CN113035686A - 离子源、faims装置及提高其分辨率和灵敏度的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了离子源、FAIMS装置及提高其分辨率和灵敏度的方法。离子源包括第一支撑体、第二支撑体和气流管道，第一支撑体和第二支撑体间隔设置形成离子通道，第一支撑体设有针状电极，第二支撑体设有环状电极，针状电极的尖端伸入环状电极内；气流管道指向针状电极的尖端，用于导入氦气至针尖。环状电极围绕的环状空腔，用于导入氮气。本申请实施例提供的离子源，针状电极的尖端的周围是氦气环境，在氦气的环境下有更多的离子被电离，迁移区入口处离子浓度增大，离子信号强度随离子浓度的增加而增加。电离增多的离子大于撞击迁移极板损失的离子，因此整体的离子信号强度增强，这样就同时提高了高场非对称波形离子迁移谱的分辨率和灵敏度。

Description

离子源、FAIMS装置及提高其分辨率和灵敏度的方法
技术领域
本发明涉及化学检测技术领域，具体涉及离子源、FAIMS装置及提高其分辨率和灵敏度的方法。
背景技术
高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)是在离子迁移谱的基础上发展起来的一种快速化学检测技术，其机理是通过载气携带气态的化学物质进入离子源区域电离成带电的离子，电离后的离子在高低电场条件下由于离子迁移率的不同，可以进行分离，从而检测不同的物质。
FAIMS装置中所用的载气一般为氮气，载气不同，FAIMS所对应的分辨率也不同，根据相关原理，在FAIMS装置中所用载气为氮气的基础上，在其中掺入质量较轻、体积较小的氦气，可以提高离子的运动振幅，从而提高分辨率。然而该种方式在提高分辨率的同时，带来了离子信号强度的减弱。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种离子源、FAIMS装置及提高其分辨率和灵敏度的方法，以解决现有技术中FAIMS装置分辨率和灵敏度无法均衡，在提高分辨率的同时，带来了离子信号强度的减弱的技术问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：
一种离子源，包括第一支撑体、第二支撑体和气流管道，第一支撑体和第二支撑体间隔设置形成离子通道，第一支撑体设有针状电极，第二支撑体设有环状电极，针状电极的尖端伸入环状电极内；气流管道指向针状电极的尖端，用于导入氦气至针尖。
环状电极围绕的环状空腔，用于导入氮气。
在其中一个实施例中，针状电极内部具有贯通至针尖的通孔形成气流管道。
在其中一个实施例中，环状空腔的直径为气流管道的直径的3～6倍，优选地，气流管道的直径为0.5～1mm，环状空腔的直径为3mm～6mm。
在其中一个实施例中，针状电极与环状电极同心设置，且针状电极的尖端位于环状电极的轴线中部；
第二支撑体设有贯穿的安装孔，安装孔的孔壁环绕设有金属导电层形成环状电极，第二支撑体设有与环状空腔连通的进气管。
一种高场非对称波形离子迁移谱，包括具有一端开口的壳体，壳体的容纳腔设有迁移极板组、检测极板组和上述的离子源，离子通道朝向开口；
离子源、迁移极板组和检测极板组在远离开口的方向上由远及近依次设置。
在其中一个实施例中，壳体包括平行布置且间隔一定距离的两块绝缘板以及设置于绝缘板之间的侧板，侧板部分环绕绝缘板，在壳体形成开口；
离子源的第一支撑体和第二支撑体相对设置，且分布于不同的绝缘板；迁移极板组包括两个相对设置的迁移极板，两个迁移极板分布于不同的绝缘板；检测极板组包括两个相对设置的检测极板，两个检测极板分布于不同的绝缘板。
在其中一个实施例中，第一支撑体与相应的绝缘板为一体式结构，第二支撑体与相应的绝缘板为一体式结构。
在其中一个实施例中，两个迁移极板之间的距离为0.2mm～1mm，和/或两个检测极板之间的距离为0.2mm～1mm。
一种提高高场非对称波形离子迁移谱的分辨率和灵敏度的方法，包括以下步骤：
采用上述的高场非对称波形离子迁移谱，在气流管道内通入氦气，在环状电极的环状空腔内通入氮气；其中，氦气的流量为氮气的流量的10～40％。
在其中一个实施例中，氦气的流量为0.25～1L/min，氮气的流量为1.5～2.25L/min。
