CN212934550U - 一种高场非对称波形离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

一种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；其中迁移区内包括由两个上下电极构成的电极对，其中一个电极为栅型平板电极，另一个为金属平板电极。在此电极对上施加非对称波形电压，会在迁移区内产生空间不均匀分布的非对称波形电场。在这种电场下，特定离子在迁移区内产生向迁移区中心面的运动趋势，即产生迁移区内的离子聚焦。迁移区内的离子聚焦使得离子在迁移区内的扩散损失降低，从而提高了离子在迁移区内的通过效率。这种离子迁移谱仪能提高仪器的灵敏度，在相同的条件下，本实用新型的离子迁移谱仪测得的信号强度与现有平板型非对称波形离子迁移谱仪的信号强度相比有显著提高。

Description

一种高场非对称波形离子迁移谱仪

技术领域

本实用新型涉及一种高场非对称波形离子迁移谱仪，特别属于一种平板型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。

高场非对称波形离子迁移谱仪可按其迁移区的几何特征分为平板型高场非对称波形离子迁移谱仪和圆筒型高场非对称波形离子迁移谱仪。其中平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的迁移区电极由两个平行的电极施加分离电压，圆筒型高场非对称波形离子迁移谱仪的迁移区由两个同心圆柱体电极施加分离电压。圆筒型高场非对称波形离子迁移谱仪因为其迁移区内部电场分布的空间非均匀性，使得在特定离子通过迁移区时，会产生向迁移区中轴面运动的趋势，即迁移区内的离子聚焦。迁移区内的离子聚焦可以有效提高离子在迁移区内的通过率，从而能提高检测到的离子强度，提高仪器的灵敏度。

平板型迁移区因其工艺简便，加工精度高，易于微型化等优点被广泛应用。但是由于传统平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的迁移区使用的上电极和下电极都是由金属平板构成的电极，因此其内部电场为均匀分布，使得其不拥有圆筒型高场非对称波形离子迁移谱仪所具有的迁移区内的离子聚焦能力，因此离子聚焦的圆筒型迁移区通常会比同规格的平板型迁移区具有更高的灵敏度。虽然有技术将离子聚焦功能引入到平板型高场非对称波形离子迁移谱仪中，例如在迁移区之前加入一个聚焦区域，使得离子在进行迁移区之前发生聚焦，但因为离子在迁移区内无法持续聚焦，所以这些方法对离子在迁移区内的通过率的提高效果有限。到目前为止，在平板型高场非对称波形离子迁移谱仪迁移区内部的离子聚焦还未见实现。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足和缺陷，提供一种平板型高场非对称波形离子迁移谱仪，以解决平板型高场非对称波形离子迁移谱仪无法在迁移区内部实现离子聚焦的问题。

为解决上述问题，本实用新型的技术方案如下：

一种平板型高场非对称波形离子迁移谱仪，包括离子源、迁移区、检测区、射频电源、叠加电路、补偿电压、微弱电流检测电路和直流源；所述迁移区包括由上电极和下电极构成的平板电极对；所述检测区含有法拉第筒敏感极和法拉第筒偏转极，其特征在于：所述的上电极为栅型平板电极，下电极为金属平板电极；或者上电极为金属平板电极，下电极为栅型平板电极。

上述技术方案中，其特征在于：所述的栅型平板电极金属条纹方向平行于气流方向。

优选地，所述的栅型平板电极的金属宽度在0.1mm～1mm范围内，金属之间的间隙的宽度在0.1mm～1mm范围内。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及突出性技术效果：①本实用新型可在平板型高场非对称波形离子迁移谱仪地迁移区中实现现有技术无法实现的离子聚焦，使得离子在平板型迁移区内的扩散损失降低，提高离子在平板型迁移区内的通过效率；②本实用新型可使平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的迁移区电极等效负载降低，从而减小射频电源的功耗；③本实用新型可使平板型高场非对称波形离子迁移谱仪迁移区内电极与离子的接触面积减小，从而进一步减小离子的扩散损失，提高离子在平板型迁移区内的通过效率，提高信号强度。

附图说明

图1是现有技术中平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的结构示意图。

图2是本实用新型的一种实施例的结构示意图，其上电极采用栅型平板电极。

图3是本实用新型的另一种实施例的结构示意图，其下电极采用栅型平板电极。

图4是本实用新型的栅型平板电极的结构示意图，其中H为栅型平板电极的金属条纹宽度，h为栅型平板电极的金属条纹的间隙的宽度。

图5是现有平板型高场非对称波形离子迁移谱仪与本实用新型提供的栅型平板电极迁移区应用在平板型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-上电极；5-下电极；6-射频电源；7-叠加电路；8-补偿电压；9-检测区；10-法拉第筒敏感极；11-法拉第筒偏转极；12-微弱电流检测电路；13-直流源；14-栅型平板电极；15-栅型平板电极金属条纹；16-栅型平板电极金属条纹的间隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，以使本领域的技术人员能够充分的理解和实现。

图1是现有技术中平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的结构示意图，其包括离子源2、迁移区3、检测区9、射频电源6、叠加电路7、补偿电压8、微弱电流检测电路12和直流源13；所述迁移区包括由上电极4和下电极5构成的平板电极对；所述检测区9含有法拉第筒敏感极10和法拉第筒偏转极11；上电极4和下电极5均采用金属平板电极。

