CN103887141A

CN103887141A - 一种离子迁移谱仪

Info

Publication number: CN103887141A
Application number: CN201410114963.4A
Authority: CN
Inventors: 余泉; 刁兆亮; 倪凯; 钱翔; 王晓浩; 唐飞
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: CN103887141B

Abstract

本发明公开了一种离子迁移谱仪，包括上环状电极、下环状电极、中心电极、检测电极和屏蔽栅，上环状电极和下环状电极上下相对并同心设置，中心电极位于上环状电极的圆心位置，中心电极与上环状电极和下环状电极之间形成离子源区，检测电极与上环状电极和下环状电极之间形成离子漂移区，检测电极包括设定圆柱体的侧面部分，屏蔽栅是导体且位于离子漂移区与检测电极之间；屏蔽栅用于，当中心电极电压大于检测电极电压时被施加小于中心电极电压的电压，当中心电极电压小于检测电极电压时被施加大于中心电极电压的电压。本离子迁移谱仪具有较高的准确度和较高的灵敏度。

Description

一种离子迁移谱仪

【技术领域】

本发明涉及离子迁移检测领域，具体涉及一种离子迁移谱仪。

【背景技术】

离子迁移谱仪（IMS，Ion Mobility Spectrometry）是一种基于离子在电场中的迁移速度的差异来对样品物质进行检测的仪器。样品在电离装置中被电离成样品离子，并被引入到存在线性直流电场的漂移区中，通过气相离子在电场中迁移速度的差异使离子间彼此分离，从而实现对不同样品离子的分离和表征。

离子迁移谱仪的微型化是一种大趋势，逐渐由车载式、台式机向便携式、手持式轻便仪器发展。现有的离子迁移谱仪多采用直线型迁移管，所有离子具有相同的运动方向。对于产生发散型离子的离子源如激光电离源等，直线型仪器就只能采集其中的部分离子。另一方面，在离子漂移过程中存在扩散现象，增大传输过程的损失。根据离子迁移谱理论，此时离子迁移谱仪的分辨率和灵敏度都将降低。因此，尤其是在检测发散型离子源产生的离子时，需要采用一种可以360°收集离子的圆盘型离子迁移谱仪。

公开号为1513114公开了一种径向盘式离子迁移率分光计，但是该迁移计在检测时容易出现检测结果不准确的问题。

【发明内容】

为了克服现有技术的不足，本发明其中一个目的是，提供一种离子迁移谱仪以提高离子检测的准确度；另外一个目的是提供一个分辨率和准确度都较好的离子迁移谱仪。

一种离子迁移谱仪，包括上环状电极、下环状电极、中心电极、检测电极和屏蔽栅，所述上环状电极和下环状电极上下相对并同心设置，所述中心电极位于所述上环状电极的圆心位置，所述中心电极与上环状电极和下环状电极之间形成离子源区，所述检测电极与所述上环状电极和下环状电极之间形成离子漂移区，所述检测电极包括设定圆柱体的侧面部分，所述屏蔽栅是导体且位于所述离子漂移区与所述检测电极之间；

所述屏蔽栅用于，当中心电极电压大于检测电极电压时被施加小于中心电极电压的电压，当中心电极电压小于检测电极电压时被施加大于中心电极电压的电压。

在一个实施例中，所述屏蔽栅被施加的电压等于所述屏蔽栅所处位置的电势。

在一个实施例中，所述离子迁移谱仪具有多个上环状电极、以及多个下环状电极，所述多个上环状电极同心设置，相邻的上环状电极之间具有对应的间隙，在所述中心电极、所述多个上环状电极以及所述检测电极上依次施加单调变化的电压；所述多个下环状电极同心设置，相邻的下环状电极之间具有对应的间隙，下环状电极与上环状电极两两相对设置，在所述中心电极、所述多个下环状电极以及所述检测电极上依次施加单调变化相同的电压，所述屏蔽栅位于最靠近检测电极的上环状电极与检测电极之间。

在一个实施例中，每组上下相对设置的上环状电极和下环状电极被施加的电压相同。

在一个实施例中，每组上下相对设置的上环状电极和下环状电极相同。

在一个实施例中，还包括用于阻止或允许离子进入离子漂移区的离子栅门，所述离子栅门的形状是某个圆柱体的侧面，所述离子栅门与上环状电极同心设置、且位于离所述中心电极最近的上环状电极的内侧，所述离子源区位于所述离子栅门内侧。