本申请实施例提供的离子源，当其用于高场非对称波形离子迁移谱时，由于针状电极具有气流管道，氦气从气流管道进入，使针状电极的尖端的周围是氦气环境，而氦气比氮气更容易电离，因此，随着氦气的加入，放电电流呈现增大趋势，说明在氦气的环境下有更多的离子被电离，迁移区入口处离子浓度增大，因此离子信号强度随离子浓度的增加而增加。由于氦气是一种比较轻的气体，在氮气中混合氦气之后离子在迁移区更容易撞击迁移极板而被损失掉，但由于电离增多的离子大于撞击迁移极板损失的离子，因此整体的离子信号强度增强，这样就同时提高了高场非对称波形离子迁移谱的分辨率和灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的离子源的结构示意图；
图2为本申请另一实施例提供的离子源的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的高场非对称波形离子迁移谱的爆炸结构示意图；
图4为本申请另一实施例提供的高场非对称波形离子迁移谱的结构示意图；
图5为图4的高场非对称波形离子迁移谱的爆炸结构示意图；
图6a-6d分别为不同氮气流速下添加氦气对FAIMS谱图的影响；
图7a-7d分别为不同氮气流速下添加氦气对补偿电压的影响；
图8a-8d分别为不同氮气流速下添加氦气对离子信号强度的影响；
图9a-9c为增加氦气对离子信号强度影响的分析，其中(9a)为放电电流，(9b)为起始放电电压，(9c)为电流(信号)值；
图10a-10b为不同气体流速下的FAIMS谱图，其中(10a)为纯氮气，(10b)为氮气+氦气；
图11为相同混合气体流速下氦气和氮气的FAIMS谱图比较；
图12为添加不同气体的离子强度和分辨率；
图13a-13d分别为不同射频条件下添加He对FAIMS谱图的影响；
图14a-14b为不同射频电压下的分辨率；其中(14a)为峰1的分辨率，(14b)为双峰分离度；
图15a-15c为不同射频条件下氦气对离子信号强度的影响，其中(15a)为峰1，(15b)为峰2，(15c)为峰3。
附图标记说明：
10.离子源；110.第一支撑体；120.第二支撑体；130.气流管道；111.针状电极；121.环状电极；122.安装孔；20.迁移极板组；30.检测极板组；40.壳体；210.迁移极板；310.检测极板；510.开口；410.绝缘板；420.侧板；411.上绝缘板；412.下绝缘板。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
申请人在注意到现有FAIMS装置中所用载气为氮气的基础上在其中掺入质量较轻、体积较小的氦气，存在提高分辨率的同时，带来了离子信号强度的减弱的问题之后，对FAIMS装置进行研究，进而发现虽然氦气掺杂可提高分辨率，但由于氦气的质量小，分子量低，使离子的运动振幅增大，碰撞到极板上湮没掉的离子数量增加，此外，扩散运动增大，也使离子产生损释，因此，提高分辨率的同时，带来了离子信号强度的减弱。
基于申请人发现的上述问题，申请人对离子源的结构进行改进，下面对本申请实施例进行进一步描述。
为了更好地理解本申请，下面结合图1至图5对本申请实施例进行描述。
参照图1～2，本申请实施例提供一种离子源10，包括第一支撑体110、第二支撑体120和气流管道130，第一支撑体110和第二支撑体120间隔设置形成离子通道，第一支撑体110设有针状电极111，第二支撑体120设有环状电极121，针状电极111的尖端伸入环状电极121内；气流管道130指向针状电极111的尖端，用于导入氦气至针尖。
可以理解的是，离子源10可包括具有至少一个开孔的外壳，第一支撑体110和第二支撑体120可为外壳的两相对的壁体。该开孔为离子源10产生的离子的流出孔。应用其他设备时，只要将开孔朝向离子目标区域即可，如在高场非对称波形离子迁移谱中，开孔朝向迁移极板组20、检测极板组30所在方向。
当然，离子源10自身也可不设置外壳。当其应用于其他设备时，离子源10设置于其他设备的壳体40内，第一支撑体110、第二支撑体120和壳体40围合成形成离子流动的通道，同样的如在高场非对称波形离子迁移谱中，可合理布置离子源10的位置，使得离子流动的离子通道朝向迁移极板组20、检测极板组30所在方向。
环状电极121围绕的环状空腔，用于导入氮气。第一支撑体110和第二支撑体120相对设置，二者彼此间隔一定距离，如平行或呈一定角度设置。第一支撑体110和第二支撑体120之间的空间为离子通道，氮气和氦气电离产生的离子可沿第一支撑体110和第二支撑体120之间的空间流动。
