吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀的製作方法
2023-04-24 17:17:11 1
專利名稱：吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於痕量物質檢測離子遷移譜儀，特別是涉及一種低功耗且能夠 同時靈敏檢測正、負離子的新型的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀。
背景技術：
離子遷移方法(簡稱IMS)是目前國際上主流痕量檢測方法之一，可以在線快速 檢測毒品、爆炸物、毒氣和生化氣體等，被廣泛應用於軍事(防化、監測)、民事(反恐、緝毒 等)等眾多領域。離子遷移譜儀(或者離子遷移譜)是一種依據離子遷移原理檢測鑑別物 質的儀器，通常由核心部件漂移管和外圍控制系統(如電壓控制系統、離子門控系統、氣流 控制系統、溫度控制系統、壓力監控系統、數據採集系統等)組成。由於離子遷移譜儀的在 痕量物質檢測上的卓越性能，最近被應用於生命科學中DNA等結構研究、空間科學、醫學中 口腔癌和肺癌等早期監測診斷、農藥殘留檢測、食品添加劑成分監測、環境檢測中空氣環境 監測，土壤汙染區域動態監測等。對於便於攜帶的、低功耗、靈敏的痕量物質檢測的離子遷 移譜儀，軍、民等領域需求更大。現有的離子遷移譜儀因結構等問題，小型化困難，而非對稱電場離子遷移譜儀的 漂移管可以實現小型化，但是由於使用高頻電場，因此這種結構的離子遷移譜儀功耗比較 高。現有的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀可以實現小型、低功耗，目前在德國等國家軍隊中 開始測試使用。吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀由核心部件——漂移管，和外圍的控制系統， 如電壓控制系統、離子門控系統、氣流控制系統、溫度控制系統、壓力監控系統、數據採集系 統等組成。其工作原理是樣品分子離子化後在載氣攜帶下進入漂移管，一個存在與離子運 動方向相同的漂移氣體和與離子運動方向垂直的電場空間中。不同的離子依據遷移率的不 同在電場與漂移氣體的作用下被分開，離子打到集成探測電極上形成離子電流。在離散掃 描偏壓(通常是-30V 30V變化範圍)作用下，得到離子電流-電壓關係曲線，將此曲線 做離子電流-電壓微分與電壓關係圖，就可以得到不同離子遷移率特徵信息，進而將不同 物質區分開來。但這種結構的離子遷移譜儀的缺點是(1)樣品離子沿記數電極運動過程中擴散 嚴重，影響離子遷移譜儀的解析度；(2)在掃描周期內能夠測量正、負離子，但是同一時刻 只能測量一種電性的離子。對於形成的、具有短壽命的未知電性的待檢測離子來說，這種結 構有很大缺陷；(3)對於同時能夠產生正、負離子的待檢測物質離子而言，這種結構能使用 的相關離子信息是不足的；(4)解析度低。
發明內容
本發明的目的在於提出一種吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀，提高了離子遷移譜儀 的檢測靈敏度，能夠同時檢測正、負離子，並且具有小型，低功耗的優點。為了達到上述目的，本發明的技術方案如下—種吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀，包括漂移管，所述漂移管包括位於同一平面上的集成探測電極以及輔助電極，與該平面相對設置的記數電極，在偏壓作用下漂移管內 產生均勻電場，樣品離子流和漂移氣體在均勻電場之間形成層流，所述漂移管還包括輔助 集成探測電極，所述輔助集成探測電極和記數電極在同一個平面上。所述輔助集成探測電極的位置是在漂移管中靠近樣品離子流流入方向一側的 1/4。所述樣品離子流位於所述均勻電場的中心。所述樣品離子流的直徑約是所述記數電極與所述集成探測電極的間距的1/10。所述偏壓在其變化範圍內，通常為-30V +30V，呈等電壓間距均勻跳變。所述記述電極在樣品離子流動方向的長度是其寬度的2倍。本發明的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀，由於輔助集成探測電極的存在和樣品離 子流被漂移氣體全包圍，在偏壓的作用下，不同的正，負離子被分開，分別打到集成探測電 極和輔助集成探測電極上形成離子電流，使這種離子遷移譜儀能同時測量正、負離子，提高 了離子遷移譜儀的檢測靈敏度。
