專利名稱：雙極性離子遷移譜儀的離子門及方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及雙極性離子遷移率譜儀(IMS)中用的離子門以及方法，屬于爆炸物、 毒品檢測技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
通常，雙極性離子遷移率譜儀(雙極性IMS)主要由離子源、兩個漂移管(TOF)、正 負離子反應區(qū)、正離子門、負離子門、兩個探測器構(gòu)成。最簡單的構(gòu)成方式是兩個漂移管位 于正負離子反應區(qū)兩側(cè)。不同于普通的MS，在雙極性MS中，由于要求對正負離子進行探 測，離子門的結(jié)構(gòu)對儀器的靈敏度產(chǎn)生很大的影響。如在專利文獻1 (US4445038)中，兩個 分別位于正、負漂移管前端的電極構(gòu)成正、負離子門，離子源位于兩個電極中央，樣氣從離 子源上方的管道進入后被離化，并滯留在離子源兩端的正、負離子門內(nèi)。當脈沖到達后，離 子門內(nèi)的正、負離子分別被釋放到相鄰的漂移管中。上述專利文獻1優(yōu)點是離子控制方法 簡單，缺點是離子門的制造工藝復雜，裝配要求高，生產(chǎn)成本較高。另外，離子有效利用率 低，門的結(jié)構(gòu)使得大約90%的離子損失在門內(nèi)，導致儀器的靈敏度較低。
為提高離子的有效利用率，專利文獻2 (美國專利7259369B2)提出了使用四極離 子阱對正負離子同時進行存儲的方法，并通過電極控制對正負離子同時釋放。此四極離子 阱由兩個扁圓筒、一個內(nèi)徑較大的外部圓筒，中心帶孔的兩個帽子形狀的小圓筒構(gòu)成，兩個 扁圓筒套裝在外部圓筒的兩端，兩個帽子形狀的小圓筒分別套在兩個扁圓筒內(nèi)部，且帽頂 相對。專利文獻2所提出的結(jié)構(gòu)消除了專利文獻1的弊端，四極離子阱對離子的聚焦、壓縮 作用提高了系統(tǒng)的分辨率，同時多個進氣孔允許裝置隨時更換載氣、遷移氣。但由于正、負 離子同時存儲在阱內(nèi)的同一個區(qū)間，離子間的電荷交換造成離子的部分損失。同時，由于四 極離子阱的結(jié)構(gòu)復雜、對同心度及組裝的要求很高，使得生產(chǎn)成本較高，而復雜的電極控制 方法也提高了裝置的控制難度。 另外，在其它的專利中也提出了在一個漂移管中，通過電極控制分別對正、負離子 進行測量的方法，其優(yōu)點是裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積??；其缺點是不能同時對正、負離子進行測 量，同時裝置內(nèi)的載氣、遷移氣的更換受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明在現(xiàn)有的雙極性MS的基礎上，提出一種新型的正 負離子門。此技術(shù)能夠有效地降低離子的損耗，從本質(zhì)上提高了 IMS檢測的靈敏度；同時通 過簡單、快速、充分的離子引出方式，提高雙極性IMS的分辨率。而簡單的電極控制方法、離 子門構(gòu)造及制造工藝大大降低了生產(chǎn)成本。 在本發(fā)明的第一方面，提出了一種雙極性IMS的離子門，包括離子源；第一門電 極，設置在離子源的一側(cè)；第二門電極，設置在離子源的另一側(cè)；第三門電極，設置在第一 門電極的遠離離子源的那側(cè)；第四門電極，設置在第二門電極的遠離離子源的那側(cè)；其中， 在離子存儲階段，第一門電極在軸上相應位置的電位與離子源的電位和第三門電極的電位存在差異；第二門電極在軸上相應位置的電位與離子源的電位和第四門電極的電位存在差
