移区产生的也是非均匀电场。当离子门4开启后，最终到达信号探测和处理单元2的离子数目N为50个，离子到达信号探测和处理单元2的时间差△T为0.79毫秒。和传统离子迁移谱仪的结果相比，通过的离子数减少了10.7％，但信号展宽减少了67.4％。这表明这种右楔形电极离子迁移谱仪有利于提高信号分辨率而降低检测灵敏度。同样，随着楔形电极的高宽比越大，信号分辨率增大，但检测灵敏度也随之变差。为了保持检测灵敏度和分辨率的平衡，并结合仪器的制作难易程度，右楔形电极的高宽比/>较为适宜。
图5所示为迁移区电极为左右对称楔形电极的模拟结果，楔形电极的高宽比左右对称楔形电极在迁移区产生的也是非均匀电场，当离子门4开启后，最终到达信号探测和处理单元2的离子数目N为56个，离子到达信号探测和处理单元2的时间差△T为1.52毫秒。和传统离子迁移谱仪的结果相比，通过的离子数目不变，信号展宽减少了35.6％。这表明这种左右对称楔形电极离子迁移谱仪在保持检测灵敏度不变的同时，有利于提高信号分辨率。并且，左右对称楔形电极的高宽比/>时，仪器的信号分辨率最高。
以上实例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (7)
1.一种楔形电极离子迁移谱仪，其特征在于：包括离子迁移管和信号探测和处理单元，所述离子迁移管包括离子存储区，离子门，迁移区，其中迁移区金属电极为左楔形、右楔形或左右对称楔形三种结构之一；离子存储区与迁移区之间设置有离子门，迁移区末端出口位置设置有信号探测与处理单元；由分子-离子反应或电喷雾电离手段产生的离子在离子门作用下存储在离子存储区，当离子门开启时，离子束团进入迁移区，在楔形电极形成的非均匀电场E作用下往下游迁移，到达信号探测与处理单元被探测和分析处理，获得检测物的离子迁移谱图；
所述的楔形电极内圈为环形，且内圈截面形状为楔形，左楔形电极的楔形坡面朝着迁移区入口一侧，右楔形电极的楔形坡面朝着迁移区出口一侧，左右对称楔形电极的楔形坡面以楔形尖部为中心左右对称；
当迁移区采用多个左楔形电极时，迁移区内产生的非均匀电场用于提高离子的通过率，提高检测灵敏度，降低仪器的信号分辨率；
当迁移区采用多个右楔形电极时，迁移区内产生的非均匀电场用于提高仪器的信号分辨率，降低仪器的检测灵敏度；
当迁移区采用多个左右对称楔形电极时，迁移区内产生的非均匀电场保持仪器的检测灵敏度不变，提高仪器的信号分辨率。
2.根据权利要求1所述的楔形电极离子迁移谱仪，其特征在于：所述的离子存储区内的离子，电离源包括光电离电离源、放射性电离源、电晕放电电离源、等离子体电离源或薄膜型电离源，通过电离方式在反应区通过离子-分子反应产生，或通过电喷雾电离源直接产生。
3.根据权利要求1所述的楔形电极离子迁移谱仪，其特征在于：所述的离子门为Bradbury-Nielson型，或是Tyndall-Powell型离子门。
4.根据权利要求1所述的楔形电极离子迁移谱仪，其特征在于：所述左楔形电极的内圈为环状，外圈为环形、规则或不规则多边形，材质为金属或表面有导电镀层的材料，且楔形的高度h和电极厚度d的比值为
5.根据权利要求1所述的楔形电极离子迁移谱仪，其特征在于：所述右楔形电极的内圈为环状，外圈为环形、规则或不规则多边形，材质为金属或表面有导电镀层的材料，且楔形的高度h和电极厚度d的比值为
6.根据权利要求1所述的楔形电极离子迁移谱仪，其特征在于：所述左右对称楔形电极的内圈为环状，外圈为环形、规则或不规则多边形，材质为金属或表面有导电镀层的材料，且楔形的高度h和电极厚度d的比值为
7.根据权利要求1所述的楔形电极离子迁移谱仪，其特征在于：楔形的高度h为楔形尖部的三角形的高度，电极厚度d为楔形电极在轴向上的厚度。
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| GR01 | Patent grant | ||
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