CN1202554C - 具有改进的漂移区的离子迁移率光谱仪 - Google Patents

具有改进的漂移区的离子迁移率光谱仪 Download PDF

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Abstract

一种离子迁移率光谱仪，由于金属环向非线性漂移区延伸使得电场强化，该离子迁移率光谱仪的离子穿过非线性漂移区的行进路径的线性度得到了改进。一具有扩展进入非线性漂流区的改进了的金属环。

Description

具有改进的漂移区的离子迁移率光谱仪
技术领域
离子迁移率光谱仪(Ion Mobility Spectrometer，IMS)是一种主要用于检测一给定样品气体中的原子和分子的仪器。离子运动光谱术的理论根据是：每一种离子化的原子或分子都有其独特的尺寸、形状、以及质量电荷比，所以，当向该离子化的原子或分子施加电力或磁力时，由于受与宿主气体碰撞的限制，该原子或分子会以某一特定的速率运动。可以对该速度进行测量，从而确定该原子或分子的种类。
背景技术
现有技术中的IMS基本上是一种在大气压力下进行操作的圆柱体。样本气体从该圆柱体的一端进入，被充电，然后在电场的作用下穿过圆柱体，并在圆柱体的另一端被检测。圆柱体中气体所进入的那部分叫做离子分子反应区。该区即为通常所称的漂流区，被一控制栅极与圆柱体的其它部分分隔开来。该控制栅极为一系列的具有交替改变的电荷的平行金属丝。由此，该栅可以有效地将绝大多数带电微粒保持在该离子分子反应区内，直到这些带电微粒因接触表面而失去电荷。
沿圆柱体的一系列的金属环被称为防护环，它们提供一系列的电场，这些电场可产生一个穿过该圆柱体的中心线的电场梯度。控制栅极打开时，该电场就会推动离子穿过该IMS圆柱体内的飘移气体。离子到达对面一端的集电极所需的时间可以被精确地以毫秒为单位测量出来。因为每种离子都有其独特的尺寸、形状、以及其质量电荷比，所以对每个微粒来说，其穿过IMS的时间是独特的。可根据在一百万份中所占的组份来确定一特定的化合物。
然而，在一百万份中检测气体的组份是一高精密度的处理。气体中所含微粒的浓度越低，就越难于在背景信号，比如，噪声的环境下进行探测。而且，当某一特定的电离原子或电离分子穿过IMS的行进时间和一比其所占组份更多的气体的时间相似时，如果这种系统的分辨力不够精确，那么其信号就有可能会失去。
解决这类问题的方法是几十次、成百次甚至成千次地重复进行测量，这种方法叫做信号平均法。通过这种方法，即使浓度很低，其信号也会容易地从背景噪声中显现出来。但是，如果该系统不够精确，那么微弱信号仍有可能被较强的信号所淹没。而且，成百上千次的重复进行测量通常也是不实际的，比如在实时测量有毒气体的时候。
因此，就希望能够提高信噪比和信号的分辨率。
引起信号衰减的一个原因是防护环本身。该防护环形成了一个供离子通过的内部空间。该内部空间的中间部分被称作线性区域。该区域的直径大约是防护环形成的内部空间的直径的一半。在该空间，离子沿直线路径行进。当离子越接近防护环，在防护环和圆柱体中心线的中部位置开始行进时，它会越向边缘处开始漂移。离子和防护环的接近会引起线性区域的减小。离子的出发点越靠近防护环，则其漂移就会越向一边倾斜，行进的路径也就会越长。由于部分被测离子和分子沿一倾斜角而非沿直线运动，要花更长的时间到达集电极，所以会使信号更加微弱。此外，一些离子甚至会漂移到撞上栅的安装装置或其它的阻碍物的程度，而完全失去用于信号测量的这些离子。
为解决这个问题，已经进行了一些尝试。其中的一个解决办法就是阻塞或者不读取未按直线行进的离子。这样就保证了被测离子的行进时间更加一致，并形成更突出的峰。但是，由于大量数目的离子被阻止由集电极来读取，而且外部线性度较低的漂流区的面积要远远大于内部线性漂流区的表面面积，因此降低了信噪比。
因此需要一种能够提高电场线性度的方法，使得穿过漂流区的同样的离子具有同样的行进时间，从而在不牺牲信噪比的前提下提高系统的分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够改进在漂流区运动的离子的线性度，从而提高分辨率的IMS。
IMS的防护环提供电场，该电场推动离子穿过IMS。然而，离子与防护环的接近会引起离子沿IMS壁的方向偏离其直线路径。在本发明的一个实施例中，防护环的一窄的延伸从至少一个防护环延伸向该IMS的中心线。这看上去好象是插入一防护环中间的垫片，该垫片的内径小于防护环的内径。
根据本发明的一个方面，提供了一种离子迁移率光谱仪，其包括：一系列金属环，所述一系列金属环中的每个金属环都具有一内径、外径和宽度，这些金属环形成一具有两端和一中心区域的圆柱体，且提供穿过所述中心区域的电场梯度；位于该系列金属环一端的控制栅极；位于所述系列金属环的与所述控制栅极对应的一端的离子集电极；和至少一个第二金属环，具有一内径、外径及宽度，其位于贯穿至少一个所述一系列金属环的中间位置；其中，所述第二金属环的内径和宽度都比所述一系列金属环的小，由此，该第二金属环比所述一系列金属环更进一步地延伸进入所述的中心区域。
