CN113539781B - 一种施加在bn型离子门上的脉冲电压波形 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种施加在BN型离子门上的脉冲电压波形，是施加在BN型离子门上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六个阶段的电压波形。与传统的电压波形相比，离子门在已处于关闭状态后再次将离子门两组金属电极电压的切换，通过改变离子门关门电场，实现打破离子门旧三区建立新三区的效果，可以进一步减少清空区引起的离子损失，压缩扩散区和压缩区中离子，离子团后沿浓度分布变密，提升离子迁移谱灵敏度和分辨率，消弱BN型离子门的迁移率歧视。

Description

一种施加在BN型离子门上的脉冲电压波形

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型离子门的离子迁移谱的脉冲电压波形。

背景技术

离子门(Ion Gate or Ion shutter)是依靠电场产生脉冲离子团的器件，是迁移时间离子迁移谱的关键组件之一，其斩切的离子团的厚度、密度和形状在很大程度上影响迁移谱的分辨能力和灵敏度。目前发展较为成熟的离子门有Bradbury-Nielsen型离子门(BNG)和Tyndall-Powell型离子门(TPG)等。BN型离子门是由两组相互平行、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。它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，两组电极的电势相同，不会阻止离子的运动。在关门状态下，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。它的优点在于通用性强，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。BNG的不足之处在于其结构相对复杂，还有，引入垂直的关门电场会使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，不利于离子迁移谱性能的提高。

在迁移管的发展过程中，对离子门斩切离子流行为和关门电场特征有了更深的理解。其中典型是杜永斋等人的研究表明，如果在正离子模式的BNG上施加正关门电压脉冲，关门电压会使BNG后的电场强度增强，对注入的离子团产生时间压缩效应，提高关门电压的强度会增强压缩效果，从而提高离子迁移谱的分辨能力。为此在专利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，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。

随着对离子门调控技术的进一步认识，本发明提出了一种新的离子门调控方式，本发明称之为单次切换脉冲波形，可以减少由清空区引起的离子损失，压缩扩散区和压缩区中离子，离子团后沿浓度分布变密，使得灵敏度和分辨率得到提升。

发明内容

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

本发明技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种施加在BN型离子门上的脉冲电压波形，所述的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六个阶段。

在第一预设时间间隔内(t＜t1)，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施加第二高压(HV2)，所述第二高压高于所述第一高压，离子门处于关闭状态，是处于开门状态前准备状态。

在第二预设时间间隔内(t1＜t＜t2)，在所述第一组金属电极上施加电压不变，在所述第二组金属电极上施加第一高压，第一组金属电极和第二组金属电极上施加相同电压，离子门处于开门状态。

在第三预设时间间隔内(t2＜t＜t3)，在所述第一组金属电极上施加电压不变，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。

在第四预设时间间隔内(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，第一组金属电极上施加电压高于第二组金属电极上施加电压，离子门还处于关门状态。

在第五预设时间间隔内(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电压不变，第一组金属电极和第二组金属电极上施加相同电压，离子门重新处于开门状态。

在第六预设时间间隔内(t5＜t＜t6)，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电压不变，第一组金属电极上施加电压高于第二组金属电极上施加电压，离子门重新处于关门状态。

所述第二预设时间间隔、所述第三预设时间间隔和所述第四预设时间间隔的时间和为离子迁移谱的一次开关周期。

所述第三预设时间间隔和第六预设时间间隔的时间间隔相同，为离子门关门后切换延时时间。

所述第二预设时间间隔和第五预设时间间隔的时间间隔相同，为离子门开门时间，运行离子注入。

第二、五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；第三、六预设时间间隔为离子门关门状态，或关门后离子门两组金属电极电压互换的延时时间，让大部分离子通过离子门后的清空区，通常设置在1-100us之间；第一、四预设时间间隔为关门后的离子门两组金属电极电压互换时间，要一直保持到下一个开门周期。

