遷移管及帶有該遷移管的大氣壓下軸向聚焦離子遷移譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了遷移管及帶有該遷移管的大氣壓下軸向聚焦離子遷移譜儀，遷移管包括外壁，外壁包括間隔排列的電極環(huán)和絕緣環(huán)，入、出口內(nèi)徑保持一致，絕緣環(huán)將電極環(huán)包裹在其中，在靠近出口一端的外壁上設(shè)有對(duì)稱的漂移進(jìn)氣口，遷移管的內(nèi)部設(shè)有聚焦電極，聚焦電極與遷移管同軸且中間設(shè)有軸向的小孔。帶有遷移管的大氣壓下軸向聚焦離子遷移譜儀，包括依次相連接的直通遷移部分、遷移管和質(zhì)譜儀，直通遷移部分與遷移管連接的地方設(shè)有離子門(mén)，遷移管上施加設(shè)定的電壓。通過(guò)對(duì)遷移管的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并在電極上施加一定的電壓以及外側(cè)的帶有小孔的聚焦電極實(shí)現(xiàn)離子軸向聚焦，提高通過(guò)小孔離子的數(shù)量，從而提高質(zhì)譜的檢測(cè)性能和靈敏度。
【專利說(shuō)明】
遷移管及帶有該遷移管的大氣壓下軸向聚焦離子遷移譜儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及儀器分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種迀移管及帶有該迀移管的大氣壓下 軸向聚焦離子迀移譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 離子迀移譜（Ion mobility spectrometry，IMS)是一種基于氣相離子在電場(chǎng)中迀 移速度的差異來(lái)對(duì)化學(xué)離子物質(zhì)進(jìn)行表征的分離技術(shù)，具有分離速度快、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、可靠性高等特點(diǎn)，在爆炸物檢測(cè)、化學(xué)戰(zhàn)試劑檢測(cè)、毒品分析及揮發(fā)性化學(xué)品的分析、生 物大分子等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，另外對(duì)于正、負(fù)離子檢測(cè)和同分異構(gòu)體的分離，離子迀移譜有很 好的選擇性。由于不需要使用真空，大氣壓下的離子迀移譜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與其它低壓下的離子 迀移譜技術(shù)相比而言具有更高的分辨率，對(duì)結(jié)構(gòu)相近的化合物分離能力更強(qiáng)。
[0003] 質(zhì)譜是一種基于電磁場(chǎng)將帶電分子依照質(zhì)荷比進(jìn)行分離分析的技術(shù)，廣泛用于醫(yī) 學(xué)、藥學(xué)、生物大分子、環(huán)境保護(hù)科學(xué)、材料科學(xué)及食品安全等領(lǐng)域，其在化合物的準(zhǔn)確定性 和精確定量方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于質(zhì)譜不能實(shí)現(xiàn)同分異構(gòu)體的分離，將離子迀移譜和 質(zhì)譜二者結(jié)合可以延伸復(fù)雜混合物的分析、擴(kuò)展應(yīng)用范圍。目前，國(guó)內(nèi)外科研工作者已成功 將離子迀移譜與飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用，在生物大分子、爆炸物等方面作了相關(guān)研究。但靈敏度 較低是困擾大氣壓下離子迀移譜和質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。
[0004]通常來(lái)說(shuō)，迀移管是離子迀移譜儀的重要部件，帶電離子在迀移管中的運(yùn)動(dòng)主要 受到迀移管的影響，迀移管在橫向、縱向電場(chǎng)梯度上，由于離子擴(kuò)散、庫(kù)侖力和約束力等因 素，離子迅速膨脹撞擊到管壁造成離子損失，利用率不高。離子迀移譜與質(zhì)譜的聯(lián)用只有少 部分離子傳輸?shù)劫|(zhì)譜進(jìn)行檢測(cè)分析，質(zhì)譜是在高真空環(huán)境下工作而離子迀移譜是在大氣壓 下運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提供一種迀移管及帶有該迀移管的大氣壓 下軸向聚焦離子迀移譜儀，提高了離子迀移管聚焦的性能，解決了離子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因庫(kù) 倫排斥引起離子膨脹、離子擴(kuò)散等造成離子利用率低的問(wèn)題。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] 迀移管，包括外壁，所述外壁包括間隔排列的電極環(huán)和絕緣環(huán)，入、出口內(nèi)徑保持 一致，每個(gè)所述電極環(huán)與電阻連接，電阻起到分壓器的作用，形成電勢(shì)梯度;絕緣環(huán)將電極 環(huán)包裹在其中，在靠近出口一端的外壁上設(shè)有對(duì)稱的漂移進(jìn)氣口，所述迀移管在出口端設(shè) 有聚焦電極，所述聚焦電極與所述迀移管同軸且中間設(shè)有軸向的小孔。
