CN106783506A - 一种利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪及检测方法 - Google Patents

一种利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪及检测方法，包括一个由位于同一平面且相互平行的金属导线A(1)、导线B(2)组成的Bradbury‑Nielson型离子门(3)、分压电阻(4)、双脉冲电源(5)和离子信号检测器(6)。利用双脉冲、非对称电压控制离子门的开和关，通过双脉冲电源控制和离子门上的非对称电压对迁移管内电场分布的影响，实现同时提高离子迁移谱的灵敏度和分辨率。

Description

一种利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪及 检测方法
技术领域
本发明属于分析仪器与检测领域，具体涉及一种利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪及检测方法。
背景技术
离子迁移谱的灵敏度和分辨率是衡量其性能的核心参数。灵敏度用峰面积衡量，检测到的离子数越多，面积越大，灵敏度越好。而分辨率R＝t/Δt(t指迁移时间，Δt是迁移谱峰的半高宽)，峰越窄，分辨率越高。然而分辨率和灵敏度是相互制约的，提高分辨率往往以牺牲灵敏度为代价，反之亦然。离子门是离子迁移谱仪器的核心部件之一，利用非对称电压控制离子门的开关，可改变迁移管内的电场分布，从而改善离子迁移谱的灵敏度或分辨率。
在离子迁移谱中，通常采用单脉冲、对称电压控制Bradbury-Nielson型离子门，其控制方式如图1所示：离子门由两组互相间隔排布的平行金属导线A、B组成，R1和R2是分压电阻，V0是离子门所处平面的电压，Vd、td分别是离子门关门电压的脉冲幅度和宽度，离子门开关由单脉冲电压对称控制。离子门关闭时，由于R1＝R2，A、B导线上的电压分别是V0+Vd/2和V0-Vd/2，存在电位差Vd。此时，如图1(b)所示，离子门将在迁移管横截面方向形成关门电场，离子打到导线A、B上无法通过离子门。当在离子门上施加幅度为Vd的脉冲电压时，导线A、B电位相等时，离子门打开，离子通过而进入迁移区。从图1(b)、(c)可看出，在这种单脉冲对称电压控制模式下，离子门无论处于关闭还是开启状态，迁移管轴线上的电场都接近均匀电场，关门电压对迁移管内的电场基本无影响。
而采用单脉冲、非对称电压控制模式，也就是当R1≠R2，即R1＞R2或R1＜R2时，离子门前后会出现非均匀电场，从而影响离子的分布和运动状态，提高离子迁移谱的分辨率或灵敏度。
(1)当R1＞R2，如图2所示，考虑一种极端情况：即R2断开，调整R1，使导线A上的电压为V0+Vd，导线B上的电压为V0，也就是VA＞VB，VA-VB＝Vd，关门电压Vd产生一个为从导线A(1)到导线B(2)的关门电场。从图2(b)的模拟结果可看出，离子门关闭时，关门电压Vd会干扰迁移管内电场的均匀性，造成离子门前附近区域的电场变弱，而离子门后的 电场由强变弱。由于离子门前附近区域的电场变弱，导致聚集在此处的离子数目减少。当离子门开启后，注入迁移区的离子数量相应减少，离子迁移谱的灵敏度下降。离子门开启后又进入关闭状态，此时迁移区的电场呈现由强变弱趋势，导致进入迁移区的离子束左边的电场强度总大于右边的电场强度，因此离子束迁移时，总是被压缩，使谱峰变窄，分辨率增强。采用这种单脉冲、非对称电压控制离子门的方式，和单脉冲、对称电压控制离子门的离子迁移谱相比，灵敏度降低但分辨率提高了。
(2)当R1＜R2，如图3所示，考虑一种极端情况，即R1断开，调整R2，使导线B上的电压为V0+Vd，导线A上的电压为V0，也就是VA＜VB。在这种单脉冲、非对称电压控制模式下，如图3所示，离子门关闭时，离子门前附近区域的电场变强，使聚集在离子门前的离子数目增多，离子门开启后，更多离子将注入迁移区；而离子门后的电场由弱变强，会拖曳离子包，使离子包变宽。采用这种控制模式，和单脉冲、对称电压控制离子门的离子迁移谱相比，分辨率降低但灵敏度提高了。
综上分析可知，当采用单脉冲、非对称电压控制离子门时，只能分别提高离子迁移谱的灵敏度或分辨率，而无法同时提高它们。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服单脉冲、非对称电压控制方法只能分别提高离子迁移谱的灵敏度或分辨率的不足，提供一种利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪及检测方法。利用双脉冲、非对称电压控制离子门的开和关，通过双脉冲电源控制和离子门上的非对称电压对迁移管内电场分布的影响，实现同时提高离子迁移谱的灵敏度和分辨率。