巳 升° 優(yōu)選地，在離子存儲階段，第一 門電極在軸上相應位置的電位高于離子源的電位 和第三門電極的電位；第二門電極在軸上相應位置的電位低于離子源的電位和第四門電極 的電位。 優(yōu)選地，所述的離子門還包括第五門電極，設置在第三門電極的遠離離子源的那 側(cè)；第六門電極，設置在第四門電極的遠離離子源的那側(cè)。 優(yōu)選地，所述第五門電極和第六門電極分別作為負離子漂移管和正離子漂移管的 起始部分。 優(yōu)選地，在離子引出階段，通過控制離子源、第一門電極、第二門電極、第三門電極 和第四門電極中的至少之一在軸上的電位來將離子引出。 優(yōu)選地，第一門電極、第三門電極和第五門電極相對于離子源與第二門電極、第四 門電極和第六門電極對稱分布。 優(yōu)選地，第一門電極、第三門電極和第五門電極相對于離子源與第二門電極、第四 門電極和第六門電極非對稱分布。 在本發(fā)明的另一方面，提出了一種用于雙極性IMS的離子門的方法，所述離子門 包括離子源，所述方法包括步驟將離子源一側(cè)在軸上的第一位置的電位設置成與離子源 的電位和沿著在該側(cè)遠離該離子源的方向上毗鄰該第一位置的第三位置在軸上的電位存 在差異，以形成第一離子存儲區(qū)；以及將離子源另一側(cè)在軸上的第二位置的電位設置成與 離子源的電位和沿著在該另一側(cè)遠離該離子源的方向上毗鄰該第二位置的第四位置在軸 上的電位存在差異，以形成第二離子存儲區(qū)。 優(yōu)選地，將離子源一側(cè)在軸上的第一位置的電位設置成比離子源的電位和沿著在 該側(cè)遠離該離子源的方向上毗鄰該第一位置的第三位置在軸上的電位高，以形成第一離子 存儲區(qū)；以及將離子源另一側(cè)在軸上的第二位置的電位設置成比離子源的電位和沿著在該 另一側(cè)遠離該離子源的方向上毗鄰該第二位置的第四位置在軸上的電位低，以形成第二離 子存儲區(qū)。 優(yōu)選地，所述的方法還包括步驟通過控制所述軸上的電位來將離子引出。 優(yōu)選地，通過所述軸上的電位來將離子引出的步驟包括給第一到第四位置之一
施加相應的電位來將離子引出。 利用本發(fā)明的離子門和方法，樣品氣體進入離子門后，在第一門電極和第二門電 極之間與反應離子進行電荷交換，正負離子(樣品離子、反應離子)在電場的作用下，源源 不斷地被存儲到正負離子滯留區(qū)中，提高了離子的利用效率。采用簡單地對組合電極進行 控制的方法，將正負離子滯留區(qū)中的離子分步引出。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的雙極性IMS離子門的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是如圖1所示的各個電極的詳細結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的離子存儲和引出過程中管軸上電勢的分布曲線 示意圖。
圖4為電極控制脈沖示意圖。 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的離子存儲和引出過程中管軸上電勢的分布 曲線示意圖。 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的離子存儲和引出過程中管軸上電勢的分布 曲線示意圖。 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的離子存儲和引出過程中管軸上電勢的分布 曲線示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
第一實施例
