本发明属于痕量物质快速检测的离子迁移谱技术，具体涉及到离子迁移谱的复用装置及方法，可以提高离子迁移谱对样品快速检测与识别能力。
背景技术
离子迁移谱(ionmobilityspectrometry，ims)是从二十世纪六十年代末发展起来的一种新的检测技术，传统的离子迁移谱(timeofflight-ionmobilityspectrometry，tof-ims，)与飞行时间质谱(timeofflight-massspectrometry，tof-ms，)分析技术有些类似，但ims不像质谱分析那样需要高真空条件，而是在大气压强下工作。痕量爆炸物、毒品及化学战剂检测是推动ims发展的主要原因之一。与一般化学分析仪器相比，ims有体积小、重量轻、功耗低的优点，它对炸药、毒品等物质的探测灵敏度高达10-8—10-14g或者ppb-ppt量级，特别适合用于行李包裹中此类违禁物品的实时检测。
离子迁移谱仪由漂移管及外围检测控制电路、气路构成。漂移管是离子形成和分离检测的场所，也是ims中最重要的组成部分，如图2所示，外围的控制电路和设备提供了ims工作的环境和条件，对整个工作过程进行控制以及进行信号检测和数据处理，典型的漂移管主要由四部分组成：1离子源和离化区；2离子漂移区；3位于离化区与离子漂移区之间的离子门；4作为离子检测器的法拉第盘。使用ims检测样品时，首先被测物(可以是气体或者微粒)在离化区离化形成带电离子，然后通过离子门进入漂移区，在电场作用下经过一定时间漂移至法拉第盘，测量离子簇通过漂移区所需的时间可以计算出离子的迁移率(即在单位电场强度作用下离子的漂移速度)。离子迁移率受漂移气体、温度、压强等外界因素影响，在一定条件下各种物质特征离子的迁移率互不相同，测量漂移时间可间接得到样品的有关信息，离子簇漂移时间td(s)与离子簇漂移速度vd(cm/s)以及离子迁移率k(cm2/vs)的关系为：vd＝l/td；k＝vd/e＝l2/vtd。其中l(cm)为漂移区长度，e(v/cm)为漂移区电场强度，v(v)为加在漂移区两端的电势差。不同离子漂移时间之间的差别决定了ims的选择性。离子迁移率k是化合物(或者功能基团)的特性，它与漂移气体有关，在弱电场中，有mason-schamp方程：
上式中ze为离子电荷，n为迁移气体的分子量，m为待测物分子量，m为漂移气体分子量，k为波耳兹曼常数，α为校正系数，当m＞m时，α小于0.02。ω为待测物特征离子的碰撞截面。在一定的漂移气体中，小离子的迁移率主要取决于它的分子量，但是当离子相对比较大时，迁移率主要是由碰撞截面(离子结构)决定。离子迁移率也受到温度t和压力p的影响，通常情况下可将k换算成标准条件273k和1.013×105pa下的约化迁移率k0：k0＝k(273/t)(p/1.013×105)，式中t、p分别为离子漂移管中漂移气体的温度(k)和气压(pa)。当漂移电场增大到一定范围后，离子的约化迁移率不再为常量，而成为e/n(单位td)的函数(e为漂移电场强度，n为漂移气体密度)，这是因为k与离子在碰撞间隙从电场中获得的能量有关。当e/n的值很小时，离子从电场中获得的能量与其热运动能量相比可忽略不计，因为离子与漂移气体碰撞将消耗掉离子从电场获得的能量；而当e/n值增大时，迁移率将与电场强度有关，可表示为：
k＝f(e/n)＝k(0)[1+α2(e/n)2+α4(e/n)4+...+α2n(e/n)2n]
式中k(0)是电场强度为0时的迁移率；α2、α4、……α2n是电场强度偶次幂的特征系数，e/n是对漂移气体压强归一化的电场强度。离子速度的绝度值与电场方向无关，故上式中只含有e/n的偶次幂级数。
不同离子具有不同的α2n特征值，因此就有不同的k-e/n特征曲线。上式可简化为一个α函数来描述离子迁移率与电场强度的关系：
其由α(e/n)＝α2(e/n)2+α4(e/n)4+...+α2n(e/n)2n