第一支撑体110和第二支撑体120分别用于固定针状电极111和环状电极121。第一支撑体110和第二支撑体120其形状和尺寸无特殊要求，当然也可采用厚度相对较薄的板材，以便于安装相应电极。第一支撑体110和第二支撑体120可为绝缘材料，如PVC等。
环状电极121可嵌入第二支撑体120内，如在第二支撑体120开设有贯通的环状空腔，腔壁环绕有电极材料，形成环状电极121。氮气源可与环状空腔连通，导入氮气。环状电极121也可延伸设置于第二支撑体120外，如第二支撑体120设有一突出于表面的中空筒体，中空筒体贯穿第二支撑体120，且远离第二支撑体120的端部环绕有电极材料，形成环状电极121。氮气源可与中空筒体连通，导入氮气。氮气源可通过导管与中空筒体连通。
参照图1～2，针状电极111的尖端伸入环状电极121内。气流管道130一端与外界的氦气源连通，另一端指向针状电极111的尖端，将氦气导入至针状电极111的尖端附近。气流管道130可为金属管道，如钢管、铜管等，也可为非金属管道，如塑料管、橡胶管等。优选为非金属管，以减小对针状电极111和环状电极121之间放电的干扰。氦气导入至针状电极111的尖端附近，使得针状电极111的尖端的周围是氦气环境，而氦气比氮气更容易电离，因此，随着氦气的加入，放电电流呈现增大趋势。说明在氦气的环境下有更多的离子被电离，迁移区入口处离子浓度增大，因此离子信号强度随离子浓度的增加而增加。由于氦气是一种比较轻的气体，在氮气中混合氦气之后离子在迁移区更容易撞击迁移极板210而被损失掉，但由于电离增多的离子大于撞击迁移极板210损失的离子，因此整体的离子信号强度增强，这样就同时提高了高场非对称波形离子迁移谱的分辨率和灵敏度。
参照图1，在其中一个实施例中，针状电极111内部具有贯通至针尖的通孔形成气流管道130。
在本实施例中，针状电极111为中空结构，贯通至针尖，气流管道130集成在针状电极111中部。针状电极111可为医用一次性无菌注射针头。远离针尖的一端与氦气连通，将氦气导入针尖处。氦气直接从针尖处流出，需要克服氮气的阻碍较小，在较低的流速下即可包围针尖，提供氦气氛围。氦气从针尖的端面流出，因而针尖周围的氦气浓度分布较为均匀。此外，气流管道130集成在针状电极111中部，整个装置集成度高，结构精简，体积减小。
优选地，气流管道130设置于针状电极111的轴心，针尖周围的氦气浓度分布更为均匀。
参照图1，在其中一个实施例中，环状空腔的直径为气流管道130的直径的3～6倍，优选地，气流管道130的直径为0.5～1mm，环状空腔的直径为3mm～6mm。
参照图1，在其中一个实施例中，针状电极111与环状电极121同心设置，且针状电极111的尖端位于环状电极121的轴线中部；第二支撑体120设有贯穿的安装孔，安装孔的孔壁环绕设有金属导电层形成环状电极121，第二支撑体120设有与环状空腔连通的进气管安装孔。
第二支撑体120的壁体设置贯穿的安装孔，安装孔的孔壁环绕设有金属导电层形成环状电极121，环状电极121集成设置在第二支撑体120的壁体上，缩减环状电极121与第二支撑体120的总厚度，结构也更为精简。
一种高场非对称波形离子迁移谱，参照图3～5，包括具有一端开口510的壳体40，壳体40的容纳腔设有迁移极板组20、检测极板组30和上述的离子源10，离子通道朝向开口510；离子源10、迁移极板组20和检测极板组30在远离开口510的方向上由远及近依次设置。
离子源10在壳体40的区域为电离区，迁移极板组20在壳体40的区域为迁移区，检测极板组30在壳体40的区域为检测区。
离子源10包括针状电极111与环状电极121，样品气体在电离区被电离成带电离子之后，载气携带其进入迁移区。迁移极板组20包括两块相对设置的迁移极板210，两块迁移极板210可加有频率1MHz、占空比30％的高压非对称波和扫描范围为-13V～13V的补偿电压。在迁移区过滤掉不符合实验要求的带电离子后，其余离子到达检测区域，检测区域的包括两块相对设置的检测极板310，两块检测极板310上加有9V的电压，使离子能够偏转到达检测基板，从而被后续的微弱电流检测器检测到，并将检测到的微弱信号值上传到微处理器控制器。
上述高场非对称波形离子迁移谱，由于采用了上述离子源10，电离增多的离子大于撞击迁移极板210损失的离子，因此整体的离子信号强度增强，这样就同时提高了高场非对称波形离子迁移谱的分辨率和灵敏度。
