離子遷移譜儀及其補償式彎曲型離子漂移管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種離子遷移譜儀及其補償式彎曲型漂移管，所述補償式彎曲型漂移管包括基管和套設于其外周的若干導電環(huán)，所述基管呈彎曲型；所述基管包括相互連接的初始彎道和可使離子通過漂移管的漂移距離保持一致的補償彎道。本發(fā)明通過設置可使離子通過漂移管的漂移距離保持一致的補償彎道，從而能夠在提高離子遷移譜儀的性能如分辨率和靈敏度的同時大幅減小離子遷移譜儀的體積，為離子遷移譜儀的小型化、便攜式化提供一種有效可靠的方法。
【專利說明】離子遷移譜儀及其補償式彎曲型離子漂移管
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及氣相分離和檢測技術，特別是涉及一種離子遷移譜儀及其離子漂移管。
【背景技術】
[0002]離子遷移譜儀(IMS, 1n Mobility Spectrometry)是一種基于離子在電場中的遷移速度的差異來對樣品物質進行檢測分析的儀器，與傳統(tǒng)的質譜、色譜等分析儀器相比，其具有結構簡單，靈敏度高，分析快速等特點，同時其能在大氣環(huán)境中對微量物質進行檢測，適合用于現(xiàn)場使用。其基本原理是:樣品由載氣帶入電離反應區(qū)后，載氣分子和樣品分子在離子源的作用下發(fā)生一系列的電離反應和離子-分子反應，形成各種產(chǎn)物離子。在電場的趨勢下，這些離子通過周期性開啟的離子門進入漂移區(qū)。然后在漂移區(qū)電場的作用下，離子在漂移管中進行定向的遷移，由漂移管終端的檢測器實時測量離子電流隨時間的變化進而根據(jù)電流的變化可以計算出離子的遷移率。在一定的條件下，各種物質離子由于其質量、帶電荷數(shù)、空間結構等因素不同而導致其具有不同的遷移率，因而將檢測得到的不同離子對應的遷移率與標準物質庫進行對比就能判斷所檢測物質的種類。
[0003]離子遷移譜儀的微型化是當前的一種趨勢，目前國際上的研究已經(jīng)使其由車載式、臺式等向便攜式的輕便儀器發(fā)展?，F(xiàn)有的離子遷移譜儀基本采用直線型漂移管，小型化的時候只能等比例將原來的漂移管結構縮小，導致遷移管長度減小。根據(jù)離子遷移譜理論，離子遷移譜儀的分辨率和靈敏度都會降低。
[0004]申請?zhí)枮?012101489660的中國發(fā)明專利申請所提出的彎曲型離子遷移譜儀，雖然在實際應用中增加了漂移管的絕對長度，而且對于分辨率和靈敏度起到一定的改善作用，但是，由于彎道會引入離子漂移距離的誤差，從而導致漂移時間誤差，所以在實際應用中仍然存在不足之處，因此開發(fā)一種能夠對彎道引入誤差進行補償?shù)钠乒芫哂袕V闊的應用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所為克服前述現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種補償式彎曲型離子漂移管，包括基管和套設于其外周的若干導電環(huán)，所述基管呈彎曲型；所述基管包括相互連接的初始彎道和可使離子的漂移距離保持一致的補償彎道。
[0006]根據(jù)實施例，本發(fā)明還可采用以下優(yōu)選的技術方案:
[0007]所述補償彎道的總彎曲角度與所述初始彎道的彎曲角度方向互逆，絕對值相等。
[0008]所述初始彎道的彎曲方向為逆時針或順時針，所述補償彎道的彎曲方向為順時針或逆時針，兩者的彎曲角度的絕對值相等。
[0009]所述初始彎道的彎曲方向為逆時針或順時針，所述補償彎道的彎曲方向包括順時針段和逆時針段，所述順時針段和逆時針段的彎曲角度之和的絕對值等于所述初始彎道的彎曲角度的絕對值。[0010]所述初始彎道和補償彎道中，順時針方向的彎道和逆時針方向的彎道成對設置，相互間隔連接。
[0011 ] 所述順時針方向的彎道和逆時針方向的彎道有兩對以上。
[0012]所述補償彎道和初始彎道的半徑相同。
[0013]所述初始彎道和補償彎道的基管彎道半徑不同，所述補償彎道的基管包括與所述初始彎道彎曲方向相反的一個或兩個以第一彎曲段，以及與所述初始彎道彎曲方向相同的一個或兩個以上第二彎曲段。
