CN103441058A - 微空心阴极放电电离源整合式faims - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，包括支撑固定板和PCB板；所述支撑固定板从上至下依次固定有微空心阴极放电电离源、FAIMS芯片和检测器，并且固定于所述PCB板上，所述进气口、所述微空心阴极放电电离源、所述FAIMS芯片和检测器之间形成贯穿所述支撑固定板和PCB板的检测通道；本发明放电电压低，解决了现有技术中集成的微型高场非对称波形离子迁移谱中离子源要外加很大的离化电压因而对其他区域造成电场干扰，影响装置的稳定性和灵敏性的问题，从而提供一种稳定性和灵敏性高、生产方便的并且能在大气压下使用的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS。

Description

微空心阴极放电电离源整合式FAIMS

技术领域

本发明涉及一种对生化物质进行快速检测装置，具体是一种微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，属于现场分析检测技术领域。

背景技术

高场非对称波形离子迁移谱（Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry, FAIMS）技术是前苏联科学家另辟蹊径发展的一种迁移谱技术，在上世纪90年初首次由Buryakov等公开发表。传统离子迁移谱技术主要是依靠低电场下（<1000 V/cm）各种离子迁移率的不同，样品离子到达检测器的漂移时间不同来分离识别不同化合物而达到分析检测的目的。在低电场下（<1000 V/cm），物质的离子迁移率是恒定的常数，与场强无关。而在高电场（>10000 V/cm）下，不同离子迁移率与电场之间的呈现复杂的非线性依赖关系。该非线性关系与电场强度有关。高场非对称波形离子迁移谱技术就是基于这一点，在两个平行电极上加入一个交替变化的高低电场，不同的离子在一个交替变化周期电场的迁移量将不同，同时在电场方向上引入一个直流补偿电压，来调节区分出不同的离子。

FAIMS在初期以其高选择性和信噪比引起了广泛关注，但是存在着体积较大、制作工艺较复杂、功耗较高且很难批量生产的问题。此后国外一些公司致力于研究微型离子迁移谱仪，主要有平板型和圆筒型。圆筒型微型离子迁移谱仪原理同平板型一样，只是将两个电极分别是内部的实心圆柱和外面的圆桶，与平板型相比其受外界的电场干扰较小，从而有更高的灵敏度，但是其对制作工艺要求非常高，不适合批量生产。

不论是圆筒型还是平板型，现有产品都只是作为整个高场非对称波形离子迁移谱仪的一部分，而没有集成离子源和检测仪，从而外接的时候会增大体积，使通道增长，会降低离子浓度。

为了解决这一技术问题，中国CN101067616A号发明专利公布了一种纵向高场不对称波形离子迁移谱装置，包括介质阻挡放电离化源、屏蔽电极、检测仪。所述介质阻挡放电离化源包括阻挡介质，即硼硅玻璃及镀于硼硅玻璃上的离化电极和离化电路，屏蔽电极置有分别平行镀于硼硅玻璃上的离化迁移内屏蔽电极、离化迁移外屏蔽电极和迁移检测屏蔽电极。虽然该发明集成了电离源、离子迁移管和检测仪，但是该发明中离子源外加离化电压可以达到几千伏以上，能量耗损大并且容易对其他部件造成干扰，虽然其也采用了屏蔽电极来解决此问题，但是不可能完全消除离子源上所加的高压对其他器件的影响，只能改善，所以还是会对其他不同区域造成电场干扰，降低装置的稳定性和灵敏度。此外，该技术方案中采用硼硅玻璃，并在硼硅玻璃上镀离化电极和离化电路，由于玻璃材质易碎、加工不便，导致该设备生产与装配很不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中集成的微型高场非对称波形离子迁移谱中离子源都要外加很大的离化电压因而对其他区域造成电场干扰，影响装置的稳定性和灵敏性的问题，从而提供一种稳定性和灵敏性高、生产方便的能在大气压下使用的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，包括PCB板和支撑固定板，所述支撑固定板的一端连接在所述PCB板上，另一端为开放端，在所述开放端上设置有进气口和电源接口；

所述支撑固定板内部从所述开放端至连接端分层依次设置有微空心阴极放电电离源、FAIMS芯片和检测器，所述检测器设置在所述PCB板上，所述进气口、所述微空心阴极放电电离源、所述FAIMS芯片和检测器之间形成贯穿所述支撑固定板和PCB板的检测通道。

