一种两级压缩离子门及控制方法与流程

本发明涉及一种迁移谱离子门装置和控制方法。

背景技术：

离子迁移谱由于分析速度快，灵敏度高，体积小巧，操作简单等优点，被广泛应用于化学毒剂，炸药，毒品等的检测。^[1]此外由于离子迁移谱能分离同分异构体，还经常和质谱联用检测生物样品。^[2]近年来，离子迁移谱的应用深入到医疗诊断领域，例如检测呼出气中的小分子代谢物，血液中的麻醉剂等。^[3,4]对复杂样品的检测，需要更高的分辨能力和灵敏度。离子门是迁移管中的关键零件之一，其作用是周期性的将一团离子注入到迁移区进行分离和检测。所以，离子门的性能很大程度上决定了迁移谱的分辨能力和灵敏度。

离子迁移管中最常用的离子门是bradbury-nielsengate(bn门)，^[1]这种离子门由两组平行，绝缘，依次交替，处于同一平面的金属丝组成。在开门时，两组丝上的电势相同。在关门时，在其中一组丝上叠加一个电压，或者在两组丝上叠加相反的电压，使相邻的两根丝之间形成和迁移电场垂直的电场，以阻止离子的通过。但是实际上离子门关门时，关门电压会在离子门前后的区域产生不均匀的电场，并在离子门后形成清空区，稀释区和压缩区。^[5]这些区域的存在，一方面会使注入的离子成锯齿状，开门时间越小，注入的离子越不均匀，产生峰拖尾现象。

离子迁移管中另一种比较常用的离子门是场切换离子门。^[1]这种离子门的结构为一个金属栅网。在关门时，离子源的电势比离子门的电势稍微低，使离子被局限在离子源和离子门之间，开门时，将离子源处的电势提高几百甚至上千伏，将电离区的离子全部注入迁移区。这种离子门不会造成离子门附近的不均匀电场。但是它的应用范围比价窄，不适用于电离范围比较长的电离源，如真空紫外灯，或者本身需要维持一定电势才能工作的电离源，如电喷雾或者电晕放电电离源。^[6]

离子门注入离子团的过程中，如果设法使离子团由高电场向低电场运动时，那么离子团会被压缩，离子厚度变窄，密度增大。因此法拉第盘接收到的信号峰更高，更窄，分辨率和灵敏度同时被提高。

[1]eicemanga,karpasz,hilljrhh.ionmobilityspectrometry[m].3rded.:crcpress,2013；

[2]jiangw,robinsonras.ionmobility-massspectrometry[m].johnwiley&sons,ltd,2013；

[3]jiangd,lie,zhouq,etal.onlinemonitoringofintraoperativeexhaledpropofolbyacetone-assistednegativephotoionizationionmobilityspectrometrycoupledwithtime-resolvedpurgeintroduction[j].analyticalchemistry,2018,90(8):5280-9；

[4]wangx,zhouq,jiangd,etal.ionmobilityspectrometryasasimpleandrapidmethodtomeasuretheplasmapropofolconcentrationsforintravenousanaesthesiamonitoring[j].scientificreports,2016,6；

[5]duy,wangw,lih.resolutionenhancementofionmobilityspectrometrybyimprovingthethree-zonepropertiesofthebradbury-nielsengate[j].analchem,2012,84(3):1725-31；

[6]chenc,tabrizchim,wangw,etal.fieldswitchingcombinedwithbradbury-nielsengateforionmobilityspectrometry[j].analchem,2015,87(15):7925-30。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种两级压缩离子门及控制方法，对离子门开门时注入的离子进行两次空间压缩，从而同时提高迁移谱的分辨率和灵敏度。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

于圆筒状离子迁移管内部离子源和法拉第盘之间依次同轴、平行、间隔、绝缘设置三个圆形栅网构成离子门，三个圆形栅网依次定义为栅网1、栅网2和栅网3；栅网1和离子源之间的区域为反应区，栅网3与法拉第盘之间的区域为迁移区。

离子源、栅网1、栅网2和栅网3、法拉第盘依次间隔设置，栅网1、栅网2和栅网3之间依次用两个圆环状绝缘片隔开，每个绝缘片与相邻的金属栅网平行、同轴设置，紧密配合。

构成离子门的三个栅网为表面平整的丝状栅网或孔状金属栅网。

可通过周期性控制该离子门中三个栅网之间的电场，精确控制离子的通过；

每个周期有连续的三种状态：

第一状态时，离子门开门，离子源，栅网1、栅网2和栅网3和法拉第盘上的电势依次降低；第一状态维持一段时间后，提高栅网2上的电位使其高于栅网1上的电位，开始第二状态，第二状态时离子门关门；第二状态维持一段时间后，降低栅网2上的电势使其回到和第一状态相同的电位，同时提高第三栅网的电位使其高于栅网2上的电位，开始第三状态，第三状态时离子门关门；第三状态维持一段时间后，整个过程一周期；

