一种利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪及方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪及方法，即采用交流叠加方法，增加一组串联电阻电路，使其连接到离子门一端。在无脉冲信号输入时，通过调节串联电阻电路中电位器阻值的大小，改变离子门两组金属丝之间的电势差，使金属丝之间的电势差足够大，使离子门完全关闭，阻止离子从反应区进入到迁移区；当有脉冲信号输入时，脉冲信号的电势和极性使离子门两组金属丝间的电压相等，离子门打开，离子可穿过离子门到达迁移区被离子信号检测器所检测。这种控制方式可有效实现离子迁移谱的功能。本发明降低了离子迁移谱仪的器件成本，可提高离子迁移谱的分辨率或增大其信噪比，丰富离子迁移谱仪的功能。
【专利说明】一种利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于分析仪器与检测领域，具体涉及一种利用交流叠加方式控制离子门的 离子迁移谱仪及方法。
【背景技术】
[0002] 离子门是离子迁移谱仪器的核心部件之一。通过控制离子门的开关，迁移管反应 区的离子可离子周期性地进入迁移区，经分离后被检测器探测。
[0003] 在常用的离子迁移谱仪中，离子门的控制方式如图1所示，脉冲信号经过驱动电 源放大后，直接叠加到离子门所在平面处的迁移电场上，经放大后的脉冲电压是浮地电压， 即这个电压是不能用迁移管的加速电场的地作参考。因此离子门脉冲驱动电源是一个完全 对地隔离的高压脉冲放大电源，隔离电压一般要大于3000V以上，价格昂贵，提高了离子迁 移谱仪器的成本。并且，由于离子门两端是均匀电场，离子门开关时，电场的变化对离子的 运动轨迹无影响，因此在其他参数固定的条件下，离子迁移谱仪的分辨率或信号强度是固 定值。
【发明内容】
[0004] 本发明技术解决的问题：克服现有离子迁移谱仪中浮地离子门脉冲电源的高成本 和复杂电路，提供一种利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪及方法，利用这种交 流叠加方法控制离子门，离子门高压脉冲电源无需浮地隔离，降低了离子迁移谱仪的器件 成本。另外，通过改变离子门两组金属丝之间电势差绝对值的大小，可提高离子迁移谱的分 辨率或增大其信噪比，丰富离子迁移谱仪的功能。
[0005] 本发明技术解决方案：一种利用交流叠加控制离子门的离子迁移谱仪，包括一组 串联电阻电路（1)、导线（2)、高压电源（3)、电位器（4)、导线（5)、地线（6)、第一组离子门 金属丝（7)、分压电阻电路（8)、第二组离子门金属丝（9)、离子门的高压脉冲电源（10)和离 子信号检测器（11);所述串联电阻电路（1) 一端通过导线（2)和离子迁移管高压电源（3) 连接，另一端连接电位器（4);电位器（4)通过导线（5)和地线（6)相连；第一组离子门金 属丝（7)和迁移管上的分压电阻电路（8)相连，第二组离子门金属丝（9)和串联电阻电路 (1)中的A点相连；在离子门高压脉冲电源（10)无脉冲信号输入到离子门时，调整电位器 (4)阻值大小，改变第一组离子门金属丝（7)、第二组离子门金属丝（9)之间的电势差，该电 势差的大小确保够完全阻止离子从反应区进入到迁移区，实现关闭离子门的功能；在有脉 冲信号输入时，脉冲的大小和极性使第一组离子门金属丝（7)和第二组离子门金属（9)之 间的电压相等，离子门打开，离子通过离子门从反应区进入迁移区被离子信号检测器（11) 检测，这样即实现了离子迁移谱的功能。
[0006] 所述串联电阻，其总阻值是迁移管上分压电阻总阻值的3倍以上，电阻类型可以 是碳膜电阻、合成碳膜电阻、有机实心电阻、无机实心电阻、金属膜电阻、氮化膜电阻、沉积 膜电阻、玻璃釉膜电阻、线绕电阻。
