本發(fā)明涉及，特別涉及離子遷移管。

背景技術(shù)：

離子遷移譜(IMS)已成為基于分子水平上較成熟的現(xiàn)場痕量檢測技術(shù)。離子遷移譜儀中的核心部件為離子遷移管。在遷移管中，樣品分子在電離源的作用下，通過質(zhì)子奪取、電子附著、電子交換等生成相對穩(wěn)定的產(chǎn)物離子可以產(chǎn)生相應(yīng)的產(chǎn)物離子。產(chǎn)物離子通過離子門的控制在近乎同一時間內(nèi)成批的進(jìn)入遷移區(qū)進(jìn)行遷移。這些產(chǎn)物離子在大氣壓環(huán)境的恒定電場中，它們因受電場的加速和中性遷移氣分子的碰撞減速，在宏觀上就表現(xiàn)為獲得了一個恒定的平均速度。由于不同的產(chǎn)物離子其荷質(zhì)比、幾何構(gòu)型和碰撞截面不同，因而獲得的平均速度也不同，所以在經(jīng)過一段電場以后他們就被分離，先后到達(dá)探測器從而完成被檢測。

由于離子遷移譜儀具有靈敏度高、分析速度快、價格低、結(jié)構(gòu)簡單、便攜等的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于爆炸物探測、毒品篩查以及化學(xué)戰(zhàn)劑預(yù)警等領(lǐng)域。但是，分辨能力較低一直是困擾離子遷移譜應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種離子遷移管，包括內(nèi)部空間以及位于內(nèi)部空間的可打開和關(guān)閉的離子門；內(nèi)部空間包括具有電位絕對值V1的電離區(qū)和遷移區(qū)，物質(zhì)由電離區(qū)一端進(jìn)入離子遷移管，在電離區(qū)被離化，之后被電場驅(qū)使進(jìn)入遷移區(qū)；

其中，電離區(qū)和遷移區(qū)之間設(shè)置的離子門包括具有電位絕對值V2的第一離子門柵和具有電位絕對值V3的第二離子門柵，第一離子門柵和第二離子門柵相互平行、通過絕緣片間隔開且將離子遷移管劃分為所述電離區(qū)和遷移區(qū)；遷移區(qū)至少包括具有電位絕對值V4的第一遷移區(qū)電極和具有電位絕對值V5的第二遷移區(qū)電極，第二遷移區(qū)電極比第一遷移區(qū)電極遠(yuǎn)離第二離子門柵；

其中，在所述離子門被打開時，在第一離子門柵和第一遷移區(qū)電極之間形成被離化的離子的勢阱以便對進(jìn)入遷移區(qū)的離子群壓縮。

在一個實施例中，在所述離子門被打開時，第一離子門柵的電位絕對值V2＞第一遷移區(qū)電極的電位絕對值V4＞第二離子門柵的電位絕對值V3≥第二遷移區(qū)電極的電位絕對值V5。

在一個實施例中，在所述離子門被打開時，保持第一離子門柵的電位絕對值V2和電離區(qū)的電位絕對值V1不變，對第二離子門柵施加反向的脈沖電位，使得第二離子門柵電位絕對值V2減小一個脈沖電位絕對值。

在一個實施例中，在所述離子門被打開時，遷移區(qū)的包括第一遷移區(qū)電極和第二遷移區(qū)電極的電極的電位絕對值保持與所述離子門關(guān)閉情況下相同。

在一個實施例中，在所述離子門保持關(guān)閉的情況下，離子遷移管設(shè)置為使得電離區(qū)的電位絕對值V1≥第二離子門柵的電位絕對值V3＞第一離子門柵的電位絕對值V2＞第一遷移區(qū)電極的電位絕對值V4＞第二遷移區(qū)電極的電位絕對值V5。

在一個實施例中，在所述離子門保持關(guān)閉的情況下，第二離子門柵的電位絕對值V3比第一離子門柵的電位絕對值V2高7～30伏特，并且第二離子門柵的電位絕對值V3與電離區(qū)的電位絕對值V1的差值不高于50伏特。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例的離子遷移管的示意圖；

