一种无离子歧视的离子门装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及离子迁移谱仪器中离子迁移管的重要组件离子门，具体地说是一种实现迁移率K不同的离子均一、无歧视地通过的离子门装置及控制方法。其充分利用电场对离子空间分布和时域运动特性的影响，通过在离子迁移管内部离子迁移方向上依次设置能够透过离子的第一栅网、第二栅网和第三栅网，形成连接离子迁移管电离区和迁移区的独立离子门区；通过控制各个栅网电极上的电压随时间做周期性时序变化，一方面实现离子在离子门内的富集，另一方面消除不同离子透过离子门所需时间的差异，有利于IMS分辨能力和灵敏度的同时提高。

An Ion Door Device without Ion Discrimination and Its Control Method

The invention relates to an ion gate which is an important component of an ion transfer tube in an ion transfer spectrometer, in particular to an ion gate device and a control method for achieving uniform and non-discriminatory passage of ions with different mobility K. It makes full use of the influence of electric field on the spatial distribution and time domain motion characteristics of ions, and forms independent ion gates connecting ionization and migration zones of ion transfer tubes by setting the first, second and third grids which can penetrate ions in turn in the direction of ion migration inside the ion transfer tube. By controlling the voltages on each grid electrode, periodic time series varies with time. On the one hand, it can enrich ions in ion gates, on the other hand, it can eliminate the difference of time required for different ions to pass through ion gates, which is conducive to improving the resolution and sensitivity of IMS.

【技术实现步骤摘要】
一种无离子歧视的离子门装置及控制方法
本专利技术涉及离子迁移谱仪器中离子迁移管的重要组件离子门，具体地说是一种实现迁移率K不同的离子均一、无歧视地通过的离子门装置及其控制方法。
技术介绍
离子迁移谱的分辨能力(ResolvingPower,R)决定了离子迁移谱可同时检测识别目标物的数量：分辨能力越高，单张离子迁移谱图的峰容量就越大，越有利于IMS对目标物的准确识别[3]。对于迁移区长度L固定的IMS，其分辨能力R由离子门开门时间winj以及离子团迁移造成的峰展宽(16kBTln2/eUd)1/2(L2/KUd)决定，如公式1所示。在仪器参数固定时，离子团迁移造成的峰展宽固定不变，离子门开门时间winj就成了R的唯一决定因素：winj越小，R越高。其中，L为离子迁移区长度，K为离子迁移率(K＝K0(T/273.5)(760/P)，T为温度，P为压强)，Ud为迁移区总电压，td为离子峰迁移时间，w0.5为离子峰半峰宽，winj为离子门开门时间，16kBTln2/eUd为离子扩散造成峰展宽系数。Bradbury-Nielsen离子门(BNG)是目前商品化IMS仪器中普遍采用的离子门构型。BNG利用共面放置的两组金属丝所形成与离子迁移方向相垂直的径向电场实现离子团斩切。由于BNG机械结构厚度几乎可以忽略(等于BNG的丝径，典型为≤0.1mm)，被普遍认为是最佳的离子斩切工具：可以实现离子片在时间域(winj)的任意尺度矩形斩切并对全K0范围的离子均一透过；即，在保证IMS对K0不同的目标物具有近似均一灵敏度的前提下，可以通过减小winj获得高的IMS分辨能力。然而，2012年，大连化物所李海洋教授在研究BNG关门电压对IMS分辨能力的影响时发现：BNG关门时，其关门电场会向着与BNG紧邻的离子迁移区和离子反应区方向渗透。