阅读说明：本技术 一种正负离子同测二维分离离子迁移管 (Positive and negative ion simultaneous measurement two-dimensional separation ion migration tube ) 是由 陈创 陈红 厉梅 蒋丹丹 李海洋 于 2019-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于非对称场离子迁移谱和迁移时间离子迁移谱二维正交联用的离子迁移管，具体地说，是一种同时包含非对称场离子分离通道和迁移时间离子分离通道的离子迁移管。其特征在于，非对称场离子分离通道与迁移时间离子分离通道同轴放置，非对称场离子分离通道由两个同轴放置的分离电极构成，离子出口位于迁移时间离子分离通道的轴线上；非对称场离子分离通道将电离源产生的正负离子同时进行第一维分离并聚焦，然后高效传输至迁移时间离子分离通道的轴线上；迁移时间离子分离通道内电场周期性切换，实现正负离子的第二维分离和同时检测。该离子迁移管可以实现高灵敏度二维正交分离检测，目标物识别准确性高，现场适用性强。(The invention discloses an ion migration tube based on two-dimensional orthogonal combination of an asymmetric field ion mobility spectrometry and a migration time ion mobility spectrometry, and particularly relates to an ion migration tube simultaneously comprising an asymmetric field ion separation channel and a migration time ion separation channel. The ion separation device is characterized in that the asymmetric field ion separation channel and the migration time ion separation channel are coaxially arranged, the asymmetric field ion separation channel is composed of two coaxially arranged separation electrodes, and an ion outlet is positioned on the axis of the migration time ion separation channel; the asymmetric field ion separation channel simultaneously carries out first-dimension separation and focusing on positive and negative ions generated by an ionization source, and then efficiently transmits the positive and negative ions to the axis of the migration time ion separation channel; and electric fields in the migration time ion separation channel are periodically switched, so that the second-dimensional separation and simultaneous detection of positive and negative ions are realized. The ion migration tube can realize high-sensitivity two-dimensional orthogonal separation detection, and has high target identification accuracy and strong field applicability.)

一种正负离子同测二维分离离子迁移管

技术领域

本发明公开一种用于正负离子同测的二维分离离子迁移管。具体地说，是一种利用非对称场离子迁移谱与迁移时间离子迁移谱的正交联用和迁移时间离子迁移谱内分离电场极性快速切换，实现正负离子同时检测和二维正交分离的离子迁移管。

背景技术

离子迁移谱(IMS)是20世纪70年代初出现的一种气相离子分离检测技术。相比质谱技术，IMS的离子分辨能力比较弱。但是，IMS具有高灵敏、大气压下工作、仪器便携等优点。目前，IMS除了在***、毒品现场筛查等国家、公共安全领域中发挥着主流技术的作用外，其与气相色谱、液相色谱的联用在环境污染、食品安全、生物医药研究领域的现场快速检测中也发挥着越来越重要的作用。

IMS根据离子迁移率分离方式可分为迁移时间离子迁移谱(DTIMS)、非对称场离子迁移谱(FAIMS/DMS)、差分迁移率离子迁移谱(DMA)、吸入式离子迁移谱(AIMS)等等。其中，DTIMS利用均匀直流弱电场(E/N<4Td,E表示电场强度、N表示气体的分子数密度)中不同离子通过相同距离所需时间的差异进行离子分离分析，是应用最广泛的IMS技术。相对于质谱、色谱等，IMS技术分辨能力普遍较低，例如，DTIMS通常在40～50之间，FAIMS在10～20之间，DMA在10～20之间。单一的IMS技术，通常难以满足现场快速检测复杂样品对分辨能力的需求。因此，构建基于IMS技术的二维甚至三维联用系统，保持仪器对现场检测适应性的同时获得高分辨能力和峰容量，是IMS技术研究的一个重要方向。