本发明技术解决方案：
一种利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪，包括Bradbury-Nielson型离子门、分压电阻、双脉冲电源和离子信号检测器，其中，所述的Bradbury-Nielson型离子门由一组位于同一平面且相互平行的金属导线A和金属导线B组成，双脉冲电源通过分压电阻与金属导线A连接，或者双脉冲电源通过分压电阻与金属导线B连接，离子信号检测器用于检测离子信号。
一种利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪检测方法，利用上述的离子迁移谱仪，迁移管中离子门所处位置的电压为V0，当双脉冲电源和金属导线A通过分压电阻R连接时，通过选择合适的分压电阻R，使金属导线A上的电压VA＝V0+Vd，Vd为离子门的关门电压，而金属导线B上的电压VB＝V0，关门电压Vd产生一个从金属导线A到金属导线B的关门电场，离子门被关闭。在这种非对称电压(VA＞VB)控制模式下，离子门关闭时，离 子门前的电场变弱，而迁移区内的电场由强到弱变化，要使更多离子聚集到离子门前，提高离子迁移谱的灵敏度，就必须让离子门前的电场变强，此时，通过双脉冲电源，产生第一个脉冲电压Vc，Vc脉冲的极性和关门电压Vd极性方向相反，金属导线A上的电压VA＝V0+Vd-Vc，而金属导线B上的电压VB＝V0，当VB-VA＝Vc-Vd≥Vd时，离子门仍然处于关闭状态，但关门电场方向变成从金属导线B到金属导线A，这个反向的非对称电场会使离子门前附近区域的电场增强，把更多离子聚集到离子门附近，当离子门开启后就有更多的离子进入迁移区，从而达到提高灵敏度的目标；紧接着，对金属导线A施加第二个脉冲电压Vd，使VA＝VB＝V0，金属导线A、金属导线B等电位，离子门开启，聚集在离子门前的离子被注入迁移区，然后离子门恢复到初始关闭状态，即：VA＝V0+Vd，VB＝V0，由于VA＞VB，离子门关门电压在迁移区内产生的由强到弱的电场压缩离子束，使其宽度变窄，实现提高分辨率的目标，离子束最终被离子信号检测器被收集和检测。利用这种双脉冲、非对称电压控制方法可以同时提高离子迁移谱的灵敏度和分辨率。
迁移管中离子门所处位置的电压为V0，当双脉冲电源和金属导线B通过分压电阻R相连时，金属导线A的电压VA＝V0。通过选择合适的分压电R，可使金属导线B的电压VB＝V0+Vd，关门电压Vd产生一个为从金属导线B到金属导线A的关门电场，离子门被关闭。在这种非对称电压(VA＜VB)控制模式下，离子门关闭时，离子门前附近区域的电场变强，更多的离子聚集在离子门前，离子门开启后，更多的离子将进入迁移区，从而达到提高灵敏度的效果；而迁移区内的电场呈现由弱到强变化，此时，通过双脉冲电源在金属导线B上施加第一个脉冲电压Vd，使VA＝VB＝V0，金属导线A、金属导线B等电位，离子门开启，数量较多的离子注入迁移区；紧接着双脉冲电源产生第二个脉冲电压Vc，使VA＝V0+Vc，而VB＝V0+Vd保持不变，当VA-VB＝Vc-Vd≥Vd时，关门电场方向变为从金属导线A到金属导线B，在这种非对称电压(VA＞VB)控制模式下，离子门关闭时，迁移区内产生由强到弱的电场而压缩离子束，使离子束宽度变窄，从而提高离子迁移谱的分辨率，离子束最终被离子信号检测器收集和检测，利用这种双脉冲、非对称电压控制方法也可以同时提高离子迁移谱的灵敏度和分辨率。
当双脉冲电源和离子门的金属导线A通过分压电阻R相连，VA＞VB时，双脉冲电源产生的第一个脉冲电压Vc大于两倍Vd，使VA＜VB，离子门前附近区域的电场增强，把更多离子聚集到离子门附近，实现提高离子迁移谱灵敏度的目标。
当双脉冲电源和离子门的金属导线B通过分压电阻R相连，VA＜VB时，双脉冲电源产生的第二个脉冲电压Vc大于两倍Vd，使VA＞VB，迁移区内产生由强到弱的电场，压缩离 子束，实现提高离子迁移谱分辨率的目标。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明利用双脉冲、非对称电压控制离子迁移谱的离子门，通过双脉冲电源分别与Bradbury-Nielson型离子门其中的一组金属导线连接，双脉冲电源产生连续两个脉冲信号，用于同时提高离子迁移谱的灵敏度和分辨率，有效解决了离子迁移谱灵敏度和分辨率相互制约的矛盾。
