等離子體源正負離子協同檢測離子遷移譜儀的製作方法

2023-06-16 14:38:51 1

專利名稱：等離子體源正負離子協同檢測離子遷移譜儀的製作方法
技術領域：
本本發明涉及一種等離子體源正負離子協同檢測離子遷移譜儀，是利用大氣 壓下離子在電場中的遷移特性來分離物質的一種檢測裝置，
背景技術：
離子遷移譜常用離子源是放射源"Ni，它性能穩定、體積小、不需外加電源， 但因為放射性物質的使用，使得儀器在購買、使用、維護、管理和處置方面，要 遵守放射源管理法規，增加了用戶負擔，限制了設備的普遍使用。此外，63Ni 離子源產生的離子數密度一定， 一般在幾百個pA，導致Ni-IMS的檢測靈敏度和 動態範圍有限。本發明用等離子體源，離子源電流在uA mA之間，離子強度 遠高於放射源所產生的離子強度，可以提高儀器的探測靈敏度，本發明涉及的離 子遷移譜儀的檢測靈敏度可達到《50xl0^g。另外傳統的放射源的離子流不能改 變，本發明中的離子源可根據需要進行離子流大小的調節。本發明涉及的等離子 體源無放射性，對人體無危害，易於儀器的使用、維護和管理以及市場推廣。
離子遷移譜對不同種類的物質檢測時需要不同的工作方式。通常對爆炸物檢 測時採用負離子，對毒品和有機物檢測時採用正離子。常用的離子遷移譜儀只能 在單一離子極性下工作，儀器不能對同一樣品中的爆炸物、毒品和有機物進行同 時檢測。本發明中的離子遷移譜儀為正負離子協同測量，可以對樣品中的痕量爆 炸物、毒品和有機物實施快速同時檢測。

發明內容
本發明的目的是提供一種新的等離子體源正負離子協同檢測離子遷移譜儀， 用大氣壓放電產生等離子體，等離子體中的正離子或負離子與待測物質之間的離 子一分子反應將待測量物質離子化，藉助正/負離子在電場中的遷移分離實現待 測物質的同時檢測，是一種痕量爆炸物、毒品和揮發性有機物快速檢測裝置。
本發明的技術方案
一種高效等離子體離子源，其特徵在於等離子體源的產生方法是在陰、陽兩
個金屬電極間施加電壓，形成等離子體；電極形狀是針、棒、板、筒或者網狀， 放電電壓在幾百到幾千伏，電流在微安到毫安量級；等離子體源的信號強度、產 生離子的極性可調節，形成強度大的正離子和負離子，以滿足痕量爆炸物、毒品 或揮發性有機物的高靈敏檢測。
等離子體源正負離子協同檢測離子遷移譜儀，其特徵在於主要由等離子體 源、離子遷移管、氣體淨化驅動、供電部件、信號探測單元和嵌入式控制顯示器 組成；等離子體源是在陰、陽兩個金屬電極間施加電壓，形成等離子體；電極形 狀是針、棒、板、筒或者網狀，放電電壓在幾百到幾千伏，電流在微安到毫安量 級；等離子體源的信號強度、產生離子的極性可調節，形成強度大的正離子和負 離子，能夠進行正負離子協同測量，同時檢測爆炸物、毒品和有機物。
本發明等離子體源正負離子協同檢測離子遷移譜儀結構圖如圖1所示，待測 物質在載氣帶動下由進樣口進入到反應區，等離子源中的反應離子將被測物質離 子化，形成的產物離子進入到遷移區，運動一定時間後到達離子檢測器被探測， 經軟體分析處理，結合資料庫對比和運算，最後在顯示器上給出被測物質的成分 和濃度，並能給出聲音報警。
等離子體源用於產生初始反應離子，當儀器為正離子檢測方式時，主要反應 離子為iT(H20)n;在負離子工作方式時，主要反應離子為02—(H20)n。本發明提 供的等離子體離子源電極結構可以是針、棒、板、筒或者網狀，陰極和陽極由金 屬材料組成，電極距離在mm cm之間，產生穩定等離子體的電極電壓在幾百到 幾千伏，電流在微安到毫安量級。
等離子體源產生的電流可以通過可調鎮流電阻調節。當鎮流電阻的阻值為 50-100kQ時，兩電極間產生的放電電流在pA量級。當鎮流電阻的阻值在 10-100MQ時，兩電極之間的放電電流在mA量級。
離子源產生的反應離子R"在電場的作用下進入到遷移管中的反應區，與進 入反應區的中性待測物質發生離子-分子反應，將被測物質分子電離為離子M+/—， 當遷移管中的離子門開啟時，離子進入到遷移管中的遷移分離區，遷移管由多個 被絕緣環間隔開的金屬環組成，相鄰環之間連接阻值相同的電阻，遷移管兩端加 上一定的電壓後，在遷移分離區內形成一個200~400V/cm的電場，離子在電場 作用下運動到探測區被檢測，離子信號送入嵌入式系統，經數據處理以及與數據 庫比較，得到所測物質的種類和濃度。
本發明中為正負離子協同檢測離子遷移譜儀提供電壓的供電單元為自行研 制高壓電源。電源的輸出電壓在0 土20.0kV範圍內連續可調，高壓的調節由軟 件實現，輸入D/A轉換+5V -5V對應+20 -20kV的調節電壓，電源允許的最 高電流為10mA。
當儀器進行正離子檢測時，遷移管起始端為正高壓，圖2是正離子檢測丙醛 時獲得的離子遷移譜圖，圖3是檢測對二甲苯時獲得的離子遷移譜圖，圖4是檢
測易製毒品丙酮時獲得的遷移譜圖。當進行負離子檢測時，遷移管起始端為負高 壓，圖5是負離子檢測爆炸物梯恩梯(TNT)時獲得的遷移譜圖。
離子遷移譜儀測量原理
在離子遷移譜中，離子源區產生的反應離子H+(H20)n或02—(H20)n進入到反 應區中與被測物質M發生的離子一分子反應
formula see original document page 5(正檢測模式) (1)
formula see original document page 5 (負檢測模式) (2)
形成的產物離子進入到遷移管的遷移分離區，在電場作用下作遷移運動。離 子在電場中的遷移速度v遵從規律
formula see original document page 5(3)
其中，E為電場強度，K為離子遷移率，其表達式為-
formula see original document page 5(4)
式中，Z、 e，分別為離子所帶的電荷數和電子電量；N為中性遷移氣體的數 密度；p為離子m和遷移氣體分子M的約化質量；k為玻耳茲曼常數；T為遷 移氣體的溫度；Q為離子分子的碰撞截面。
如果離子在電場中遷移的距離為L，所用的時間為t，根據方程(3),則有
formula see original document page 5
通常將K轉化為標準條件下的約化遷移率K0
儀器檢測中，提取離子峰出現時間，由(5)和(6)式計算約化遷移率，通過與數據 庫比較和校準計算，來確定所測物質的種類和濃度。
本發明的優點
本發明離子源信號強度大，正/負離子協同工作，因此探測靈敏度好，分辨 率高，測量速度快，並且儀器體積小，操作簡便。適用於痕量爆炸物、毒品和有 機物的快速在線檢測與報警。與傳統的離子遷移譜中放射源相比，等離子體源優 點是無放射性，儀器使用、維護和管理方便，並且探測靈敏度和檢測準確性高。


