CN108133877B - 一种具有离子束缚功能的高灵敏离子迁移谱仪及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有离子束缚功能的高灵敏离子迁移谱仪及方法，采用两层平行的金属栅网作为离子门，通过调控栅网的电压，实现离子门的开启与关闭。当离子门关闭时产生的离子会被束缚和储存在两片栅网之间，当离子门打开时，储存的离子被推入迁移区，随后被电荷探测器所检测。在离子迁移谱中，一个周期内，离子门关门时间是离子门打开时间的50‑100倍，即离子门关闭时间产生的离子的数目是离子门开门时间产生的离子数目的50‑100倍，本发明对离子门关闭时间产生的离子进行束缚、储存和检测，信号强度可提升1‑2个量级，可以显著提高离子迁移谱的灵敏度，提升离子迁移谱的性能。

Description

一种具有离子束缚功能的高灵敏离子迁移谱仪及方法
技术领域
本发明属于分析仪器与检测领域，具体涉及一种具有离子束缚功能的高灵敏离子迁移谱仪及方法。该离子迁移谱仪采用了特殊的离子门设计，可以实现离子束缚和储存，显著的提高迁移谱仪的灵敏度。
背景技术
离子门是离子迁移谱仪的核心器件之一。通过离子门的关闭和打开，反应区的离子可以周期的进入迁移区，经过分离被探测器检测。
常规的离子迁移谱仪中，一个完整周期内，离子门关门时间通常是开门时间的50-100倍，即关门时间远远大于开门的时间，但是在探测离子时，离子迁移谱仪只能探测到开门时间内通过离子门的离子数目，而关门时间产生的大量离子，则被忽视，造成离子的浪费。
对于传统的直线型离子迁移谱，目前尚没有技术可以实现将关门期间产生的离子束缚并储存，为下一个周期的探测做准备。本发明通过两片平行栅网，实现了离子的束缚和储存，可以显著的提高离子迁移谱仪的灵敏度。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有离子迁移谱仪中离子门开门时，通过的离子数目少，探测灵敏度低的困难，提供了一种具有离子束缚功能的高灵敏离子迁移谱仪及方法，利用具有离子束缚能力的新型离子门可以实现将离子门关门期间的离子束缚并储存，提高离子迁移谱的灵敏度。另外，通过调节离子门的电压，可以提高离子迁移谱的分辨率。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种具有离子束缚功能的高灵敏离子迁移谱仪，包括反应区、第一栅网、束缚区、第二栅网、迁移区和电荷探测器，第一栅网、束缚区和第二栅网组成的具有离子束缚能力的离子门。
其中，第一栅网和第二栅网将离子迁移谱仪分割为电离区、束缚区和迁移区。
其中，第一栅网和第二栅网是相互平行的两片栅网，且两片栅网之间的距离为5毫米至1厘米。
其中，脉冲电压施加在第一栅网，第二栅网上施加恒定电势。
其中，离子门关闭期间，第一栅网与反应区之间保持均匀电场；第一栅网的绝对电势绝对值略大于或等于第二栅网的绝对电势，束缚区电场强度的范围为0-10V/cm，在此电场强度下，关闭时间不会导致离子通过第二栅网，实现离子束缚于储存功能；第二栅网与迁移区之间同样保持均匀电场。
其中，离子门打开期间，第一栅网的电势绝对值大于反应区最后一块极板的绝对电势，形成反向电场，阻断离子的通过；此时第一栅网的绝对电势同样大于第二栅网的绝对电势，在束缚区中形成一个正向迁移电场，束缚区中储存的离子，将在电场作用下被注入迁移区；第二栅网与迁移区之间同样保持均匀电场。
其中，实现对离子门关闭期间的离子进行束缚、储存和探测，与传统的离子迁移谱相比，可检测离子数目可以提高1至2个量级，会显著提高离子迁移谱的灵敏度。
