CN110491765B - 一种离子迁移谱中离子门的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种控制离子迁移谱中Bradbury‑Nielsen型离子门的新方法。该方法通过调节离子门的电极电压，一方面充分利用非均匀电场对IMS迁移区中离子团进行时空压缩提高离子迁移谱的分辨能力，另一方面，可以有效降低离子门关门电压所形成的离子清空区对离子迁移谱迁移区中离子团的消耗，提高IMS检测灵敏度。本发明方法简单，无需对离子迁移管进行硬件改进。

Description

一种离子迁移谱中离子门的控制方法
技术领域
本发明涉及离子迁移谱重要组件离子门的电压控制方法，具体地说是一种通过控制离子门的电极电压，同时提高离子迁移谱分辨能力和检测灵敏度的方法。
背景技术
迁移时间离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry,IMS)需要周期开启的离子门向离子迁移区中注入离子团实现其对目标离子的分离和检测。离子门注入离子团的时间宽度和离子总量决定了离子迁移谱的分辨能力(Resolving Power,R) 和检测灵敏度。
对于迁移区长度L固定的IMS，R由离子门开门时间winj以及离子团迁移造成的峰展宽(16kBTln2/eUd)1/2(L2/KUd)决定，如公式1所示。在仪器参数固定时，离子团迁移造成的峰展宽固定不变，离子门开门时间winj就成了R的唯一决定因素： winj越小，R越高。
Figure GDA0002459361050000011
其中，L为离子迁移区长度，K为离子迁移率(K＝K0(T/273.5)(760/P)，T为温度， P为压强)，Ud为迁移区总电压，td为离子峰迁移时间，w0.5为离子峰半峰宽， winj为离子门开门时间，16kBTln2/eUd为离子扩散造成峰展宽系数。
Bradbury-Nielsen型离子门(BNG)是目前商品化IMS仪器中普遍采用的离子门构型。BNG利用共面放置的两组金属丝所形成与离子迁移方向相垂直的径向电场实现离子团斩切。由于BNG机械结构厚度几乎可以忽略(等于BNG的丝径，典型为≤0.1mm)，被普遍认为是最佳的离子斩切工具：可以实现离子片在时间域(winj)的任意尺度矩形斩切，即可以通过减小winj获得高的IMS分辨能力。
然而，2012年，大连化物所李海洋教授在研究BNG关门电压对IMS分辨能力的影响时发现：BNG关门时，其关门电场会向着与BNG紧邻的离子迁移区和离子反应区方向渗透。关门电场向着迁移区的渗透，造成迁移区中紧邻离子门区域的电场瞬时增强，对通过BNG的离子团在时间域winj上进行压缩，使得IMS 实际检测到离子峰的半峰宽变窄，提高IMS的分辨能力[11]；另外，关门电场的渗透同时造成BNG两侧产生明显的离子清空区，其轴向深度远大于BNG的丝径，与丝间距相当(典型地，丝间距为1mm时，离子清空区平均深度达到1.1mm)。一方面，在BNG开门时间winj内，只有通过离子清空区的离子才能进入离子迁移区中被分离和检测，造成BNG注入IMS迁移区中离子团的实际时间宽度远远小于BNG的开门时间，降低了IMS检测的灵敏度；另一方面，在BNG开门时间结束后，BNG关门电场在BNG临近IMS迁移区一侧形成的离子清空区会将一部分已经进入IMS迁移区的离子重新拉回BNG的电极上消耗掉，进一步降低IMS 检测的灵敏度。
本发明将公布一种控制BNG门电极电压的新方法，充分利用非均匀电场对 IMS迁移区中离子团进行时空压缩提高IMS的分辨能力，同时降低BNG关门电压形成的离子清空区对IMS迁移区中离子团的消耗，提高IMS检测灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制BNG门电极电压的新方法，充分利用非均匀电场对IMS迁移区中离子团进行时空压缩提高IMS的分辨能力，同时降低BNG 关门电压形成的离子清空区对IMS迁移区中离子团的消耗，提高IMS检测灵敏度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种离子迁移谱中离子门的控制方法，所述离子迁移谱包括离子迁移管，离子迁移管由自左至右依次放置的离子源、电离区、离子门、迁移区和离子接收极构成。
离子门位于左侧的电离区和右侧迁移区之间。