[0014]所述基管還包括一個或兩個以上直道段。
[0015]所述基管的初始彎道和補償彎道的中心線同為S型或Ω型。
[0016]本發(fā)明還提供一種離子遷移譜儀，包括如前任一項所述的補償式彎曲型離子漂移管。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術對比的有益效果是:通過設置可使離子的漂移距離保持一致的補償彎道，從而能夠在提高離子遷移譜儀的性能如分辨率和靈敏度的同時大幅減小離子遷移譜儀的體積，為離子遷移譜儀的小型化、便攜式化提供一種有效可靠的方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的補償式彎曲型離子漂移管的結構示意圖。
[0019]圖2是圖1補償式彎曲型離子漂移管的原理示意圖。
[0020]圖3是圖1補償式彎曲型離子漂移管的電勢線示意圖。
[0021]圖4是圖1補償式彎曲型離子漂移管的離子遷移補償效果示意圖。
[0022]圖5是另一實施例的補償式彎曲型離子漂移管的結構示意圖。
[0023]圖6是再一優(yōu)選實施例的補償式彎曲型離子漂移管的原理示意圖。
[0024]圖7是圖6實施例的離子遷移補償效果示意圖。
[0025]圖8是本發(fā)明一類補償式彎曲型離子漂移管的基管軸線基本原理示意圖。
[0026]各附圖中的實施例不構成對本申請的任何限制，對于本領域的普通技術人員，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖，通過以下結合附圖的說明，能夠更充分地理解本發(fā)明上面所述和其他的方面、實施方式和其特點。在附圖中，相似的參考標記通常代表各附圖中相似的特征和結構部件。附圖無需嚴格按照比例，而是著重于對說明本發(fā)明的原理。
【具體實施方式】
[0027]下面對照附圖和結合優(yōu)選【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細的闡述。
[0028]實施例1
[0029]如圖1所示，本實施例是一個補償式S型離子漂移管，屬于補償式彎曲型離子漂移
管中的一種類型，其包括S型的基管和設在該基管上的若干導電環(huán)a、b、c.......，可根據(jù)
實際需要選擇適當?shù)膶щ姯h(huán)數(shù)量。該S型離子漂移管在離子遷移譜儀中工作時，每個導電環(huán)上均加有恒定的直流電壓，并且從該S型離子漂移管的一端到另一端，各個導電環(huán)上所加的直流電壓單調遞減或者單調遞增。被檢測樣品經(jīng)過離子漂移管前端的電離區(qū)被電離成各種離子后進入該S型離子漂移管的一端，由于S型離子漂移管上的導電環(huán)被加載不同的直流電壓，且導電環(huán)上的電壓呈單調遞增或者單調遞減的排布方式，會生成和S型基管軸線大致平行的電場線(即為電勢線的垂直方向的線)，因此由樣品電離生成的離子將會沿著電場線的方向進行遷移。也就是說，該S型離子漂移管內(nèi)的電場呈現(xiàn)比較均勻的分布，離子漂移管軸心的電場線方向(即電勢線的垂直方向)基本與S型離子漂移管機械結構的軸線保持一致，同時彎道內(nèi)的電勢線分布保持均勻。
[0030]在圖2所示的補償式S型離子漂移管的原理示意圖中，可以看到，該S型離子漂移管的基管中，初始彎道和補償彎道具有相同的彎道半徑，同時初始彎道和補償彎道還具有完全對稱一致的導電環(huán)排布方式，其上的加載電壓差也是保持完全一致。
[0031]在圖3所示的補償式S型離子漂移管的電勢線示意圖中，可以看到，該S型離子漂移管管內(nèi)的電場呈現(xiàn)比較均勻的分布，離子漂移管軸心的電場線方向(即電勢線的垂直方向)基本與S型離子漂移管機械結構的軸心保持一致，同時初始彎道內(nèi)的電勢線分布與補償彎道的電勢線分布保持對稱且均勻。
[0032]在圖4所示的補償式S型離子漂移管的離子遷移補償效果示意圖中，我們可以看到，A、B、C三個離子各自從S管的軸心以及內(nèi)、外偏移(相對于軸心)等距的地方開始出發(fā)，可以計算得到:[0033]A離子漂移的距離為:
