CN113345791B - 一种用于离子迁移谱的多次切换脉冲电压波形 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于离子迁移谱的多次切换脉冲电压波形，将BN型离子门工作状态分为：开门状态、关门状态和多次切换状态。其中多次切换状态是离子门处于关闭状态切换延时时间后将第一金属电极与第二金属电极的电压进行多次切换，不断修正离子门斩切离子团后沿的离子浓度分布，从而将离子门关门后形成清空区、扩散区和压缩区不断切换，彻底改变传统脉冲电压波形在离子门关闭后所一成不变的清空区、扩散区和压缩区，能尽可能减少由清空区引起的离子损失，多次压缩扩散区中离子，调整离子团后沿离子分布，提高离子密度，极大提升离子门的注入效率和分辨率，还可以让更多迁移率小的离子注入迁移区中，削弱BN型离子门的迁移率歧视效应。

Description

一种用于离子迁移谱的多次切换脉冲电压波形

技术领域

本发明属于离子迁移谱领域，具体涉及一种施加在BN型离子门上的多次切换脉冲电压波形。

背景技术

对于BN型离子门具有通用性强，对电离源没有任何要求，普遍适用于所有迁移管中，同时关门电位差小，控制电路简单等特点，商业化的离子迁移谱广泛使用它。但是它的缺点也很突出，由于施加的关门电压会形成垂直离子迁移方向的关门电场，该电场会渗透会反应区和迁移区导致离子门附近的电场扭曲，而且关门电压越高，电场扭曲越严重。电场扭曲会引起离子团变形和迁移率歧视，对离子迁移谱性能产生影响。

BN型离子门通常由两组相互平行、绝缘的金属电极依次间隔排列在一个平面上构成，金属电极通常为很细金属丝。通过脉冲发生器在离子门电极上施加开关电压波形实现离子的斩切，因此离子门对离子流的斩切行为由施加在离子门上的电压波形决定，并直接关系到离子迁移谱性能。在专利CN110310882A和CN110534395A提出了当离子门关闭时，将离子门上两组电极的关门电压同时提升，使离子门后形成一个高电场区，使离子进一步压缩，提升迁移谱性能，但是，这种两种方案存在控制时序复杂，对离子门硬件控制电路要求高的缺点。具体地，专利CN110310882A是离子门关闭时，在关门电压不变的情况下，通过提高离子门两金属电极的电位，来增强关门时的离子压缩效果。一段时间后离子门两金属电极的电压还要回到正常电压水平。提高离子门电极的电位，会使迁移电场扭曲严重，不利于离子迁移谱性能。专利CN110534395A是为了减少离子门的歧视性效应，在离子门的开门前，通过降低低压电极的电压，来增加离子的注入量，关门后的电压波形与专利CN110310882A一样。电压波形时序复杂，不断地升降离子门电极电位，增加了离子门控制电路的复杂度，尤其是正负两种工作模式下，控制电路更加复杂。

本发明提出了一种新的离子门调控方式，本发明称之为多次切换脉冲波形，通过施加该电压波形能尽可能减少由清空区引起的离子损失，多次压缩扩散区和压缩区中离子，离子团后沿浓度分布变更密，灵敏度和分辨率得到极大提升。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种极大提升离子迁移谱性能的施加在BN型离子门上电压波形，灵敏度和分辨率得到极大提升，削弱分辨率歧视效应。

本发明技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种用于离子迁移谱的多次切换脉冲电压波形，所述的离子迁移谱的离子门为BN型离子门，所述BN型离子门包括依次间隔排列在一个平面上两组相互平行、绝缘的第一组金属电极和第二组金属电极，所述多次切换脉冲电压波形能分别施加在第一组金属电极和第二组金属电极上，周期性控制离子门的工作状态经过以下三个状态：

开门状态：在第一预设时间间隔内(t1＜t＜t2)，在所述第一组金属电极上施加第一高压(HV1)，在所述第二组金属电极上也施加第一高压，离子门处于开启状态，离子团可以穿透离子门。

关门状态：在第二预设时间间隔内(t2＜t＜t3)，在所述第一组金属电极上施加第一高压，在所述第二组金属电极上施加第二高压(HV2)，第二组金属电极上施加的电压高于第一组金属电极上施加电压，离子门处于关门状态。