所述第一高压为离子门的所在位置的参考电压。

所述第二高压和所述第一高压的高低为电压的绝对值的高低。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；以第一高压为参考的话，第二高压值与第一高压值之差一般在10v-600v。

另一方面，本发明保护了采用上述的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

本发明所述的施加在BN型离子门上的脉冲电压波形，处于离子门关闭状态切换延时时间后将第一金属电极的电压切换为第二金属电极的电压，同时第二金属电极的电压切换为第一金属电极的电压，从而将离子门关门后刚刚形成的离子门三区(清空区、扩散区和压缩区)重新建立新三区，可以在一定程度上减少离子门后离子团的损失，压缩离子，提高离子密度。离子门的两个金属电极电压切换后，离子门关门电场产生新的变化，可以将原来飞向低压金属电极的一部分离子团，即，清空区中离子团，重新推斥并压缩到迁移区中，实现离子团的第二次压缩，提高离子门的注入效率和分辨率，削弱BN型离子门的迁移率歧视效应。

本发明离子门调控方法利用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六个阶段下随时间做周期性变化，减少离子损失，二次压缩离子，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本发明施加在BN型离子门上的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，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型离子门上的脉冲电压波形，所述的BN型离子门为通用型离子门，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grid2，所述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grid2上，周期性控制离子门的工作状态经过以下六个时间阶段：

在第一预设时间间隔内(t＜t1)，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grid2上施加第二高压HV2，所述第二高压HV2高于所述第一高压HV1，离子门处于关闭状态，离子不能通过离子门。此时间间隔第一组金属电极grid1和第二组金属电极grid1电压互换状态，是切换脉冲过程。

在第二预设时间间隔内(t1＜t＜t2)，在所述第一组金属电极grid1上施加电压不变，在所述第二组金属电极grid2上施加第一高压HV1，第一组金属电极grid1和第二组金属电极grid2上施加相同电压，离子门处于开门状态，离子能顺利通过离子门，实现离子注入。

在第三预设时间间隔内(t2＜t＜t3)，在所述第一组金属电极grid1上施加电压不变，在所述第二组金属电极grid2上施加第二高压HV2，第二组金属电极grid2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。离子注入完成后，关闭离子门，此段时间为离子门关门后的切换延时时间。

在第四预设时间间隔内(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grid2上施加第一高压HV1，第一组金属电极grid1上施加电压高于和第二组金属电极grid2上施加电压，离子门上的两组电极电压对调，实现打破旧三区建立新三区的过程，为切换脉冲过程。虽然电压切换了，但这期间离子门一直处于关门状态。

如果以离子门开门状态为起点的话，第二预设时间间隔、第三预设时间间隔与第四预设时间间隔一起统称为离子迁移谱的一次开关周期。

在第五预设时间间隔内(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grid2上施加电压不变，第一组金属电极gridl和第二组金属电极grid1上施加相同电压，离子门重新处于开门状态。离子又能通过离子门，开启离子迁移谱的下一次开关周期。

在第六预设时间间隔内(t5＜t＜t6)，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grid2上施加电压不变，第一组金属电极grid1上施加电压高于和第二组金属电极grid1上施加电压，离子门重新处于关门状态。

第五预设时间间隔、第六预设时间间隔与第一预设时间间隔一起为离子迁移谱的下一次开关周期。

切换脉冲波形时序周期性经过六个时间阶段，控制离子迁移谱的离子门经历一次次开关周期，实现离子团的周期性注入。第一高压HV1与第二高压HV2的电压高低为绝对值高低。本脉冲电压波形的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。