如圖1所示，一種用于雙極性IMS的正負離子門，包括一個離子源0、第一門電極 1、第二門電極2，第三門電極3、第四門電極4，第一門電極2位于離子源0與第四門電極4 之間，第一門電極1位于離子源0與第三門電極3之間。第五門電極5可以是探測負離子 的漂移管的起始部分，第六門電極6可以是探測正離子的漂移管的起始部分。第一門電極 1 、第三門電極3和第五門電極5相對于離子源0與第二門電極2，第四門電極4和第六門電 極6對稱分布。 離子源O用來將樣品分子電離，該離子源可以是放射性同位素源，也可以是激光 等。第一門電極1和第二門電極2都是中心帶孔的極板，形成為圓環(huán)狀電極，保障存儲于附 近的離子不會與電極碰撞損失掉，如圖2A和2B所示。第三門電極3和第四門電極4為透 過率較高(80%以上)的極板，由導電材料構(gòu)成并且形成為網(wǎng)狀電極，如圖2C和2D所示。 如圖2E和2F所示，第五門電極5和第六門電極6為離子透過率較高(80%以上)的極板， 由導電材料構(gòu)成并且形成為網(wǎng)狀電極。 作為另一選擇，第三門電極3、第四門電極4、第五門電極5和第六門電極6可為其 他已知的任何一種電極結(jié)構(gòu)，例如帶有多個孔的極板等結(jié)構(gòu)。 開始時，離子源0、第五門電極5和第六門電極6位于零電位，第一門電極1與第四 門電極4的電位均高于離子源0的電位，第二門電極2與第三門電極3的電位均低于離子 源0的電位。第一門電極1的電位高于離子源0和第三門電極3的電位，因而在第一門電 極1附近形成了存儲負離子的離子滯留區(qū)。 第二門電極2的電位低于離子源0和第四門電極4的電位，因而在第二門電極2
附近形成了存儲正離子的離子滯留區(qū)。圖3的實線是存儲階段管內(nèi)各個位置的電場強度分
布曲線?？梢詫㈦x子源0及第一門電極1和第二門電極2共同構(gòu)成組合電極。 樣品氣體進入系統(tǒng)后，在第一門電極1和第二門電極2間與反應離子進行電荷交
換。在第一門電極1和第二門電極2間的電場的作用下，此區(qū)間內(nèi)的正、負離子穿越離子源
O后分別被存儲到第一門電極1附近的負離子滯留區(qū)內(nèi)和第二門電極2附近的正離子滯留區(qū)內(nèi)。 在儀器測量時間內(nèi)，通過對離子滯留區(qū)的連續(xù)填充離子，從本質(zhì)上提高了儀器的 靈敏度。然后，向組合電極施加一個幅度為U的負脈沖，如圖4所示，組合電極的電位同步 降低U，離子源0與第三門電極3之間瞬間建立負離子引出電場。
在此負脈沖寬度內(nèi)，第一 門電極1的電位低于第三門電極3的電位，如圖3虛線所 示，因此存儲于第一門電極1附近的負離子在引出電場的作用下進入到探測負離子的漂移 管中。同時，存儲于第二門電極2附近的正離子被電場壓縮。 經(jīng)過時間t后，組合電極被施加一幅度為U的正脈沖，離子源0與第四門電極4之 間瞬間建立正離子引出電場。 在此正脈沖寬度內(nèi)，第二門電極2的電位高于第四門電極4的電位，如圖3點劃 線所示，因此存儲于第二門電極2附近的正離子在引出電場作用下進入探測正離子的漂移 管。在此正脈沖寬度內(nèi)，存儲于第一門電極l附近的負離子被壓縮。 根據(jù)實際需要，t、正、負脈沖寬度是可調(diào)的，并且可以先對組合電極施加正脈沖， 然后施加負脈沖。優(yōu)選地，在一個脈沖周期內(nèi)，一個狀態(tài)的開始到另一個狀態(tài)的開始之間的 時間間隔t滿足以下關系500ms > t > 20ii s。 以上的第一實施例描述了將離子源0、第一門電極l和第二門電極2作為組合電 極來引出離子的過程，但是本發(fā)明不限于此，例如，僅控制離子源O的電位，要求負(正)脈 沖跳變幅度很大以至于能夠穿越電極1(2)，使第一門電極1(2)在軸上的電位小于(大于) 第三(四)門電極3(4)在軸上的電位，從而引出離子。
第二實施例