[0008] 所述電極環(huán)為方形的且材料為不銹鋼。
[0009] 所述電極環(huán)有20-30個(gè)。
[0010]所述電極環(huán)的厚度為2-6cm〇
[0011] 入、出口內(nèi)徑優(yōu)選范圍為10.0-25.0mm。
[0012] 所述絕緣環(huán)的厚度選范圍為4-8mm。
[0013] 所述聚焦電極的小孔直徑為〇. 2-0.5mm。
[0014] 帶有所述迀移管的大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀，包括依次相連接的直通迀移 部分、迀移管和質(zhì)譜儀，所述直通迀移部分與迀移管連接的地方設(shè)有離子門(mén)，所述迀移管上 施加設(shè)定的電壓。
[0015] 所述離子門(mén)距離直通迀移部分的前端5-l〇Cm處。
[0016] 所述直通迀移部分形狀為方形，采用5-10個(gè)2-6mm厚的不銹鋼電極和4-8mm厚的絕 緣環(huán)堆疊而成，入、出口內(nèi)徑優(yōu)選范圍10.0-25.0_。
[0017]本發(fā)明的有益效果：
[0018] 利用在迀移區(qū)施加一定電壓和一定內(nèi)徑的迀移管實(shí)現(xiàn)離子軸向聚焦，減小離子在 迀移過(guò)程中因庫(kù)侖斥力和離子擴(kuò)散碰撞到迀移管內(nèi)壁而造成的損失，進(jìn)而提高離子利用 率，提高質(zhì)譜的分辨率和靈敏度，該發(fā)明屬于儀器分析技術(shù)。
[0019] 本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，能夠有效的將離子在大氣壓下聚焦以有效提高質(zhì)譜 儀的分辨率和靈敏度。
[0020] 通過(guò)對(duì)迀移管的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并在電極上施加一定的電壓以及出口端帶有小孔 的聚焦電極實(shí)現(xiàn)離子軸向聚焦，提高通過(guò)小孔離子的數(shù)量，從而提高質(zhì)譜的檢測(cè)性能和靈 敏度。
【附圖說(shuō)明】
[0021 ]圖1為迀移管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為迀移管的外部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024I圖4為運(yùn)用Simion軟件驗(yàn)證聚焦效果圖；
[0025] 圖5(a)為電極環(huán)正視圖，圖5(b)為電極環(huán)側(cè)視圖，圖5(c)為電極環(huán)等軸視圖；
[0026] 圖6(a)是絕緣環(huán)正視圖，圖6(b)為絕緣環(huán)軸測(cè)圖。
[0027] 其中，1為直通迀移部分，2為迀移管，3為質(zhì)譜儀，4為離子門(mén)，5為漂移進(jìn)氣口，6為 小孔，7為聚焦電極，8為電極環(huán)，9為離子，10為絕緣環(huán)，11為凸臺(tái)。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0029] 為了提高離子的利用率并保持質(zhì)譜的高真空度，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種大氣壓下軸向聚 焦的離子迀移譜儀，通過(guò)在一定內(nèi)徑的離子迀移管的施加一定電壓而產(chǎn)生周期性的軸向約 束電場(chǎng)，利用離子在軸向約束電場(chǎng)中的飛行軌道不同而產(chǎn)生聚焦作用，可減小因庫(kù)侖斥力 而導(dǎo)致的離子散失，提高通過(guò)真空接口的有效離子數(shù)，從而提高質(zhì)譜的分辨率和靈敏度。
[0030] 如圖1-3所示，迀移管2,由方形不銹鋼電極環(huán)8和絕緣環(huán)堆疊而成，入、出口內(nèi)徑保 持在設(shè)定范圍內(nèi)，迀移管上施加設(shè)定的電壓，迀移管的出口端設(shè)有一個(gè)同軸中心位置帶有 小孔的聚焦電極7,使其實(shí)現(xiàn)軸向聚焦;離子迀移譜內(nèi)的離子9通過(guò)帶有小孔的聚焦電極7進(jìn) 入質(zhì)譜儀3;靠近出口的迀移管的外壁上設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的漂移進(jìn)氣口 5;漂移進(jìn)氣口進(jìn)入的 漂移氣為空氣、氦氣、氫氣、氮?dú)庵械囊环N或多種。
[0031] 采用20-30個(gè)2-6mm厚的方形不銹鋼電極環(huán)8組合而成。入、出口內(nèi)徑優(yōu)選范圍為 10.0-25.0mm，每?jī)蓚€(gè)電極環(huán)8之間由一個(gè)絕緣環(huán)隔開(kāi)，彼此交替排列構(gòu)成，以此來(lái)保證每個(gè) 電極環(huán)8之間的電場(chǎng)梯度。絕緣環(huán)厚度優(yōu)選范圍為4-8mm，電極環(huán)8在軸方向上內(nèi)徑保持一 致，在其迀移管上施加設(shè)定的電壓。