[0007] 所述电位器，调解其电阻值，确保离子门两组金属丝电势差足以使离子门关闭。电 位器类型可以是线绕电位器、合成碳膜电位器、金属玻璃釉电位器、有机实芯电位器、导电 塑料电位器、金属箔电位器、金属膜电位器和金属氧化膜电位器。
[0008] 本发明方法的实现过程如下：离子门中的一组离子门金属丝和迁移管上的分压电 阻电路中B点相连，另一组离子门金属丝和串联电阻电路中的A点相连。在离子门脉冲电 源无脉冲信号输入到离子门时，调整电位器阻值，使两组金属丝间的电势差足够高，使离子 门关闭，离子不能从反应区进入迁移区；离子门脉冲信号输入时，脉冲的大小和极性使离子 门两组金属丝间的电压相等，离子门打开，离子可以通过离子门从反应区进入迁移区被离 子信号检测器检测，实现了离子迁移谱周期性检测离子的功能。
[0009] 本发明与现有技术相比的优点在于；
[0010] (1)本发明利用交流叠加方式，通过调节电位器的阻值，改变离子门两组离子门金 属丝之间的电势差，在无脉冲信号输入时，关闭离子门；在有脉冲信号输入时，离子门打开。 利用这种交流叠加控制离子门的方式，离子门脉冲电源无需浮地隔离，降低了其制作成本。
[0011] (2)本发明通过交流叠加方式控制离子门，在离子门关闭期间，迁移管内存在非 均匀电场。改变离子门两组离子门金属丝电势的绝对值，可获得分辨率提高的离子迁移谱 (适合于含有多种物质的复杂体系的分析）或信噪比增大的离子迁移谱（适合于对低浓度 样品的分析）。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为传统离子迁移谱中离子门驱动方式和驱动电源的接法示意图；
[0013] 图2为本发明的一种利用交流叠加控制方法离子门的离子迁移谱仪示意图；
[0014] 图3为本发明的利用交流叠加方法控制离子门时，当第二组离子门金属丝的电势 绝对值大于第一组离子门金属丝的电势绝对值时，迁移管内的电场分布图；
[0015] 图4为本发明的利用交流叠加方法控制离子门时，当第二组离子门金属丝的电势 绝对值大于第一组离子门金属丝的电势绝对值，离子门关门电压为100伏时反应离子的离 子迁移谱；
[0016] 图5为本发明的利用交流叠加方法控制离子门时，当第二组离子门金属丝的电势 绝对值小于第一组离子门金属丝的电势绝对值时，迁移管内的电场分布图；
[0017] 图6为本发明的利用交流叠加方法控制离子门时，当第二组离子门金属丝的电势 绝对值小于第一组离子门金属丝的电势绝对值，子门关门电压为100伏时，反应离子的离 子迁移谱；
【具体实施方式】
[0018] 如图2所示，本发明的一种利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪，和传 统的离子迁移谱仪的区别在于：离子门中的第一组离子门金属丝7连接到一组串联电阻电 路1的A点上，第二组离子门金属丝9和迁移管分压电阻电路8的B点相连。通过调整串 联电阻中电位器4阻值大小，改变离子门两组离子门金属丝7,9间的电势差。在离子门脉 冲电源10无脉冲电压信号输入到离子门时，调整电位器4阻值大小，使离子门两组离子门 金属丝7,9间之间的电势差可阻止离子从反应区进入到迁移区，实现关闭离子门的功能； 在有脉冲输入时，脉冲信号的大小和极性使离子门两端的电压完全相等，离子门打开，离子 可以通过离子门从反应区进入迁移区被离子信号检测器11检测，这样就实现了离子迁移 谱的功能。采用这种交流叠加方式的离子迁移谱仪，其离子门高压脉冲电源10不需要浮地 隔离，降低了离子门电源及离子迁移谱仪器的成本。
[0019] 利用这种交流叠加模式，迁移管内离子门两边存在非均匀电场。第二离子门金属 丝9上的电势绝对值大于第一组离子门金属丝7上的电势绝对值时，离子迁移谱仪的分辨 率得到提高；第二组离子门金属丝9上的电势绝对值小于第一组离子门金属丝7上的电势 绝对值时，离子迁移谱仪的信号强度增大，信噪比提高。进一步丰富了离子迁移谱的功能。