在一个实施例中，所述离子源区用于产生离子或者从外部引入离子。

在一个实施例中，相邻的上环状电极之间的间隙和压降相同，相邻的下环状电极之间的间隙和压降相同。

在一个实施例中，还包括载气入口、漂移气入口、漂移气出口和载气出口，所述漂移气入口靠近检测电极设置，所述载气入口、漂移气出口和载气出口设置于离子源区。

通过采用屏蔽栅，使得检测电极不会产生由漂移离子引起的感应电流，从而避免了误检测，提高了检测的准确性；通过设置多组相对设置的且施加有梯度电压的上下环状电极，漂移区各个位置的电场线都很均匀，保证从离子源各个位置出发的离子具有相同的漂移时间，从而在保证检测分辨率的同时，提高检测的准确度；而采用类似圆盘状的离子迁移谱仪，使其能够收集各个角度的离子，从而减少类似直线型离子迁移谱仪的离子运动中的扩散损失，提高了仪器的灵敏度。

【附图说明】

图1是本发明一种实施例的离子迁移谱仪的剖面示意图；

图2是图1的离子迁移谱仪的俯视示意图；

图3是一种实施例的离子迁移谱仪的部分电场仿真示意图；

图4是现有技术中仅具有一组环形电极的离子迁移谱仪的电场仿真示意图。

【具体实施方式】

以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。

如图1和2所示，一种实施例的离子迁移谱仪，包括中心电极2、上环状电极、下环状电极、屏蔽栅5、检测电极6和离子栅门7，所述上环状电极和下环状电极上下相对，呈线状的中心电极2穿过上环状电极和下环状电极的圆心，其中上环状电极可以具有多个依次向外排列的具有相同圆心的环状电极：第一上环状电极11、第二上环状电极12…以及最靠近检测电极6的最外上环状电极15，相应地，下环状电极也具有多个具有相同圆心的环状电极：第一下环状电极13、第二下环状电极14…最外下环状电极16；中心电极2、第一上环状电极11和第一下环状电极13之间的区域形成离子源区3，上环电极（第一上环电极11、第二上环电极12…最外上环电极15）、下环电极（第一下环电极13、第二下环电极14…最外下环电极16）与检测电极6之间形成离子漂移区4，检测电极6可以是某个圆柱体的侧面部分，中心电极2位于检测电极6的中心轴位置，屏蔽栅5是导体且位于所述离子漂移区4与检测电极6之间，优选位于最外上环状电极15与检测电极之间，优选地，屏蔽栅5是某个圆柱体的侧面部分。

离子源区3用于产生离子或者从外部引入离子，当离子源区3用于产生离子时，被检测样品从离子源区入口31进入离子源区3，然后被电离；当离子源区用于从外部引入离子时，被检测离子在载气的作用下从离子源区入口31进入离子源区3。

离子栅门7用于阻止或允许离子进入离子漂移区4，离子栅门7的形状是某个圆柱体的侧面，中心电极3位于该圆柱体的中心轴位置，且位于离中心电极2最近的第一上环状电极11的内侧，所述离子源区3位于离子栅门7内侧。

当所有被测离子都在离子源区3之前（例如电离没有完成，或者还正在向离子源区3引入离子），离子栅门7被施加一定的电压，例如不小于中心电极2相同的电压（当被检测的是阳离子时），则离子无法冲出离子源区3而进入离子漂移区4；当所有被测离子都位于离子源区3后，解除离子栅门7的电压，离子在可以在中心电极2与检测电极6之间的电场的作用下，从离子源区3经过离子漂移区4而到达检测电极6。

相邻的上环状电极之间具有对应的间隙，从中心电极2至检测电极6依次设置的上环状电极被施加的电压单调变化；相邻的下环状电极之间具有对应的间隙，从中心电极2至检测电极6依次设置的下环状电极被施加的电压单调变化，也就是说，从中心电极2至检测电极6依次设置的上环状电极被施加的电压依次变小，那么，从中心电极2至检测电极6依次设置的下环状电极被施加的电压也依次变小，而屏蔽栅5位于最靠近检测电极6的最外上环状电极15（最外下环状电极16）与检测电极6之间。优选地，相邻的上环状电极之间的间隙和压降相同，相邻的下环状电极之间的间隙和压降相同。

由于离子在经过离子漂移区4未到达检测电极6之前，会在检测电极上产生感应电流，从而使得在检测电极6上产生虚假的信号，影响检测的准确性。当中心电极2电压大于检测电极6的电压时，屏蔽栅5被施加小于中心电极6电压的电压，当中心电极2电压小于检测电极6电压时，屏蔽栅5被施加大于中心电极2电压的电压，优选地，屏蔽栅5被施加的电压等于屏蔽栅5所处位置的电势，这样，由于屏蔽栅5的屏蔽，从而检测电极6上不会产生感应电流，并且，离子也能够在中心电极2至检测电极6之间的电场的作用下，顺利通过屏蔽栅5，进而到达检测电极6。