[0034]La = 1^+1^+13+2 Ji R
[0035]B離子漂移的距離為:
[0036]Lb = lj+lg+ls+ π (R+ Δ R) + Ji (R-AR) =R
[0037]C離子漂移的距離為:
[0038]La = Lb = Lc
[0039]Lc = Ijl2+]^+(R- Δ R) + Ji (R+ Δ R) =R
[0040]所以有:亦即不同出發(fā)點出發(fā)的離子的漂移距離為一致，即對單彎道所引入的誤差具有補償?shù)男Ч?br> [0041]值得說明的是:如B、C兩個離子從內(nèi)、外偏移(相對于軸心)不等距的地方開始出發(fā)，其最終漂移的距尚仍然是1^+1^+13+2 31 Ro
[0042]此外，本實施例中，還包括設于所述初始彎道和補償彎道之間的作為過渡的多個直道段。但本領域技術人員理解，所述多個直道并非必須。
[0043]實施例2
[0044]在圖5所示的由多個補償式S型離子漂移管疊加而成的補償式離子漂移管的結構示意圖中，可以看到，其采用多個補償式S型離子漂移管疊加排布的方式，其中，單個補償式S型離子漂移管已經(jīng)進行了內(nèi)補償，所以多個補償式S型離子漂移管疊加能夠有效地增加離子漂移管的絕對長度，進而增加漂移管的分辨率以及靈敏度。其結構及工作原理與實施例I類似，不做贅述。同時，補償式S型離子漂移管內(nèi)部補償可減小初始彎道對離子漂移帶來的漂移時間和漂移距離的影響，因此，本發(fā)明能夠在提高離子遷移譜儀的性能的同時大幅減小離子遷移譜儀的體積，可以直接適用于離子遷移譜儀的小型化和便攜式化，為微型化離子遷移譜儀提供一種有效可靠的方法。
[0045]實施例3
[0046]在圖6所示的補償式彎曲型離子漂移管的原理示意圖中，我們可以看到相較于實施例I所不同的是:離子漂移管中間的大彎道半徑為兩側兩個小彎道半徑的和，其他的結構基本與實施例1中的類似，該漂移管包括Ω型的基管和在該基管上的若干導電環(huán)a、b、
c.......，每個導電環(huán)上均加有恒定的直流電壓，并且從該Ω型漂移管的一端到另一端，
各個導電環(huán)上所加的直流電壓單調遞減(也可是單調遞增)。該Ω型基管在離子遷移譜儀中工作時，被檢測樣品經(jīng)過離子漂移管前端的電離區(qū)被電離成各種離子后進入該Ω型基管的一端，由于基管上的導電環(huán)被加載不同的直流電壓，且導電環(huán)上的電壓呈單調遞增或者單調遞減的排布方式，會生成和Ω型基管軸線大致平行的電場線，因此由樣品電離生成的離子將會沿著電場線的方向進行遷移。同樣地，該Ω型離子漂移管內(nèi)的電場呈現(xiàn)比較均勻的分布，離子漂移管軸心的電場線方向(即電勢線的垂直方向)基本與Ω型離子漂移管機械結構的軸線保持一致，同時彎道內(nèi)的電勢線分布保持均勻。
[0047]在圖7所示的補償式Ω型離子漂移管的離子遷移補償效果示意圖中，假設D、E、F三個離子分別從管的軸心以及內(nèi)、外偏移(相對于軸心)等距的地方開始出發(fā)，可以計算得到:
[0048]D離子漂移的距離為:
[0049]Ld = 14+15+ Ji Rx+2 Ji R2+ Ji R3
[0050]E離子漂移的距離為:
[0051 ] Le = 14+15+ τι (R1+ Δr) +2 (R2-Δr) + n (R3+ Ar) = 14+15+ τι Rj+2 τι R2+ n R3
[0052]F離子漂移的距離為:
[0053]Lf = 14+15+ τι (R「Δr) +2 (R2+ Δr) + π (R3- Ar) = 14+15+ τι Rj+2 τι R2+ π R3
[0054]所以有:
[0055]Ld = Le = Lf
[0056]亦即不同出發(fā)點出發(fā)的離子的漂移距離為一致，即對單彎道所引入的誤差具有補償?shù)男Ч?br> [0057]同實施例1，如B、C兩個離子從內(nèi)、外偏移(相對于軸心)不等距的地方開始出發(fā)，其最終漂移的距離仍然是li+l2+l3+2 31 R0
