阅读说明：本技术 一种离子风产生装置及其应用 (Ion wind generating device and application thereof ) 是由 龚涛 钟伦超 钱翔 唐飞 王晓浩 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：本申请属于物质分析技术领域,特别是涉及一种离子风产生装置及其应用。传统的离子源的分析方法是把有机物在固体表面利用区位提取技术先将固体表面的有机物进行提取到液相,然后选择合适的方法进行分析。这种方法费时费力,同时在提取的过程中也很难保证有机物在固体表面上的准确的分布。本申请提供了一种离子风产生装置,包括离子风产生组件和气体放电组件,所述离子风产生组件与所述气体放电组件连接；所述离子风产生组件包括第一电极和第二电极,所述第一电极包括若干放电针,所述第一电极与所述气体放电组件连接,所述第二电极与所述气体放电组件连接。可以实现在大气压下多个放电针的同时电晕放电,大大增加了随之产生的离子风数量。(The application belongs to the technical field of material analysis, and particularly relates to an ion wind generation device and application thereof. The traditional ion source analysis method is to extract organic matters on the solid surface to a liquid phase by utilizing a zone extraction technology on the solid surface, and then, a proper method is selected for analysis. This method is time consuming and laborious and it is difficult to ensure accurate distribution of the organic matter on the solid surface during the extraction process. The application provides an ion wind generating device, which comprises an ion wind generating assembly and a gas discharging assembly, wherein the ion wind generating assembly is connected with the gas discharging assembly; the ion wind generation assembly comprises a first electrode and a second electrode, the first electrode comprises a plurality of discharge needles, the first electrode is connected with the gas discharge assembly, and the second electrode is connected with the gas discharge assembly. The corona discharge can be realized at the same time of a plurality of discharge needles under the atmospheric pressure, and the quantity of the ion wind generated therewith is greatly increased.)

一种离子风产生装置及其应用

技术领域

本申请属于物质分析技术领域，特别是涉及一种离子风产生装置及其应用。

背景技术

高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)是一种通过离子的迁移率随着电场强度的变化对的特性，从而实现对不同的化学物质种类进行分离和检测。FAIMS系统中主要包括的是离子源、迁移区和检测区三个组成部分。由于离子源是将样品进行电离成离子的技术，对于后续的分析、分析和检测都有重要的作用，是FAMIS系统中非常重要的组成部分。FAMIS技术为物质在大气环境下的快速检测提供了可能又称差分式离子迁移谱，是在大气环境下对气相离子进行快速分离识别的一种新兴技术。

基于离子迁移率非线性变化在高场下凸显的特性，在离子前进方向构建非对称性高电场，利用扫描电场补偿电压及离子信号产生谱图，从而对物质离子进行分离识别的气相痕量物质检测。经过短短几十年各国科研和商业机构的研究和开发，该技术现已经成为主流的气相检测手段之一，被广泛用于爆炸物和毒品生物医药以及环境监测等。

传统的离子源的分析方法是把有机物在固体表面利用区位提取技术先将固体表面的有机物进行提取到液相，然后选择合适的方法进行分析。这种方法费时费力，同时在提取的过程中也很难保证有机物在固体表面上的准确的分布。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于传统的离子源的分析方法是把有机物在固体表面利用区位提取技术先将固体表面的有机物进行提取到液相，然后选择合适的方法进行分析。这种方法费时费力，同时在提取的过程中也很难保证有机物在固体表面上的准确的分布的问题，本申请提供了一种离子风产生装置及其应用。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种离子风产生装置，包括离子风产生组件和气体放电组件，所述离子风产生组件与所述气体放电组件连接；

所述离子风产生组件包括第一电极和第二电极，所述第一电极包括若干放电针，所述第一电极与所述气体放电组件连接，所述第二电极与所述气体放电组件连接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述第一电极呈“皇冠”状，所述第二电极呈网状。

本申请提供的另一种实施方式为：所述第一电极设置于所述离子风产生组件一端，所述第二电极设置于所述离子风产生组件另一端，所述第二电极为不锈钢网，所述第一电极为圆柱形。

本申请提供的另一种实施方式为：所述第一电极包括圆环和齿尖，所述齿尖设置于所述圆环上，所述圆环直径为21.4毫米，所述齿尖为40个。

本申请提供的另一种实施方式为：所述第一电极可滑配。

本申请提供的另一种实施方式为：所述离子风产生组件内径为60毫米，长60毫米，所述离子风产生组件为圆柱形腔体。

本申请提供的另一种实施方式为：所述气体放电组件包括依次连接的阴极冠、镇流电阻、直流高压电源、测试电阻和阳极环，所述直流高压电源与放电电阻连接，所述镇流电阻、所述放电电阻与所述测试电阻依次连接，所述测试电阻与示波器连接，所述放电电阻、所述示波器与所述阳极环连接，所述第一电极与所述阴极冠连接，所述第二电极与所述阳极环连接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述离子风产生装置产生的离子风风速为1.1m/s。

本申请还提供一种离子风产生装置的应用，所述离子风产生装置应用于质谱仪。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的离子风产生装置及其应用的有益效果在于：