[0020] 当离子门关闭时，迁移管内离子门两侧存在非均匀电场，如图3所示，当第二组离 子门金属丝9的电势绝对值大于第一组离子门金属丝7的电势绝对值时，离子门左边反应 区内的电场被减弱，右边迁移区内的电场被加强，且呈现左至右由强到弱的变化趋势。由于 离子门左边反应区的电场被减弱，因此在这个区域的聚集的离子数目变少，当离子门打开 后，穿过离子门到达迁移区的离子数也相应减少，因此，离子迁移谱的信号降低。对迁移区 一个离子包而言，由于迁移区的电场变强，且左至右逐渐减弱，此时离子包左边受到的电场 作用力大于右边，因此离子包被压缩，峰形变窄，离子迁移谱的分辨率提高。图4是当第二 组离子门金属丝的电势绝对值大于第一组离子门金属丝的电势绝对值，离子门关门电压为 100伏时，反应离子的离子迁移谱。
[0021] 另外，根据离子迁移谱分辨率计算公式：
[0022] ⑴ 4421(1
[0023] 其中，R是离子迁移谱的分辨率，q是离子所带的电荷，E是迁移区的电场强度，Ld 是迁移区长度，k是波尔兹曼常数，T是迁移管内的温度（K)。当迁移区的电场E变大时，分 辨率也随之增大。
[0024] 相反，如图5所示，当其中第二组离子门金属丝9的电势绝对值小于第一组离子门 金属丝7的电势绝对值时，离子门左边反应区内的电场被加强，因此在这个区域的聚集的 离子数目增多，当离子门打开后，穿过离子门到达迁移区的离子数也相应变多了，离子迁移 谱的信号强度增大。离子门右边迁移区内的电场被减弱，而且呈现左至右由弱到强的变化 趋势，离子迁移谱的分辨率降低。图6是当第二组离子门金属丝的电势绝对值小于第一组 离子门金属丝的电势绝对值，离子门关门电压为100伏时，反应离子的离子迁移谱。
[0025] 总之，本发明中离子门高压脉冲电源无需对地隔离，降低了离子门高压脉冲电源 及离子迁移谱仪器的成本；另外，由于采用交流叠加方法驱动离子门，离子门关闭期间，迁 移管内存在非均匀电场，通过改变两组离子门金属丝之间电势绝对值的大小，可改变迁移 管内离子门两边的电场分布，获得分辨率提高的离子迁移谱或信噪比增大的离子迁移谱， 使离子迁移谱仪具有分辨率提高和信号强度增大两种工作模式，丰富了离子迁移谱仪的功 能。
[0026] 本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。
【权利要求】
1. 一种利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪，其特征在于：包括一组串联电 阻电路（1)、导线（2)、高压电源（3)、电位器（4)、导线（5)、地线（6)、第一组离子门金属丝 (7)、分压电阻电路（8)、第二组离子门金属丝（9)、离子门的高压脉冲电源（10)和离子信号 检测器（11);所述串联电阻电路（1) 一端通过导线（2)和离子迁移管高压电源（3)连接，另 一端连接电位器（4);电位器（4)通过导线（5)和地线（6)相连；第一组离子门金属丝（7) 和迁移管上的分压电阻电路（8)相连，第二组离子门金属丝（9)和串联电阻电路（1)中的 A点相连；在离子门高压脉冲电源（10)无脉冲信号输入到离子门时，调整电位器（4)阻值 大小，改变第一组离子门金属丝（7)、第二组离子门金属丝（9)之间的电势差，该电势差的 大小确保够完全阻止离子从反应区进入到迁移区，实现关闭离子门的功能；在有脉冲信号 输入时，脉冲的大小和极性使第一组离子门金属丝（7)和第二组离子门金属（9)之间的电 压相等，离子门打开，离子通过离子门从反应区进入迁移区被离子信号检测器（11)检测， 这样即实现了离子迁移谱的功能。
2. 根据权利要求1所述的利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪，其特征在 于：所述串联电阻电路（1)的总阻值是迁移管上分压电阻电路（8)总阻值的三倍以上。