本发明方法的实现过程如下：通过对第一栅网上施加脉冲电压实现离子门的打开与关闭，而第二栅网只需要施加直流电压。在离子门关闭时，第一栅网与反应区保持均匀正向电场，保证离子能够在电场作用下顺利通过第一栅网进入束缚区。此时第一栅网的绝对电势略大于或等于第二栅网的绝对电势，第一栅网和第二栅网之间弱电场强度的范围为0至10V/cm，存在一个正向弱电场可以避免离子在第一栅网处富集，影响后续离子进入束缚区，同时由于电场很弱，离子门关闭的时间不能使得进入束缚区的离子穿过该区域，离子全部被束缚和储存在束缚区；在离子门打开时，第一栅网的绝对电势大于反应区最后一块极板的绝对电势，即形成一个反向电场，阻断后续离子的通过第一栅网，此时第一栅网的绝对电势同样大于第二栅网的绝对电势，形成的高强度正向电场(电场强度为260V/cm至600V/cm)，可以保证开门时间内，束缚区中的离子可以全部进入迁移区，随后被电荷探测器探测到，实现了离子迁移谱周期性检测离子的功能。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用了具有离子束缚能力的新型离子门，可以将离子门关闭时产生的离子束缚和储存在离子门中，相比于离子迁移谱检测周期中关门和开门时间的比例50:1至100:1，即离子门关闭时间产生的离子的数目是离子门开门时间产生的离子数目的50-100倍，本发明对离子门关闭时间产生的离子进行束缚、储存和检测，可以将离子迁移谱的灵敏度提高1-2个量级，提高离子迁移谱的性能。采用新型离子门可以大幅提高离子迁移谱的灵敏度(适合低浓度样品检测)。
附图说明
图1为本发明的一种具有离子束缚功能的高灵敏离子迁移谱仪示意图，1-反应区，2-第一栅网，3-束缚区，4-第二栅网，5-迁移区，6-电荷探测器；
图2为本发明的具有离子束缚能力的新型离子门关门时，迁移谱中电场分布和电势走势图；
图3为本发明的具有离子束缚能力的新型离子门开门时，迁移谱中电场分布和电势走势图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体方式进行阐述。
如图1所示，一种具有离子束缚功能的高灵敏度离子迁移谱仪，包括反应区1、第一栅网2、束缚区3、第二栅网4、迁移区5、电荷探测器6。其中第一栅网2、束缚区3和第二栅网4共同构成具有离子束缚能力的新型离子门。所述离子迁移谱仪，检测周期为20毫秒至30毫秒，其中离子门打开的时间约为150微秒至500微秒。除了离子门区域，迁移谱仪采用均匀的迁移电场，迁移电场强度为260V/cm至600V/cm。所述新型离子门，其结构由相互平行的第一栅网2和第二栅网4构成，栅网之间的距离是5毫米至1厘米。所述新型离子门，其电压施加情况是第一栅网2的电压为脉冲电压，第二栅网4是直流电压。新型离子门的工作原理是通过调节第一栅网2的电压来控制离子门的开启和关闭。当离子门关闭时，第一栅网2的绝对电势低于反应区最后一块极板的绝对电势，离子可以顺利通过第一栅网2进入束缚区3，同时第一栅网2的绝对电势等于或略大于第二栅网4，避免离子在第一栅网2处富集，影响后续离子进入束缚区3，也保证离子在离子门关闭的时间内，离子不会通过第二栅网4进入迁移区，离子门关闭时迁移谱的电场和电势如图2所示；当离子门开启时，第一栅网2的绝对电势会大于反应区最后一块极板的绝对电势，离子被阻断，不能通过第一栅网2，与此同时第一栅网2的绝对电势大于第二栅网4的绝对电势，高强度正向电场可以将上个周期离子门关闭时被束缚和储存的离子全部推入迁移区5，随后被电荷探测器6检测到，这样就实现了离子迁移谱的功能。
这种具有离子束缚功能的新型离子门是本发明的创新之处，可以将离子门关闭时产生的离子束缚和储存在离子门中。传统的离子迁移谱是探测离子门打开时通过离子门的离子，而离子门关闭时产生的离子被舍弃，但是传统迁移谱检测周期中关门时间通常是开门时间的50-100倍，所以将离子门关闭时产生的离子束缚、储存和检测，可以提高检测效率。
本发明提出的具有离子束缚功能的离子门，通过调节靠近反应区的第一栅网2的电势，在离子门关闭时，离子在电场的作用下进入两片栅网之间，栅网之间的一个正向弱电场，避免离子在第一栅网2处富集，影响后续离子进入束缚区3，同时也保证在一个关门周期内，离子不会穿过第二栅网4进入迁移区。在离子门开启时，第一栅网2和第二栅网4之间产生一个强电场，将束缚区3中的离子全部推入迁移区，随后被检测。本发明最终探测的离子为离子门关闭时间内束缚的离子，与常规迁移谱检测相比，所能探测到的离子数目可以提高1-2个量级，能够显著的提高离子迁移谱的灵敏度。