离子门由4个以上条状电极从上至下平行间隔设置构成，从上至下，奇数的条状电极作为第一门电极，偶数的条状电极作为第二门电极。
或，由同几何中心的环状电极同几何中心从内至外间隔设置构成；从内至外，奇数的环状电极作为第一门电极，偶数的环状电极作为第二门电极。
第一门电极和第二门电极分别与二个脉冲直流高压电源相连。
按第一预设时段的时间间隔长度、第二预设时段的时间间隔长度、第三预设时段的时间间隔长度依次于第一门电极、第二门电极上施加电压。
在第一预设时段的时间间隔长度内，第一门电极、第二门电极上同时施加第一电压，在离子迁移管内形成沿离子源指向离子接收极方向的直流电场，电离区中的离子经离子门进入迁移区中。
在第二预设时段的时间间隔长度，第一门电极、第二门电极上同时施加高于第一电压的第二电压，在离子迁移管的电离区内形成沿离子门指向离子源方向的直流电场，电离区中的离子向着离子源方向运动，在离子迁移管的迁移区内形成沿离子门指向离子接收极方向的逐渐减弱的直流电场，进入迁移区中的离子向着离子接收极运动。
在第三预设时段的时间间隔长度，第一门电极上施加第一电压、第二门电极上同时施加高于第一电压的第三电压，第三电压低于第二电压，在离子迁移管的电离区内形成沿离子源指向离子门方向的直流电场，电离区中的离子向着离子门方向运动，在第一门电极与第二门电极之间形成垂直于离子迁移管轴向的电场，阻止电离区中的离子通过离子门进入迁移区内，在离子迁移管的迁移区内形成沿离子门指向离子接收极方向的直流电场，迁移区中的离子在直流电场的作用下先后到达离子接收极被检出。
条状电极为金属丝或缠绕于圆柱体上的螺旋线状电极或金属片或金属网片。
环状电极为圆环状电极或方环状电极。
第一预设时间间隔的值介于0.001ms～0.2ms之间，第二预设时间间隔的值介于0.001ms～1ms之间，第三预设时间间隔的值介于0.2ms～10ms之间；以第一预设时间间隔、第二预设时间间隔和第三预设时间间隔的加和构成离子门工作的一个完整时间周期。
以第一预设时间间隔、第二预设时间间隔和第三预设时间间隔的加和构成离子门工作的一个完整时间周期
离子迁移管工作时，离子门的第一门电极和第二门电极上所施加的电压按照所述时间周期进行周期性循环调节。
本发明的优点是
本发明可实现离子迁移谱分辨能力和检测灵敏度的同步提高，方法简单，无需对离子迁移管进行硬件改进。
附图说明
图1、内部设置有Bradbury-Nielsen型离子门的离子迁移管。其中：1——离子源；2——电离区；3——Bradbury-Nielsen型离子门；3-1——第一门电极；3-2 ——第二门电极；4——迁移区；5——离子接收极；6——漂气进气口；7——样品气进气入口；8——出气口。
图2、本发明公开的针对图1中Bradbury-Nielsen型离子门的电压控制时序图。其中，第一门电极3-1的电压在V0和V2之间变化,第二门电极3-2的电压在V0、V1和V2之间变化，其中t1＝0.04ms，t2＝0.2ms，t3＝10ms，V0＝ 5910V，V1＝6010V，V2＝6910V。
图3、图1中Bradbury-Nielsen型离子门常规使用的电压控制时序图。其中，第一门电极3-1的电压恒定为V0,第二门电极3-2的电压在V0和V1之间变化，其中t1＝0.04ms，t2＝0.2ms，t3＝10ms，V0＝5910V，V1＝6010V。
图4、两种不同电压控制时序获得50ppb DMMP的离子迁移谱图对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
使用Bradbury-Nielsen型离子门的离子迁移管如图1中所示。离子迁移管的离子源1使用63Ni，电离区2长度为20mm，电离区2电场强度60V/mm，迁移区4长度96mm，迁移区4电场强度60V/cm；离子门3由第一门电极3-1和第二门电极3-2两组相互绝缘的丝状电极构成，丝径0.1mm，丝间距1mm。
在第一预设时间间隔t1＝0.04ms内，第一门电极3-1、第二门电极上3-2 同时施加第一电压V0＝5910V，在离子迁移管内形成沿离子源指向离子接收极方向的直流电场，电离区中的离子经离子门进入迁移区中。
在第二预设时间间隔内t2＝0.2ms，第一门电极3-1、第二门电极上3-2同时施加第二电压V2＝6910V，在离子迁移管的电离区内形成沿离子门指向离子源方向的直流电场，电离区中的离子向着离子源方向运动，在离子迁移管的迁移区内形成沿离子门指向离子接收极方向的逐渐减弱的直流电场，进入迁移区中的离子向着离子接收极运动。