FAIMS是一种通过在平行片状分离极板间或同轴筒状分离极板间施加高频非对称电场实现正负离子同时分离检测的技术，而且采用同轴式分离极板的FAIMS还具有离子空间聚焦和高效传输的功能。Shvartsburg等(US7170053)和Guevremont等(US7368709)均将FAIMS的离子分离极板分成若干段电极，在分离极板间施加高频非对称电场的同时引入沿极板间隙轴向的直流弱电场，实现FAIMS与DTIMS二维正交联用。但是该设计无法满足DTIMS对直流弱电场均匀性需求高的特点，分辨能力提高有限，并且仅能检测单极性离子。

Sionex公司(Proc.of SPIE,2008,6954,69540H)将双DTIMS分离通道放置在FAIMS离子检测极板两侧实现了二维正交分离下的正负离子同时检测。在该设计中，FAIMS平行分离极板间的离子向DTIMS中引出效率较低，造成系统灵敏度差；另外，DTIMS上电压需要采用逆向施加方式，离子接受极处于高电平，信号提取困难。

Bohnhorst等人(Anal.Chem.2018,90,1114)通过在DTIMS的迁移管内嵌合电压可调制的三平行栅网电极，也将DMS与DTIMS联用并提高了系统分辨能力。但是，该设计不具有二维正交分离特性，并且仅能检测单极性离子。

本发明公开一种基于FAIMS与DTIMS联用的离子迁移管设计。该离子迁移管的结构简单，含有一个FAIMS分离通道和一个DTIMS分离通道，可以在二维正交分离下实现正负离子同测；另外，FAIMS分离通道可以同步进行离子分离和离子聚焦，并将其高效传输至DTIMS分离通道中，系统灵敏度高。

发明内容

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本发明的目的是构建一种可同时检测正负离子的二维离子迁移率分离分析系统，一方面获得高的峰容量和分辨能力，另一方面，获得目标物的全景离子信息，从而实现复杂基质中目标物的准确识别。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种正负离子同测二维分离离子迁移管，包括自左至右依次设置的离子源、非对称场离子分离通道、迁移时间离子分离通道和离子接收极；

非对称场离子分离通道由相互间隔、同轴设置的筒状外分离电极和柱状内分离电极构成；筒状外分离电极为左端开口、右端密闭的圆柱形筒体，筒体内部的右侧底面为半球状，半球状底面与筒体同轴，于半球状底面沿轴线方向开设有作为离子出口的通孔；柱状内分离电极为圆形柱体，柱体右端面为半球状，半球状端面与柱体同轴；内分离电极置于外分离电极内部，构成绕电极轴线一周的间隙；

于非对称场离子分离通道的左端设置绝缘密封柱体，绝缘密封柱体与非对称场离子分离通道同轴；于绝缘密封柱体的右端面沿轴线方向开设圆环状凹槽，绝缘密封柱体右端面与外分离电极的左端面密闭连接，圆环状凹槽与内分离电极和外分离电极之间的间隙相连通；于绝缘密封柱体的侧壁上设置离子源，离子源开口指向柱体内部，与圆环状凹槽相连通；于绝缘密封柱体的左端面设置与圆环状凹槽相连通的通孔，作为载气入口；

迁移时间离子分离通道为环状电极和环状绝缘体同轴交替叠合构成的中空筒体，迁移时间离子分离通道与非对称场离子分离通道同轴，迁移时间离子分离通道的左端与外分离电极的右端经环状绝缘体绝缘密封连接，外分离电极的离子出口与迁移时间离子分离通道内腔相连通；

离子接收极含有用于接收离子的法拉第盘，离子接收极与迁移时间离子分离通道右端经环状绝缘体绝缘密封连接，离子接收极、法拉第盘与迁移时间离子分离通道同轴；于离子接收极上开设沿轴向的通孔，作为漂气入口；

于非对称场离子分离通道与离子接收极之间设置能控制离子通断的离子门，离子门将迁移时间离子分离通道分为离子缓冲区和离子迁移区，离子门与迁移时间离子分离通道同轴；离子缓冲区侧壁上开设通孔，作为出气口；

外分离电极和离子接收极分别与第一电压和大地相连接，迁移时间离子分离通道的各电极经分压电阻链与外分离电极和离子接收极相连接；第一电压为周期可调、占空比为50％的方波电压，方波电压高低电平的极性相反、电压绝对值相同；

