微波诱导等离子体离子迁移谱仪的制作方法

本发明涉及分析仪器技术领域，具体涉及一种微波诱导等离子体离子迁移谱仪。

背景技术：

离子迁移谱(ion mobility spectrometry，IMS)是20世纪70年代发展起来的一种常压分析技术。其工作原理：在弱电场下(小于1000V/cm)，气态离子迁移速率(V)与电场强度之间(E)的关系为V＝KE，常数K是离子的迁移率，一般情况下不同的离子在弱电场下具有不同的迁移率，根据漂移管长度(L)和测定离子迁移时间(t)得到迁移速率以获得待测离子的迁移速率(V)，根据漂移管长度(L)和加在漂移管两端的电压(U)得到电场强度(E)，从而获得未知物的迁移率(K)，从而对待测物进行定性检测。同时可以根据峰面积对待测物的浓度进行定量计算。离子迁移谱仪有很多特点如：探测灵敏度高，制造成本低廉，响应速度快，仪器体积小等。目前被广泛应用于爆炸物，化学毒剂，毒品和大气环境中易挥发性有机污染物的检测。

一般，IMS由离子源、漂移管、进样系统、气路系统、信号放大采集及处理系统组成。离子源是一个关键性的部件，它决定了离子迁移谱的性能。目前用于离子迁移谱的离子源有放射性Ni⁶³源、电晕放电电离源、激光电离源、真空紫外灯离子源、电喷雾离子源等。其中放射性Ni⁶³离子源有很多优势如：非常高的稳定性、长寿命、低成本以及不需要任何外加电源，但是Ni⁶³的使用受到法律的限制从而限制了它的应用范围；电晕放电受到电极腐蚀的威胁，从而造成仪器不稳定；激光电离源的成本高；真空紫外灯离子迁移谱的检测限低(一般为ppm到ppb)；电喷雾适用于液体分析且样品前处理复杂。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种微波诱导等离子体离子迁移谱仪，能够提高离子迁移谱仪的灵敏度，拓宽离子迁移谱的应用范围，提高离子迁移谱的稳定性及使用寿命，有效地避免样品离子碎片的生成。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开的微波诱导等离子体离子迁移谱仪，包括离子源、进样管、漂移管、气路系统、信号放大采集与数据处理系统，所述离子源为微波诱导等离子体离子源，所述微波诱导等离子体离子源包括微波功率发生器、微波耦合腔和放电管，所述微波功率发生器连接微波耦合腔，所述微波耦合腔连接放电管，所述放电管前方设有加速电极，所述进样管连接漂移管，所述放电管连接漂移管，所述气路系统、信号放大采集与数据处理系统均连接漂移管。

优选的，所述微波耦合腔为圆柱形，微波耦合腔设有N型接头，所述微波功率发生器通过同轴电缆连接微波耦合腔，所述放电管与微波耦合腔同轴。

优选的，所述漂移管包括离子源区、离子门和漂移区，所述离子源区、离子门和漂移区依次同轴排列并连通，所述漂移管的侧壁缠绕导电环，相邻的导电环之间为绝缘环，所述放电管、进样管均连通离子源区，放电管的轴线与漂移管的轴线垂直且位于同一平面。

优选的，所述离子源区的径向尺寸小于漂移区的径向尺寸；所述加速电极为圆形，加速电极安装在离子源区远离离子门的一端。

优选的，所述放电管为石英管或陶瓷管，放电管为中空管，放电管的外径为6mm、内径为1～4mm。

优选的，所述放电管的顶部与离子源区内壁的距离不大于2mm。

进一步的，所述漂移区内设置法拉第盘，所述法拉第盘与漂移管同轴，法拉第盘与信号放大采集与数据处理系统电连接。

作为一种优选，所述漂移区远离离子门的端部开设漂移气入口，所述漂移气入口连通气路系统，加速电极的中心位置开设排气口A，所述进样管为进样管A,所述进样管A穿过离子源区的侧壁，进样管A设置在离子门和放电管之间，进样管A的轴线与漂移管的轴线垂直。

作为另一种优选，所述漂移区远离离子门的端部开设漂移气入口，所述漂移气入口连通气路系统，所述离子源区在离子门和放电管之间的侧壁上开设排气口B，所述进样管为进样管B，所述进样管B穿过加速电极的中心位置。

优选的，所述放电管的工作气为氩气或氦气。

本发明具有以下技术效果：

1、微波诱导等离子体离子源可以产生大量的化学活性物质，而且水对微波有较强的吸收，因此能够产生大量的水合试剂离子，从而提高离子迁移谱仪的灵敏度。

2、微波诱导等离子体离子源是无放射性的离子源，可以拓宽离子迁移谱的应用范围。

3、微波诱导等离子体离子源无需内置放电电极，无高压电危险以及电极腐蚀污染的影响，因而能够有效的提高离子迁移谱的稳定性及使用寿命。

4、微波诱导等离子体火焰不直接接触样品，能够有效地避免样品离子碎片的生成。

5、本发明可以在一个漂移管的情况下进行正负离子模式快速切换。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为实施例2的结构示意图。