优选地，每一组上下相对设置的上环状电极的形状大小相同，并且位于以中心电极2为中心轴的同一个圆柱的侧面上，每一组上下相对设置的上环状电极和下环状电极被施加的电压相同。这样，离子漂移区4内形成的电场较为均匀，使得相同的离子从离子源区3不同位置出发，经过离子漂移区4到达检测电极6的迁移时间相同。如图3所示，是本方案的一个局部电场示意图，电场线41较均匀的分布在离子漂移区4内。

优选地，每个环形电极的宽度相同，在0.01-20mm之间，相邻的上环状电极（下环状电极）之间的间隙在0.1至100mm之间，每组上下设置的环状电极之间的间隔为1-100mm。

而作为对比，如图4所示，是对比文件中仅仅采用一组相对的电极11’和13’，电极2’和检测电极6’之间的电场的电场线41’的示意图。离子迁移谱仪是根据不同离子在离子漂移区的电场中的迁移时间不同来区分离子的。质荷比差不多的离子迁移时间差不多，如果迁移距离较短，这些离子到达检测器（检测电极）的时间几乎相同，不能有效地区分离子，所以离子漂移区的迁移距离越长，仪器的分辨率越高。在保证一定的迁移距离的前提下，如果只有一个环形电极的话，要求环形电极的径向宽度比较大，这样会导致漂移区的电场线极度不均匀，如图4所示，相同离子从电离区的不同位置出发时，会导致迁移时间严重不同，从而影响离子的检测；如果减小这个环形电极的宽度，虽然电场线相对均匀，但是又会导致离子迁移距离减小，仪器的分辨率较低，也不能很好地检测离子。

因此，通过采用多组上下相对的环形电极，不仅增大离子的迁移距离，提高分辨率；而且大大削弱漂移区电场的不均匀性，确保相同离子从漂移区不同位置出发时，迁移时间相同。

离子迁移谱仪还可以包括载气入口（即离子源区入口31）、漂移气入口、漂移气出口和载气出口，所述漂移气入口靠近检测电极6设置，所述载气入口、漂移气出口和载气出口设置于离子源区，如图1所示，弯折的虚线表示漂移气的漂移路径，从而吹走离子漂移区4内的中性粒子，漂移气可以选用空气或氮气。直的虚线则表示被载气的流入方向，待检测离子可以在载气的作用下进入离子源区，而实线则表示离子的漂移路径。

到达检测电极6的离子，经过离子检测***分析，最终形成离子迁移谱图，分析出待测样品的成份。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims

1.一种离子迁移谱仪，其特征是：包括上环状电极、下环状电极、中心电极、检测电极和屏蔽栅，所述上环状电极和下环状电极上下相对并同心设置，所述中心电极位于所述上环状电极的圆心位置，所述中心电极与上环状电极和下环状电极之间形成离子源区，所述检测电极与所述上环状电极和下环状电极之间形成离子漂移区，所述检测电极包括设定圆柱体的侧面部分，所述屏蔽栅是导体且位于所述离子漂移区与所述检测电极之间；

2.如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征是：所述屏蔽栅上施加的电压等于所述屏蔽栅所处位置的电势。

3.如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征是：所述离子迁移谱仪具有多个上环状电极、以及多个下环状电极，所述多个上环状电极同心设置，相邻的上环状电极之间具有对应的间隙，在所述中心电极、所述多个上环状电极以及所述检测电极上依次施加单调变化的电压；所述多个下环状电极同心设置，相邻的下环状电极之间具有对应的间隙，下环状电极与上环状电极两两相对设置，在所述中心电极、所述多个下环状电极以及所述检测电极上依次施加单调变化相同的电压，所述屏蔽栅位于最靠近检测电极的上环状电极与检测电极之间。

4.如权利要求1或3所述的离子迁移谱仪，其特征是：每组上下相对设置的上环状电极和下环状电极被施加的电压相同。

5.如权利要求1或3所述的离子迁移谱仪，其特征是：每组上下相对设置的上环状电极和下环状电极相同。

6.如权利要求1至3任一所述的离子迁移谱仪，其特征是：还包括用于阻止或允许离子进入离子漂移区的离子栅门，所述离子栅门的形状是某个圆柱体的侧面，所述离子栅门与上环状电极同心设置、且位于离所述中心电极最近的上环状电极的内侧，所述离子源区位于所述离子栅门内侧。

7.如权利要求5所述的离子迁移谱仪，其特征是：所述离子源区用于产生离子或者从外部引入离子。

8.如权利要求3所述的离子迁移谱仪，其特征是：相邻的上环状电极之间的间隙和压降相同，相邻的下环状电极之间的间隙和压降相同。

9.如权利要求1至3任一所述的离子迁移谱仪，其特征是：还包括载气入口、漂移气入口、漂移气出口和载气出口，所述漂移气入口靠近检测电极设置，所述载气入口、漂移气出口和载气出口设置于离子源区。