关门电场向着迁移区的渗透，造成迁移区中紧邻离子门区域的电场瞬时增强，对通过BNG的离子团在时间域winj上进行压缩，使得IMS实际检测到离子峰的半峰宽变窄，提高IMS的分辨能力[11]；另外，关门电场的渗透同时造成BNG两侧产生明显的离子清空区，其轴向深度远大于BNG的丝径，与丝间距相当(典型为大于1mm)。在BNG开门时间winj内，只有通过离子清空区的离子才能进入离子迁移区中被分离和检测。该BNG离子清空区的存在造成了IMS对不同的K0的离子表现出表现出较大灵敏度差异，并且无法消除：K0大的离子，灵敏度高；K0小的离子，灵敏度低或无法被检测到。为了保证IMS对不同K0的离子都具有可以接受的灵敏度，BNG的开门时间实际上只能保持在100us以上，造成了目前商品化IMS仪器的分辨率仅为30～40左右。为了消除离子门所造成K0不同离子灵敏度的差异，实现通过降低离子门开门时间winj来提高IMS分辨能力，德国莱布尼兹大学的AnsgarKirk在2014年发展了一种脉冲场切换离子门(FieldSwitchingGate，FSG)。FSG将片状、电离深度仅为1-2mm的3H离子源夹置在两个平行栅网中。在开门时，FSG内部电场强度瞬间切换迁移区电场强度的5倍以上，电场方向与迁移区电场同向：一方面，将离子源中所有离子(100％)压缩、推斥到迁移区中检测，保证高灵敏度；另一方面将FSG开门时间winj降低到5μs，利用长度为10cm的离子迁移区，首次实现IMS的分辨能力超过100的突破。然而，FSG的构型仅适用于片状结构、电离程较短的离子源，与VUV灯双极电离源、电晕放电等IMS常用的长电离程离子源无法匹配，限制了其在IMS中的应用。Tyndall-Powell离子门(TPG)是IMS技术中另一种离子门构型，由沿轴向平行放置、结构相同的两片丝状或网状栅网构成，通过在两个栅网之间施加与离子迁移方向相反的电场实现对离子源中离子的斩切。TPG关门期间，两个栅网之间的电场与离子迁移方向相反，栅网内部空间的离子被清空并阻断离子源中的离子进入IMS迁移区；TPG开门时，离子源中的离子先通过两个栅网之间的间隙才能进入IMS迁移区中。由于TPG两个栅网的间距(典型为～1mm)远大于BNG的丝径(≤0.1mm)，普遍认为不同K0的离子在TPG中透过率的差异会远大于BNG，不利于IMS对K0较小化合物的灵敏检测以及分辨能力的提高。因此，尽管TPG的结构简单，却很少应用在IMS仪器中。然而,在最近的研究中发现，提高TPG开门时前后两个栅网上所施加电压的差，可以有效缩短离子通过TPG门区所需要的时间，并实现迁移率K0不同的离子近似同步通过TPG。本专利技术将基于这一重要发现，发展一种无离子歧视的离子门装置及控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，通过在离子迁移管内设置内部电场强度和方向独立可调的离子门区，一方面实现离子在离子门内的富集，另一方面消除不同离子透过离子门所需时间的差异。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种无离子歧视的离子门装置及控制方法，在离子迁移管内部沿离子迁移方向上依次相对设置相互绝缘的第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件；第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件处于三个相互平行平面上,且第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件所处的平面与离子迁移方向相垂直；第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件为可以透过离子的电极；第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件的形状为网状电极、同心环状电极、栅格状电极、螺旋线状电极中的一种或两种以上的组合；第一门电极组件和第二门电极组件在离子迁移方向上的距离为0.05～10mm，其间的区域为第一离子门区；第二门电极组件和第三门电极组件在离子迁移方向上的距离为0.05～3mm，其间的区域为第二离子门区；在离子迁移管内部沿离子迁移方向上依次形成电离区、第一离子门区、第二离子门区、迁移区；在第一预设时间间隔内，第一门电极组件上施加第一电压，第二门电极组件上施加第二电压，第三门电极组件上施加第三电压；其中第一电压高于第二电压，第三电压高于第一电压，第一离子门区内形成与离子迁移方向相同的电压梯度，电离区中的离子进入第一离子门区并在其中富集，第二离子门区内形成与离子迁移方向相反的电压梯度，阻止第一离子门区中的离子进入到迁移区中；在第二预设时间间隔内，第一门电极组件上仍施加第四电压，第二门电极组件上施加第五电压，第