CN111105984A - 一种基于嵌套式法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于嵌套式法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪包括离子源、迁移区和检测区；其中检测区由两部分组成：一部分是敏感极，作为敏感元件直接连接微弱电流检测电路，另外一部分是偏转极，用直流源来提供电压，这两部分均为导电材料。敏感极的长度小于或等于偏转电极的长度，偏转极四周封闭并嵌套在敏感极外侧，偏转极与敏感极之间留有用于气流通过的间隙。本发明提供的高场非对称波形离子迁移谱仪能大大降低外界以及偏转电极上施加的电压对敏感极的干扰，显著提高仪器的信噪比，屏蔽效果好，同时结构简单，易于集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种高场非对称波形离子迁移谱仪，特别涉及一种以法拉第筒作为检测部分的高场非对称波形离子迁移谱仪，属于生化物质在线检测技术及设备技术领域。
背景技术
高场非对称波形离子迁移谱仪是二十世纪九十年代逐步发展起来的一种生化物质在线检测技术，其基本原理为离子迁移率在低电场情况下与电场强度无关，当电场强度大于10000V/cm，离子的迁移率将随电场强度发生非线性变化。离子在高场下的迁移率与电场强度的关系可用如下式子表示：
K＝K0[1+α1(E/N)2+α2(E/N)4+…]，
式中，K为离子在高电场下的迁移率，K0为离子在低电场下的迁移率，E为电场强度，N为气体分子密度，α1、α2为离子迁移率分解系数。令：
α(E)＝[α1(E/N)2+α2(E/N)4+…]，则离子在高场下的迁移率与电场强度的关系式可变为K＝K0[1+α(E)]，根据离子迁移率随电场强度变化的不同规律，可分为A，B，C三种类型的离子。当α(E/N)＞0时，K＞K0，属于A类型的离子，K随电场强度E的增大而增大；当α(E/N)＜0时，K＜K0，属于C类型的离子，K随着E的增大而减小；当α(E/N)≈0时，属于B类型的离子，K≈K0。即在电场强度达到10000V·cm-1以上时，离子的迁移率呈现出各自不同的非线性变化趋势，这就使在低电场强度条件下离子迁移率相同或相近的离子能够在高电场强度条件下被分离开。这里满足离子分离条件的电场成为分离电场，施加在电极上用来形成这种电场的电压称为分离电压，通常使用非对称高压高频的射频电源(RF电源)来提供。同时在电极上施加补偿电压(CV)，用来补偿分离电压产生的离子偏转，从而使某一特定的离子通过迁移区到达检测区。
近几年随着高场非对称波形离子迁移谱仪的发展，其检测部分多采用两个平行相对的极板构成检测器，一侧作为法拉第筒的敏感极，另一侧用于施加偏转电压，如图1所示。但这种平行极板形式的法拉第筒很难对敏感极进行电磁屏蔽，所施加的偏转电压也会对敏感极产生影响，同时两平行极板之间的分散电场会使带电粒子在进入检测部分之前损失掉。因此会有大量噪声信号叠加进入高场非对称波形离子迁移谱仪谱图中，同时谱图的基线也会随着偏转电压的增大而被抬高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足和缺陷，提供一种基于嵌套式法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱仪，以解决基于平板型检测器的高场非对称波形离子迁移谱仪中对敏感极屏蔽难和偏转电极对敏感极的干扰问题。
为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种基于嵌套式法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱仪，包括离子源、迁移区和检测区；所述检测区包括法拉第筒、直流源和微弱电流检测电路；其特征在于：所述的法拉第筒采用嵌套式结构，该法拉第筒包括敏感极和嵌套在敏感极外周的偏转极，该偏转极为四周封闭，且偏转极与敏感极之间留有用于气流通过的间隙；所述直流电源与偏转极电连接，敏感极直接与微弱电流检测电路相连。
上述技术方案中，其特征在于：所述偏转极与敏感极之间的间隙为大于零小于等于5cm。
本发明的技术特征还在于：敏感极沿样品气流动方向的长度小于或等于偏转极在此方向的长度。优选地，所述敏感极沿样品气流动方向的长度为大于零小于等于10cm。
优选地，所述法拉第筒的嵌套式结构为长方体套筒式、圆柱体套筒式或球体套筒式。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性技术效果：①本发明用偏转极嵌套在敏感极外侧且四周封闭，外周的偏转极既起到了施加偏转电压的作用，又起到了对敏感极进行电磁屏蔽的作用，从而降低了外界以及偏转电压对敏感极的干扰，大大提高了仪器输出信号的信噪比；②本发明中敏感极的长度小于或等于外周偏转极的长度，可有效对敏感极进行保护，同时避免法拉第筒外周的分散电场对带电粒子的影响，减少离子损失。
附图说明
图1是现有技术中高场非对称波形离子迁移谱仪的结构示意图。
图2是本发明的嵌套式法拉第筒的结构原理示意图。