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的離子存儲和引出過程中管軸上電勢的分布 曲線示意圖。 如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明第二實施例，在離子存儲階段，向各個電極和離子源施加 電壓使得離子門軸上形成的電勢滿足以下關系第五門電極5上的電位>第一門電極1上 的電位>離子源0上的電位>第三門電極3上的電位，以便在第一門電極1附近形成存儲 負離子的負離子滯留區(qū)，而第六門電極6上的電位<第二門電極2上的電位<離子源0上 的電位<第四門電極4的電位，以便在第二門電極2附近形成存儲正離子的正離子滯留區(qū)。
在負離子引出階段，向離子源O施加負脈沖，使得在離子門軸向上形成的電勢滿 足以下關系第五門電極5上的電位>第三門電極3上的電位>第一門電極1上的電位> 離子源0的電位，從而僅僅將負離子引出。 在正離子引出階段，向離子源O施加正脈沖，使得在離子門軸向上形成的電勢滿 足以下關系離子源0上的電位>第二門電極2上的電位>第四門電極4上的電位>第六 門電極6上的電位，從而僅僅將正離子引出。 在這種情況下，由于僅僅對離子源0進行控制就可以引出離子，因此控制電路的 結(jié)構(gòu)和控制過程非常簡單。 此夕卜，還可以對第三門電極3和第四門電極4分別施加脈沖來進行離子的引出。
在負離子引出階段，如圖5所示，對第三門電極3施加正脈沖，使得第三門電極3 上的電位大于第一門電極1上的電位，小于第五門電極5上的電位，從而僅僅將負離子引 出。 在正離子引出階段，如圖5所示，對第四門電極4施加負脈沖，使得第四門電極4 上的電位大于第六門電極6上的電位，小于第二門電極2上的電位，從而僅僅將正離子引出。 在這種情況下，進行離子引出所用的控制電路的結(jié)構(gòu)和控制過程也比較簡單，并
7且離子釋放效率比較高。 此外，還可以對正、負離子存儲區(qū)的兩個門電極和離子源0施加脈沖來進行離子 的引出。 在負離子引出階段，對第一門電極1和離子源0施加負脈沖，使得在離子門軸向上 形成的電勢滿足以下關系第五門電極5上的電位>第三門電極3上的電位>第一門電極 1上的電位>離子源0的電位，從而將負離子引出。 在正離子引出階段，對第二門電極2和離子源0施加正脈沖，使得在離子門軸向上 形成的電勢滿足以下關系離子源0上的電位>第二門電極2上的電位>第四門電極4上 的電位>第六門電極6上的電位，從而將正離子引出。 在這種情況下，控制電路的結(jié)構(gòu)和控制過程比較簡單，并且離子釋放效率比較高。 [OOM]第三實施例
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的離子存儲和引出過程中管軸上電勢的分布 曲線示意圖。 在離子存儲階段，對各個電極以及離子源施加電壓，使得管軸上的電勢滿足關系 第一門電極1上的電位>第五門電極5上的電位=離子源0上的電位>第三門電極3上的 電位，從而在第一門電極1附近形成負離子滯留區(qū)，第二門電極2上的電位<離子源0上的 電位=第六門電極6上的電位<第四門電極4上的電位，從而在第二門電極附近形成正離 子滯留區(qū)。 在負離子引出階段，僅控制離子源O上的電位，要求負脈沖跳變幅度很大以至于 能夠穿越第一門電極l，使第一門電極1在軸上的電位小于第三門電極3在軸上的電位，從 而引出負離子。 在正離子引出階段，僅控制離子源O上的電位，要求正脈沖跳變幅度很大以至于 能夠穿越第二門電極2，使第二門電極2在軸上的電位電位大于第四門電極4在軸上的電 位，從而引出正離子。 在這種情況下，控制電路的結(jié)構(gòu)和控制過程比較簡單，并且離子釋放效率比較高。
此外，也可以同時對第一門電極1、離子源0和第二門電極2施加脈沖來引出離子。
在負離子引出階段，對第一門電極1和離子源0施加負脈沖，使得在離子門軸向上 形成的電勢滿足以下關系第五門電極5上的電位>第三門電極3上的電位>第一門電極 1上的電位>離子源0上的電位，從而將負離子引出。 在正離子引出階段，對離子源0和第二門電極2施加正脈沖，使得在離子門軸向上 形成的電勢滿足以下關系離子源0上的電位>第二門電極2上的電位>第四門電極4上 的電位>第六門電極6上的電位，從而將正離子引出。