[0032] 迀移管的出口端設(shè)置一個(gè)帶有小孔的聚焦電極，小孔的直徑為0.2-0.5mm，離子9 通過(guò)該孔進(jìn)入質(zhì)譜儀，以提高離子9利用率及質(zhì)譜的靈敏度。
[0033] 如圖5(a)_5(c)所示，電極環(huán)8的外形為方形，中間有方形的孔，成"回"字型，電極 環(huán)8的左右兩側(cè)還設(shè)有方形的凸臺(tái)11，以便在凸臺(tái)11部位打孔連接電阻，并且利于與絕緣環(huán) 更好的擠壓配合在一起。
[0034] 如圖6(a)-圖6(b)所示，絕緣環(huán)與電極環(huán)剛好配合在一起，絕緣環(huán)的外形也為方 形，中間有方形的孔，也成"回"字型，絕緣環(huán)的左右兩側(cè)設(shè)有方形的內(nèi)凹部，一個(gè)絕緣環(huán)與 兩個(gè)電極環(huán)擠壓配合，這樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆維護(hù)方便、承載能力高，能承受沖 擊載荷。
[0035] 帶有所述迀移管的大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀，從左至右沿軸向依次包括： 直通迀移部分l、Bradbury-Nielsen離子門(mén)4、迀移管2、聚焦電極7和質(zhì)譜儀3,通過(guò)金屬方形 通道恒定的內(nèi)徑大小、在其管上施加電壓，離子可實(shí)現(xiàn)聚焦功能，從而增大離子通過(guò)質(zhì)譜接 口的比例，進(jìn)而增強(qiáng)離子迀移譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的靈敏度。
[0036] 直通迀移部分1為方形，采用5-10個(gè)2-6mm厚的不銹鋼電極環(huán)和4-8mm厚的絕緣環(huán) 堆疊而成，入、出口內(nèi)徑優(yōu)選范圍10.0-25.Omm;離子門(mén)距離直通部分前端5-10cm處。
[0037] 迀移管2的出口部分光滑且內(nèi)徑恒定，靠近質(zhì)譜儀，方形迀移管的邊緣設(shè)有準(zhǔn)直 孔，以便更好的連接成一個(gè)整體。離子門(mén)4距離直通迀移部分1前端5-lOcm處。
[0038]本發(fā)明可以用各種材質(zhì)制作，但考慮到良好的化學(xué)穩(wěn)定性，抗腐蝕性和導(dǎo)電性，不 銹鋼和加工陶瓷材料是首選的制作材料。
[0039]本發(fā)明傳輸和聚焦過(guò)程都是通過(guò)氣體力學(xué)和電力效果實(shí)現(xiàn)的。離子首先進(jìn)入直通 迀移部分1，隨后離子隨氣流進(jìn)入迀移管2，氣體動(dòng)力來(lái)源于一個(gè)氣體壓力源，從氣體壓力源 出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)氣體管路從漂移進(jìn)氣口5進(jìn)到迀移管中，聚焦過(guò)程是通過(guò)對(duì)迀移管的參數(shù) 進(jìn)行優(yōu)化，并在迀移管2的電極上施加一定的電壓和聚焦電極7實(shí)現(xiàn)軸方向的聚焦。
[0040] 氣流沿著光滑壁面運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)迀移管2內(nèi)含有目標(biāo)離子的氣流快速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)聚焦 電極7聚焦離子后使其穿過(guò)小孔6，進(jìn)入到質(zhì)譜儀3中。
[0041] 為了驗(yàn)證此系統(tǒng)的聚焦效果以及最佳聚焦參數(shù)，利用Simion 8.0仿真軟件中的 SDS程序?qū)Υ讼到y(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算;該軟件可以仿真大氣壓下離子運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真軟件。 [0042]仿真計(jì)算的步驟為：
[0043] 在Solidworks中按照離子迀移管的實(shí)際尺寸按1:1的比例建立電極系統(tǒng)模型，并 存為STL格式；
[0044] 在Simion 8.0中將STL文件轉(zhuǎn)換成可用于仿真計(jì)算的PA文件;設(shè)定各電極電勢(shì)以 模以真實(shí)的離子迀移管中的電勢(shì)分布曲線；
[0045] 設(shè)定離子初始參數(shù)，如離子的產(chǎn)生位置，離子的質(zhì)荷比，電性等參數(shù)；
[0046]載入大氣壓下仿真比SDS程序；
[0047]仿真計(jì)算離子運(yùn)動(dòng)軌跡及到達(dá)電極的離子數(shù)以評(píng)估聚焦效果。