圖1是等離子源正負離子協同檢測離子遷移譜儀結構示意圖。 圖2是本發明的儀器檢測有機物丙醛的離子遷移譜圖。
圖3是本發明的儀器檢有機物測對二甲苯的離子遷移譜圖。 圖4是本發明的儀器探測易製毒品丙酮的離子遷移譜圖。 圖5是本發明的儀器探測爆炸物梯恩梯離子遷移譜圖。
具體實施例方式
參見圖1。
等離子體源正負離子協同檢測離子遷移譜儀，和傳統的離子遷移譜儀的區別 在於使用非放射性的等離子體源作為儀器的離子源，並且可以進行正負協同測 量。包括離子遷移管、氣體淨化驅動部件、供電部件、信號探測單元和數據處理 與顯示裝置。
下面以測量爆炸物為例，介紹儀器的具體檢測方式。
首先使用取樣紙擦拭被測物品表面，將取樣紙送入到儀器的進樣口，進樣口 對取樣紙進行加熱，將附著在取樣紙表面的爆炸物進行高溫氣化，氣化後的爆炸
物成分在流量為300mL/min的載氣帶動下進入到離子遷移管中的反應區，被電 離並經過分離區後到達最後的探測器被探測，探測區中的放大器將離子探測板上 的離子流信號轉換為電壓信號，並經過A/D轉換將模擬電壓信號轉換為數字信 號，並傳輸到數據分析部分，對信號進行分析，結合氣體溫度、壓力等參數，通 過與先期建立的包括爆炸物離子數量、種類、各自遷移率的資料庫進行比較並通 過相關運算，以及與爆炸物離子強度一濃度之間的標定關係的計算，得到最終的 檢測結果，最終的離子信號譜圖由終端的彩色LCD液晶顯示屏顯示和並給出報 警信號。
權利要求
1、一種高效等離子體離子源，其特徵在於等離子體源的產生方法是在陰、陽兩個金屬電極間施加電壓，形成等離子體；電極形狀是針、棒、板、筒或者網狀，放電電壓在幾百到幾千伏，電流在微安到毫安量級；等離子體源的信號強度、產生離子的極性可調節，形成強度大的正離子和負離子，以滿足痕量爆炸物、毒品或揮發性有機物的高靈敏檢測。
2、 等離子體源正負離子協同檢測離子遷移譜儀，其特徵在於主要由等離子體源、 離子遷移管、氣體淨化驅動、供電部件、信號探測單元和嵌入式控制顯示器 組成；等離子體源是在陰、陽兩個金屬電極間施加電壓，形成等離子體；電 極形狀是針、棒、板、筒或者網狀，放電電壓在幾百到幾千伏，電流在微安 到毫安量級；等離子體源的信號強度、產生離子的極性可調節，形成強度大 的正離子和負離子，能夠進行正負離子協同測量，同時檢測爆炸物、毒品和 有機物。
全文摘要
本發明公布了一種等離子體源正負離子協同檢測離子遷移譜儀。其等離子體源具有陰、陽兩個金屬電極，在兩極間施加電壓，便可產生等離子體；電極形狀是針、棒、板、筒或者網狀，放電電壓在幾百到幾千伏，電流在微安到毫安量級。本發明離子源信號強度大，正/負離子協同工作，因此探測靈敏度好，解析度高，測量速度快，並且儀器體積小，操作簡便。適用於痕量爆炸物、毒品和有機物的快速在線檢測與報警。與傳統的離子遷移譜中放射源相比，等離子體源優點是無放射性，儀器使用、維護和管理方便，並且探測靈敏度和檢測準確性高。
文檔編號G01N27/64GK101339160SQ20081002255
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月15日 優先權日2008年8月15日
發明者儲焰南, 徐國華, 虎 李, 李建權, 江海河, 沈成銀, 王鴻梅, 鄭培超, 韓海燕 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所