在這種情況下，離子的引出效率非常高。
第四實施例
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的離子存儲和引出過程中管軸上電勢的分布 曲線示意圖。 如圖7所示，在離子存儲階段，對各個電極以及離子源施加電壓，使得管軸上的電 勢滿足關系第一門電極1上的電位>離子源0上的電位>第三門電極3上的電位>第五 門電極5上的電位，從而在第一 門電極1附近形成負離子滯留區(qū)，第二門電極2上的電位<離子源0上的電位<第四門電極4上的電位<第六門電極6上的電位，從而在第二門電 極附近形成正離子滯留區(qū)。 在負離子引出階段，僅控制離子源O上的電位，要求負脈沖跳變幅度很大以至于 能夠穿越第一 門電極1 ，使第一 門電極1在軸上的電位小于第三門電極3在軸上的電位和第 五門電極5在軸上的電位，從而引出負離子。 在正離子引出階段，僅控制離子源O上的電位，要求正脈沖跳變幅度很大以至于 能夠穿越第二門電極2，使第二門電極2在軸上的電位電位大于第四門電極4在軸上的電位 和第六門電極6在軸上的電位，從而引出正離子。 在這種情況下，控制電路的結(jié)構(gòu)和控制過程比較簡單，并且離子釋放效率比較高。
此外，也可以同時對第一門電極1、離子源0和第二門電極2施加脈沖來引出離子。
在負離子引出階段，對第一門電極1和離子源0施加負脈沖，且第三門電極3上的 電位被滲透，其值等于第五門電極5上的電位，使得在離子門軸向上形成的電勢滿足以下 關系第五門電極5上的電位=第三門電極3上的電位>第一門電極1上的電位>離子源 0上的電位，從而將負離子引出。 在正離子引出階段，對離子源0和第二門電極2施加正脈沖，且第四門電極4上的
電位被滲透，其值等于第六門電極6上的電位，使得在離子門軸向上形成的電勢滿足以下
關系離子源0上的電位>第二門電極2上的電位>第四門電極4上的電位=第六門電極
6上的電位，從而將正離子引出。 在這種情況下，離子的引出效率非常高。 如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實施例，樣品氣體進入離子門后，在第一門電極和第二門 電極之間與反應離子進行電荷交換，正負離子(樣品離子、反應離子)在電場的作用下，源 源不斷地被存儲到正負離子滯留區(qū)中，提高了離子的利用效率。 然后，在離子引出階段，采用簡單地對組合電極進行控制，就可以將正負離子滯留 區(qū)中的離子分步引出。 要說明的是，以上實施例僅用于說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述 實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解依然可以對本發(fā)明進 行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋 在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
一種雙極性IMS的離子門，包括離子源(0)；第一門電極(1)，設置在離子源(0)的一側(cè)；第二門電極(2)，設置在離子源(0)的另一側(cè)；第三門電極(3)，設置在第一門電極(1)的遠離離子源(0)的那側(cè)；第四門電極(4)，設置在第二門電極(2)的遠離離子源(0)的那側(cè)；其中，在離子存儲階段，第一門電極(1)在軸上相應位置的電位與離子源(0)的電位和第三門電極(3)的電位存在差異；第二門電極(2)在軸上相應位置的電位與離子源(0)的電位和第四門電極(4)的電位存在差異。