[0048]利用Simion 8.0仿真軟件中的SDS程序?qū)Υ讼到y(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算離子運(yùn)動(dòng) 軌跡及到達(dá)電極的離子數(shù)，結(jié)果如表1所示。
[0049] 表1 simion工作臺(tái)計(jì)算結(jié)果
[0051] 從表1可以看出絕緣環(huán)厚度為5mm，內(nèi)徑在12.5-22.5_范圍內(nèi)，到達(dá)電極的離子數(shù) 在50-70之間，聚焦效果明顯；絕緣環(huán)厚度為6mm，內(nèi)徑在12.5-22.5范圍內(nèi)，其內(nèi)徑為15mm， 到達(dá)電極的離子數(shù)目最多，聚焦效果極為顯著。
[0052] 運(yùn)用simion軟件驗(yàn)證聚焦效果，如圖4所示，設(shè)定正離子進(jìn)入離子聚焦系統(tǒng)，正離 子必然沿著電場(chǎng)線方向向中心運(yùn)動(dòng)，從而在X方向起到了離子聚焦的作用。同時(shí)，由于Y方向 上有一定的電場(chǎng)梯度和聚焦電極，會(huì)使離子沿著Y方向向前運(yùn)動(dòng)。因此，離子在沿著Y方向前 行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了在X方向的聚焦。
[0053]本發(fā)明涉及一種大氣壓下軸向聚焦的離子迀移譜儀。通過(guò)對(duì)迀移管的參數(shù)進(jìn)行優(yōu) 化，并在電極上施加一定的電壓以及外側(cè)的帶有小孔的聚焦電極實(shí)現(xiàn)離子軸向聚焦，提高 通過(guò)小孔離子的數(shù)量，從而質(zhì)譜的檢測(cè)性能和靈敏度。
[0054]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范 圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不 需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 迀移管，其特征是，包括外壁，所述外壁包括間隔排列的電極環(huán)和絕緣環(huán)，入、出口內(nèi) 徑保持一致，每個(gè)所述電極環(huán)與電阻連接，絕緣環(huán)將電極環(huán)包裹在其中，在靠近出口一端的 外壁上設(shè)有對(duì)稱的漂移進(jìn)氣口，所述迀移管在出口端設(shè)有聚焦電極，所述聚焦電極與所述 迀移管同軸且中間設(shè)有軸向的小孔。2. 如權(quán)利要求1所述一種大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀，其特征是，所述電極環(huán)為方 形的且材料為不銹鋼。3. 如權(quán)利要求1所述一種大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀，其特征是，所述電極環(huán)有 20-30個(gè)。4. 如權(quán)利要求1所述一種大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀，其特征是，所述電極環(huán)的厚 度為2_6cm。5. 如權(quán)利要求1所述一種大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀，其特征是，入、出口內(nèi)徑優(yōu) 選范圍為10.0-25.0mm。6. 如權(quán)利要求1所述一種大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀，其特征是，所述絕緣環(huán)的厚 度選范圍為4-8mm。7. 如權(quán)利要求1所述一種大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀，其特征是，所述聚焦電極的 小孔直徑為0.2-0.5mm。8. 帶有權(quán)利要求1所述迀移管的大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀，其特征是，包括依次 相連接的直通迀移部分、迀移管和質(zhì)譜儀，所述直通迀移部分與迀移管連接的地方設(shè)有離 子門(mén)，所述迀移管上施加設(shè)定的電壓。9. 帶有權(quán)利要求8所述迀移管的大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀，其特征是，所述離子 門(mén)距離直通迀移部分的前端5-10cm處。10. 帶有權(quán)利要求8所述迀移管的大氣壓下軸向聚焦離子迀移譜儀，其特征是，所述直 通迀移部分形狀為方形，采用5-10個(gè)2-6mm厚的不銹鋼電極和4-8mm厚的絕緣環(huán)堆疊而成， 入、出口內(nèi)徑優(yōu)選范圍10.0-25.0mm。
【文檔編號(hào)】H01J49/06GK106057628SQ201610409896
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日
【發(fā)明人】沈紅玲, 孟慶艷, 盧亞玲, 魏小東, 賈旭, 劉文杰
【申請(qǐng)人】塔里木大學(xué)