二十世纪80年代从前苏联发展起来的强场非对称波离子迁移谱仪(high-fieldasymmetricwaveformionmobilityspectrometer，faims)不同于传统离子迁移谱，如图3所示，它根据迁移率随电场强度变化的不同规律来区分离子，即根据α(e/n)区分不同的离子。离子的分离是通过加在一对电极上的非对称高频高压交流电压交替产生强弱电场(常压下分别为20000v/cm和1000v/cm左右)来实现。依据这种原理的ims很容易小型化甚至利用微电机械系统(mems)技术微型化，这种技术吸引了很多研究者发展各种微型ims，但faims分辨率不高，在很多场合不能单独满足实际需要。
虽然faims与传统tof-ims一样，都是通过离子在一定气氛环境中的漂移情况区分不同物质，都是采用电场驱动离子在气体中的相对运动，但二者有显著差异：(1)tof-ims采用弱电场驱动离子运动，大气压工作环境下漂移电场一般在102v/cm量级，而faims采用强电场驱动离子运动，大气压工作环境下垂直于漂移气体的分离电场一般在104v/cm量级；(2)tof-ims中，离子是通过漂移电场的牵引作用到达离子检测器，而在faims中，离子是通过气流的输送作用通过离子过滤器；(3)tof-ims中，所施加的漂移电场方向与离子漂移方向平行，而在faims中所施加的离子分离电场方向与离子随气流输运的方向垂直；(4)tof-ims中分离的是经离子门调制的脉冲式离子束，漂移电场一般是恒定的直流电场，而faims所分离的是连续的离子束，分离电场是随时间而变的非对称交流电场，频率一般在1mhz以上。
faims主要有平板型与同心圆柱型两种实现结构。平板型faims在两块相互平行的平板电极间形成非对称分离电场，对随气流输运经过该区域的离子进行分离检测；而同心圆柱型faims(fis)采用同心的圆柱环作为离子的飞行腔，利用飞行腔内的非对称电场对离子束的“聚焦”效应来实现对离子的分离探测。同心圆柱型faims结构比平板型复杂的多且响应时间长。
将tof-ims与faims结合可综合二者的优点，提高对样品的检测效果，即通过tof-ims和faims的联用，发展气相离子的二维分离方法，从而获得更好的离子分离检测效果。
目前tof-ims及faims的二维联用方式有并联及串联两类。在并联联用方式中，待测样品分成多路并分别进入tof-ims及faims，各个检测器并行检测，各自输出信号后融合处理，从而获得更好的检测效果。并联联用方式中tof-ims及faims有可能共用部分部件如电离源、离子检测/放大装置等。在串联联用方式中，待测样品进入第一个检测装置(tof-ims或者faims)中，经过电离、分离后，经筛选的离子束再进入第二个检测装置(一般与第一个检测器不同类，不含电离装置)进一步分离检测。在串联联用方式中，可以把第二个检测装置看做第一个检测装置的具有分离能力的离子检测器，也可把第一个检测装置看做第二个检测装置的预分离装置。但是无论哪种结构的联用方式，现有的tof-ims及faims联用时离子的分离需要在两个不同结构、形状、大小的漂移区内完成，导致整个设备结构复杂，成本高昂，而且不便调整。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种离子迁移谱漂移区复用装置及方法，以缓解现有技术中离子迁移谱设备结构复杂，成本高昂，不便调整，离子分辨率低及检测速度慢等问题。
(二)技术方案
在本公开一个方面，提供一种离子迁移谱漂移区复用装置，包括：离子源，设置于所述复用装置的一侧；离子门，紧邻离子源设置；离子检测区，设置于所述复用装置的另一侧，以及离子迁移谱漂移区，设置于所述离子门和离子检测区之间，包括：至少一组电阻膜，每组电阻膜包括：上电阻膜，处于离子迁移谱漂移区上边界内壁，两端分别引出电极1和电极3；以及下电阻膜，处于离子迁移谱漂移区下边界内壁，两端分别引出电极2和电极4。
在本公开实施例中，所述电极1和电极3之间的电阻值为10kω至100gω，电极2和电极4之间的电阻值为10kω至100gω。
在本公开实施例中，所述离子迁移谱漂移区上下边界距离为0.03mm至10mm。
在本公开实施例中，所述上电阻膜或下电阻膜包括：碳膜、金属氧化物膜、有机半导体膜、导电高聚物膜或金属膜。
在本公开实施例中，所述上电阻膜或下电阻膜包括连续或图形化的体材料，所述体材料包括：导电玻璃、导电陶瓷或导电高聚物。
在本公开实施例中，所述上电阻膜或下电阻膜包括：连续膜或图形化电阻膜。