在其中一个实施例中，参照图3～5，壳体40包括平行布置且间隔一定距离的两块绝缘板410以及设置于绝缘板410之间的侧板420，侧板420部分环绕绝缘板410，在壳体40形成开口510；离子源10的第一支撑体110和第二支撑体120相对设置，且分布于不同的绝缘板410；迁移极板组20包括两个相对设置的迁移极板210，两个迁移极板210分布于不同的绝缘板410；检测极板组30包括两个相对设置的检测极板310，两个检测极板310分布于不同的绝缘板410。
两个迁移极板210可以是两块相对设置的敷铜电极，每块敷铜电极对应设置在一绝缘板410上。同样的，两个检测极板310可以是两块相对设置的敷铜电极，每块敷铜电极对应设置在一绝缘板410上。第一支撑体110固定在一绝缘板410上，第二支撑体120固定在另一绝缘板410上。
在其中一个实施例中，参照图3～5，第一支撑体110与相应的绝缘板410为一体式结构，第二支撑体120与相应的绝缘板410为一体式结构。该设计将一绝缘板410作为第一支撑体110，另一绝缘板410作为第二支撑。整个装置的集成度更高，结构更为精简。
在其中一个实施例中，参照图3～5，两个迁移极板210之间的距离为0.2mm～1mm，和/或两个检测极板310之间的距离为0.2mm～1mm。
一种提高高场非对称波形离子迁移谱的分辨率和灵敏度的方法，包括以下步骤：
采用上述的高场非对称波形离子迁移谱，在气流管道130内通入氦气，在环状电极121的环状空腔内通入氮气；其中，氦气的流量为氮气的流量的10～40％。
在其中一个实施例中，氦气的流量为0.25～1L/min，氮气的流量为1.5～2.25L/min。
以下结合具体实施例对本申请的技术方案进行介绍。
一.实验装置
FAIMS实验平台由进样模块(氦气单元和进样单元)、FAIMS装置、微弱电流检测器、电源模块、微处理器控制器以及谱图显示模块构成。实验使用的载气为高纯氮气和高纯氦气(广西瑞达化工科技有限公司生产，99.999％)，流量计为D08-1F型流量显示仪和CS200A数字式气体质量流量控制器(北京七星华创电子股份有限公司生产)，可测到的气体流量范围为0-5L min-1，调节精度为0.01L min-1；实验样品为未做处理的挥发性有机物乙醇(CH3CH2OH，西陇化工股份有限公司，99.7％)，实验在常温常压下进行。
将装有乙醇样品的小烧瓶放入样品池(高度4cm，直径3.5cm)中，整个样品单元由气管通过气动接口连接，通入载气氦气，使样品被氦气携带至FAIMS装置的电离区中。
二.FAIMS装置的设计和制造
基于PCB的FAIMS装置结构示意图如图1所示，为便于描述，将两块绝缘板410定义为上绝缘板411和下绝缘板412。上绝缘板411和下绝缘板412采用PCB技术制作，绝缘板410之间采用PCB钎焊工艺密封。该装置在基于钎焊工艺的FAIMS系统板上面增加了氦气的通气装置，上绝缘板411和下绝缘板412尺寸大小分别为60mm×40mm和60mm×55mm，上绝缘板411和下绝缘板412之间放置0.2mm的垫片。上绝缘板411由直径1mm的孔以及两块敷铜电极构成，下绝缘板412由直径3mm的孔以及两块敷铜电极构成，两块敷铜电极(尺寸15mm×10mm和10mm×8mm)分别用来作为迁移区极板和检测极板310。
针-环放电结构用作离子源10，样品气体在电离区被电离成带电离子之后，载气携带其进入迁移区，迁移区上加有频率1MHz、占空比30％的高压非对称波和扫描范围为-13V～13V的补偿电压。在迁移区过滤掉不符合实验要求的带电离子后，其余离子到达检测区域，检测区域的偏转基板上加有9V的电压，使离子能够偏转到达检测基板，从而被后续的微弱电流检测器检测到，并将检测到的微弱信号值上传到微处理器控制器。
三.空心针-环离子源
为了提高FAIMS的分辨率和灵敏度，设计了一种氦气氮气相对的通气结构，电离区域由针-环状电极构成。针状电极111是中空的，氦气从针状电极111的中空部分进入电离区，通过这种方式，氦气可以通过中空的针状电极111，使针尖被氦气包围，它可以增加尖端的放电电流，提高电离效率。针状电极111为医用一次性无菌注射针头，空心内径为0.26mm，外径为0.5mm，长度60mm，针的固定结构采用PLA聚乳酸材料通过3D打印而成，由上下两个直径为16mm的大圆柱通过高8mm，底面直径3mm小圆柱组合而成，在针的固定结构和上绝缘板411上设计直径1mm小孔用空心针通过，氦气从空心针通入，同时保证空心针处于环状电极121正中间。下级板3mm的孔上敷铜作为放电阳极，与上级板的空心针组合成为电离源，实验过程中，氮气携带样品从下绝缘板412的3mm的孔进入针-环电离源进行电离。为保证气密性，设计制作了材料为紫铜的氮气进样装置，装置由内外直径分别为16mm和10mm的圆柱构成，并通过气动接头，直接连接外径4mm的聚四氟乙烯管。