一周期完成后，再次切换到第一状态，进行下一个周期。

第二状态开始时间应该是在第一状态维持过程中通过栅网2的离子未到达栅网3之前。

第一状态维持过程中通过栅网2的离子，在第二状态维持的时间段内全部或部分通过栅网3，才能开启第三状态。

第一阶段和第二阶段维持的一段时间可为几至几百微秒，通常1-999微秒；第三阶段维持的一段时间可为几至一百毫秒，通常1-100毫秒。

第二状态时，栅网1和栅网2之间的电场方向与迁移电场方向相反，阻止离子通过栅网2，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移电场方向相同，且电场强度被提高，使离子在穿过栅网3后，由于电场强度降低被压缩一次；

第三状态时，栅网1和栅网2之间的电场方向与迁移电场方向相同，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移电场方向相反，阻止离子通过，同时栅网3与后面的导电环之间的电场强度被提高，使离子在穿过该导电环后由于电场强度降低被再次压缩。

本发明的优点是：

对离子门开门时注入的离子进行两级压缩。

同时提高分辨率和灵敏度。

结构简单。

附图说明

图1为离子迁移管结构示意图。其中(1)为离子迁移管腔体，(2)为离子源，(3)为法拉第盘，(4)为反应区，(5)为迁移区，(6)为栅网1，(7)为栅网2，(8)为栅网3，(9)为导电环1，(10)为导电环2，(11)为漂气入口，(12)为载气入口，(13)为尾气出口。

图2为栅网2和栅网3上的脉冲施加方式示意图。

图3为一个周期中各个阶段的电势和离子运动示意图。

图4为一个周期中各个阶段的电场和离子运动示意图。

图5为使用该发明的离子门和控制方式得到的谱图与使用bn门得到的谱图对比。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的离子迁移管结构示意图，图2，为脉冲施加方式示意图，图3，为一个周期中各个阶段的电势示意图，图4，为一个周期各个阶段的电场示意图。

离子迁移管(1)为一中空圆柱形腔体，在腔体一端设置样品离子产生装置离子源(2)，在腔体另一端设置离子接收装置法拉第盘(3)。于离子源和法拉第盘之间依次同轴、间隔、平行设置构成该离子门的三个栅网，三个栅网依次定义为栅网1(6)、栅网2(7)和栅网3(8)。栅网1、栅网2和栅网3之间依次用两个环状绝缘片隔开，每个绝缘环与相邻的金属栅网平行、同轴设置，紧密配合。栅网1和离子源之间的区域为反应区(4)，栅网3与法拉第盘之间的区域为迁移区(5)。

通过周期性控制该离子门中三个栅网之间的电场，精确控制离子的通过。每个周期有三种状态：第一状态时(0～t1)，离子源，栅网1、栅网2、栅网3和法拉第盘上的电势依次降低，相邻两栅网之间的电场方向均和反应区及迁移区的电场方向相同，离子可以从反应区经过三个栅网进入迁移区；第一状态维持一段时间t1后，将栅网2上的电压提高至高于栅网1上的电压，其他位置电势不变，开启第二状态(t1～t2)，其电场特征为栅网1和栅网2之间的电场方向与反应区及迁移区的电场方向相反，阻止离子通过，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移区及反应区的电场方向相同；第二状态维持一段时间后，在保证第一状态开启阶段通过栅网2的离子全部或部分通过栅网3，但未到达栅网3后面的导电环时，将栅网2的电势降低到和第一状态时相同的电势，同时将栅网3上的电势提高到高于栅网2上的电势，开启第三状态(t2～t)，其电场特征为栅网1和栅网2之间的电场方向与反应区及迁移区的电场方向相同，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移区及反应区的电场方向相反。第三状态维持至一个周期结束时(t＝t)，再次切换到第一状态，开启下一个周期。

在第二状态中，由于栅网2上的电势提高，使栅网2和栅网3之间的电场，高于栅网3之后的电场。离子在从栅网2和栅网3之间的高电场向栅网3后的低电场运动时，第一次被压缩，厚度变小，密度变大。

在第三状态中，由于栅网3上的电势提高，使栅网3与电极环2之间的电场，高于电极环2后的电场，离子在从栅网3与电极环2之间的高电场向电极环2后的低电场运动时，第二次被压缩，厚度进一步变小，密度进一步变大。

实施例1

如图3所示为在⁶³ni电离源-正离子模式离子迁移谱中，采用该发明的两级压缩离子门及控制方法和采用常规的bn门检测丙酮的谱图对比。其中该实施例中所用的栅网50μm厚的方孔不锈钢金属栅网，孔径的大小为1mm。在两种离子门中，相邻两栅网之间的间距为4mm。使用该离子门时，第一状态时离子门开门，栅网1、栅网2和栅网3上的电势分别为5100v，5050v，5000v，开门时间为50μs；第二状态时栅网1、栅网2和栅网3上的电势分别为5100v，5450v，5000v，维持时间为100μs。第三状态时栅网1、栅网2和栅网3上的电势分别为5100v，5050v，5500v维持时间为9.75ms。使用bn门时，开门时bn门两组丝上的电势均为5000v，开门时间为50μs。关门时将其中一组丝上的电势提高到5100v，另一组丝上的电势不变，关门时间为9.92ms。使用两种离子门的其它实验条件相同。由图3可以看出，使用该发明所述的离子门及控制方法和使用bn门，所获得丙酮的峰高前者远远高于后者，而半峰宽比后者明显低。说明使用该离子门控制方法可以同时提高灵敏度和分辨率。