图3是本发明实施例的结构原理示意图。
图4(a)和图4(b)是现有平板型检测区与本发明提供的嵌套式法拉第筒检测区分别应用在高场非对称波形离子迁移谱仪中的实验结果对比图。
图中：1-样品气；2-离子源；3-迁移区；4-迁移区上电极1；5-迁移区下电极2；6-射频电源；7-叠加电路；8-补偿电压；9-地电极；10-检测区；11-偏转极；12-敏感极；13-微弱电流检测电路；14-直流源；15-平板式法拉第筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，以使本领域的技术人员能够充分的理解和实现本发明。
图3是本发明提供的一种基于嵌套式法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱仪的结构示意图，该离子迁移谱仪包括离子源2、迁移区3和检测区，所述检测区包括敏感极12、偏转极11、直流源14和微弱电流检测电路13；运用直流电源将电压施加在偏转极11上。敏感极12直接与微弱电流检测电路13相连；偏转极四周封闭并嵌套在敏感极外周，偏转极既可起到为敏感极提供电磁屏蔽的保护，又起到提供偏转电压的作用；所述偏转极与敏感极之间留有用于气流通过的间隙；该间隙一般为大于零小于等于5cm。
图2为本发明提供的法拉第筒实施例的结构示意图，敏感极沿样品气流动方向的长度应小于或等于偏转极在此方向的长度，通常情况下，所述敏感极沿样品气流动方向的长度为大于零小于等于10cm。所述法拉第筒的嵌套式结构可为长方体套筒式、圆柱体套筒式或球体套筒式。敏感极12直接与微弱电流检测电路相连，而偏转极上的电压则由直流电源提供。
本发明有效解决了平板型检测部分中敏感极屏蔽难的问题，同时解决了偏转极上的偏转电压对高场非对称波形离子迁移谱图基线的影响。
实施例1：
使用现有平板型检测区应用在高场非对称波形离子迁移谱仪中进行实验，如图1所示。迁移区两极板间距为1.5mm。实验所用气体样品为乙酸乙酯，浓度为109ppm，载气为99.999％的氮气，10.6eV紫外灯作为电离源，在不施加RF电压仅施加补偿电压(CV)的情况下进行实验，当偏转电压分别为1.5V，9V和18V时，其离子迁移谱图如图4(a)所示。
使用本发明提供的嵌套式法拉第筒应用在高场非对称波形离子迁移谱仪中进行实验，如图3所示。迁移区两极板间距为1.5mm。实验所用气体样品为乙酸乙酯，浓度为109ppm，载气为99.999％的氮气，10.6eV紫外灯作为电离源，在不施加RF电压仅施加补偿电压(CV)的情况下进行实验，当偏转电压分别为1.5V，9V和18V时，其离子迁移谱图如图4(b)所示。
通过对比可以发现运用平板型法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱的噪声在2pA左右，同时谱图基线会随着偏转电压的增加而提高；而运用本发明中的法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱的噪声在0.2pA左右，而且谱图基线不会随着偏转电压的增加而提高。这说明本发明能有效提高离子迁移谱的信噪比，屏蔽外界对敏感极的干扰以及偏转电极上所施加的偏转电压对敏感极的干扰，同时检测区的屏蔽极与偏转极为一个结构，简化了高场非对称波形离子迁移谱仪中的检测区，易于加工与集成。
Claims (5)
1.一种基于嵌套式法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱仪，包括离子源(2)、迁移区(3)和检测区(10)；所述检测区包括法拉第筒、直流源(14)和微弱电流检测电路(13)；其特征在于：所述的法拉第筒采用嵌套式结构，该法拉第筒包括敏感极(12)和嵌套在敏感极外周的偏转极(11)，该偏转极为外周封闭，且偏转极与敏感极之间留有用于气流通过的间隙；所述直流电源(14)与所述的偏转极(11)电连接，所述的敏感极(12)直接与微弱电流检测电路(13)相连。
2.按照权利要求1所述的一种基于嵌套式法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱仪，其特征在于：所述偏转极(11)与敏感极(12)之间的间隙为大于零小于等于5cm。
3.按照权利要求1或2所述的一种基于嵌套式法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱仪，其特征在于：所述敏感极(12)沿样品气流动方向的长度小于或等于偏转极(11)在此方向的长度。
4.如权利要求3所述的一种基于嵌套式法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱仪，其特征在于：所述敏感极(12)沿样品气流动方向的长度为大于零小于等于10cm。
5.按照权利要求1所述的一种基于嵌套式法拉第筒的高场非对称波形离子迁移谱仪，其特征在于：法拉第筒的嵌套式结构为长方体套筒式、圆柱体套筒式或球体套筒式。
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