多次切换状态：在第三预设时间间隔内(t3＜t＜t4)，在所述第一组金属电极上施加第二高压，在所述第二组金属电极上施加第一高压，离子门处于第一次切换状态，第一组金属电极和第二组金属电极上电压进行第一次切换。

在第四预设时间间隔内(t4＜t＜t5)，在所述第一组金属电极上施加第一高压，在所述第二组金属电极上施加第二高压，离子门处于第二次切换状态，第一组金属电极和第二组金属电极上电压进行第二次切换。

所述在离子门关门后离子门切换状态次数和切换延时时间根据需要设定，为了实现离子门更加精准的斩切离子团，修正离子团后沿浓度分布，优选切换次数大于等于2次的偶数次。

由开门状态至多次切换状态完成为离子迁移谱的一次开关周期，所述第一预设时间间隔为离子门开门时间，所述第二预设时间间隔以后的时间为离子门关门时间。

第一预设时间间隔为离子门开门时间，确保让离子顺利通过离子门，通常设置在1-500us之间，所述第二预设时间间隔和第三预设时间间隔的时间间隔，为离子门切换延时时间，时间长短根据需要设置，通常设置在1-100us之间值。第四预设时间间隔，一直保持到下一次离子门开门，通常设置在1-50ms之间。

所述第一高压为离子门的所在位置的参考电压；所述第二高压值大于等于传统方式中第二高压值，优选第二高压值大于传统方式中第二高压值，以第一高压为参考，第二高压值与第一高压值之差一般在10v-600v。

所述第二高压和所述第一高压的高低为电压的绝对值的高低。

另一方面，本发明保护了采用上述的多次切换脉冲电压波形控制的BN型离子门。

再一方面，本发明保护了采用上述的离子门的离子迁移谱。

有益效果

本发明所述的多次切换脉冲电压波形，将离子门工作状态分为：开门状态、关门状态和多次切换状态。多次切换状态是离子门处于关闭状态切换延时时间后将第一金属电极与第二金属电极的电压进行多次切换，不断修正离子门斩切离子团后沿的离子浓度分布，从而将离子门关门后形成清空区、扩散区和压缩区(三区)不断切换，彻底改变传统脉冲电压波形在离子门关闭后所一成不变的清空区、扩散区和压缩区，能尽可能减少由清空区引起的离子损失，多次压缩扩散区中离子，调整离子团后沿离子分布，提高离子密度，提升离子门的注入效率，还可以让更多迁移率小的离子注入迁移区中，削弱BN型离子门的迁移率歧视效应。在离子门的两个金属电极电压不断切换过程中，离子门关门电场也发生不断变化，实现离子的多次压缩(至少三次)，提升分辨率。

本发明离子门调控方法利用多次切换脉冲波形实现离子门电场变化，达到影响关门后离子团后沿的离子运动的目的，通过控制BN型离子门的电极电压在四个阶段下随时间做周期性变化，减少离子损失，多次压缩离子，修整离子团后沿浓度分布，提升离子迁移谱性能。

本发明采用的电压波形，在离子门电极电压交换后，离子门总体垂直电场强度没有改变，不会增加迁移电场扭曲度，有利于离子迁移谱性能，而且，本发明采用的电压波形，控制电路需要做任何的修改，便适用于正负两种工作模式。

附图说明

图1传统施加在BN型离子门上电压波形时序图。

图2本发明用于离子迁移谱的多次切换脉冲电压波形时序图。

图3采用传统电压波形检测样品的离子迁移谱图。

图4采用本发明电压波形检测样品的离子迁移谱图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1为传统BN型离子门的工作状态有一般有两个：开门状态和关门状态。在开门状态下(t1＜t＜t2)，离子门的两组金属电极的电势相同，不会阻止离子的运动。在关门状态下(t2＜t＜t3)，向其中一组金属电极叠加一个关门电压，或者向两个金属电极上叠加相反的关门电压，使两组金属电极之间产生电势差，从而在相邻的电极之间形成和离子迁移方向垂直的关门电场，使到达离子门的离子都被中和掉，离子不能通过离子门。

如图2所示，一种施加在BN型离子门上的多次切换脉冲电压波形，所述的离子迁移谱的离子门为BN型离子门，所述BN型离子门包括依次间隔排列在一个平面上两组相互平行、绝缘的第一组金属电极grid1和第二组金属电极grid1，所述多次切换脉冲电压波形能分别施加在第一组金属电极grid1和第二组金属电极grid1上，周期性控制离子门的工作状态经过以下四个阶段。