2. 如權(quán)利要求l所述的離子門，其中，在離子存儲階段，第一門電極(1)在軸上相應位置的電位高于離子源(0)的電位和第三門電極(3)的電位；第二門電極(2)在軸上相應位置的電位低于離子源(0)的電位和第四門電極(4)的電位。
3. 如權(quán)利要求l所述的離子門，還包括第五門電極(5)，設置在第三門電極(3)的遠離離子源(0)的那側(cè)；第六門電極(6)，設置在第四門電極(4)的遠離離子源(0)的那側(cè)。
4. 如權(quán)利要求3所述的離子門，其中所述第五門電極(5)和第六門電極(6)分別作為負離子漂移管和正離子漂移管的起始部分。
5. 如權(quán)利要求l所述的離子門，其中在離子引出階段，通過控制離子源(0)、第一門電極(D、第二門電極(2)、第三門電極(3)和第四門電極(4)中的至少之一在軸上的電位來將離子引出。
6. 如權(quán)利要求2所述的離子門，其中第一門電極(1)、第三門電極(3)和第五門電極(5)相對于離子源(0)與第二門電極(2)、第四門電極(4)和第六門電極(6)對稱分布。
7. 如權(quán)利要求3所述的離子門，其中第一門電極(1)、第三門電極(3)和第五門電極(5)相對于離子源(0)與第二門電極(2)、第四門電極(4)和第六門電極(6)非對稱分布。
8. —種用于雙極性IMS的離子門的方法，所述離子門包括離子源，所述方法包括步驟將離子源一側(cè)在軸上的第一位置的電位設置成與離子源的電位和沿著在該側(cè)遠離該離子源的方向上毗鄰該第一位置的第三位置在軸上的電位存在差異，以形成第一離子存儲區(qū)；以及將離子源另一側(cè)在軸上的第二位置的電位設置成與離子源的電位和沿著在該另一側(cè)遠離該離子源的方向上毗鄰該第二位置的第四位置在軸上的電位存在差異，以形成第二離子存儲區(qū)。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，將離子源一側(cè)在軸上的第一位置的電位設置成比離子源的電位和沿著在該側(cè)遠離該離子源的方向上毗鄰該第一位置的第三位置在軸上的電位高，以形成第一離子存儲區(qū)；以及將離子源另一側(cè)在軸上的第二位置的電位設置成比離子源的電位和沿著在該另一側(cè)遠離該離子源的方向上毗鄰該第二位置的第四位置在軸上的電位低，以形成第二離子存儲區(qū)。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括步驟通過控制所述軸上的電位來將離子引出。
11.如權(quán)利要求IO所述的方法，所述通過所述軸上的電位來將離子引出的步驟包括給第一到第四位置之一施加相應的電位來將離子引出。
全文摘要
公開了一種雙極性IMS的離子門和方法，該離子門包括離子源；第一門電極，設置在離子源的一側(cè)；第二門電極，設置在離子源的另一側(cè)；第三門電極，設置在第一門電極的遠離離子源的那側(cè)；第四門電極，設置在第二門電極的遠離離子源的那側(cè)；其中，在離子存儲階段，第一門電極在軸上相應位置的電位與離子源的電位和第三門電極的電位存在差異；第二門電極的電位與離子源的電位和第四門電極的電位存在差異。根據(jù)本發(fā)明，樣品氣體進入離子門后，在第一門電極和第二門電極之間與反應離子進行電荷交換，正負離子在電場的作用下，源源不斷地被存儲到相應的離子滯留區(qū)中，提高了離子的利用效率。采用簡單地對組合電極進行控制的方法，將離子滯留區(qū)中的離子分步引出。
文檔編號G01N27/64GK101728208SQ20081011997
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月20日
發(fā)明者代主得, 張仲夏, 張清軍, 張陽天, 彭華, 曹士娉, 李元景, 林德旭, 林津, 毛紹基, 王清華, 陳志強 申請人:同方威視技術(shù)股份有限公司;清華大學