在本公开实施例中，所述离子迁移谱漂移区结构包括：平行板结构或者同心圆柱结构。
在本公开另一方面，提供一种离子迁移谱漂移区复用方法，通过上述所述的离子迁移谱漂移区复用装置在同一离子迁移谱漂移区内进行离子的tof-ims及faims分离，所述方法包括：在电极1施加电势u0，电极2施加电势u0+δu2，电极3施加电势u0+δu1，电极4施加电势u0+δu1+δu2，则在离子迁移谱漂移区同时产生沿离子漂移方向的均匀电场及垂直于离子漂移方向的非对称交流电场，实现离子的tof-ims及faims分离，其中△u1为恒定电势差，δu2为非对称高压交流电势差。
在本公开实施例中，所述离子迁移谱漂移区tof-ims和faims模式切换自由。
在本公开实施例中，将多级所述离子迁移谱漂移区串联耦合，通过调整不同电极所加电势，形成多种耦合方式，包括：tof-ims/faims、faims/tof-ims、of-ims/faims/tof-ims、faims/tof-ims/faims耦合方式。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开离子迁移谱漂移区复用装置及方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)在单一漂移区实现tofims及faims离子分离的功能，简化结构，降低成本；
(2)faims离子分离时采用电场驱动离子在漂移管中的运动，降低对输运气流的要求；
(3)多级漂移区串联复用，形成tof-ims和faims多种耦合方式，从而得到更高的离子分辨率及更快的检测速度，更快地获得特征离子迁移率的更多信息。
附图说明
图1为本公开实施例离子迁移谱漂移区复用结构示意图。
图2为现有技术的tof-ims原理示意图。
图3为现有技术的faims原理示意图。
图4为本公开实施例离子迁移谱漂移区复用结构多视图示意图。
图5为本公开实施例图形化电阻膜示意图。
图6为本公开实施例同心圆柱型复用离子迁移谱漂移区示意图。
图7为本公开实施例两级串联tof-ims/faims耦合结构示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种离子迁移谱漂移区复用装置及方法，能够在一个离子迁移谱漂移区实现离子的tof-ims及faims分离。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种离子迁移谱漂移区复用装置，图1是本公开离子迁移谱漂移区结构示意图。如图1所示，所述离子迁移谱漂移区复用装置包括：
离子源，设置于所述复用装置的一侧；
离子门；紧邻离子源设置；
离子检测区；设置于所述复用装置的另一端；以及
离子迁移谱漂移区，设置于离子门和离子检测区之间，包括：
上电阻膜，处于离子迁移谱漂移区上边界内壁，两端分别引出电极1和电极3；以及
下电阻膜，处于离子迁移谱漂移区下边界内壁，两端分别引出电极2和电极4。
图4为本公开实施例离子迁移谱漂移区复用结构多视图示意图，其中，图4(a)为离子迁移谱漂移区的立体结构示意图，参照坐标轴x-y-z，如图4(a)所示，所述离子迁移谱漂移区截面为矩形，箭头方向为离子漂移方向，即x轴向，漂移区上下边界距离在0.03mm～10mm范围。图4(b)为平行于x-z平面的前视截面示意图，图4(c)为平行x-y平面的上视截面示意图，结合图4(b)和图4(c)所示，离子迁移谱漂移区上下边界内壁表面为均匀电阻膜，所述电阻膜包括：碳膜、金属氧化物膜、有机半导体膜、导电高聚物膜或金属膜等。在漂移区上边界前后两端分别引出电极1和电极3，在漂移区下边界前后两端分别引出电极2和电极4。电极1与电极3之间电阻10kω～100gω范围，电极2与电极4之间电阻10kω～100gω范围，电极1、电极3与电极2、电极4之间绝缘。当在电极1和电极2施加相同电势，电极3和电极4施加相同电势，保持电极1、电极2和电极3、电极4之间电势差为δu1(≠0)时，在漂移区上下界面内表面电阻膜中有平行于x轴方向的电流流过，在忽略电极及电阻膜图形的边缘效应的前提下，可在离子漂移方向(x轴方向)形成均匀电场，即tof-ims模式下的漂移电场。