3. 根据权利要求1所述的利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪，其特征在 于：所述调节电位器（4)的阻值，在离子门高压脉冲电源（10)无脉冲信号输入到离子门时， 改变第一组离子门金属丝（7)和第二组离子门金属（9)之间的电势差，使金属丝之间的电 势差足够大，确保离子门完全关闭，阻挡离子从反应区进入到迁移区。
4. 根据权利要求1所述的利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪，其特征在 于：所述离子门高压脉冲电源（10)无需浮地隔离。
5. 根据权利要求1所述的利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪，其特征在 于：采用交流叠加方式控制离子门后，迁移管内离子门两边存在非均匀电场。
6. 根据权利要求1所述的利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪，其特征在 于：在离子门关闭期间，迁移管内存在非均匀场，当其中第二组离子门金属（9)的电势绝对 值大于第一组离子门金属丝（7)的电势绝对值时，离子门左边的电场被减弱，右边的电场 被加强，且呈现左至右由强到弱的变化趋势，此时离子迁移谱仪的信号强度降低，分辨率提 商。
7. 根据权利要求1所述的利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪，其特征在 于：在离子门关闭期间，迁移管内存在非均匀场，当其中第二组离子门金属丝（9)的电势绝 对值小于第一组离子门金属丝（7)的电势绝对值时，离子门左边的电场被加强，右边的电 场被减弱，而且呈现左至右由弱到强的变化趋势，此时离子迁移谱仪的信号强度增大，分辨 率降低。
8. 根据权利要求1所述的利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪，其特征在 于：所述串联电阻电路中电阻（1)的类型是碳膜电阻、合成碳膜电阻、有机实心电阻、无机 实心电阻、金属膜电阻、氮化膜电阻、沉积膜电阻、玻璃釉膜电阻或线绕电阻。
9. 根据权利要求1所述的利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪，其特征在 于：所述电位器（4)是线绕电位器、合成碳膜电位器、金属玻璃釉电位器、有机实芯电位器、 导电塑料电位器、金属箔电位器、金属膜电位器或金属氧化膜电位器。
10. -种利用交流叠加方法控制离子门的离子迁移谱仪，其特征在于：所述方法采用 交流叠加方法，增加一组串联电阻电路（1)，将离子门中的第二组离子门金属丝（9)连接到 一组串联电阻电路（1)的点A上，第一组离子门金属丝（7)和迁移管分压电阻电路（8)上 B点相连，通过调整电位器（4)阻值大小，改变离子门两组离子门金属丝间的电势差；在无 脉冲电压信号输入时，调整电位器（4)阻值大小，使离子门两组离子门金属丝之间的电势 差可阻止离子从反应区进入到迁移区，实现关闭离子门的功能；在有脉冲输入时，脉冲信号 的大小和极性使离子门两端的电压完全相等，离子门打开，离子可以通过离子门从反应区 进入迁移区被离子信号检测器（11)检测，这样就实现了离子迁移谱的功能。
【文档编号】H01J49/42GK104392889SQ201410773280
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月14日 优先权日:2014年12月14日
【发明者】黄超群, 刘升, 沈成银, 江海河, 储焰南 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院