针状电极111通过6MΩ镇流电阻连接负直流高压电源的负极，其中镇流电阻用于限制放电回路电流并抑制火花放电，环状电极121通过1kΩ测试电阻连接负直流高压电源的地。在测试电阻两端加载示波器和万用表，用来得到针-环不对称电极放电产生的放电波形和放电电流，负直流高压电源(HB-F203-5AC)的范围为0～-20kV。
四.实验结果
4.1提高离子信号强度和分辨率
在放电电压-2kV，镇流电阻6M，射频电压300V，样品为乙醇的条件下，不同N2流量下加入0.2L min-1，,0.3L min-1，0.5L min-1，1L min-1He时的He占比如表1所示。随着N2流量的增加，相同流量下的He占比降低，当N2，He均为1L min-1时，He占比达到最大，为50％，所以本实验中He占比的范围为0-50％，该范围考虑了He的击穿特性，为实验的安全范围。
表1不同氮气流量下的氦气比例
Figure BDA0002959632710000101
图6(a-d)分别为N2流量在1L min-1，1.5L min-1，2L min-1，2.5L min-1的条件下添加不同He比例的FAIMS谱图。由图可知，不同N2流量下增加He的比例能提高FAIMS谱图的分离能力且离子峰强度有所提高，一般认为偏置较大的补偿电压峰是单体峰，其次是二聚体峰，偏置最小的是聚合物峰，在此，三个峰被命名为峰1，峰1，峰3。以图6c为例，当N2流量为2L/min，He比例为9％，峰1离子信号强度达到最大，为33.45pA。He比例增加到20％，离子峰的个数由原来的两个变为三个。继续增加He比例到33％，信号强度虽然有下降的趋势，但还是较不加He时大了1.56倍，且三个峰分离越来越明显，说明随着He比例的增加，离子种类的分离效果越来越好且信号强度有所提高。
图7(a-d)为对应FAIMS谱图的补偿电压位置图，由图可知，随着He比例的增加，峰1、峰2、峰3的补偿电压位置也随之改变。以图7a为例，随着He比例的增加，峰1和峰2的位置向下偏移，而峰3的位置向上偏移，且峰1向下偏移的幅度大于峰2，这样使得三个峰之间的距离原来越大。
分辨率可以用单体峰的峰宽，不同峰之间的分离度或者三个峰之间补偿电压的差值来表示。补偿电压之间的距离越大，分辨率越高，反之则分辨率逐渐降低。所以由图可知，在不同的N2流量下，随着He比例的升高，分辨率提高。
为了更加直观、清晰的看到峰1与峰2、峰2与峰3之间的补偿电压差值比较，将图7中不同N2流量下施加He对补偿电压的影响通过数值的方式表述，如表2、3所示(其中“-”表示峰3还未出现)。表2为峰1与峰2之间的补偿电压差值，在相同的N2流量下随着He比例的增高，可看到补偿电压之间的差值逐渐增高，峰1与峰2之间的分离度也越来越高；表3中有峰2与峰3之间不存在差值的情况，是由于该条件下峰3还未出现，随着He比例的增加，峰3出现，且与峰2的距离越来越大，峰2与峰3之间的分离度越来越高，所以再一次验证随着He比例的升高，分辨率会随之提高。
表2峰1和峰2之间的补偿电压比较
Figure BDA0002959632710000111
表3峰2与峰3之间的补偿电压比较
Figure BDA0002959632710000112
补偿电压的计算公式如下所示:
Figure BDA0002959632710000113
其中Kh和Kl分别为高场和低场条件下的离子迁移率，g为迁移板之间的距离，d为给定的单个射频占空比，Epp为单个射频高压幅值，dH为高场占空比。
布朗定理认为混合载气的离子迁移率与混合气体的比例有关且其非线性变化远远超过单气体下的离子迁移率变化，由上式可知，补偿电压的值会随着离子迁移率的变化而变化，(Kh-Kl)的值越大，补偿电压的值也越大，实验现象与理论研究相符。
图8(a-d)为N2流量分别为1L min-1，1.5L min-1，2L min-1，2.5L min-1时添加不同He比例的离子信号强度图。由图可知，He比例较小时，峰3不会出现，随着He比例的增加，三个峰的离子信号强度基本上呈现先增后减小的趋势，且峰1、峰2分别在0.2，0.3L min-1He时峰值达到最大，随后降低。