当在电极1和电极3施加相同电势，电极2和电极4施加相同电势，由于漂移区边界面内表面电阻膜两端电势相等，电阻膜中无电流，即漂移区上下边界内表面电阻膜分别为等势面。保持电极1、电极3和电极2、电极4之间为非对称高压交流电势差δu2时，在忽略电极及电阻膜图形的边缘效应的前提下，由加在电极1、电极3与电极2、电极4之间的非对称高压交流电势差在z轴方向产生垂直于离子漂移方向的非对称交流电场，即faims模式下的离子分离电场。通过改变施加在电极1、电极2、电极3、电极4上的电势，可以在同一个离子迁移谱漂移区进行tof-ims和faims两种模式的离子分离，从而实现tof-ims和faims的复用。
在本公开实施例中，如图5所示，所述离子迁移谱漂移区的上下边界内壁表面的均匀电阻膜可以有不同形式，包括：连续膜，图形化电阻膜。
在本公开实施例中，制备所述电阻膜的体材料包括：导电玻璃、导电陶瓷或导电高聚物等。
在本公开实施例中，如图6所示，所述离子迁移谱漂移区结构包括：平行板结构或者同心圆柱结构。
在本公开实施例中，提供一种离子迁移谱漂移区复用方法，即在电极1施加电势u0，电极2施加电势u0+δu2，电极3施加电势u0+δu1，电极4施加电势u0+δu1+δu2(其中δu1为恒定电势差，δu2为非对称高压交流电势差)，则在漂移区同时产生沿离子漂移方向(x轴方向)的均匀电场及垂直于离子漂移方向(z轴方向)的非对称交流电场。离子在垂直方于漂移方向(z轴方向)受到faims模式非对称交流电场作用的同时，还受到沿离子漂移方向(x轴方向)的均匀电场作用，从而降低faims模式下对输运气流的要求。
在本公开实施例中，所述离子迁移谱漂移区除了可以在不同时间于tof-ims和faims模式切换外，还可将多级漂移区串联耦合，通过调整不同电极所加电势，形成tof-ims/faims、faims/tof-ims、tof-ims/faims/tof-ims、faims/tof-ims/faims……等多种耦合方式，从而得到更高的离子分辨率及更快的检测速度。通过调节电极所加电势，可以使各个漂移区工作在不同工作参数下，得到更多的离子漂移信息。
在本公开实施例中，提供一种两级漂移区串联形成tof-ims/faims耦合的结构，图7为两级串联tof-ims/faims耦合结构示意图，如图7所示，图中电极1～电极4形成的区域中实现离子的tof-ims分离，而电极5～电极8形成的区域中实现离子faims分离。如图所示，所述两级漂移区串联形成tof-ims/faims耦合的结构包括离子源，离子门，离子检测器；其中小箭头为漂移气体流动方向，大箭头所示方向为离子漂移方向，与离子漂移方向相反的漂移气体有助于保持漂移区的洁净环境，从而提高检测效果。
在电极1和电极2施加相同电势，电极3和电极4施加相同电势，保持电极1、电极2和电极3、电极4之间电势差为δu1(≠0)，从而在离子漂移方向形成均匀电场，实现离子的tof-ims分离；在电极5施加电势u0，电极6施加电势u0+δu2，电极7施加电势u0+δu3，电极8施加电势u0+δu3+δu2(其中δu3为恒定电势差，δu2为非对称高压交流电势差)，从而使离子在沿漂移方向均匀电场作用同时，受到垂直于离子漂移方向非对称交流电场作用，在没有输运气流的情况下实现离子的faims分离，最终经tof-ims和faims分离后的离子到达离子检测器并输出离子流信号。
需要指出的，本发明多级漂移区串联指的是功能上的串联而非物理上的串联。在漂移区边界内壁表面制备多组电极、实现多个离子分离区域也是本发明所述多级漂移区串联的一种形式。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，实施例以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中士10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中士1％的变化、在一些实施例中士0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。