圖2為采用Simion軟件對傳統(tǒng)遷移管所建模型圖；

圖3為采用Simion軟件對所建遷移管模型在常規(guī)工作方式下運(yùn)行10000個事例所獲得的離子遷移譜；

圖4為采用Simion軟件對所建遷移管模型在根據(jù)本發(fā)明的實施例的工作模式下運(yùn)行10000個事例所獲得的離子遷移譜。

具體實施方式

盡管本發(fā)明容許各種修改和可替換的形式，但是它的具體的實施例通過例子的方式在附圖中示出，并且將詳細(xì)地在本文中描述。然而，應(yīng)該理解，隨附的附圖和詳細(xì)的描述不是為了將本發(fā)明限制到公開的具體形式，而是相反，是為了覆蓋落入由隨附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍中的所有的修改、等同形式和替換形式。附圖是為了示意，因而不是按比例地繪制的。

常規(guī)的離子遷移管主要由電離區(qū)11、遷移區(qū)30和探測器三部分組成，如圖1。其中，電離區(qū)11與遷移區(qū)30采用離子門隔開。遷移區(qū)30和探測器則采用離子門隔開。離子門通常采用兩個間隔開或者說是靠得很近的門柵形成，并且兩個門柵之間通過絕緣片隔開。門柵可以是金屬細(xì)絲形成的門柵，兩個門柵之間加絕緣片。

在圖1中，Vi為離化區(qū)電壓，Vg1為第一門柵電極的電壓，Vg2為第二個離子門柵電極的電壓，同時第二個離子門柵電極的電壓又是遷移區(qū)30的起始端電壓(即遷移區(qū)30的最高電壓)，同時遷移區(qū)30上的各電極電壓由電阻分壓獲得，管體外殼和收集極為零電位。在離子門關(guān)閉的情況下，各電極電壓的絕對值分別為|Vi|＝V1、|Vg1|＝V2、|Vg2|＝V3、|Vd1|＝V4，|Vd2|＝V5其高低關(guān)系如下：V1＞V3＞V2＞V4＞V5，其中V4與V5壓差在75V左右。顯然在離子門關(guān)閉時，兩個離子門柵電極間有一個與遷移區(qū)30電場方向相反的電場，離子無法通過。

在常規(guī)的離子遷移管中，在離子門打開的瞬間，Vg1將被施加一個同原先電壓極性相同的脈沖，幅度為ΔV，此時：(V2+ΔV)＞V3＞V4＞V5。在離子門打開瞬間，兩個離子門柵電極間的反向電場被糾正，離子被允許通過。

在常規(guī)的離子遷移管的工作模式下，在離子門打開時間內(nèi)進(jìn)入遷移區(qū)30的離子群由于初始狀態(tài)時各離子所處的位置及電位的不同從而獲得了不同的飛行速度造成的飛行時間不同，最終將導(dǎo)致譜峰半高寬展寬，從而降低離子遷移譜儀分辨率。

在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，提供一種離子遷移管，包括內(nèi)部空間以及位于內(nèi)部空間的可打開和關(guān)閉的離子門；內(nèi)部空間包括具有電位絕對值V1的電離區(qū)11和遷移區(qū)30，物質(zhì)由電離區(qū)11一端進(jìn)入離子遷移管，在電離區(qū)11被離化，之后被電場驅(qū)使進(jìn)入遷移區(qū)30。電離區(qū)11和遷移區(qū)30之間設(shè)置的離子門具有電位絕對值V2的第一離子門柵和具有電位絕對值V3的第二離子門柵，第一離子門柵和第二離子門柵相互平行、通過絕緣片間隔開且將離子遷移管劃分為所述電離區(qū)11和遷移區(qū)30；遷移區(qū)30至少包括具有電位絕對值V4的第一遷移區(qū)電極31和具有電位絕對值V5的第二遷移區(qū)電極32，第二遷移區(qū)電極32比第一遷移區(qū)電極31遠(yuǎn)離第二離子門柵。根據(jù)本實施例，在所述離子門被打開時，在第一離子門柵和第一遷移區(qū)30電極之間形成被離化的離子的勢阱以便對進(jìn)入遷移區(qū)30的離子群壓縮。

在本實施例中，在所述離子門被打開時，第一離子門柵的電位絕對值V2＞第一遷移區(qū)電極31的電位絕對值V4＞第二離子門柵的電位絕對值V3≥第二遷移區(qū)電極32的電位絕對值V5，即V2＞V4＞V3≥V5。其中，第二門柵的電壓V3與第一門柵的電壓V2之間的反向電場的電壓幅度7V～30V，并且第二門柵與電離區(qū)11電位相差不高于50V。