图9(a-c)为对增加氦气流量可以提高离子信号强度的分析，实验条件为氮气流量1.5L min-1，镇流电阻6MΩ，在负直流高压作用下，针-环状电极产生电晕放电和辉光放电，而电路中的放电电流是表征放电严重程度的一个重要参数。放电电压为-2KV的条件下，观察连接在1KΩ测试电阻上的放电电流如图9a所示，由图观察可知，在氮气流量1.5L min-1的基础上施加氮气，对放电电流没有影响，而施加相同比例的氦气，放电电流会逐渐增加，电流值增加可能是由于随着氦气的加入电离区有更多的样品离子被电离。图9b为施加He对初始放电电压的影响，由图可知，在氮气的基础上继续增加氮气，对放电电压没有影响，而增加氦气会降低起始放电电压。图9c为在补偿电压持续扫描的情况下，不施加射频电压，在氮气的基础上添加不同流量氦气对离子信号强度的影响，由图可知，随着氦气的增加，离子信号越来越强，这就可以确定随着氦气流量的增加，电离区有更多的离子被电离。
离子信号强度计算公式如下所示：
Figure BDA0002959632710000121
式中：nin为迁移区入口处的离子浓度，Q为载气流量，tres为离子经过迁移区的时间，D为离子的扩散系数，ge为迁移区的有效间距，kB为波尔兹曼常数，q为离子电荷数，g为迁移区基板间距，T为开氏温度，VH为方波射频电压幅值，d为占空比，f为方波射频电压频率。
随着He的加入，放电电流呈现增大趋势，说明在He的环境下有更多的离子被电离，迁移区入口处离子浓度nin增大，由上式可知，信号强度H随离子浓度nin的增加而增加。由于He是一种比较轻的气体，在N2中混合He之后离子在迁移区更容易撞击迁移极板210而被损失掉，当由于电离增多的离子大于撞击迁移极板210损失的离子，离子信号强度增强，反之则减小，这也就解释了为什么增加氦气比例后离子信号强度先增大后减小。在本发明前期试验的平板型FAIMS中，氮气和氦气在进入电离区域之前已被混合，加入氦气后，并不能带来离子源电离效率的提升，反而在迁移区由于离子迁移率的提高使运动振幅增大，扩散和空间电荷作用等使离子撞击到基板上湮没掉的概率增大，从而使信号减小。
4.2流量对照实验
为了排除增加氦气对FAIMS谱图的影响是由于流量增大引起的，做了以下对照实验：在N2流量为2L min-1的条件下，一组掺杂气体加入0.2L min-1,0.3Lmin-1,0.5L min-1和1L min-1的He，另一组对照组掺杂气体加入同样流量的N2，观察两组FAIMS谱图变化。图10(a-b)是在射频电压200V，镇流电阻6M，放电电压-2KV条件下得到的FAIMS谱图，由图10a可看到，在2L min-1的基础上逐渐增加N2只会对信号强度有影响，不会影响补偿电压的值，且曲线峰宽逐渐变宽，分辨率下降；图10b是在N2为2L min-1的基础上逐渐增加He，由图观察可知，随着He比例的增多补偿电压向左偏移，信号强度先增加后减小且逐渐出现了峰2，分辨率提高。
在初始N2流速为2L min-1的条件下，在混合气体中加入相同流量的N2和He放在一起进行比较，如图11所示。观察增加0.3L min-1He和增加0.3L min-1N2的图发现，其信号强度、补偿电压值、波峰数量均不同。在总的流速都为2.3L min-1的条件下，添加0.3L min-1氦气后离子峰信号强度为197.3pA，是添加0.3L min-1氮气时信号强度70pA的2.83倍，同时，补偿电压也由-1.98V增大到-2.37V，其他流速情况下也如此，说明增加He比例引起的实验现象并不是仅仅是由于流速增大引起的。
图12为在N2流速为2L min-1时，分别加0L min-1,0.2L min-1,0.3L min-1,0.5Lmin-1,1L min-1的N2、He离子强度和分辨率对比图。由图可知，随着N2的增加，离子信号强度从原来的52.76pA逐渐增加到了85.68pA，且只有一个波峰，该信号强度的增大是由于流速引起的。而随着所加He比例的增加，离子信号强度先增后减，加入0.3L min-1He时，信号强度达到了197.26pA，为增加0.3L/min-1N2信号强度的2.83倍，且在该条件下，出现了幅值为15.22pA的第二个波峰，出现第二个波峰的原因是由于分辨率的提高。
峰1的分辨率计算公式如下所示：
Figure BDA0002959632710000131
其中，VH为方波射频电压的幅值，KL为低电场条件下的离子迁移率，α(E/N)为离子迁移率系数，d为占空比，kB为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为离子电荷，tres为离子通过迁移区的时间，R为分辨率，CV为补偿电压值，FWHM为半峰宽。