(2)本发明利用双脉冲、非对称电压控制离子迁移谱的离子门，通过双脉冲电源控制和离子门上的非对称电压对迁移管内电场分布的影响，可克服单脉冲、非对称电压控制方法只能分别提高离子迁移谱的灵敏度或分辨率的不足，实现同时提高离子迁移谱的灵敏度和分辨率。
附图说明
图1(a)为传统Bradbury-Nielson型单脉冲、对称电压控制离子门示意图及迁移管内的电场分布示意图，(b)为离子门关闭示意图，(c)为离子门开启示意图；
图2(a)为单脉冲、非对称电压控制离子门，当R1＞R2，VA>VB时迁移管内的电场分布示意图，(b)为离子门关闭示意图，(c)为离子门开启示意图；
图3为当R1＜R2，VA<VB，离子门关闭时的迁移管内的电场分布示意图；
图4为本发明利用双脉冲、非对称电压控制离子门时的结构示意图，其中，(Ⅰ)为双脉冲电源和导线A连接示意图，(Ⅱ)为双脉冲电源和导线B连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图4所示，本发明是一种利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪及方法，和传统的离子迁移谱仪的区别在于：双脉冲电源5和Bradbury-Nielson型离子门3中其中一组金属导线A 1或B 2相连，离子门处于非对称电压控制模式。
如图4(Ⅰ)所示，当双脉冲电源5和离子门3导线A 1通过分压电阻R 4相连时，通过选择合适的分压电阻R的数值3，使金属导线A 1的电压VA＝V0+Vd，Vd为离子门3的关门电压，而金属导线B 2的电压VB＝V0，关门电压Vd产生一个为从导线A1到导线B 2的关门电场，离子门3被关闭。在这种非对称电压(VA＞VB)控制模式下，离子门3关闭时，离子门3前的电场变弱，而迁移区内的电场由强到弱变化。要使更多离子聚集到离子门3前，提高离子迁移谱的灵敏度，就必须让离子门3前的电场变强。此时，通过双脉冲电源5，产生第 一个脉冲电压Vc，Vc脉冲的极性和关门电压Vd极性方向相反。此时VA＝V0+Vd-Vc，VB＝V0。当VB-VA＝Vc-Vd≥Vd时，离子门3仍然处于关闭状态，但关门的电场方向变成从导线B 2到导线A1，这个反向的非对称电场会使离子门3前附近区域的电场增强，把更多离子聚集到离子门3附近，当离子门3开启后就有更多的离子进入迁移区，从而达到提高灵敏度的目标。紧接着，对导线A施加第二个脉冲电压Vd，导线A1、B 2等电位，离子门3开启，聚集在离子门3前的离子被注入迁移区。然后离子门3恢复到初始关闭状态，即：VA＝V0+Vd，VB＝V0。由于VA大于VB，离子门3关门电压在迁移区内产生的由强到弱的电场压缩离子束，达到提高分辨率的目标。离子束最终被离子信号检测器6被收集和检测。利用这种双脉冲、非对称电压控制方法可以同时提高离子迁移谱的灵敏度和分辨率。
如图4(Ⅱ)所示，当双脉冲电源5和离子门3导线B2通过分压电阻R 4相连时，金属导线A 1的电压VA＝V0，通过选择合适的分压电阻值R 4，可使金属导线B 2的电压VB＝V0+Vd，关门电压Vd产生一个为从导线B 2到导线A 1的关门电场，离子门3被关闭。在这种非对称电压(VA＜VB)控制模式下，离子门3关闭时，离子门3前附近区域的电场变强，更多的离子聚集在离子门3前，离子门3开启后，更多的离子将进入迁移区，从而达到提高灵敏度的效果；而迁移区内的电场呈现由弱到强变化。此时，通过双脉冲电源5在导线B 2上施加第一个脉冲电压Vd，使VA＝VB＝V0，导线A 1、B 2等电位，离子门3开启，数量较多的离子注入迁移区；紧接着双脉冲电源5产生第二个脉冲电压Vc，使VA＝V0+Vc,而VB＝V0+Vd保持不变，当VA-VB＝Vc-Vd≥Vd时，关门电场方向变为从导线A 1到导线B 2，在这种非对称电压(VA＞VB)控制模式下，离子门3关闭时，迁移区内产生由强到弱的电场而压缩离子束，提高离子迁移谱的分辨率。离子束最终被离子信号检测器6收集和检测。利用这种双脉冲、非对称电压控制方法也可以同时提高离子迁移谱的灵敏度和分辨率。
本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1.一种利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪，其特征在于：包括Bradbury-Nielson型离子门(3)、分压电阻(4)、双脉冲电源(5)和离子信号检测器(6)，其中，所述的Bradbury-Nielson型离子门(3)由一组位于同一平面且相互平行的金属导线A(1)和金属导线B(2)组成，双脉冲电源(5)通过分压电阻(4)与金属导线A(1)连接，或者双脉冲电源(5)通过分压电阻(4)与金属导线B(2)连接，离子信号检测器(6)用于检测离子信号。
