CN213583698U - 一种时域增强离子迁移管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种时域电场增强离子迁移管。该离子迁移管中，通过控制光耦开关实现迁移区内电场强度的时域多级增强。离子门打开进行离子团注入的时间间隔内，所有光耦开关均处于断开状态，离子迁移管内维持初始迁移电场；离子门完成离子团注入后，光耦开关依照特定时序先后由断开状态转变为导通状态，于离子迁移区内形成时域增强的迁移电场，对离子迁移区内离子团的时域宽度和电流密度进行多级压缩和增强，最终形成兼具超高分辨能力和超高灵敏度的离子迁移谱图。该离子迁移管设计，可以利用最大输出电压值较低的高压电源，获得超高分辨能力和超高灵敏度的分析性能，降低仪器成本并提高仪器使用安全性。
Description
技术领域
本实用新型涉及离子迁移谱仪的核心部件离子迁移管，具体地说是一种按照特定时序电气短接电离区内两两相邻的导电电极，实现迁移区内电场强度呈现时域增强的离子迁移管。
背景技术
迁移时间离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry,IMS)是一种类似飞行时间质谱的脉冲离子团分离与检测技术。离子团的时域宽度及离子电流密度直接决定了离子迁移谱分析的分辨能力和检测灵敏度。
公开的研究表明，强度随时域跳变增强的离子迁移电场，可以有效降低离子团的时域宽度并提高离子电流密度。杜永斋等人(Anal.Chem.2012,92,12967；US9293313B2)首次阐释了离子门开关门诱导的时域跳变增强的电场可以对离子团的时域宽度进行压缩，并由此公开了一种空间聚焦的离子门装置；陈创等人(Sensor.Actuat.B-Chem.,2019,295,179)在研究中进一步发现，离子门开关门诱导的时域跳变增强的电场还可以提高离子流或者离子团的离子电流密度，从而实现目标物检测灵敏度的提高。
为了利用高强度的离子迁移电场提高离子迁移谱的分析性能，Bohnhorst等人(Anal.Chem.2020,92,12967)将离子迁移管的迁移区分割为N个区间，仅在其中部分连续区间上施加电压，并使施加电压的区间沿着离子门至离子接受极的方向移动，从而利用低输出值的高压电源在迁移区内获得高强度的迁移电场，提高分辨能力。但该技术仅在迁移区的部分区间上施加了电场，可分析离子的迁移率范围有限，无法对迁移区内全部离子进行分析检测。
本发明申请将公开一种时域电场增强离子迁移管。该离子迁移管中，电离区内相邻的导电电极均与光耦开关相连接，通过控制光耦开关，可以按照特定时序电气短接电离区内相邻的导电电极，实现迁移区内电场强度的时域多级增强。离子门打开进行离子团注入的时间间隔内，所有光耦开关均处于断开状态，离子迁移管内维持初始迁移电场；离子门完成离子团注入后，光耦开关依照特定时序先后由断开状态转变为导通状态，于离子迁移区内形成时域增强的迁移电场，对离子迁移区内的离子团的时域宽度和电流密度进行多级压缩和增强，最终形成兼具超高分辨能力和超高灵敏度的离子迁移谱图。该离子迁移管设计，可以利用最大输出电压值较低的高压电源，获得超高分辨能力和超高灵敏度的分析性能，降低仪器成本并提高仪器使用安全性。
实用新型内容
本发明的目的是提供一种迁移区内电场强度呈现时域增强的离子迁移管。一方面，对离子迁移区内离子团的时域宽度和电流密度进行多级压缩和增强，形成兼具超高分辨能力和超高灵敏度的离子迁移谱图；另一方面，降低对高压电源的最大输出值的需求，降低仪器成本并提高仪器的使用安全性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种时域电场增强离子迁移管。离子迁移管为环状导电极片和环状绝缘极片依次交替同轴叠合构成的中空柱状腔体；于腔体两端分别设置离子源以及离子接收极；在腔体内部位于离子源和离子接收极之间设置离子门，将腔体内部分成两个区域，其中离子源和离子门之间构成电离区，离子门和离子接收极之间构成迁移区；
离子源、环状导电极片、离子门和离子接收极依次经分压电阻串连，离子源与直流高压电源的高压输出端子连接、离子接收极与接地，构成电连接，于离子迁移管内形成初始迁移电场；