由上式可知，随着N2流速的增加，离子通过迁移区的时间tres降低，从而导致分辨率下降。在2L min-1N2的条件下逐渐加入He，分辨率逐渐增高，这是因为He是一种比较轻的气体，随着He的增加，会加速离子在迁移区的振荡，从而提高离子分辨率，该对照实验验证了加入He对FAIMS谱图的影响并不是由于流速增大的原因。
4.3不同射频条件
在放电电压-2kV，镇流电阻6MΩ，N2流速2L min-1的条件下，图13(a-d)分别为施加200V，250V，300V，350V射频下添加不同He流速的FAIMS谱图。由图可知，在不同的射频条件下，随着He比例的增加，离子信号强度先增大后减小，但总体信号强度较不添加He还是大。以图13b为例，当增加He为0.2L min-1，即氦气比例为9％(与表1相对应)时，峰1的信号强度由没有He加入的26.82pA增加到了84.75pA，增加了3.15倍。继续增加He，信号强度逐渐降低，当He比例达到该N2流量下的最大值33％时，离子信号强度降到了61.37pA，但其比不加入He时信号强度仍然要大2.29倍。同时观察图13b峰2也具有同样的规律，当不加入He时，峰2的离子信号强度仅有4.02pA，,随着He的加入，离子信号强度在0.3L min-1He时达到了8.36pA，之后又随之减小，降到了5.9pA，但仍然比4.02pA大。该实验现象证明了增加He可以提高离子的灵敏度(信号强度)。两个峰之间分离度的计算公式如下所示：
Figure BDA0002959632710000141
其中，R1为双峰的分离度，CV1与CV2分别为峰1与峰2的补偿电压值，W1与W2分别为峰1与峰2的峰宽。
图14a为不同射频条件下通过公式计算来的峰1分辨率值，由图可知，随着He比例的增加，峰宽变窄，补偿电压变大，单体峰的分辨率提高，在射频200V,250V,300V,350V的条件下，加入1L min-1He时，分辨率达到最高，较不加He分别提高了1.61，1.90，1.61，2.34倍。图14b为通过公式计算的峰1与峰2在射频电压250V，300V，350V条件下的分离度，随着He比例的增加，双峰之间的分离度越来越大，进一步提高了分辨率。由图14a可知，射频电压为200V，He比例为13％时，出现了双峰，但由于峰2未完全与峰1分离，很难由公式计算出具体的分离度，增加He导致第二个波峰的出现从另一个角度证明增加He可以提高分辨率；当射频电压为分别为300V,350V时，随着He比例的增加，逐渐出现了第三个峰，同样说明分辨率随着He的加入会逐渐提高，此外，射频电压越大，加入氦气后分辨率的提高幅度也越大。射频电压为200V,250V,300V,350V时，单体峰的分辨率分别由2.13提高到3.42，由2.67提高到5.09，由3.39提高到6.55，由5.31提高到12.43，增大的倍数为1.61，1.91，1.93，2.34。射频电压为250V,300V,350V时，双峰分离度分别由1.57提高到2.6，由2.33提高到4.37，由4.17提高到9.51，增大的倍数为1.66，1.88，2.28。
图15(a-c)分别为不同射频条件下峰1，峰2和峰3随着He比例增加的信号强度变化图，由图可知，随着He比例的增加，峰1，峰2，峰3的信号强度均有先增后减的趋势，只是在不同的He比例下峰值能达到最大。当射频电压为200V，峰1与峰2在He流速为0.3L min-1时达到最大。继续增大He，信号强度降低，但仍然比不加入He时要大，此时峰3还未出现。而当射频电压为300V时，峰1在0.2L min-1He时信号值最大，峰2在0.3L min-1He时峰值最高，峰3在0.5L min-1He时出现，且达到该射频条件下的最大值，随后峰值降低。总之，在不同的射频条件下，增加He均可提高灵敏度，射频电压对灵敏度的影响与对分辨率的影响正好相反。对于峰1，射频电压幅值越小，增加氦气对提高信号强度的作用越明显，当射频电压为200V，加入0.3L min-1氦气时信号强度最高可增大3.74倍，当射频电压为350V时，信号强度仅可提高1.7倍；峰2和峰3信号强度的变化规律也类似，但需要较高的射频电压或者同一电压条件下需要加入较多的氦气才能出现峰2和峰3。