本申请提供的离子风产生装置，能在大气压的环境下操作是新型直接离子源最大的特点，由于这种分析方法不需要对于样品本身进行复杂的前处理过程，因此具有操作简单、快速等特点。基于上述的优点，这种离子源可以应用到固体表面样品的原位分析，还可以将目标分子在复杂的基质中直接提取出来。

本申请提供的离子风产生装置，通过气体放电原理设计一种针-网放电离子源，实现在敞开式大气压环境下，对针-网离子源的放电特性进行研究。

本申请提供的离子风产生装置的应用，离子风产生装置可以作为离子源完成样品的电离，同时可以使样品离子随着离子风的流动从离子源进样到质量分析器中去，实现离子源和进样系统的合二为一，减小了质谱仪的体积、简化了质谱分析的过程，有望在小型化和便携式的质谱仪中得到应用。

附图说明

图1为本申请的离子风产生组件结构示意图；

图2为本申请的气体放电组件结构示意图；

图3为本申请的辉光电晕状态示意图；

图中：1-离子风产生组件、2-气体放电组件、3-第一电极、4-第二电极、5-阴极冠、6-镇流电阻、7-直流高压电源、8-测试电阻、9-阳极环、10-放电电阻、11-示波器。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

FAIMS系统可以采用不同的离子源设计，比如电喷雾电离源，真空紫外灯离子源和电喷雾离子源等。放射性离子源虽然具有简便、无需电源等优势，但是购买、运输以及报废方面的劣势严重影响了其在FAIMS系统中的应用。因此，在我们的系统中不选择放射性离子源。紫外灯离子源和激光解析离子源虽然具有无放射性污染、工作稳定等优点，但是其体积大，无法由MEMS加工。常用的紫外灯可以提供的光子能量在10.6eV，它只能电离那些电离能低于10.6eV的物质，应用面相对窄一些。电喷雾离子源优点明显，可以电离的物质也很广泛，但是它的工作离不开溶剂，水分子也随之存在，难以消除，这对FAIMS工作的影响巨大。真空紫外灯的离子源，具有碎片少，性能稳定等特点，但是其离化能低只能对电离能较低的物质进行电离。

参见图1～3，本申请提供一种离子风产生装置，包括离子风产生组件1和气体放电组件2，所述离子风产生组件1与所述气体放电组件2连接；

所述离子风产生组件1包括第一电极3和第二电极4，所述第一电极1包括若干放电针，所述第一电极3与所述气体放电组件2连接，所述第二电极4与所述气体放电组件2连接。

进一步地，所述第一电极3呈“皇冠”状，所述第二电极4呈网状。

进一步地，所述第一电极3设置于所述离子风产生组件1一端，所述第二电极4设置于所述离子风产生组件1另一端，所述第二电极4为不锈钢网，所述第一电极3为圆柱形。

进一步地，所述第一电极3包括圆环和齿尖，所述齿尖设置于所述圆环上，所述圆环直径为21.4毫米，所述齿尖为40个。

进一步地，所述第一电极3可滑配。

进一步地，所述离子风产生组件1内径为60毫米，长60毫米，所述离子风产生组件为圆柱形腔体。

进一步地，所述气体放电组件2包括依次连接的阴极冠5、镇流电阻6、直流高压电源7、测试电阻8和阳极环9，所述直流高压电源7与放电电阻10连接，所述镇流电阻6、所述放电电阻10与所述测试电阻8依次连接，所述测试电阻8与示波器11连接，所述放电电阻10、所述示波器11与所述阳极环9连接，所述第一电极3与所述阴极冠5连接，所述第二电极4与所述阳极环9连接。

采用0～5kv的直流高压电源7为系统供电。如图2所示，通过在外电路串联一个100Ω的测试电阻8来测取电压电流信号，使用示波器11(Tektronix TDS1001B,40MHz)对其进行观察。施加的高压直流信号通过高压探头(Tektronix P6015A,1000X)后输入示波器11。

进一步地，所述离子风产生装置产生的离子风风速为1.1m/s。

本申请提供一种离子风产生装置的应用，所述离子风产生装置应用于质谱仪。

通过设计的实验得到优化参数值，使其可以在实际应用中得到最大化的效率。在实验过程中，为了便于进气，利用精密机械加工的方法在直径为21.4mm的圆环上加工出40个齿，形成皇冠的结构，每个齿尖作为一个放电针即第一电极3，整个圆环也就达到了“多针”的结构要求。整个离子风产生组件1的结构设计为内径60mm,长度60mm的圆柱形腔体，在腔体的一端安装上不锈钢网作为阳极，在腔体的另一端设计可以滑配的圆柱形结构，用于调节多针结构和阳极网之间的间距。离子风装置如图1所示。

气体放电是整个装置产生离子风的基础，因此能否获得稳定的电晕放电对于能否产生离子风至关重要。利用观测电晕和火花放电的过程原理，一方面可以通过暗室实验来观察放电点，另一方面可以将示波器11连接在电路中，通过观察示波器11的变化来间接观察放电现象。