总之，本发明提出的一种具有离子束缚功能的高灵敏离子迁移谱仪及方法，可以提高离子迁移谱仪的灵敏度，使得离子迁移谱仪的性能有极大的提升。
本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种具有离子束缚功能的高灵敏离子迁移方法，利用具有离子束缚功能的高灵敏度离子迁移谱仪，包括反应区(1)、第一栅网(2)、束缚区(3)、第二栅网(4)、迁移区(5)、电荷探测器(6)，其中第一栅网(2)、束缚区(3)和第二栅网(4)共同构成具有离子束缚能力的新型离子门，所述离子迁移谱仪，检测周期为20毫秒至30毫秒，其中离子门打开的时间约为150微秒至500微秒，除了离子门区域，迁移谱仪采用均匀的迁移电场，迁移电场强度为260V/cm至600V/cm，所述新型离子门，其结构由相互平行的第一栅网(2)和第二栅网(4)构成，栅网之间的距离是5毫米至1厘米，所述新型离子门，其电压施加情况是第一栅网(2)的电压为脉冲电压，第二栅网(4)是直流电压，新型离子门的工作原理是通过调节第一栅网(2)的电压来控制离子门的开启和关闭，当离子门关闭时，第一栅网(2)的绝对电势低于反应区最后一块极板的绝对电势，离子可以顺利通过第一栅网(2)进入束缚区(3)，同时第一栅网2的绝对电势等于或略大于第二栅网(4)，避免离子在第一栅网2处富集，影响后续离子进入束缚区(3)，也保证离子在离子门关闭的时间内，离子不会通过第二栅网(4)进入迁移区；当离子门开启时，第一栅网(2)的绝对电势会大于反应区最后一块极板的绝对电势，离子被阻断，不能通过第一栅网(2)，与此同时第一栅网(2)的绝对电势大于第二栅网(4)的绝对电势，高强度正向电场可以将上个周期离子门关闭时被束缚和储存的离子全部推入迁移区(5)，随后被电荷探测器(6)检测到，这样就实现了离子迁移谱的功能；
这种具有离子束缚功能的离子门是该高灵敏度离子迁移谱仪的特点，可以将离子门关闭时产生的离子束缚和储存在离子门中，传统的离子迁移谱是探测离子门打开时通过离子门的离子，而离子门关闭时产生的离子被舍弃，但是传统迁移谱检测周期中关门时间通常是开门时间的50-100倍，所以将离子门关闭时产生的离子束缚、储存和检测，可以提高检测效率；
该具有离子束缚功能的离子门，通过调节靠近反应区的第一栅网(2)的电势，在离子门关闭时，离子在电场的作用下进入两片栅网之间，栅网之间的一个正向弱电场，避免离子在第一栅网(2)处富集，影响后续离子进入束缚区(3)，同时也保证在一个关门周期内，离子不会穿过第二栅网(4)进入迁移区，在离子门开启时，第一栅网(2)和第二栅网(4)之间产生一个强电场，将束缚区(3)中的离子全部推入迁移区，随后被检测，最终探测的离子为离子门关闭时间内束缚的离子，与常规迁移谱检测相比，所能探测到的离子数目可以提高1-2个量级，能够显著的提高离子迁移谱的灵敏度；
该方法包括：通过对第一栅网(2)上施加脉冲电压实现离子门的打开与关闭，而第二栅网(4)只需要施加直流电压；在离子门关闭时，第一栅网(2)与反应区(1)保持均匀正向电场，保证离子能够在电场作用下顺利通过第一栅网(2)进入束缚区(3)，此时第一栅网(2)的绝对电势略大于或等于第二栅网(4)的绝对电势，第一栅网(2)和第二栅网(4)之间弱电场强度的范围为0至10V/cm，存在一个正向弱电场可以避免离子在第一栅网(2)处富集，影响后续离子进入束缚区(3)，同时由于电场很弱，离子门关闭的时间不能使得进入束缚区(3)的离子穿过该区域，离子全部被束缚和储存在束缚区(3)；在离子门打开时，第一栅网(2)的绝对电势大于反应区(1)最后一块极板的绝对电势，即形成一个反向电场，阻断后续离子的通过第一栅网(2)，此时第一栅网(2)的绝对电势同样大于第二栅网(4)的绝对电势，形成的高强度正向电场可以保证开门时间内，束缚区(3)中的离子可以全部进入迁移区，随后被电荷探测器(6)探测到，实现了离子迁移谱周期性检测离子的功能。
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