由此，可以保證離子門打開時能夠有足量的離子進(jìn)入遷移區(qū)30，以保證遷移譜儀的靈敏度；另一方面，還可以保證在關(guān)門時無離子泄露。并且，離子門開啟時將在第二離子門及第二遷移電極之間形成勢壘，率先進(jìn)入遷移區(qū)30的離子將被勢壘減速以實現(xiàn)對離子群的壓縮，離子門關(guān)閉后遷移電場恢復(fù)再對離子群加速。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，在所述離子門有限的開門時間內(nèi)，初始位置靠近離子門的第二門柵(靠前)的離子群率先進(jìn)入遷移區(qū)，離子群將在由離子門系統(tǒng)(即第一門柵和第二門柵)和前兩級遷移區(qū)電極(第一和第二遷移區(qū)電極)之間形成的勢阱中率先減速，而初始位置靠后的離子群后進(jìn)入遷移區(qū)，并在勢阱中減速時間較率先進(jìn)入遷移區(qū)離子群短或不減速，從而實現(xiàn)對進(jìn)入遷移區(qū)總離子群的壓縮，進(jìn)而提高遷移管的分辨率。

根據(jù)本實施例，在所述離子門被打開時，可以保持第一離子門柵的電位絕對值V2和電離區(qū)11的電位絕對值V1不變，對第二離子門柵施加反向的脈沖電位，使得第二離子門柵電位絕對值V2減小一個脈沖電位絕對值。即，將現(xiàn)有技術(shù)中施加給第一離子?xùn)砰TVg1的跳動電壓施加給第二離子?xùn)砰TVg2，且電壓脈沖反向，同時維持第一離子?xùn)砰T電壓Vg1＝V2及離化區(qū)電壓Vi＝V1。

根據(jù)本實施例，在離子遷移管中，在所述離子門保持關(guān)閉的情況下，離子遷移管設(shè)置為使得電離區(qū)11的電位絕對值V1≥第二離子門柵的電位絕對值V3＞第一離子門柵的電位絕對值V2＞第一遷移區(qū)電極31的電位絕對值V4＞第二遷移區(qū)電極32的電位絕對值V5，即，V1≥V3＞V2＞V4＞V5。根據(jù)本實施例，在所述離子門被打開時，包括第一遷移區(qū)電極31和第二遷移區(qū)電極32的電極的電位絕對值V4、V5保持與所述離子門關(guān)閉情況下相同。遷移區(qū)30的其他電極的電位絕對值可以保持與所述離子門關(guān)閉情況下相同。具體地，在一個實施例中，離子遷移管中，在所述離子門保持關(guān)閉的情況下，第二離子門柵的電位絕對值V3比第一離子門柵的電位絕對值V2高7～30伏特，并且第二離子門柵的電位絕對值V3與電離區(qū)11的電位絕對值V1的差值不高于50伏特。

根據(jù)本發(fā)明實施例的離子遷移管較之于現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)結(jié)構(gòu)的離子遷移管，遷移管的分辨率能提高5～10％左右。

本發(fā)明的實施例還提供一種操作離子遷移管的方法，其中離子遷移管內(nèi)部空間以及位于內(nèi)部空間的可打開和關(guān)閉的離子門；內(nèi)部空間包括具有電位絕對值V1的電離區(qū)11和遷移區(qū)30，物質(zhì)由電離區(qū)11一端進(jìn)入離子遷移管，在電離區(qū)11被離化，之后被電場驅(qū)使進(jìn)入遷移區(qū)30；其中，電離區(qū)11和遷移區(qū)30之間設(shè)置的離子門具有電位絕對值V2的第一離子門柵和具有電位絕對值V3的第二離子門柵，第一離子門柵和第二離子門柵相互平行、通過絕緣片間隔開且將離子遷移管劃分為所述電離區(qū)11和遷移區(qū)30；遷移區(qū)30至少包括具有電位絕對值V4的第一遷移區(qū)電極31和具有電位絕對值V5的第二遷移區(qū)電極32，第二遷移區(qū)電極32比第一遷移區(qū)電極31遠(yuǎn)離第二離子門柵；其中，所述方法包括，在所述離子門被打開時，在第一離子門柵和第一遷移區(qū)電極31之間形成被離化的離子的勢阱以便對進(jìn)入遷移區(qū)30的離子群壓縮。

根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法，在所述離子門被打開時，保持第一離子門柵的電位絕對值V2和電離區(qū)11的電位絕對值V1不變，對第二離子門柵施加反向的脈沖電位，使得第二離子門柵電位絕對值V2減小一個脈沖電位絕對值，從而第一離子門柵的電位絕對值V2＞第一遷移區(qū)電極31的電位絕對值V4＞第二離子門柵的電位絕對值V3≥第二遷移區(qū)電極32的電位絕對值V5，即V2＞V4＞V3≥V5。其中，第二門柵的電壓V3與第一門柵的電壓V2之間的反向電場的電壓幅度7V～30V，并且第二門柵與電離區(qū)11電位相差不高于50V。