电离区由M+1个环状导电极片与M个环状绝缘极片构成；M为大于等于3的正整数；电离区内相邻的二个环状导电极片经光耦开关相连，即M+1个环状导电极片依次经M个光耦开关串连；
沿离子源至离子门方向，电离区的第一环状导电极片和第二环状导电极片与第一光耦开关相连接，第二环状导电极片和第三环状导电极片与第二光耦开关相连接，......，第M-1环状导电极片和第M环状导电极片与第M-1光耦开关相连接，第M环状导电极片和第M+1环状导电极片与第M光耦开关相连接；
在第零预设时间间隔t0内，第一光耦开关、第二光耦开关、......、第M-1光耦开关和第M光耦开关均为断开状态，迁移区内维持初始迁移电场，离子门打开，电离区中的离子经离子门进入迁移区形成离子团；
在第一预设时间间隔t1内，第一光耦开关为导通状态，第二光耦开关、第三光耦开关、......、第M-1光耦开关和第M光耦开关均为断开状态，离子门关闭，于迁移区内形成强度增强的第一迁移电场，电离区中的离子被阻断在离子门处，迁移区中的离子团，在第一迁移电场的作用下时域宽度被第一次压缩，离子电流密度被第一次增强；在第二预设时间间隔t2内，第一光耦开关、第二光耦开关均为导通状态，第三光耦开关、......、第M-1光耦开关和第M光耦开关均为断开状态，离子门关闭，于迁移区内形成强度增强的第二迁移电场，迁移区中的离子团，在第二迁移电场的作用下时域宽度被第二次压缩，离子电流密度被第二次增强；……；在第M-1预设时间间隔tm-1内，第一光耦开关、第二光耦开关、......、第M-2光耦开关和第M-1光耦开关均为导通状态，第M光耦开关为断开状态，离子门关闭，于迁移区内形成强度增强的第M-1迁移电场，迁移区中的离子团，在第M-1迁移电场的作用下时域宽度被第M-1次压缩，离子电流密度被第M-1次增强；在第M预设时间间隔tm内，第一光耦开关、第二光耦开关、......、第M-1光耦开关和第M光耦开关均为导通状态，离子门关闭，于迁移区内形成强度增强的第M迁移电场，迁移区中的离子团，在第M迁移电场的作用下时域宽度被第M次压缩，离子电流密度被第M次增强，并最终被离子接收极接收，形成兼具超高分辨能力和超高灵敏度的离子迁移谱图；
第M迁移电场的强度高于第M-1迁移电场的强度，第M-1迁移电场的强度高于第M-2迁移电场的强度，……，第二迁移电场的强度高于第一迁移电场的强度，第一迁移电场的强度高于初始迁移电场的强度；
初始迁移电场、第一迁移电场、第二迁移电场、……、第M-1迁移电场和第M迁移电场满足E/N大于0至小于等于4Td之间，其中E表示电场强度，N表示气体分子数密度；
在迁移区靠近离子接收极一端的侧壁上设置有漂气入口，在电离区靠近离子源一端的侧壁上设置有样品气体入口和尾气出口；
离子门为Bradbury-Neilson型和Tyndall-Powell型离子门中的任意一种；
离子源为在大气压条件下能够离子化样品气体分子的任意离子源；
第零预设时间间隔t0、第一预设时间间隔t1、第二预设时间间隔t2、……、第M-1预设时间间隔tm-1与第M预设时间间隔tm的加和，构成离子门的一个完整工作周期，离子门依照该周期循环运行。
本发明的优点是：
本发明所公开的时域电场增强离子迁移管，是一种按照特定时序先后电气短接电离区内相邻的导电电极，实现迁移区内电场强度呈现时域增强的离子迁移管。一方面，该离子迁移管技术可以对离子迁移区内离子团的时域宽度和电流密度进行多级压缩和增强，形成兼具超高分辨能力和超高灵敏度的离子迁移谱图；另一方面，利用最大输出电压值较低的高压电源，即可以在迁移区内获得高的迁移电场强度，从而获得较好的分析性能，有助于降低仪器成本并提高仪器的使用安全性。
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
附图说明
图1.本发明所公开时域电场增强离子迁移管的剖面结构示意图。其中：1、紫外光离子源；2、电离区；3、Tyndall-Powell型离子门；4、迁移区；5、离子接收极；6、环状导电极片；7、环状绝缘极片；8、分压电阻链；9、光耦开关；10、漂气入口；11、样品气入口；12、尾气出口。电离区2内含有6个环状导电极片，相邻的环状导电极片分别与5个光耦开关9相连接。