在第三预设时间间隔内t3＝10ms，第一门电极3-1上施加第一电压V0＝5910 V、第二门电极上3-2上施加第三电压V1＝6010V，在离子迁移管的电离区内形成沿离子源指向离子门方向的直流电场，电离区中的离子向着离子门方向运动，在第一门电极与第二门电极之间形成垂直于离子迁移管轴向的电场，阻止电离区中的离子通过离子门进入迁移区内，在离子迁移管的迁移区内形成沿离子门指向离子接收极方向的直流电场，迁移区中的离子在直流电场的作用下先后到达离子接收极被检出。
第一预设时间t1＝0.04ms，第二预设时间间隔t2＝0.2ms，第三预设时间间隔t3＝10ms加和为t＝10.24ms构成离子门工作的一个完整时间周期。
离子迁移管工作时，离子门第一门电极3-1和第二门电极3-2上所施加的电压依照图2中给出的电压变化时序以10.24ms为周期呈周期变化。
实施例2
图4的谱图(a)展示了图1中的BNG离子门在图2中所示电压控制时序下获得的50ppb DMMP的谱图，其中丙酮二聚体的分辨能力为118，信号强度为450pA；DMMP的分辨能力为108，信号强度为160pA。
实施例3
为了对比图2中所示BNG离子门门电压控制时序的优势，也获的了BNG离子门在常规门电压控制时序下(图3中所示)50ppb DMMP的图4的谱图(b)，其中丙酮二聚体的分辨能力为80，信号强度为140pA；未观察到明显的DMMP 离子信号。

Claims (4)

1.一种离子迁移谱中离子门的控制方法，所述离子迁移谱包括离子迁移管，离子迁移管由自左至右依次放置的离子源、电离区、离子门、迁移区和离子接收极构成，其特征在于：
所述离子门位于左侧的电离区和右侧迁移区之间；
离子门由4个以上条状电极从上至下平行间隔设置构成，从上至下，奇数的条状电极作为第一门电极，偶数的条状电极作为第二门电极；
或，由同几何中心的环状电极同几何中心从内至外间隔设置构成；从内至外，奇数的环状电极作为第一门电极，偶数的环状电极作为第二门电极；
第一门电极和第二门电极分别与二个脉冲直流高压电源相连；
按第一预设时段的时间间隔长度、第二预设时段的时间间隔长度、第三预设时段的时间间隔长度依次于第一门电极、第二门电极上施加电压；
在第一预设时段的时间间隔长度内，第一门电极、第二门电极上同时施加第一电压，在离子迁移管内形成沿离子源指向离子接收极方向的直流电场，电离区中的离子经离子门进入迁移区中；
在第二预设时段的时间间隔长度，第一门电极、第二门电极上同时施加高于第一电压的第二电压，在离子迁移管的电离区内形成沿离子门指向离子源方向的直流电场，电离区中的离子向着离子源方向运动，在离子迁移管的迁移区内形成沿离子门指向离子接收极方向的逐渐减弱的直流电场，进入迁移区中的离子向着离子接收极运动；
在第三预设时段的时间间隔长度，第一门电极上施加第一电压、第二门电极上同时施加高于第一电压的第三电压，第三电压低于第二电压，在离子迁移管的电离区内形成沿离子源指向离子门方向的直流电场，电离区中的离子向着离子门方向运动，在第一门电极与第二门电极之间形成垂直于离子迁移管轴向的电场，阻止电离区中的离子通过离子门进入迁移区内，在离子迁移管的迁移区内形成沿离子门指向离子接收极方向的直流电场，迁移区中的离子在直流电场的作用下先后到达离子接收极被检出。
2.根据权利要求1所述的离子迁移谱中离子门的控制方法，其特征在于：
条状电极为金属丝或缠绕于圆柱体上的螺旋线状电极或金属片或金属网片；
环状电极为圆环状电极或方环状电极。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：
第一预设时间间隔的值介于0.001ms～0.2ms之间，第二预设时间间隔的值介于0.001ms～1ms之间，第三预设时间间隔的值介于0.2ms～10ms之间；以第一预设时间间隔、第二预设时间间隔和第三预设时间间隔的加和构成离子门工作的一个完整时间周期。
4.根据权利要求1或3所述的控制方法，其特征在于：以第一预设时间间隔、第二预设时间间隔和第三预设时间间隔的加和构成离子门工作的一个完整时间周期
离子迁移管工作时，离子门的第一门电极和第二门电极上所施加的电压按照所述时间周期进行周期性循环调节。
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