[0058]在圖6所示的補償式Ω型彎道疊加型離子漂移管的原理示意圖中，可見采用單個Ω型管疊加排布的方式已經(jīng)對離子漂移管進行了內(nèi)補償，所以同樣地多個Ω型離子漂移管疊加能夠有效地增加漂移管的絕對長度，能夠延長漂移管長度進而增加漂移管的分辨率以及靈敏度，同時Ω型離子漂移管內(nèi)部補償減小了初始彎道對離子漂移帶來的漂移時間和漂移距離的影響，因此，本發(fā)明能夠在提高離子遷移譜儀的性能的同時大幅減小離子遷移譜儀的體積。同時，相較于S型離子漂移管而言，Ω型離子漂移管可以更好地安置和排布漂移管外圍結構，更好地為微型化離子遷移譜儀提供一種有效可靠的方法。
[0059]實施例1、2、3僅為本優(yōu)選【具體實施方式】的舉例，但并不局限于此，結合圖8可知，只要滿足下式即可進行漂移補償:
[0060]Z A1+ Z A2+ Z A3+......Z An = Z B1+ Z B2+......Z Bm
[0061]其中，Z A1+Z A2+Z A3+......Z An分別為逆時針方向的基管彎曲角度，
[0062]Z B1+ Z B2+......ZBm分別為順時針方向的基管彎曲角度，η和m為自然數(shù)。
[0063]以上內(nèi)容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種補償式彎曲型離子漂移管，包括基管和套設于其外周的若干導電環(huán)，所述基管呈彎曲型，其特征在于:所述基管包括相互連接的初始彎道和可使離子的漂移距離保持一致的補償彎道。
2.如權利要求1所述的補償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述補償彎道的總彎曲角度與所述初始彎道的彎曲角度方向互逆，絕對值相等。
3.如權利要求1所述的補償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述初始彎道的彎曲方向為逆時針或順時針，所述補償彎道的彎曲方向為順時針或逆時針，兩者的彎曲角度的絕對值相等。
4.如權利要求1所述的補償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述初始彎道的彎曲方向為逆時針或順時針，所述補償彎道的彎曲方向包括順時針段和逆時針段，所述順時針段和逆時針段的彎曲角度之和的絕對值等于所述初始彎道的彎曲角度的絕對值。
5.如權利要求4所述的補償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述初始彎道和補償彎道中，順時針方向的彎道和逆時針方向的彎道成對設置，相互間隔連接。
6.如權利要求5所述的補償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述順時針方向的彎道和逆時針方向的彎道有兩對以上。
7.如權利要求1所述的補償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述補償彎道和初始彎道的半徑相同。
8.如權利要求1所述的補償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述初始彎道和補償彎道的基管彎道半徑不同，所述補償彎道的基管包括與所述初始彎道彎曲方向相反的一個或兩個以第一彎曲段，以及與所述初始彎道彎曲方向相同的一個或兩個以上第二彎曲段。
9.如權利要求1-8任一項所述的補償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述基管還包括一個或兩個以上直道段。
10.如權利要求1-8任一項所述的補償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述基管的初始彎道和補償彎道的中心線同為S型或Ω型。
11.一種離子遷移譜儀，其特征在于:包括如權利要求1-10任一項所述的補償式彎曲型離子漂移管。
【文檔編號】H01J49/04GK103578907SQ201310539519
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權日:2013年11月4日
【發(fā)明者】倪凱, 歐光禮, 余泉, 郭靜然, 錢翔, 王曉浩, 唐飛 申請人:清華大學深圳研究生院