图2.对应图1中所公开的时域电场增强离子迁移管，其迁移区内电场强度的时域变化波形。其中，t0＝0.05ms为第零预设时间间隔，t1＝0.6ms为第一预设时间间隔，t2＝0.6ms为第二预设时间间隔，t3＝0.6ms为第三预设时间间隔，t4＝0.6ms为第四预设时间间隔，t5＝0.6ms为第五预设时间间隔。
图3.(a)本发明所公开时域增强离子迁移管，离子门开门时间为0.05ms时获取的50ppb三乙基磷酸盐的谱图信号，对应实施例1；(b)本发明所公开离子迁移管工作在时域静态电场模式下(即5个光耦开关9始终为断开状态，离子迁移管内保持600V/cm的迁移电场不变)，离子门开门时间为0.05ms时获取的50ppb三乙基磷酸盐的谱图信号，与对比例1相对应；(c)本发明所公开离子迁移管工作在时域静态电场模式下(即5个光耦开关9始终为断开状态，离子迁移管内保持800V/cm的迁移电场不变)，离子门开门时间为0.05ms时获取的50ppb三乙基磷酸盐的谱图信号，与对比例2相对应。
具体实施方式
实施例1
本发明所公开的时域电场增强离子迁移管如图1所示。离子迁移管的离子源1为10.6eV的VUV光电离源，离子源中使用丙酮作为掺杂剂；离子门3为双平行栅网构成的Tyndall-Powell型离子门；离子接收极5为直径6mm的法拉第盘，固定在外径为30mm的金属屏蔽筒上；电离区2和迁移区4均由厚度1mm、内径20mm、外径30mm的环状导电极片6和厚度4mm、内径20mm、外径30mm的环状绝缘极片7交替叠合构成，电离区2内含有6个环状导电极片6，迁移区4内含有6个环状导电极片；沿离子源1至离子门3方向，电离区2的第一环状导电极片和第二环状导电极片与第一光耦开关9相连接，第二环状导电极片和第三环状导电极片与第二光耦开关相连接，第三环状导电极片和第四环状导电极片与第三光耦开关相连接，第四环状导电极片和第五环状导电极片与第四光耦开关相连接，第五环状导电极片和第六环状导电极片与第五光耦开关相连接；初始状态下，第一光耦开关、第二光耦开关、第三光耦开关、第四光耦开关和第五光耦开关均为断开状态；离子源1、环状导电极片6、离子门3和离子接收极5的屏蔽筒通过由11个2MΩ电阻首尾相连所构成的分压电阻链8与高压电源的高压输出端子及大地构成电气连接；高压电源的输出值为3300V，在离子迁移管内形成600V/cm的初始迁移电场；
离子迁移管的温度设定为100℃，漂气为500mL/min净化空气，经漂气入口10进入离子迁移管，样品气为使用净化空气配置的50ppb三乙基磷酸盐，流速100mL/min，经样品气入口11进入离子迁移管的电离区2中，漂气和样品气最终经尾气出口12流出离子迁移管；
在第零预设时间间隔t0＝0.05ms内，第一光耦开关、第二光耦开关、第三光耦开关、第四光耦开关和第五光耦开关保持初始断开状态，迁移区4内维持600V/cm的初始迁移电场，离子门3打开，电离区2中的离子经离子门3进入迁移区4形成离子团；
在第一预设时间间隔t1＝0.6ms内，第一光耦开关为导通状态，第二光耦开关、第三光耦开关、第四光耦开关和第五光耦开关保持断开状态，离子门3关闭，于迁移区4内形成强度为660V/cm的第一迁移电场，电离区2中的离子被阻断在离子门3处，迁移区4中的离子团，在第一迁移电场的作用下时域宽度被第一次压缩，离子电流密度被第一次增强；
在第二预设时间间隔t2＝0.6ms内，第一光耦开关、第二光耦开关为导通状态，第三光耦开关、第四光耦开关和第五光耦开关保持断开状态，离子门3关闭，于迁移区4内形成强度为733V/cm的第二迁移电场，迁移区4中的离子团，在第二迁移电场的作用下时域宽度被第二次压缩，离子电流密度被第二次增强；
在第三预设时间间隔t3＝0.6ms内，第一光耦开关、第二光耦开关和第三光耦开关为导通状态，第四光耦开关和第五光耦开关保持断开状态，离子门3关闭，于迁移区4内形成强度为825V/cm的第三迁移电场，迁移区(4)中的离子团，在第三迁移电场的作用下时域宽度被第三次压缩，离子电流密度被第三次增强；
在第四预设时间间隔t4＝0.6ms内，第一光耦开关、第二光耦开关、第三光耦开关和第四光耦开关为导通状态，第五光耦开关保持断开状态，离子门3关闭，于迁移区4内形成强度为943V/cm的第四迁移电场，迁移区4中的离子团，在第四迁移电场的作用下时域宽度被第四次压缩，离子电流密度被第四次增强；