圖1是本發明的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀原理圖；圖2是本發明的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀的漂移管結構圖；圖3是本發明的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀輔助集成探測電極位置確定原理 示意圖。
具體實施例方式下面根據圖1至圖3，給出本發明的較佳實施例，並予以詳細描述，使能更好地理 解本發明的功能、特點。圖1所示是本發明的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀原理圖，本發明的吸氣冷凝器 結構的離子遷移譜儀是由漂移管和外圍控制系統組成，如電壓控制系統、離子門控系統、氣 流控制系統、溫度控制系統、壓力監控系統、數據採集系統等。如圖2所示，本發明的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀的漂移管包括有集成探測電 極1、輔助電極2、記數電極3、輔助集成探測電極4。記數電極3和輔助電極2連接在偏壓 (離散掃描電源電壓)上，集成探測電極1和輔助集成探測電極4彼此獨立的連接在兩個 前置放大電路上，輸出相異電荷信號信息。輔助集成探測電極4與記數電極3在同一個平 面A上，並且輔助集成探測電極4和記數電極3之間是絕緣的，集成探測電極1與輔助電極 2在另一個平面B上，兩個平面相對設置在幾何結構上形成平行板，該平行板的寬度大致是 記數電極長度的1/2，平行板中心區域是離子漂移分離的區域。記數電極3以及輔助集成 探測電極4與集成探測電極1以及輔助電極2可在偏壓作用下產生均勻電場5。由於有輔 助電極的存在，使整個電場空間保持均勻電場。為保持吸氣冷凝器結構的漂移管中為均勻 電場，應使記數電極3以及輔助集成探測電極4與集成探測電極1以及輔助電極2在其產 生的均勻電場垂直方向的長度和電極間的距離有一定的比例關係；通常比例關係為2 1。 也就是說，所述均勻電場的長度，寬度，高度的比值是2 1 1，這樣基本能保證一個均勻 的電場空間。
樣品離子流的進樣管6位於所述樣品離子流位於漂移管內產生的均勻電場5的中 心，也就是記數電極3以及輔助集成探測電極4的平面A與集成探測電極1以及輔助電極 2的平面B所形成的的平行板結構的幾何對稱中心，即大致位於兩平面A，B間距的1/2處。 並且控制調節樣品氣流和漂移氣流流速，使樣品離子流和漂移氣體7氣流保持層流；樣品 離子流是被漂移氣體圓周狀包圍的，樣品離子流周圍的漂移氣體始終保持平衡，樣品離子 氣體周圍都是漂移氣體，形成「鞘流」，因此對離子流有很好的壓縮作用。樣品離子氣體在 「鞘流」的「壓縮」作用下，能夠更長時間的被壓縮在中間區域，減少擴散，因此能提高檢測的 解析度。優選的，樣品離子流的直徑尺寸約為所述記數電極以及輔助集成探測電極和所述 集成探測電極以及輔助電極的間距的1/10左右；過大的比例，樣品離子流初始位置分布範 圍變大，儀器的解析度要變壞；而過小的比例，雖然對提高儀器的解析度有益，但是卻造成 儀器靈敏度的降低。在偏壓的作用下，樣品氣流不同的正，負離子被分開，分別打到集成探測電極1和 輔助集成探測電極4上形成離子電流。偏壓在其變化範圍內，通常為-30V +30V，呈等電 壓間距均勻跳變。若偏壓為最通常的600步跳變，則每一步電壓變化量為0. IV。要求偏壓 在每一步長上要保持一定的穩定值。本發明的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀具有兩個探測電極，集成探測電極1(主 探測電極)位置通常不變，輔助集成探測電極4的位置是可變的，可以從漂移管中樣品離子 流的流入側的一端移動到流出側的另一端。優選的，輔助集成探測電極4位於靠近離子流 流入方向一側的1/4處。對於不同的樣品離子流，輔助集成探測電極4位置一般是不同的。 對於特定的物質，可以根據不同的檢測物質種類和特性進行優化調節，需要通過多次實驗 來確定它的具體位置。