所述微空心阴极放电电离源为三层结构，并设置有贯穿三层的放电通道，其中间层为绝缘层，进气口一侧为阳极，出气口一侧为阴极，所述阳极和阴极采用金属材料。

所述阳极和阴极之间距离为20-400微米，所述放电通道为圆柱形，其直径为20-400微米，阳极和阴极的厚度为10-200微米。

所述微空心阴极放电电离源的放电电压为200-450V，放电电流为0.5-10mA。

所述放电通道为1-9个，呈阵列形式分布。

所述微空心阴极放电电离源中的放电气体为氦气、氖气、氩气或者氮气、空气。

所述微空心阴极放电电离源的外加电压采用直流电压或交流电压。

所述FAIMS芯片中间沿着同一方向在硅片上刻蚀出多个离子迁移沟道，每个所述沟道的间距为30-500微米，其深度为300-3000微米。

所述FAIMS芯片外加一个非对称的射频高压，其频率在0.2-30MHz,以实现高低电场交替变化的环境。

所述微空心阴极放电电离源整合式FAIMS采用MEMS工艺加工，整合式FAIMS整体厚度为0.8-1.5 厘米，支撑固定板的外径为2.5-3.5 厘米。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，采用微空心阴极放电电离源放电电压相对较低，对其他器件的电场干扰较小，解决了现有技术中集成的微型高场非对称波形离子迁移谱中离子源都要外加很大的离化电压因而对其他区域造成电场干扰，影响装置的稳定性和灵敏性的问题，使得微空心阴极放电电离源整合式FAIMS具有更好的稳定性和更高的灵敏性。

（2）本发明所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，采用微空心阴极放电电离源能产生的等离子体密度高，电子浓度大，克服了现有技术中产生的离子浓度不高，导致离子迁移谱的信号比较弱，线性范围小的问题。

（3）本发明所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，所述放电通道为圆柱形，其直径为20-400微米，实现了微空心阴极放电电离源在大气压下放电，降低了工作要求，更适合推广应用到更多的器件。

（4）本发明所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，本发明采用MEMS工艺加工，整体厚度仅约0.8-1.5cm，外径约2.5-3.5 cm。整合式的微空心阴极放电离子源与迁移区的微纳化使器件大大缩小，可以实现强场非对称波形离子迁移谱仪的微型化。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1是本发明所述微空心阴极放电电离源整合式FAIMS的切面剖视图；

图2是本发明所述微空心阴极放电电离源整合式FAIMS的单孔式微空心阴极放电电离源的结构示意图；

图3是本发明所述微空心阴极放电电离源整合式FAIMS的多孔式微空心阴极放电电离源的结构示意图；

图4是本发明所述微空心阴极放电电离源整合式FAIMS中的FIAMS芯片的主视图；

图5是本发明所述微空心阴极放电电离源整合式FAIMS的应用多孔式微空心阴极放电电离源的整合式FAIMS的切面剖视图。

图中附图标记表示为：1-支撑固定板，2-微空心阴极放电电离源，3-FAIMS芯片，4-密封圈，5-PCB板，6-多孔微空心阴极放电电离源，7-检测器，21- 绝缘层，22-阳极，23-阴极。

具体实施方式

下面提供本发明所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS的具体实施方式。

实施例1

本发明所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS的结构如图1所示，包括PCB板5和支撑固定板1，所述支撑固定板1的一端连接在所述PCB板5上，另一端为开放端，在所述开放端上设置有进气口和电源接口；所述支撑固定板1内部从所述开放端至连接端分层依次设置有微空心阴极放电电离源2、FAIMS芯片3和检测器7，所述检测器7设置在所述PCB板5上，所述进气口、所述微空心阴极放电电离源2、所述FAIMS芯片3和检测器7之间形成贯穿所述支撑固定板1和PCB板5的检测通道；所述支撑固定板1优选的可以采用圆形结构，样品从微空心阴极放电电离源2端进入检测通道，所述空心阴极放电电流的范围为0.5-10mA，当所述微空心阴极放电电流为1mA时，所述微空心阴极放电电离源在大气压下保持稳定的微空心阴极放电，此时的放电电压为200-450V，远远低于现有技术中的几千伏，使得本发明使用起来更稳定更方便；样品经过微空心阴极放电离子源2进行电离，电离后的各种离子经过离子迁移沟道芯片进行筛选后，在检测器7上通过微电流放大器进行检测。