通过暗室我们可以看到，从电晕放电转化为火花放电需要经过几个阶段的发展：刚开始时，放电针即第一电极3和不锈钢网即第二电极4之间不伴有发光，为暗流状态；随着阴极即第一电极3和阳极即第二电极4上电压的上升，肉眼将观察到紫色的光点，这是气体放电的辉光电晕，这时有微安级程度的电流通过，在此之后，将有刷状的发光束从针端脉动地产生；随着电压再次上升，在电晕发光区的放电将成为电流流柱。当放电针的电压调节至-4310V左右时，放电针附近将有紫色的光点出现，即处于辉光电晕状态。

该装置可以实现在大气压下多个放电针的同时电晕放电，大大增加了随之产生的离子风数量。经过测量，本装置产生的离子风风速最高可以达到1.1m/s。同时，众所周知，质谱仪的结构分为进样系统、离子源、质量分析器等，本申请提出的这种离子风装置不仅可以作为离子源完成样品的电离，同时可以使样品离子随着离子风的流动从离子源进样到质量分析器中去，实现离子源和进样系统的合二为一，减小了质谱仪的体积、简化了质谱分析的过程，有望在小型化和便携式的质谱仪中得到应用。

高场非对称波形离子迁移谱系统(High-field Asymmetric Waveform IonMobility Spectrometry,FAIMS)具备快速、低功耗、高灵敏度和便携等优点，在物质检测领域受到了越来越多的关注。其基本原理是：根据离子在射频高压电场下迁移率的不同，对物质的浓度和种类进行检测。对于检测低浓度的气体，典型的FAIMS系统一般可以检测的信号强度在pA量级。在针对高灵敏度的的检测的时候，提出了多针-网的电晕放电结构，有利于应用于FAIMS、质谱仪和离子迁移谱等便携式的分析仪器中，从而实现敞开式的微型气泵和离子源的双重功效，而离子源的微型化是分析仪器微型化、集成化和功能化的关键技术。该针网集成式高场非对称波形离子系统由离子化区、迁移区、离子检测区组成。采用针对网结构做离子源，通过离子化区中聚焦电极的作用，使离子在进入迁移区之前向极板中间实现聚焦，减少了离子损失，提高了检测电流的强度，在一定程度上弥补了目前平板型FAIMS不能实现离子聚焦的不足。在敞开式的大气环境下，通过多针对网的加上可控的负直流电压，可以实现稳定的电晕放电从而实现物质的电离。而而电晕放电产生的具有一定流速的离子风可以同时实现将样片的进样和物质电离后的离子驱动的双重功效。采用高场非对称方波射频电源对FAIMS芯片迁移区提供工作电压，其幅值和频率可满足微型FAIMS芯片对高场非对称电压波形的要求。所设计FAIMS芯片的离子检测区采用圆柱阵列式微法拉第筒，具有气体接收面积大、离子吸收充分、能在大气压环境下工作和与FAIMS芯片集成等特点，且可以同时检测正负离子，可以实现离子分离和过滤的功能。

常见的不对称结构有针-板结构、同心球、线-线结构和线-筒结构。针-板结构的电晕离子源在IMS(离子迁移谱)中得到了较多的应用。这种“多针-网”结构的离子风设计可以将传统质谱仪中的离子源和进样系统合二为一，从而简化质谱分析的过程、减小质谱仪的体积，有望在实时在线分析的便携式质谱仪中应用。“多针-网”结构的离子风主要可以完成放电和进样两个作用。作为放电单元，“多针-网”结构的离子风主要通过气体放电来产生离子。它主要由多个放电针和一个网组成。放电装置的良好机械机构对于电极的放电乃至离子风的产生都有着至关重要的作用，在本结构中，电极的精密度对放电有很大的影响。已经证实，不对称的“针-板”结构可以在大气压环境下稳定工作，从而实现电晕放电产生离子风。为了产生离子风并获得更大的风速，我们使用多个放电针同时对一个平面放电的设计，期望使离子风的风速获得成倍的增加。为达到这样的目的，最重要的是保证放电针针尖所在平面和网平面之间的平行，否则，随着施加在放电针上的电压逐渐增加，离网最近的那根放电针将最先开始放电，而其他放电针却还没有达到放电的条件，这样就不能够满足多针同时放电的要求，也就不能使离子风风速增大。所以，放电针的针尖和网的平面度有较高的精度要求。

“多针-网”结构的离子风主要可以完成放电和进样两个作用。作为放电单元，“多针-网”结构的离子风主要通过气体放电来产生离子。不对称的“针-板”结构可以在大气压环境下稳定工作，从而实现电晕放电产生离子风。为了便于进气，我们利用精密机械加工的方法在圆环上加工出多个齿，形成皇冠的结构，每个齿尖作为一个放电针，整个圆环也就达到了“多针”的结构要求。整个离子风装置的结构设计为圆柱形腔体，在腔体的一端安装上不锈钢网作为阳极，在腔体的另一端设计可以滑配的圆柱形结构，用于调节多针结构和阳极网之间的间距。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。