图2是本实用新型提供的一种高场非对称波形离子迁移谱仪的实施例示意图。该离子迁移谱仪与传统平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的不同之处在于：所述迁移区3中的上电极为栅型平板电极14，下电极5为金属平板电极。

图3是本实用新型提供的另一种高场非对称波形离子迁移谱仪的实施例示意图。该离子迁移谱仪与传统平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的不同之处在于：所述迁移区3中的上电极4为金属平板电极，下电极为栅型平板电极14。此种情况下，产生聚焦时的射频电压与图2所示的实施例产生聚焦时的射频电压波形极性相反。

图4为本实用新型提供的平板型高场非对称离子迁移谱仪的栅型平板电极示意图，栅型平板电极由栅型平板电极金属条纹15和栅型平板电极金属条纹的间隙16组成，金属条纹的方向平行于气流方向。栅型金属条纹宽度H的范围在0.1mm～1mm之间，栅型金属条纹间间隙的宽度h的范围在0.1mm～1mm之间。

图5是现有平板型高场非对称波形离子迁移谱仪与本实用新型提供的栅型平板电极迁移区应用在平板型高场非对称波形离子迁移谱仪中的实验结果对比图。图中的曲线表示了离子信号强度在不同的补偿电压下的变化情况。其中实线为使用栅型平板电极迁移区的信号强度，虚线为使用现有的平板型迁移区的信号强度。

使用本实用新型产生迁移区内的离子聚焦的原理简述如下。以图2所示的结构为例，当施加非对称波形时，由于栅型平板电极14和金属平板电极的共同作用，迁移区3的内部将形成空间分布不均匀的电场。类似于圆筒型迁移区内部因为电场的不均匀性而导致的特定离子的聚焦现象，本实用新型中迁移区3内也将形成一个平衡区域，当特定离子远离此平衡区域时，它在一个射频电压的周期内会发生靠近此平衡区域的净运动，从宏观上看即产生了迁移区内的离子聚焦。在此聚焦作用下，离子将有向迁移区内部的焦点平面运动的趋势，这将抵消部分因离子扩散而撞击到迁移区电极导致的离子损耗，从而使得离子在迁移区内的通过率提高。

本实用新型有效解决了现有技术中平板型迁移区内部无法实现离子聚焦的问题，通过使用一侧的栅型平板电极形成迁移区内部的非均匀电场，使得特定离子可以在迁移区内产生聚焦效果，提高这些离子通过迁移区的效率，有效提高平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的信号强度，提升仪器的灵敏度。

实施例1：

使用现有平板型迁移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。迁移区两电极间距为0.3mm。实验所用样品气为浓度107ppm的乙醇样品气(载气为99.999％的氮气)，10.6eV紫外灯作为电离源。通过变化射频电压的幅值得到一系列的谱图，将这些谱图通过高斯拟合得到不同补偿电压下的谱峰高度，即信号强度。这样便得到了使用现有平板型迁移区的信号强度与补偿电压的关系。

使用本实用新型提供的栅型平板电极迁移区应用在平板型高场非对称波形离子迁移谱仪中进行实验，如图2所示。迁移区两电极间距为0.3mm。实验所用气体样品为乙醇，浓度为107ppm，载气为99.999％的氮气，10.6eV紫外灯作为电离源，利用相同的方法进行实验和数据处理，得到使用本实用新型的栅型平板电极迁移区的信号强度与补偿电压的关系。

图5为将上述两条信号强度与补偿电压的关系曲线绘制在相同坐标系下进行对比。通过对比可以发现在相同的条件下，使用栅型平板电极迁移区的信号强度要高于使用现有平板型迁移区的信号强度。当射频电压不大时，离子在迁移区内的聚焦作用不显著，此时离子谱峰位置对应的补偿电压较小，使用栅型平板电极迁移区和使用现有平板迁移区的信号强度相差不大；当射频电压增加，离子在迁移区内的聚焦作用显著，此时对应的补偿电压增加，使用栅型平板电极迁移区的信号强度和使用现有平板迁移区的信号强度相比有显著的提高，差距最大时，使用栅型平板电极迁移区的信号强度为使用现有平板迁移区的信号强度的约20倍。

从上述实施例可看出，使用本实用新型提供的栅型平板电极迁移区可显著提高平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的信号强度，有利于增加仪器的灵敏度；且结构简单，易于集成。

Claims (3)

1.一种高场非对称波形离子迁移谱仪，包括离子源(2)、迁移区(3)、检测区(9)、射频电源(6)、叠加电路(7)、补偿电压(8)、微弱电流检测电路(12)和直流源(13)；所述迁移区包括由上电极(4)和下电极(5)构成的平板电极对；所述检测区(9)含有法拉第筒敏感极(10)和法拉第筒偏转极(11)，其特征在于：所述的上电极为栅型平板电极(14)，下电极(5)为金属平板电极；或者上电极(4)为金属平板电极，下电极为栅型平板电极(14)。

2.按照权利要求1所述的一种高场非对称波形离子迁移谱仪，其特征在于：栅型平板电极中的金属条纹方向平行于气流方向。

3.按照权利要求1或2所述的一种高场非对称波形离子迁移谱仪，其特征在于：所述的栅型平板电极的金属条纹宽度在0.1mm～1mm范围内，金属条纹之间的间隙宽度在0.1mm～1mm范围内。

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