2.一种利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪检测方法，其特征在于：迁移管中离子门(3)所处位置的电压为V0，当双脉冲电源(5)和金属导线A(1)通过分压电阻R(4)连接时，通过选择合适的分压电阻R(4)，使金属导线A(1)上的电压VA＝V0+Vd，Vd为离子门(3)的关门电压，而金属导线B(2)上的电压VB＝V0，关门电压Vd产生一个从金属导线A(1)到金属导线B(2)的关门电场，离子门(3)被关闭。在这种非对称电压(VA＞VB)控制模式下，离子门(3)关闭时，离子门(3)前的电场变弱，而迁移区内的电场由强到弱变化；要使更多离子聚集到离子门(3)前，提高离子迁移谱的灵敏度，就必须让离子门(3)前的电场变强；此时，通过双脉冲电源(5)，产生第一个脉冲电压Vc，Vc脉冲的极性和关门电压Vd极性方向相反，金属导线A(1)上的电压VA＝V0+Vd-Vc，而金属导线B(2)上的电压VB＝V0，当VB-VA＝Vc-Vd≥Vd时，离子门(3)仍然处于关闭状态，但关门电场方向变成从金属导线B(2)到金属导线A(1)，这个反向的非对称电场会使离子门(3)前附近区域的电场增强，把更多离子聚集到离子门(3)附近，当离子门(3)开启后就有更多的离子进入迁移区，从而达到提高灵敏度的目标；紧接着，对金属导线A(1)施加第二个脉冲电压Vd，使VA＝VB＝V0，金属导线A(1)、金属导线B(2)等电位，离子门(3)开启，聚集在离子门(3)前的离子被注入迁移区，然后离子门(3)恢复到初始关闭状态，即：VA＝V0+Vd，VB＝V0，由于VA＞VB，离子门(3)关门电压在迁移区内产生的由强到弱的电场压缩离子束，使其宽度变窄，实现提高分辨率的目标，离子束最终被离子信号检测器(6)被收集和检测。利用这种双脉冲、非对称电压控制方法可以同时提高离子迁移谱的灵敏度和分辨率。
3.根据权利要求2所述的双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪检测方法，其特征在于：迁移管中离子门(3)所处位置的电压为V0，当双脉冲电源(5)和金属导线B(2)通过分压电阻R(4)相连时，金属导线A(1)的电压VA＝V0，通过选择合适的分压电R(4)，可使金属导线B(2)的电压VB＝V0+Vd，关门电压Vd产生一个为从金属导线B(2)到金属导线A(1)的关门电场，离子门(3)被关闭；在这种非对称电压(VA＜VB)控制模式下，离子门(3)关闭时，离子门(3)前附近区域的电场变强，更多的离子聚集在离子门(3)前，离子门(3)开启后，更多的离子将进入迁移区，从而达到提高灵敏度的效果，而迁移区内的电场呈现由弱到强变化；此时，通过双脉冲电源(5)在金属导线B(2)上施加第一个脉冲电压Vd，使VA＝VB＝V0，金属导线A(1)、金属导线B(2)等电位，离子门(3)开启，数量较多的离子注入迁移区；紧接着双脉冲电源(5)产生第二个脉冲电压Vc，使VA＝V0+Vc，而VB＝V0+Vd保持不变，当VA-VB＝Vc-Vd≥Vd时，关门电场方向变为从金属导线A(1)到金属导线B(2)，在这种非对称电压(VA＞VB)控制模式下，离子门(3)关闭时，迁移区内产生由强到弱的电场而压缩离子束，使离子束宽度变窄，从而提高离子迁移谱的分辨率，离子束最终被离子信号检测器(6)收集和检测。利用这种双脉冲、非对称电压控制方法也可以同时提高离子迁移谱的灵敏度和分辨率。
4.根据权利要求2所述的利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪检测方法，其特征在于：当双脉冲电源(5)和离子门(3)的金属导线A(1)通过分压电阻R(4)相连，VA＞VB时，双脉冲电源(5)产生的第一个脉冲电压Vc大于两倍Vd，使VA＜VB，离子门(3)前附近区域的电场增强，把更多离子聚集到离子门(3)附近，实现提高离子迁移谱灵敏度的目标。
5.根据权利要求3所述的利用双脉冲、非对称电压控制离子门的离子迁移谱仪检测方法，其特征在于：当双脉冲电源(5)和离子门(3)的金属导线B(2)通过分压电阻R(4)相连，VA＜VB时，双脉冲电源(5)产生的第二个脉冲电压Vc大于两倍Vd，使VA＞VB，迁移区内产生由强到弱的电场，压缩离子束，实现提高离子迁移谱分辨率的目标。
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