在第一预设时间间隔内(t1＜t＜t2)，在所述第一组金属电极grid1上施加第一高压HV1，在所述第二组金属电极grid1上也施加第一高压HV1，离子门处于开启状态，离子团可以穿透离子门，实现离子注入。

在第二预设时间间隔内(t2＜t＜t3)，在所述第一组金属电极grid1上施加第一高压HV1，在所述第二组金属电极grid1上施加第二高压HV2，第二组金属电极grid1上施加的电压高于和第一组金属电极grid1上施加电压，离子门处于关门状态，离子注入完成，实现离子团的第一次压缩。

在第三预设时间间隔内(t3＜t＜t4)，在所述第一组金属电极grid1上施加第二高压HV2，在所述第二组金属电极grid1上施加第一高压HV1，离子门处于第一次切换状态，第一组金属电极grid1和第二组金属电极grid1上电压进行第一次切换，重新建立新的三区，并实验离子团的第二次压缩。

在第四预设时间间隔内(t4＜t＜t5)，在所述第一组金属电极grid1上施加第一高压HV1，在所述第二组金属电极grid1上施加第二高压HV2，离子门处于第二次切换状态，第一组金属电极grid1和第二组金属电极grid1上电压进行第二次切换，又重新建立新的三区，并实验离子团的第三次压缩。

所述第二预设时间间隔和第三预设时间间隔的时间间隔，为离子门切换延时时间，时间长短根据需要设置。

所述在离子门关门后离子门切换状态次数和切换延时时间根据需要设定，优选切换次数大于等于2次的偶数次，每切换一次高压实现离子的一次压缩和离子团分布的调整。

在本实施例中，所述第一预设时间间隔至第四预设时间间隔的时间内为离子迁移谱的一次开关周期，所述第一预设时间间隔为离子门开门时间，所述第二预设时间间隔以后的时间为离子门关门时间。

所述第一高压HV1为离子门的所在位置的参考电压，优选为迁移管上迁移区与反应区之间的某一适当电位，能实现离子有有效注入。

所述第二高压HV2和所述第一高压HV1的高低为电压的绝对值。本发明的波形既适用于离子迁移谱的正高压模式也是适用于负高压模式。

在传统电压脉冲控制下BN型离子门，获得的离子团后沿沿拖着一根根长长的尾巴。而在BN型离子门上施加本发明多次切换脉冲电压波形斩切获得离子团后沿在多次脉冲切换电场的作用下，不断调整优化，削弱了离子团后沿拖尾的现象，实现了提高离子注入效率和多次压缩的目的，使得离子迁移谱性能得到尽极大提升。在离子门注入离子过程中，迁移率小的离子运动速度慢，跑在离子团后面部分，采用多次切换脉冲电压波形，可以让更多离子团后沿离子注入迁移管中，因此本发明的电压波形也能削弱BN型离子门的迁移率歧视效应。

实施例1

一个具体实施例的多次切换脉冲电压波形，设置迁移电场为400V/cm，离子门的开门时间为100us，离子门开关周期为20.1ms，离子门处参考电压1600V，关门电压为250V，即HV1＝1600V，HV2＝1850V，用于实测10ppb浓度的DMMP样品，包括如下步骤：

第一步，t1＝0us＜t＜t2＝100us，BN门处于开门状态，注入离子团，第一金属电极grid1和第二金属电极grid2电压设置为HV1；

第二步，t2＝100us＜t＜t3＝130us，BN门处于关门状态，切断离子团，第一金属电极grid1电压设置为迁移管的参考电压HV1，第二金属电极grid2电压设置为HV2；

第三步，t3＝130us＜t＜t4＝160us，BN门处于第一次切换状态，离子门电极电压切换，推斥和压缩离子团，第一金属电极grid1电压设置为迁移管的参考电压HV2，第二金属电极grid2电压设置为HV1；

第四步，t4＝160us＜t＜t5＝20100us，BN门处于第二次切换状态，再次离子门电极电压切换，再次推斥和压缩离子团，第一金属电极grid1电压设置为迁移管的参考电压HV1，第二金属电极grid2电压设置为HV2；之后不断循环回到第一步开门状态，准备下一次注入离子。

