CN102903598B - 一种用于提高传统离子迁移管灵敏度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高传统离子迁移管灵敏度的方法，首先使得离子迁移管在离子门关闭时电离区的电压V1、第一离子门栅的电压V2以及第二离子门栅的电压V3满足如下公式：V1=V3>V2>>0，在开门瞬间，对电离区的电压V1施加一个同原先电压极性相同、幅度为ΔV1的脉冲，对第一离子门栅的电压V2也施加一个同原先电压极性相同、幅度为ΔV的脉冲，使得：(V1+ΔV1)>>(V2+ΔV)>V3>>0，由此在关门时，在电离区积累的离子，在电场力的作用下，瞬间进入迁移区进行迁移。利用该方法使得传统结构的离子迁移管在离子利用率上能提高5倍以上，对常见样品的极限探测灵敏度能提升5至10倍，大幅提高仪器的灵敏度性能指标。

Description

一种用于提高传统离子迁移管灵敏度的方法

技术领域

本发明涉及一种离子迁移管，具体涉及一种提高离子迁移管灵敏度的方法

背景技术

离子迁移谱(IMS)是20世纪60年代末出现的，经过几十年的发展已成为基于分子水平上较成熟的现场痕量检测技术。离子迁移谱仪中的核心部件为离子迁移管。在离子迁移管中，样品分子在离化源的作用下，可以产生相应产物离子。将这些产物离子放置在大气环境恒定电场中，它们因受电场的加速和中性大气分子的碰撞减速，在宏观上就表现为获得了一个恒定的平均速度。由于不同的产物离子其荷质比、空间几何构型和碰撞截面不同，因而获得的平均速度也不同，所以在经过一段电场以后他们就被分离，先后到达探测器从而完成被检测的过程。

传统的离子迁移管结构如图1所示：其主要由电离区1、迁移区2、探测器3组成。电离区1设置于迁移区2的起始端，并且两者之间设置有离子门4；探测器3设置在迁移区2的末端。

如图1和图2所示，离子迁移管中的离子门4一般由两个靠得很近的金属门栅41组成，这两个金属门栅之间相互绝缘。

传统的离子迁移管的工作方式描述如下：待测样品的微粒进入电离区，在离化源(通常为⁶³Ni)的作用下通过质子夺取反应、电子附着反应、电子交换反应等生成相对稳定的产物离子。产物离子通过离子门的控制在同一时间内成批进入迁移区进行迁移。在经过一段电场以后他们就被分离，先后到达收集器形成微弱的脉冲电信号，从而完成被检测的过程。

在图1中，Vi为电离区电压，Vg为第一个离子门栅的电压，Vd为第二个离子门栅的电压，同时第二个离子门栅电压又是迁移区的起始端电压(即迁移区的最高电压)，同时迁移区上的各电极电压由电阻分压获得，管体外壳和收集器为零电位。在离子门关闭的情况下，各电极电压分别为|Vi|＝V1、|Vg|＝V2、|Vd|＝V3，其高低关系如下：

V1>>V3>V2>>0

在开门的瞬间，Vg将被施加一个同原先电压极性相同的脉冲，幅度为ΔV，这时又有如下关系：

V1>>(V2+ΔV)>V3>>0

显然在离子门关闭时，离子门两个门栅间有一个与迁移区电场方向相反的电场，离子无法通过。在开门瞬间，反向电场被纠正，离子被允许通过。

以上介绍的是传统的离子迁移管的工作方式，其弊端在于Vi的电位远高于Vg和Vd，因此电离区产生的离子也是有明显的运动方向的，其方向是从电离区朝离子门栅方向运动，在离子门关闭时，由于离子无法越过门栅间的反向电场，因此大部分离子会撞到第一级门栅的金属丝上放电，损失成为中性离子，造成了离子利用效率的低下，从而影响仪器灵敏度指标。

发明内容

本发明针对传统离子迁移管的工作方式造成离子利用率低下，从而影响仪器灵敏度的问题，而提供一种用于提高传统离子迁移管灵敏度的方法。本方法在不改变传统离子迁移管结构设计的前提下，有效解决传统离子迁移管工作方式造成的离子利用率低下的问题端，减少离子门关闭时电离区离子的损失，从而提高仪器灵敏度。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种用于提高传统离子迁移管灵敏度的方法，该方法中

首先使得离子迁移管在离子门关闭时电离区的电压V1、第一离子门栅的电压V2以及第二离子门栅的电压V3满足如下公式：

V1＝V3>V2>>0，

其中，第二离子门栅的电压V3与第一离子门栅的电压V2之间的反向电场幅度为7V～30V，并且第二离子门栅与电离区保持相等电位，使得电离区产生的离子能够充分达到饱和；

在开门瞬间，对电离区的电压V1施加一个同原先电压极性相同、幅度为ΔV1的脉冲，对第一离子门栅的电压V2也施加一个同原先电压极性相同、幅度为ΔV的脉冲，使得：

(V1+ΔV1)>>(V2+ΔV)>V3>>0，

由此在关门时，在电离区积累的离子，在电场力的作用下，瞬间进入迁移区进行迁移。

采用本发明后，传统结构的离子迁移管在离子利用率上能提高5倍以上，对常见样品的极限探测灵敏度能提升5至10倍，大幅提高仪器的灵敏度性能指标。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为传统离子迁移管的结构示意图；