实施例2

本发明所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS中的所述微空心阴极放电电离源2为三层结构，如图2所示，并设置有贯穿三层的放电通道，其中间层为绝缘层21，进气口一侧为阳极22，出气口一侧为阴极23，所述阳极22和阴极23采用金属材料，优选的采用铂。所述绝缘层21优选的采用石英，所述阳极22和阴极23之间的距离和气体通道直径优选的为100微米，所述放电通道优选的为圆柱形，其直径100微米，阳极22和阴极23的厚度均为50微米。所述微空心阴极放电电离源2的放电通道采用一个，也可采用有多个呈阵列形式，所述放电通道最优选的为4个，呈阵列形式分布，如图3中的多孔微空心阴极放电电离源6。所述微空心阴极放电电离源2中的放电气体采用惰性气体如氦气、氖气、氩气。所述微空心阴极放电电离源2的外加电压优选的采用直流电压。

作为其他可变换的方式，所述阳极22和阴极23还可以采用镍、钨、铜等，所述绝缘层21还可以采用云母、陶瓷、轻型耐高温塑料等，所述放电气体还可以采用氮气、空气等，外加电压也可采用交流电压如RF射频电压，所述阳极22和阴极23之间的距离和气体通道直径还可以为20-400微米，所述放电通道还可以为其他形状如方形，阳极22和阴极23的厚度均还可以为10-200微米，所述放电通道数量还可以选择1-9个。

实施例3

本发明所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS中的所述FAIMS芯片3中间沿着纵向在硅片上刻蚀出多个离子迁移沟道。如图4所示，每个沟道的间距优选的为30-500微米，沟道的深度优选的为300-3000微米，本实施例中沟道的间距为100微米，沟道的深度为700微木。在所述FAIMS芯片3的两个电极优选的加上一个非对称的射频高压，频率优选为0.2-30MHz,实现高低电场交替变化的环境。

实施例4

本发明所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS采用MEMS工艺加工，如图5所示，整体厚度仅约0.8-1.5cm，外径约2.5-3.5 cm，使本发明微型化，可以应用的范围更广。所述支撑固定板1外部采用密封圈4固定。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，包括PCB板和支撑固定板，所述支撑固定板的一端连接在所述PCB板上，另一端为开放端，在所述开放端上设置有进气口和电源接口；

其特征在于：所述支撑固定板内部从所述开放端至连接端分层依次设置有微空心阴极放电电离源、FAIMS芯片和检测器，所述检测器设置在所述PCB板上，所述进气口、所述微空心阴极放电电离源、所述FAIMS芯片和检测器之间形成贯穿所述支撑固定板和PCB板的检测通道。

2.根据权利要求1所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，其特征在于：所述微空心阴极放电电离源为三层结构，并设置有贯穿三层的放电通道，其中间层为绝缘层，进气口一侧为阳极，出气口一侧为阴极，所述阳极和阴极均采用金属材料。

3.根据权利要求1或2所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，其特征在于：所述阳极和阴极之间距离为20-400微米，所述放电通道为圆柱形，其直径为20-400微米，阳极和阴极的厚度均为10-200微米。

4.根据权利要求1或2或3任一项所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，其特征在于：所述微空心阴极放电电离源的放电电压为200-450V，放电电流为0.5-10mA。

5.根据权利要求2-4任一项所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，其特征在于：所述放电通道为1-9个，呈阵列形式分布。

6.根据权利要求1-5任一项所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，其特征在于：所述微空心阴极放电电离源中的放电气体为氦气、氖气、氩气或者氮气、空气。

7.根据权利要求1-6任一项 所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，其特征在于：所述微空心阴极放电电离源的外加电压采用直流电压或交流电压。

8.根据权利要求1-7任一项所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，其特征在于：所述FAIMS芯片中间沿着同一方向在硅片上刻蚀出多个离子迁移沟道，每个所述沟道的间距为30-500微米，其深度为300-3000微米。

9.根据权利要求1-8任一项所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，其特征在于：所述FAIMS芯片外加一个非对称的射频高压，其频率在0.2-30MHz。

10.根据权利要求1-9任一项所述的微空心阴极放电电离源整合式FAIMS，其特征在于：所述微空心阴极放电电离源整合式FAIMS采用MEMS工艺加工，整合式FAIMS整体厚度为0.8-1.5 厘米，支撑固定板的外径为2.5-3.5 厘米。

Images