三门电极组件上施加第六电压；其中，第五电压低于第四电压，第六电压低于第五电压，第一离子门区内形成方向不变强度增强的电压梯度，第二离子门区内形成与离子迁移方向相同的电压梯度，第一离子门区中的离子经第二离子门区进入到迁移区中进行分离与检测；第一电压等于第四电压，第五电压低于第二电压；第一预设时间间隔的值大于零，第二预设时间间隔的值介于零和第一预设时间间隔的值的50％之间；第一预设时间间隔内，第一离子门区的电压梯度为离子迁移管电离区内电压梯度的0.01％～50％之间，第二离子门区的电压梯度为第一离子门区的电压梯度1～100倍；第二预设时间间隔内，第一离子门区的电压梯度为离子迁移管电离区内电压梯度的1～100倍，第二离子门区的电压梯度为第一离子门区的电压梯度1～100倍。本专利技术的优点是：本专利技术涉及离子迁移谱仪器中离子迁移管的重要组件离子门，具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无离子歧视的离子门装置及控制方法，其特征在于：在离子迁移管内部沿离子迁移方向上依次相对设置相互绝缘的第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件；第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件处于三个相互平行平面上,且第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件所处的平面与离子迁移方向相垂直；第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件为可以透过离子的电极；第一门电极组件和第二门电极组件在离子迁移方向上的距离为0.05～10mm(优选1～5mm)，其间的区域为第一离子门区；第二门电极组件和第三门电极组件在离子迁移方向上的距离为0.05～3mm(优选0.5～1mm)，其间的区域为第二离子门区；在离子迁移管内部沿离子迁移方向上依次形成电离区、第一离子门区、第二离子门区、迁移区；在第一预设时间间隔内，第一门电极组件上施加第一电压，第二门电极组件上施加第二电压，第三门电极组件上施加第三电压；其中第一电压高于第二电压，第三电压高于第一电压，第一离子门区内形成与离子迁移方向相同的电压梯度，电离区中的离子进入第一离子门区并在其中富集，第二离子门区内形成与离子迁移方向相反的电压梯度，阻止第一离子门区中的离子进入到迁移区中；在第二预设时间间隔内，第一门电极组件上仍施加第四电压，第二门电极组件上施加第五电压，第三门电极组件上施加第六电压；其中，第五电压低于第四电压，第六电压低于第五电压，第一离子门区内形成方向不变强度增强的电压梯度，第二离子门区内形成与离子迁移方向相同的电压梯度，第一离子门区中的离子经第二离子门区进入到迁移区中进行分离与检测；第一电压等于第四电压，第五电压低于第二电压；第一预设时间间隔的值大于零(优选5～20ms)，第二预设时间间隔的值介于零和第一预设时间间隔的值的50％之间(优选0.001％～0.5％)。...

【技术特征摘要】
1.一种无离子歧视的离子门装置及控制方法，其特征在于：在离子迁移管内部沿离子迁移方向上依次相对设置相互绝缘的第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件；第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件处于三个相互平行平面上,且第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件所处的平面与离子迁移方向相垂直；第一门电极组件、第二门电极组件和第三门电极组件为可以透过离子的电极；第一门电极组件和第二门电极组件在离子迁移方向上的距离为0.05～10mm(优选1～5mm)，其间的区域为第一离子门区；第二门电极组件和第三门电极组件在离子迁移方向上的距离为0.05～3mm(优选0.5～1mm)，其间的区域为第二离子门区；在离子迁移管内部沿离子迁移方向上依次形成电离区、第一离子门区、第二离子门区、迁移区；在第一预设时间间隔内，第一门电极组件上施加第一电压，第二门电极组件上施加第二电压，第三门电极组件上施加第三电压；其中第一电压高于第二电压，第三电压高于第一电压，第一离子门区内形成与离子迁移方向相同的电压梯度，电离区中的离子进入第一离子门区并在其中富集，第二离子门区内形成与离子迁移方向相反的电压梯度，阻止第一离子门区中的离子进入到迁移区中；在第二预设时间间隔内，第一门电极组件上仍施加第四电压，第...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈创，陈红，厉梅，李海洋，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21