根据本发明的另一方面，提供了一种离子迁移率光谱仪，其包括：一系列金属环，所述一系列金属环中的每个金属环都具有一内径、外径和宽度，这些金属环形成一具有两端和一中心区域的圆柱体，且提供穿过所述中心区域的电场梯度；位于该系列金属环一端的控制栅极；位于所述系列金属环的与所述控制栅极对应的一端的离子集电极；和形状为星形的突出物，其位于贯穿至少一个所述一系列金属环的中间位置；其中，所述突出物的宽度比所述一系列金属环的小，并且所述突出物比所述一系列金属环更进一步地延伸到所述中心区域。
在本发明的另一个实施例中，从每个防护环有一窄的突起延伸向IMS的中线。在对该实施例的进一步的完善当中，所有的这些延伸的长度都一样。
在一实施例中，至少两个防护环具有朝向IMS的中心线的延伸，其中一个是最靠近最终屏栅极和集电极的防护环。在该实施例中，最靠近屏栅极的防护环延具有最长的延伸。在对该实施例的进一步的完善中，每一个防护环都具有朝向该中心线的延伸，且最靠近控制栅极的防护环的延伸最短，随着越来越靠近栅集电极(grid collector)，每个防护环的延伸也越来越长。
在本发明的再一实施例中，防护环进入漂流区的延伸由一系列的突起，如钉状物，而不是均匀的圆盘来实现。
附图说明
图1所示为根据现有技术的IMS的线性横截面图。
图2A和2B所示为一IMS的外部区域的三维外形图。
图3所示为根据现有技术的IMS的部分线性横截面图，其中，示出了漂流区和线性区，以及这些区域中的离子的行进路径的例子。
图4所示为根据本发明一实施例的IMS的线性横截面图。
图5所示为根据本发明一实施例的IMS的部分线性横截面图，其中，示出了漂流区和线性区，以及这些区域中的离子的行进路径的例子。
图6A和6B示出了在现有技术与本发明的IMS中的离子样品行进时间的对比图表。
图7所示为一IMS的读出结果的例子。
具体实施方式
图1所示为根据现有技术的IMS的线性横截面图。基本上，IMS是一个由多个环(称之为防护环1)堆叠而形成的中空的圆柱体。这些防护环所带电量各不相同，从而能够提供穿过该IMS中心的电场梯度。典型地，这些防护环由不锈钢制成，并且彼此被某种绝缘装置隔开。蓝宝石质地的小串珠很适合用于此目的。然后，将这些防护环包入护套中，就形成了该IMS的主体。
如此形成的圆柱体的一端是离子分子反应区2，其中注入所期望的气体样本，并对其原子和离子充电。由控制栅极3将该离子分子反应区与圆柱体的其他部分分隔开，控制栅极3是由一系列带有交替变换电荷、间隔很近的平行金属丝制成的。该控制栅极能够有效的使带电微粒保持在该离子分子反应区2内，直到其以百万分之一秒的时间间隔被放电。
然后，由防护环1所提供的电场梯度驱动这些带电的原子、分子和离子穿过IMS。若干毫秒后，这些微粒便可到达离子集电极4，离子集电极4记录其碰撞，由此测量离子穿过IMS行进的时间。在IMS中紧邻离子集电极4的位置，通常不超过半毫米远，还包含有一屏栅极5，其安装在屏栅极安装装置6上。离子穿过该屏栅极，紧接着就撞击该离子集电极4。
中心线7是一条穿过IMS正中心的一条理论直线。图2A中再一次示出了中心线7，该图为IMS的三维展示。最初，在离子行进期间，质谱仪的内部空间是被清空的，以便离子穿过的是真空。然而，IMS充满了在大气压力下的均匀的气体。离子穿过充满气体的IMS和真空的行进时间是不同的，但仍然有其独特的特性，所以，仍可以这种方式精确地测量各种浓度，而无须过度麻烦地保持真空条件。图2B是图2A中所示物体的剖示图。
图3示出了图1中线性横截面的上半部分，其中，标明了漂流区8、线性区9(由于更线性化的电场而引起的)以及自中心线7隔开均匀间隔的不同离子10的行进路径。由线性较差的电场而引起的漂流区8大约起自中心线7和防护环1的中间位置。离子开始行进时，其越接近防护环1，就越会向IMS的外边缘漂移。该漂移使离子在穿过IMS的路途中花更长的时间，导致结果所得的信号峰值轮廓模糊。此外，有些离子漂移的太远，甚至撞到了屏栅极安装装置6，从而这些微粒的信号就会完全消失。这会引起信噪比的降低。
图4所示为本发明的一个实施例。防护环的延伸20进入漂流区(未标示)，且在不妨碍离子行进路径的情况下改进了该区域的电场。在此图中，所有的防护环都有延伸(除了与控制栅极相接的那个防护环)。最接近集电极的那个延伸21所延伸到漂流区8中的部分最深。在该实施例的其它变型中，不一定在所有的防护环上都具有延伸部分，并且延伸部分的长度有可能均匀一致，也有可能逐渐变长。
图5显示了在改进后的IMS中例举离子的行进路径。虽然漂流区的离子仍有一些漂移，但如图6A中所示，在某些情况下，预计可获得高达20％的改进效果。在图6A中，增量(DELTA)“Y”表示距离中心的偏移，而具有编号的离子是自中心线以一固定间隔采样所得的假设的离子，离子1位于中心线处，而离子28为最远的可测量出的离子。图6A中画有圆圈的上方的曲线代表在根据现有技术的IMS中的离子，而画有上下三角的下方的改进后的曲线则代表穿过根据本发明实施例的IMS的离子。离子距中心线越远，DELTA“Y”的改进效果越明显。有一点很重要，即考虑到由图6A中的离子所代表的实际离子的个数随距中心线的距离的增加而上升。图6B所示为一类似的图表，其中的漂移由行进时间(TOF)来表示。
图7是一个由IMS所进行的信号读出结果的例子。该图例显示了如果信号不是足够强的话，较小的峰值如何能够被一较大的峰值所淹没。