本发明实验结果显示，在1L min-1,1.5L min-1,2L min-1and 2.5L min-1N2流速下，He的加入增加了补偿电压的值，离子峰的数量从两个变成三个，不同离子峰之间的补偿电压距离增大，这表明FAIMS的分辨率提高。另一方面，离子峰的信号强度也有提高，说明FAIMS的灵敏度也提高，在氮气流速为2L min-1的条件下，添加相同流量的氦气和氮气作为混合载气，使总流量相同，不同射频电压下加入氦气的实验也同样证明增加氦气可以同时提高FAIMS的分辨率和灵敏度。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离子源，其特征在于，包括第一支撑体、第二支撑体和气流管道，所述第一支撑体和所述第二支撑体间隔设置形成离子通道，所述第一支撑体设有针状电极，所述第二支撑体设有环状电极，所述针状电极的尖端伸入所述环状电极内；所述气流管道指向所述针状电极的尖端，用于导入氦气至所述针尖；所述环状电极围绕的环状空腔，用于导入氮气。
2.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述针状电极内部具有贯通至所述针尖的通孔形成所述气流管道。
3.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述环状空腔的直径为所述气流管道的直径的3～6倍，优选地，所述气流管道的直径为0.5～1mm，所述环状空腔的直径为3mm～6mm。
4.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述针状电极与所述环状电极同心设置，且所述针状电极的尖端位于所述环状电极的轴线中部；所述第二支撑体设有贯穿的安装孔，所述安装孔的孔壁环绕设有金属导电层形成所述环状电极，所述第二支撑体设有与所述环状空腔连通的进气管。
5.一种FAIMS装置，其特征在于，包括具有一端开口的壳体，所述壳体的容纳腔设有迁移极板组、检测极板组和权利要求1～4中任一项所述的离子源，离子通道朝向所述开口；所述离子源、所述迁移极板组和所述检测极板组在远离所述开口的方向上由远及近依次设置。
6.根据权利要求5所述的FAIMS装置，其特征在于，所述壳体包括平行布置且间隔一定距离的两块绝缘板以及设置于所述绝缘板之间的侧板，所述侧板部分环绕所述绝缘板，在所述壳体形成开口；所述离子源的第一支撑体和第二支撑体相对设置，且分布于不同的绝缘板；所述迁移极板组包括两个相对设置的迁移极板，两个所述迁移极板分布于不同的绝缘板；所述检测极板组包括两个相对设置的检测极板，两个所述检测极板分布于不同的绝缘板。
7.根据权利要求6所述的FAIMS装置，其特征在于，所述第一支撑体与相应的绝缘板为一体式结构，所述第二支撑体与相应的绝缘板为一体式结构。
8.根据权利要求6所述的FAIMS装置，其特征在于，两个所述迁移极板之间的距离为0.2mm～1mm，和/或两个所述检测极板之间的距离为0.2mm～1mm。
9.一种提高FAIMS装置的分辨率和灵敏度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用权利要求5～8中任一项所述的FAIMS装置，在气流管道内通入氦气，在环状电极的环状空腔内通入氮气；其中，所述氦气的流量为所述氮气的流量的10～40％。
10.根据权利要求9所述的提高FAIMS装置的分辨率和灵敏度的方法，其特征在于，所述氦气的流量为0.25～1L/min，所述氮气的流量为1.5～2.25L/min。
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Application publication date: 20210625

Assignee: Guilin Xingyuan Technology Co.,Ltd.

Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980045835

Denomination of invention: Ion source, FAIMS device, and methods for improving their resolution and sensitivity

Granted publication date: 20230616

License type: Common License

Record date: 20231107

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