内分离电极上施加第二电压，第二电压由高频非对称分离电压和直流补偿扫描电压组成，第二电压以外分离电极的电压作为参考电压(或偏置电压)；

第一方波电压的周期时间与第二电压中直流补偿扫描电压的电压步长维持时间相同。

所述离子源为能够产生离子的任意离子源。

所述离子门为三平行栅极离子门，平行栅极为能够透过离子的金属网栅或金属线栅。

所述载气入口、漂气入口、出气口均为2个以上、且沿离子迁移管轴向均匀分布。

载带有待测样品的载气经载气入口进入离子迁移管内，首先被离子源电离生成正、负样品离子；样品离子被载气载带进入非对称场离子分离通道内，在高频非对称分离电场和直流补偿扫描电场的作用下被分离和富集后，经离子出口进入离子缓冲区内；离子缓冲区内的正、负样品离子在迁移时间离子分离通道内周期变化电场作用下，分别通过脉冲开启的离子门进入离子迁移区内，在其中分离电场驱动下被分离并被法拉第盘接收转化成电流强度对时间的正、负离子谱图信息输出。

在上述过程进行的同时，一路漂气从离子接收极上设置的漂气入口进入迁移时间离子分离通道内部并沿着与离子飞行方向相反的方向流动，最终与载气一起从离子缓冲区上设置的出气口流出离子迁移管。

所述气体为包括O₂、N₂、CO₂、H₂、Ar等气体在内的任一气体或者二种以上气体混合物。

本发明的优点是：

首先，该离子迁移管中FAIMS分离通道与DTIMS分离通道之间采用直接串接模式，无需复杂接口装置；其次，仅采用一个DTIMS分离通道与FAIMS分离通道联用，即可以在二维正交分离下实现正负离子同测，迁移管结构简单，现场检测适用性强；再次，采用同轴式分离极板的FAIMS分离通道可以同步进行离子分离和离子聚焦，并将离子高效传输至DTIMS分离通道中，系统灵敏度高。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

附图说明：

图1、一种基于非对称场离子迁移谱和迁移时间离子迁移谱联用的离子迁移管结构图示。其中：(1)VUV光电离源、(2)非对称场离子分离通道、(3)迁移时间离子分离通道、(4)离子接收极、(5)法拉第盘、(6)四氟柱体、(7)载气入口、(8)漂气入口、(9)出气口、(10)不锈钢环、(11)四氟环、(21)外分离电极、(22)内分离电极、(23)离子出口、(31)离子缓冲区、(32)三平行栅离子门、(33)离子迁移区。

图2、迁移时间离子分离通道上所施加第一电压的波形；其中，V(+)和V(-)的电压绝对值相同，V(+)在5000～10000V间调节，V(-)在-5000～-10000V间调节，第一方波电压的周期为10ms。

图3、三平行栅离子门的结构图示及门控制电压波形；通过调节t1和t2的时间差即可以调节离子门开门时间w_g，离子门工作周期为5ms。

具体实施方式

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实施例1

一种基于非对称场离子迁移谱和迁移时间离子迁移谱二维正交联用的离子迁移管，其结构如图1所示。离子迁移管包括自左至右依次设置的VUV光电离源(1)、非对称场离子分离通道(2)、迁移时间离子分离通道(3)和离子接收极(4)；

非对称场离子分离通道(2)由同轴设置的圆筒状外分离电极(21)和圆柱状内分离电极(22)构成；外分离电极(21)为左端开口、右端密闭的圆柱形筒体(长度32mm、外径40mm、内径30mm、圆柱形内腔区长度15mm)，筒体内部的右侧底面为半球状(球面半径15mm)，半球状底面与筒体同轴，于半球状底面沿轴线方向开设有作为离子出口(23)的通孔(孔径2mm)；柱状内分离电极(22)为圆形柱体(长度29mm、外径28mm、圆柱形区域长度15mm)，柱体右端面为半球状(球面半径14mm)，半球状端面与柱体同轴；内分离电极(22)置于外分离电极(21)内部，构成绕电极轴线一周的间隙(径向宽度1mm)；