图2为传统离子迁移管中电子门栅的结构示意图；

图3为本发明基于实施的离子迁移管的连接原理图；

图4为离子门关闭时离子迁移管中各电极电压分布示意图；

图5为离子门打开瞬间离子迁移管中各电极电压分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图3，其所示为本发明基于实施的离子迁移管的连接原理图，由图可知，本发明对传统离子迁移管结构没有进行改变，其同样包括电离区100、迁移区200、探测器300，其中电离区100设置于迁移区200的起始端，在两者之间设置有离子门400，探测器300设置在迁移区200的末端；离子迁移管中的离子门400由第一金属离子门栅401和第二金属离子门栅402组成，这两个离子门栅靠得很近，并且两者之间相互绝缘，其具体结构如图2所示。

在实施时，在迁移区200外接高压电源500，以提供迁移区恒定电场，同时迁移区内的各电极电压由相应的电阻分压获得。电离区100的电压为Vi，第一离子门栅401的电压为Vg，第二离子门栅402的电压为Vd，同时第二离子门栅402的电压又是迁移区的起始端电压，即迁移区的最高电压，管体外壳和收集器为零电位。

在离子门关闭的情况下，各电极电压分别为|Vi|＝V1、|Vg|＝V2、|Vd|＝V3，它们之间的电压高低关系如下：

V1＝V3>V2>>0，

由上式可知，在离子门关闭时，电离区100的电压V1与迁移区最高电压抑制，即与第二离子门栅402的电压V3一致，第二离子门栅的电压V3与第一离子门栅的电压V2之间的反向电场幅度在7V～30V之间，具体可以为10V或者20V，并且与电离区的电压之间没有显著的电位差，即第二离子门栅与电离区保持相等电位，由此使得电离区产生的离子能够充分达到饱和。

在开门瞬间，电离区100的电压Vi将被施加一个同原先电压极性相同(即与电离区原来所施加的电压Vi极性相同)的脉冲600，幅度为ΔV1，第一离子门栅的电压Vg也将被施加一个同原先电压极性相同(即与第一离子门栅的电压Vg极性相同)的脉冲700，幅度为ΔV，这时使得各电极电压之间的高低关系如下：

(V1+ΔV1)>>(V2+ΔV)>V3>>0，

其中(V1+ΔV1)与(V2+ΔV)之间相差200V～600V，(V2+ΔV)与V3之间相差10V～30V，V3为1300V～2500V。

此时，关门时在电离区积累的离子，在电场力的作用下，瞬间进入迁移区进行迁移。

对比上述发明的开门工作方式，传统的离子迁移管的工作方式中，在离子门关闭时V1的电位远高于V2和V3(相差100V～300V)，因此电离区产生的离子也是有明显的运动方向的，其方向是从电离区朝离子门栅方向运动，此时由于离子无法越过门栅间的反向电场，因此大部分离子会撞到第一级门栅的金属丝上放电，损失成为中性离子，其损失率高达90％以上，造成了离子利用效率的低下，从而影响仪器灵敏度指标。

而本发明针对此情况在不改变传统离子迁移管结构设计的前提下，通过改变在离子门关闭时V1电位，使此时电离区产生的离子不具有明显的运动方向，减少离子的损失，这种方法使离子利用率提高5倍以上，对常见样品的极限探测灵敏度能提升5至10倍，大幅提高仪器的灵敏度性能指标。

基于上述方案，本发明的具体实施如下：

参见图4，在迁移区200接1500V的高压电源，以提供迁移区恒定电场，各电极电压由电阻分压获得。

其中，电离区100在离子门关闭时保持与迁移区最高电压一致，都为1500V，在电离区中第一离子门栅的电压为1490V，第二离子门栅的电压为1500V，探测器为0电位。由此，使得电离区产生的离子能够充分达到饱和。

参见图5，开门时电离区将被施加一个500V左右的脉冲，第一离子门栅也将被施加一个15V左右的脉冲。此时，电离区电压为2000V，第一离子门栅的电压为1505V，第二离子门栅的电压为1500V，探测器为0电位。

在该实例中开门时间控制在200至400微秒之间，之后进行关门，在关门时在电离区积累的离子，在电场力的作用下，瞬间进入迁移区进行迁移，大大提高离子的利用率，从而对常见样品的极限探测灵敏度能提升5至10倍，能大幅提高仪器的灵敏度性能指标。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种用于提高传统离子迁移管灵敏度的方法，其特征在于，所述方法中

首先使得离子迁移管在离子门关闭时电离区的电压V1、第一离子门栅的电压V2以及第二离子门栅的电压V3满足如下公式：

V1＝V3>V2>>0，

其中，第二离子门栅的电压V3又是迁移区的起始端电压，即迁移区的最高电压，其与第一离子门栅的电压V2之间的反向电场幅度在7V～30V之间，并且第二离子门栅与电离区保持相等电位，使得电离区产生的离子能够充分达到饱和；

在开门瞬间，对电离区的电压V1施加一个同原先电压极性相同、幅度为ΔV1的脉冲，对第一离子门栅的电压V2也施加一个同原先电压极性相同、幅度为ΔV的脉冲，使得：

(V1+ΔV1)>>(V2+ΔV)>V3>>0，

由此在关门时，在电离区积累的离子，在电场力的作用下，瞬间进入迁移区进行迁移。