根據(jù)本實施例的方法，在所述離子門被打開時，保持遷移區(qū)30的包括第一遷移區(qū)電極31和第二遷移區(qū)電極32的電極的電位絕對值與所述離子門關(guān)閉情況下相同。

根據(jù)本實施例的方法，在所述離子門保持關(guān)閉的情況下，操作離子遷移管，使得電離區(qū)11的電位絕對值V1≥第二離子門柵的電位絕對值V3＞第一離子門柵的電位絕對值V2＞第一遷移區(qū)電極31的電位絕對值V4＞第二遷移區(qū)電極32的電位絕對值V5即，V1≥V3＞V2＞V4＞V5。

下面給出一個離子遷移管的具體示例，及其分辨率的檢測結(jié)果。

圖2為根據(jù)常規(guī)的遷移管的結(jié)構(gòu)及尺寸采用例如Simion軟件所建模型，其中遷移區(qū)30長度為88mm，離子門的兩個離子門柵之間的電壓設(shè)置為20V，間距設(shè)置為0.5mm，遷移區(qū)30電場強(qiáng)度設(shè)置為260V/cm。

在離子門打開的常規(guī)方式下，當(dāng)離子門關(guān)閉時，V3＞V2，兩個離子門柵電極間有一個與遷移區(qū)30電場方向相反的電場，離子無法通過。在離子門打開的瞬間，第一門柵電極Vg1將被施加一個同原先電壓極性相同的脈沖，幅度為ΔV，此時：(V2+ΔV)＞V3，兩個離子門柵間的反向電場被改變，離子被允許通過。離子群在離子門的正向電場作用下，進(jìn)入遷移區(qū)30，并在遷移區(qū)30弱電場及遷移氣流的反向碰撞下穿過離子門柵，到達(dá)法拉第盤并被收集。

圖3為采用Simion在常規(guī)的離子門工作狀態(tài)下，運(yùn)行10000個事例獲得的遷移譜圖，其中設(shè)定離子門打開時間為200us，周期為43ms。獲得遷移譜半峰寬為0.475ms，峰位為23.8ms，分辨率為50.075。

在不改變Simion所建離子遷移管機(jī)構(gòu)前提下，調(diào)整Simion軟件運(yùn)行條件，將原先施加給第一離子?xùn)砰TVg1的跳動電壓施加給第二離子?xùn)砰TVg2，且電壓脈沖反向，同時維持第一離子?xùn)砰T電壓Vg1＝V2及離化區(qū)電壓Vi＝V1。關(guān)門時，V2＜V3兩個離子門柵電極間有一個與遷移區(qū)30電場方向相反的電場，離子無法通過；離子門打開時，V2＞V4＞V3≥V5，離子門間的反向電場被改變，離子被允許通過，離子到達(dá)遷移區(qū)30后，由于第二離子?xùn)砰T電壓V3小于第一遷移電極電壓V4，達(dá)到遷移區(qū)30的離子群在反向電場的作用下將得到壓縮。離子門關(guān)閉后，遷移電場恢復(fù)正常，離子群在遷移電場及遷移氣流的作用下勻速遷移并被法拉第盤接收。圖4為采用Simion將離子門打開方式按本方案更改后運(yùn)行10000個事例獲得的遷移譜圖，其中設(shè)定離子門打開時間為200us，周期為43ms。獲得遷移譜半峰寬為0.440ms，峰位為23.8ms，分辨率為54.071。

從計算來看按照本方案在不改變遷移管結(jié)構(gòu)的前提下調(diào)整傳統(tǒng)遷移管的離子門打開方式后，遷移譜半峰寬由0.475ms降至0.440ms。調(diào)整后離子門打開方式對進(jìn)入遷移區(qū)30的離子群具有一定的壓縮效果，遷移管分辨率提高了8％左右。(效果部分：1.改動小，實現(xiàn)簡單；2.壓縮，不僅是勢壘，而是勢阱)

雖然本總體專利構(gòu)思的一些實施例已被顯示和說明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，在不背離本總體專利構(gòu)思的原則和精神的情況下，可對這些實施例做出改變，本發(fā)明的范圍以權(quán)利要求和它們的等同物限定。