于非对称场离子分离通道(2)的左端设置外径40mm、长度20mm的四氟柱体(6)，四氟柱体(6)与非对称场离子分离通道(2)同轴；于四氟柱体(6)的右端面沿轴线方向开设深度为15mm的圆环状凹槽(凹槽大经30mm、凹槽小径28mm)，四氟柱体(6)右端面与外分离电极(21)的左端面密闭连接；于四氟柱体(6)的侧壁上设置2个圆周均布的VUV光电离源(1)，电离源开口指向柱体内部，与圆环状凹槽相连通；于四氟柱体(6)的左端面设置与圆环状凹槽相连通的通孔(孔直径1mm)，作为载气入口(7)，载气入口(7)为2个，沿圆周均布；

迁移时间离子分离通道(3)由外径40mm、厚度1mm、内径30mm的不锈钢环(10)和外径40mm、厚度4mm、内径30mm四氟环(11)同轴交替叠合构成，总长度为87mm；迁移时间离子分离通道(3)的左端与外分离电极(21)的右端经四氟环(11)绝缘密封连接；

三平行栅离子门(32)由三片外径40mm、厚度50μm的不锈钢栅网和两片外径40mm、内径30mm、厚度1mm的四氟环同轴交替叠合构成，如图3中所示；离子门(32)将迁移时间离子分离通道(3)分为长度为15mm的离子缓冲区(31)和长度为70mm的离子迁移区(33)，离子缓冲区(31)侧壁上开设直径1mm的通孔，作为出气口(9)，出气口(9)为2个，沿圆周均布；

离子接收极(4)外径为40mm、厚度10mm，内部嵌合有直径为8mm的法拉第盘(5)，离子接收极(4)与迁移时间离子分离通道(3)右端经四氟环(11)绝缘密封连接，离子接收极(4)、法拉第盘(5)与迁移时间离子分离通道(3)同轴；于离子接收极(4)上沿轴向开设直径为1mm的通孔，作为漂气入口(8)，漂气入口(8)为2个，沿圆周均布；

外分离电极(21)和离子接收极(4)分别与周期为10ms第一方波电压和大地相连接，迁移时间离子分离通道(3)的各电极经分压电阻链(1MΩ电阻首尾串联构成)与外分离电极(21)和离子接收极(4)相连接，在迁移时间离子分离通道(3)内形成极性周期变化的均匀迁移电场；第一方波电压的波形如图2中所示；

内分离电极(22)上施加第二电压，第二电压由高频非对称分离电压和直流补偿扫描电压组成，第二电压以外分离电极(21)的电压作为参考电压(或偏置电压)，在内分离电极(22)和外分离电极(21)之间形成高频非对称分离电场和直流补偿扫描电场；第二电压中非对称分离电压的参数为：频率2MHz、高压幅值1000V，直流补偿扫描电压的参数为：电压步长0.2V、电压步长维持时间10ms、扫描电压范围为参考电压值±30V；

该离子迁移管工作时，载带有待测样品的载气(洁净空气)经载气入口(7)进入离子迁移管内，首先被离子源(1)电离生成正、负样品离子；样品离子被载气载带进入非对称场离子分离通道(2)内，在高频非对称分离电场和直流补偿扫描电场的作用下被分离和富集后，经离子出口(23)进入离子缓冲区(31)内；离子缓冲区(31)内的正、负样品离子在迁移时间离子分离通道(3)内周期变化电场作用下，分别通过脉冲开启的三平行栅离子门(32)进入离子迁移区(33)内，在其中分离电场驱动下被分离并被法拉第盘(5)接受转化成电流强度对时间的正、负离子谱图信息输出。

在上述过程进行的同时，一路漂气(洁净空气)从离子接收极(4)上设置的漂气入口(8)进入迁移时间离子分离通道(3)内部并沿着与离子飞行方向相反的方向流动，最终与载气一起从离子缓冲区(31)上设置的出气口(9)流出离子迁移管。