在第五预设时间间隔t5＝0.6ms内，第一光耦开关、第二光耦开关、第三光耦开关、第四光耦开关和第五光耦开关均为导通状态，离子门3关闭，于迁移区4内形成强度为1100V/cm的第五迁移电场，迁移区4中的离子团，在第五迁移电场的作用下时域宽度被第五次压缩，离子电流密度被第五次增强，并最终被离子接收极5接收，形成兼具超高分辨能力和超高灵敏度的三乙基磷酸盐离子迁移谱图，如图3a所示，其中，丙酮离子峰为550pA，分辨能力60；三乙基磷酸盐单体离子峰为145pA，分辨能力66；三乙基磷酸盐单体离子峰为80pA，分辨能力62。
对比例1
为了对比本发明所公开时域电场增强离子迁移管的性能，实验过程中还采集了该离子迁移管工作在时域静态电场下(即5个光耦开关9始终为断开状态，离子迁移管内保持600V/cm的迁移电场不变)，离子门开门时间为0.05ms时50ppb三乙基磷酸盐的响应谱图，如图3b中所示，其中，丙酮离子峰为263pA，分辨能力36；三乙基磷酸盐单体离子峰为67pA，分辨能力38；三乙基磷酸盐单体离子峰为39pA，分辨能力37。明显地，三乙基磷酸盐产物离子峰的峰高度和分辨能力均低于图3a中。
对比例2
为了对比本发明所公开时域电场增强离子迁移管的性能，将供电电源的输出值提高至4400V在迁移管内形成800V/cm的初始迁移电场，并采集了该离子迁移管工作在时域静态电场下(即5个光耦开关9始终为断开状态，离子迁移管内保持800V/cm的迁移电场不变)，离子门开门时间为0.05ms时50ppb三乙基磷酸盐的响应谱图，如图3c中所示，其中，丙酮离子峰为540pA，分辨能力58；三乙基磷酸盐单体离子峰为146pA，分辨能力62；三乙基磷酸盐单体离子峰为76pA，分辨能力60。尽管，该实验中三乙基磷酸盐产物离子峰的峰高度和分辨能力与图3a中相当，但是，该实验所使用的高压电源输出值4400V明显高于图3a中所使用的高压电源输出值3300V。
Claims (4)
1.一种时域电场增强离子迁移管，所述离子迁移管为环状导电极片（6）和环状绝缘极片（7）依次交替同轴叠合构成的中空柱状腔体；于腔体两端分别设置离子源（1）以及离子接收极（5）；在腔体内部位于离子源（1）和离子接收极（5）之间设置离子门（3），将腔体内部分成两个区域，其中离子源（1）和离子门（3）之间构成电离区（2），离子门（3）和离子接收极（5）之间构成迁移区（4）；其特征在于：
离子源（1）、环状导电极片（6）、离子门（3）和离子接收极（5）依次经分压电阻（8）串连，离子源（1）与直流高压电源的高压输出端子连接、离子接收极（5）与接地，构成电连接，于离子迁移管内形成初始迁移电场；
电离区（2）由M+1个环状导电极片（6）与M个环状绝缘极片（7）构成；M为大于等于3的正整数；电离区（2）内相邻的二个环状导电极片经光耦开关（9）相连，即M+1个环状导电极片依次经M个光耦开关（9）串连。
2.根据权利要求1所述的离子迁移管，其特征在于：
电离区（2）由M+1个环状导电极片（6）与M个环状绝缘极片（7）构成；M为大于等于3的正整数；电离区（2）内相邻的二个环状导电极片经光耦开关（9）相连，即沿离子源（1）至离子门（3）方向，电离区（2）的第一环状导电极片和第二环状导电极片与第一光耦开关相连接，第二环状导电极片和第三环状导电极片与第二光耦开关相连接，......，第M-1环状导电极片和第M环状导电极片与第M-1光耦开关相连接，第M环状导电极片和第M+1环状导电极片与第M光耦开关相连接。
3.根据权利要求1所述的离子迁移管，其特征在于：在迁移区（4）靠近离子接收极（5）一端的侧壁上设置有漂气入口（10），在电离区（2）靠近离子源（1）一端的侧壁上设置有样品气体入口（11）和尾气出口（12）。
4.根据权利要求1所述的离子迁移管，其特征在于：所述的离子门为Bradbury-Neilson型和Tyndall-Powell型离子门中的任意一种；
所述的离子源为在大气压条件下能够离子化样品气体分子的任意离子源。
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Granted publication date: 20210629 Effective date of abandoning: 20240416 |
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