輔助集成探測電極4位置是依據k (T) = (h* (h-0. 5hs)) *V/ (A*xE*Up)計算和實驗驗證來確定。如圖3所示，假設一種物質電離後能同時產生正、負離 子，此時場強方向垂直向下。若輔助集成探測器放置在圖中位置C時，是不能同時檢測到 正、負離子信息的，這時檢測得到的物質信息與普通的吸氣冷凝器結構的離子遷移譜儀基 本上是一樣的，只有將輔助集成探測器移動到圖中位置D時，才能有效接收到這種物質的 負離子信息。對於電離以後能同時產生正、負離子的物質和未知電離後生成離子電屬性 (正電性還是負電性)的物質，或者短壽離子來說，本發明都有非常好的檢測鑑別性能。所 以這種檢測裝置對特定的物質檢測來說有更好的響應特性。採用本發明的技術方案，吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀對於正、負離子可以同時 測量，對於有些能同時產生正、負離子的物質有更好的檢測靈敏度和檢測準確度；且所需要 電源體積小，重量輕，檢測儀器整體小型化或者超小型化容易實現。吸氣冷凝器結構離子遷 移譜儀的漂移管檢測腔體內部容易清洗，與現有的離子遷移譜相比，遭汙染後可以在很短 的時間內重新恢復測量，因此使用和維護極其容易；整體結構簡單，易於加工實現。前面提供了較詳細的實施例的描述，以使本領域內的任何技術人員理解本發明。 對該實施例，本領域內的技術人員在不脫離本發明原理的基礎上，可以作出各種修改或者 變換。即凡是依據本發明申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆 落入本發明專利的權利要求保護範圍。
權利要求
一種吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀，包括漂移管，所述漂移管包括位於同一平面上的集成探測電極以及輔助電極，與該平面相對設置的記數電極；在偏壓作用下漂移管內產生均勻電場，樣品離子流和漂移氣體在均勻電場之間形成層流；其特徵在於，所述漂移管還包括輔助集成探測電極，所述輔助集成探測電極和記數電極在同一個平面上。
2.根據權利要求1所述的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀，其特徵在於，所述輔助集成 探測電極的位置是在漂移管中靠近離子流流入方向一側的1/4。
3.根據權利要求1或2所述的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀，其特徵在於，所述樣品離 子流位於所述均勻電場的中心。
4.根據權利要求3所述的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀，其特徵在於，所述樣品離子 流的直徑約是所述記數電極與所述集成探測電極的間距的1/10。
5.根據權利要求1所述的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀，其特徵在於，所述偏壓在其 變化範圍內，通常為-30V +30V，呈等電壓間距均勻跳變。
6.根據權利要求1所述的吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀，其特徵在於，所述記述電極 在樣品離子流動方向的長度是其寬度的2倍。
全文摘要
本發明公開了一種吸氣冷凝器結構離子遷移譜儀，包括漂移管，所述漂移管包括位於同一平面上的集成探測電極以及輔助電極，與該平面相對設置的記數電極，在偏壓作用下漂移管內產生均勻電場，樣品離子流和漂移氣體在均勻電場之間形成層流，所述漂移管還包括輔助集成探測電極，所述輔助集成探測電極和記數電極在同一個平面上。由於輔助集成探測電極的存在和樣品離子流被漂移氣體全包圍，在偏壓的作用下，不同的正，負離子被分開，分別打到集成探測電極和輔助集成探測電極上形成離子電流，使這種離子遷移譜儀能同時測量正、負離子，提高了離子遷移譜儀的檢測靈敏度。
文檔編號H01J49/40GK101853771SQ20091004879
公開日2010年10月6日 申請日期2009年4月3日 優先權日2009年4月3日
發明者蔣大真, 魏永波 申請人:中國科學院上海應用物理研究所