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。

当BN型离子门施加传统电压波形斩切的离子团。离子门斩切的离子浓度分布并不是矩形。关门时，由于高压金属电极的压缩和排斥作用，穿透离子门的离子团前沿并不是齐平的，而是呈现出一个个峰状突起。受低压金属电极清空区和扩散区的影响，离子团后沿拖着一根根长长的尾巴，呈波浪形分布，离子团这种分布形状不利于离子迁移谱性能。在BN型离子门上施加本发明脉冲电压波形斩切的离子团分布形状得到明显的改善。尤其是关门时，经过一定的延时时间(第三预设时间间隔和第六预设时间间隔)后，离子门的两个相邻电极的电位快速切换，离子门关门电场产生新的变化，原来位于清空区的一部分离子在新电位的作用迅速远离该电极，让更多离子推入迁移区，离子团经历了两次压缩后，离子团浓度进一步增强，有利于提升分辨率和离子的利用率，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，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门处于第一次开门状态，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＝130us，BN门处于第一次关门状态，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；

第四步，t3＝130us＜t＜t4＝20100us，BN门处于还处于关门状态，但离子门电极电压进行切换，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；

第五步，t4＝20100us＜t＜t5＝20200us，BN门处于第二次开门状态，注入下一个离子团，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；

第六步，t5＝20200us＜t＜t6＝20230us，BN门处于第二次关门状态，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HV2，第二金属电极grid2电压设置为HV1；之后回到第一步准备状态，离子门电极电压再进行切换，推斥和压缩离子团。

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。

为展示施加脉冲电压波形的效果，与传统电压波形进行对比，实测了10ppb浓度的DMMP样品，获得离子迁移谱图，见图3和图4。可以看到不但DMMP信号强度提高了，RIP的信号强度也得到提高。RIP、DMMP单体和DMMP二聚体信号强度分别提高56％、66％和100％，同时RIP峰和DMMP单体分辨率分别提高11％和10％。

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 (9)

1.一种施加在BN型离子门上的脉冲电压波形，所述的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：所述脉冲电压波形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六个阶段：

在第一预设时间间隔内，即t<t1，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，所述第二高压高于所述第一高压，离子门处于关闭状态，是处于开门状态前准备状态；

在第二预设时间间隔内，即t1<t<t2，在所述第一组金属电极上施加电压不变，在所述第二组金属电极上施加第一高压，第一组金属电极和第二组金属电极上施加相同电压，离子门处于开门状态；

在第三预设时间间隔内，即t2<t<t3，在所述第一组金属电极上施加电压不变，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；

在第四预设时间间隔内，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，第一组金属电极上施加电压高于第二组金属电极上施加电压，离子门还处于关门状态；

在第五预设时间间隔内，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电压不变，第一组金属电极和第二组金属电极上施加相同电压，离子门重新处于开门状态；

在第六预设时间间隔内，即t5<t<t6，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电压不变，第一组金属电极上施加电压高于第二组金属电极上施加电压，离子门重新处于关门状态；

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；

脉冲电压波形的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所述的脉冲电压波形，其特征在于：所述第二预设时间间隔、所述第三预设时间间隔和所述第四预设时间间隔的时间和为离子迁移谱的一次开关周期。

3.如权利要求1所述的脉冲电压波形，其特征在于：所述第三预设时间间隔和第六预设时间间隔的时间间隔相同，为离子门关门后切换延时时间。

4.如权利要求1所述的脉冲电压波形，其特征在于：所述第二预设时间间隔和第五预设时间间隔的时间间隔相同，为离子门开门时间，运行离子注入。

5.如权利要求1所述的脉冲电压波形，其特征在于：第二、五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；第三、六预设时间间隔为离子门关门状态，或关门后离子门两组金属电极电压互换的延时时间，让大部分离子通过离子门后的清空区，设置在1-100us之间；第一、四预设时间间隔为关门后的离子门两组金属电极电压互换时间，要一直保持到下一个开门周期。

6.如权利要求1所述的脉冲电压波形，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。

7.如权利要求1所述的脉冲电压波形，其特征在于：以第一高压为参考，第二高压值与第一高压值之差在10v-600v。

8.一种采用如权利要求1至7任一项所述的脉冲电压波形控制的BN型离子门。

9.一种采用如权利要求8所述的BN型离子门的离子迁移谱。