对比例1

设置迁移电场为400V/cm，离子门的开门时间为100us，离子门开关周期为20.1ms，离子门处参考电压1600V，关门电压为250V，即HV1＝1600V，HV2＝1850V，采用传统电压波形实测10ppb浓度的DMMP样品，包括如下步骤：

第一步，t＜t1＝0us，BN门处于关门状态，迁移管处于注入离子团的准备状态，第一金属电极grid1电压设置为迁移管的参考电压HV1，第二金属电极grid2电压设置为HV2；

第二步，t1＝0us＜t＜t2＝100us，BN门处于开门状态，注入离子团，第一金属电极grid1和第二金属电极grid2电压设置为HV1；

第三步，t2＝100us＜t＜t3＝20100us，BN门处于关门状态，切断离子团，第一金属电极grid1电压设置为迁移管的参考电压HV1，第二金属电极grid2电压设置为HV2；

不断循环上面三个步骤，就可以实现离子周期性注入离子迁移管中。但是这样的电压波形斩切的离子团，受低压金属电极清空区和扩散区的影响，呈波浪形分布，限制了离子的分辨率和灵敏度，不利于离子迁移谱性能。

为展示施加多次切换脉冲电压波形的效果，与传统电压波形进行对比，图3与图4为检测DMMP样品，获得离子迁移谱图。可以看到施加多次切换脉冲电压波形所有的信号都得到增强。其中RIP、DMMP单体和DMMP二聚体信号强度分别提高106％、133％和200％，它们的分辨率分别提高20％、12％和11％。迁移率越小的的离子提高率越大，采用多次切换脉冲电压波形不但提升了检测灵敏度和分辨率，而且削弱BN型离子门的迁移率歧视。

以上内容是结合具体/优选的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，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于离子迁移谱的多次切换脉冲电压波形，所述的离子迁移谱的离子门为BN型离子门，所述BN型离子门包括依次间隔排列在一个平面上两组相互平行、绝缘的第一组金属电极和第二组金属电极，其特征在于：所述多次切换脉冲电压波形能分别施加在第一组金属电极和第二组金属电极上，周期性控制离子门的工作状态依次经过以下三个状态：

开门状态：在第一预设时间间隔内，即t1<t<t2，在所述第一组金属电极上施加第一高压，在所述第二组金属电极上也施加第一高压，离子门处于开启状态，离子团可以穿透离子门；

关门状态：在第二预设时间间隔内，即t2<t<t3，在所述第一组金属电极上施加第一高压，在所述第二组金属电极上施加第二高压，第二组金属电极上施加的电压高于第一组金属电极上施加电压，离子门处于关门状态；

多次切换状态：在第三预设时间间隔内，即t3<t<t4，在所述第一组金属电极上施加第二高压，在所述第二组金属电极上施加第一高压，离子门处于第一次切换状态，第一组金属电极和第二组金属电极上电压进行第一次切换；

在第四预设时间间隔内，即t4<t<t5，在所述第一组金属电极上施加第一高压，在所述第二组金属电极上施加第二高压，离子门处于第二次切换状态，第一组金属电极和第二组金属电极上电压进行第二次切换；

为了实现离子门更加精准的斩切离子团，修正离子团后沿浓度分布，所述离子门关门后离子门切换状态次数大于等于2次的偶数次；

所述第二高压和所述第一高压的高低为电压的绝对值的高低；

波形适用于离子迁移谱的正高压模式或负高压模式。

2.如权利要求1所述的多次切换脉冲电压波形，其特征在于：由开门状态至多次切换状态完成为离子迁移谱的一次开关周期，所述第一预设时间间隔为离子门开门时间，所述第二预设时间间隔以后的时间为离子门关门时间。

3.如权利要求1所述的多次切换脉冲电压波形，其特征在于：第一预设时间间隔为离子门开门时间，确保让离子顺利通过离子门，设置在1-500us之间；所述第二预设时间间隔和第三预设时间间隔的时间间隔，都为离子门切换延时时间，设置在1-100us之间；第四预设时间间隔，一直保持到下一次离子门开门，设置在1-50ms之间。

4.如权利要求1所述的多次切换脉冲电压波形，其特征在于：所述第一高压为离子门的所在位置的参考电压；以第一高压为参考,第二高压值与第一高压值之差在10v-600v。

5.一种采用如权利要求1至4任一项所述的多次切换脉冲电压波形控制的BN型离子门。

6.一种采用如权利要求5所述的BN型离子门的离子迁移谱。