图中：1-漂移管、2-离子源区、3-漂移区、4-加速电极、6-放电管、7-N型接头、8-微波耦合腔、10-离子门、11-导电环、12-绝缘环、13-法拉第盘、14-信号放大采集及数据处理系统、15-漂移气入口、51-排气口A、52-排气口B、91-进样管A、92-进样管B。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例适合工作于单向气流方式，包括离子源、进样管、漂移管1、气路系统、电控系统、信号放大采集及数据处理系统14；漂移管1是由数个金属导电环11和绝缘环12交替紧密排列组成的中空管，主要包括依次同轴排布并连通的离子源区2、离子门10、漂移区3三大块；离子源为微波诱导等离子体离子源，包括微波功率发生器、同轴电缆、微波耦合腔8、N型接头7、放电管6、工作气。微波发生器通过同轴电缆连接微波耦合腔8的N型接头7，放电管6与微波耦合腔8同轴连接，放电管6与离子源区2的绝缘环12或者导电环11紧密连接；所用放电管6为石英管或陶瓷管，其内径为1到4mm、外径6mm，放电管6垂直于漂移管的轴向安装。放电管6一端通入工作气，工作气为氩气或者氦气，另一端面与离子源区2内壁之间紧密相接，其距离保持在±2mm之间，工作气吸收微波能量产生稳定的等离子体，等离子体中的活性物质与工作气中的少量氮气、氧气、水蒸气作用生成反应离子；这些离子以及一些未被反应完的亚稳态的氩原子和氩离子被气流吹扫入离子源区；此时漂移气由漂移气入口15进入漂移管，在离子源区漂移气与吹扫出来的化学活性物质作用产生最终的试剂离子，废气由排气口A51排出，排气口A51开设在加速电极的中心位置；放电管6前端安装有加速电极4，试剂离子在加速电极4的作用下向着离子门10方向运动；此时样品分子由进样管A91进入到离子源区2与试剂离子碰撞反应生成产物离子。进样管A91安装在放电管与离子门之间，进样管A91与放电管之间保持5mm及以上的距离，以便试剂离子与样品分子充分接触反应，使得离子化效率达到最佳。样品离子和未反应完全的试剂离子在电场的作用下通过周期性开启的离子门进入到漂移区，此时待测物离子一方面受到电场的加速，一方面受到反向漂移气的减速，一般情况下待测物分子的大小，空间形状，质量不同，因此在漂移区受到的减速效果不同，最终导致不同的待测物离子在漂移区的运动速率不同，使得待测物离子到达法拉第盘13的时间有差异而得到分离检测；漂移管1后端与信号放大采集及数据处理系统14紧密连接，电信号经过放大器放大，然后由采集卡采集数据然后进行数据处理得到待测物的迁移率。

实施例2

如图2所示，本实施例适合工作于双向气流方式，包括离子源、进样管、漂移管1、气路系统、电控系统、信号放大采集及数据处理系统14；漂移管1是由数个金属导电环11和绝缘环12交替紧密排列组成的中空管，主要包括依次同轴排布并连通的离子源区2、离子门10、漂移区3三大块；离子源为微波诱导等离子体离子源，包括微波功率发生器、同轴电缆、微波耦合腔8、N型接头7、放电管6、工作气。微波发生器通过同轴电缆连接微波耦合腔8的N型接头7，放电管6与微波耦合腔8同轴连接，放电管6与离子源区2的绝缘环12或者导电环11紧密连接；所用放电管6为石英管或陶瓷管，其内径为1到4mm、外径6mm，放电管6垂直于漂移管的轴向安装。放电管6一端通入工作气，工作气为氩气或者氦气，另一端面与离子源区2内壁之间紧密相接，其距离保持在±2mm之间，工作气吸收微波能量产生稳定的等离子体，等离子体中的活性物质与工作气中的少量氮气、氧气、水蒸气作用生成反应离子；这些离子以及一些未被反应完的亚稳态的氩原子和氩离子被气流吹扫入离子源区；此时漂移气由漂移气入口15进入漂移管，在离子源区2漂移气与吹扫出来的化学活性物质作用产生最终的试剂离子，废气由排气口B52排出，排气口B52开设在离子源区在离子门和放电管之间的侧壁上；放电管前端安装有加速电极4，试剂离子在加速电极4的作用下向着离子门10方向运动；此时样品分子由进样管B92进入到离子源区与试剂离子碰撞反应生成产物离子，进样管B92安装在加速电极中心，样品离子和未反应完全的试剂离子在电场的作用下通过周期性开启的离子门进入到漂移区，此时待测物离子一方面受到电场的加速，一方面受到反向漂移气的减速，一般情况下待测物分子的大小，空间形状，质量不同，因此在漂移区受到的减速效果不同，最终导致不同的待测物离子在漂移区的运动速率不同，使得待测物离子到达法拉第盘13的时间有差异而得到分离检测；漂移管后端与信号放大采集及数据处理系统14紧密连接，电信号经过放大器放大，然后由采集卡采集数据然后进行数据处理得到待测物的迁移率。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。