Claims (11)

1.一种离子迁移率光谱仪，其包括：
一系列金属环，所述一系列金属环中的每个金属环都具有一内径、外径和宽度，这些金属环形成一具有两端和一中心区域的圆柱体，且提供穿过所述中心区域的电场梯度；
位于该系列金属环一端的控制栅极；
位于所述系列金属环的与所述控制栅极对应的一端的离子集电极；和
至少一个第二金属环，具有一内径、外径及宽度，其位于贯穿至少一个所述一系列金属环的中间位置；
其特征在于，所述第二金属环的内径和宽度都比所述一系列金属环的小，由此，该第二金属环比所述一系列金属环更进一步地延伸进入所述的中心区域。
2.根据权利要求1所述的离子迁移率光谱仪，其中，所述第二金属环位于贯穿至少两个所述一系列金属环的中间位置。
3.根据权利要求2所述的离子迁移率光谱仪，其中，所述各第二金属环具有不同的内径。
4.根据权利要求2所述的离子迁移率光谱仪，其中，所述各第二金属环具有不同的宽度。
5.根据权利要求1所述的离子迁移率光谱仪，其中，所述至少一个第二金属环包括多个第二金属环，每个都位于贯穿所述一系列金属环的中间位置。
6.根据权利要求5所述的离子迁移率光谱仪，其中，所述第二金属环具有不同的内径。
7.根据权利要求5所述的离子迁移率光谱仪，其中，所述第二金属环具有不同的宽度。
8.一种离子迁移率光谱仪，其包括：
一系列金属环，所述一系列金属环中的每个金属环都具有一内径、外径和宽度，这些金属环形成一具有两端和一中心区域的圆柱体，且提供穿过所述中心区域的电场梯度；
位于该系列金属环一端的控制栅极；
位于所述系列金属环的与所述控制栅极对应的一端的离子集电极；和
形状为星形的突出物，其位于贯穿至少一个所述一系列金属环的中间位置；
其特征在于，所述突出物的宽度比所述一系列金属环的小，并且所述突出物比所述一系列金属环更进一步地延伸到所述中心区域。
9.根据权利要求6所述的离子迁移率光谱仪，其中，最靠近所述离子集电极的第二金属环在所有所述的第二金属环中内径最小。
10.根据权利要求2所述的离子迁移率光谱仪，其中，一个所述的第二金属环处于贯穿最靠近所述离子集电极的金属环的中间位置。
11.根据权利要求6所述的离子迁移率光谱仪，其中，最靠近所述控制栅极的所述第二金属环在所述所有的金属环中，内径最大，且每个所述第二金属环与所述离子集电极的距离越远，其内径越小。
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