离子迁移谱仪及其补偿式弯曲型离子漂移管的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种离子迁移谱仪及其补偿式弯曲型漂移管，所述补偿式弯曲型漂移管包括基管和套设于其外周的若干导电环，所述基管呈弯曲型；所述基管包括相互连接的初始弯道和可使离子通过漂移管的漂移距离保持一致的补偿弯道。本发明通过设置可使离子通过漂移管的漂移距离保持一致的补偿弯道，从而能够在提高离子迁移谱仪的性能如分辨率和灵敏度的同时大幅减小离子迁移谱仪的体积，为离子迁移谱仪的小型化、便携式化提供一种有效可靠的方法。
【专利说明】离子迁移谱仪及其补偿式弯曲型离子漂移管
【技术领域】
[0001]本发明涉及气相分离和检测技术，特别是涉及一种离子迁移谱仪及其离子漂移管。
【背景技术】
[0002]离子迁移谱仪(IMS, 1n Mobility Spectrometry)是一种基于离子在电场中的迁移速度的差异来对样品物质进行检测分析的仪器，与传统的质谱、色谱等分析仪器相比，其具有结构简单，灵敏度高，分析快速等特点，同时其能在大气环境中对微量物质进行检测，适合用于现场使用。其基本原理是:样品由载气带入电离反应区后，载气分子和样品分子在离子源的作用下发生一系列的电离反应和离子-分子反应，形成各种产物离子。在电场的趋势下，这些离子通过周期性开启的离子门进入漂移区。然后在漂移区电场的作用下，离子在漂移管中进行定向的迁移，由漂移管终端的检测器实时测量离子电流随时间的变化进而根据电流的变化可以计算出离子的迁移率。在一定的条件下，各种物质离子由于其质量、带电荷数、空间结构等因素不同而导致其具有不同的迁移率，因而将检测得到的不同离子对应的迁移率与标准物质库进行对比就能判断所检测物质的种类。
[0003]离子迁移谱仪的微型化是当前的一种趋势，目前国际上的研究已经使其由车载式、台式等向便携式的轻便仪器发展。现有的离子迁移谱仪基本采用直线型漂移管，小型化的时候只能等比例将原来的漂移管结构缩小，导致迁移管长度减小。根据离子迁移谱理论，离子迁移谱仪的分辨率和灵敏度都会降低。
[0004]申请号为2012101489660的中国发明专利申请所提出的弯曲型离子迁移谱仪，虽然在实际应用中增加了漂移管的绝对长度，而且对于分辨率和灵敏度起到一定的改善作用，但是，由于弯道会引入离子漂移距离的误差，从而导致漂移时间误差，所以在实际应用中仍然存在不足之处，因此开发一种能够对弯道引入误差进行补偿的漂移管具有广阔的应用前景。
【发明内容】
[0005]本发明所为克服前述现有技术的缺陷，提供一种补偿式弯曲型离子漂移管，包括基管和套设于其外周的若干导电环，所述基管呈弯曲型；所述基管包括相互连接的初始弯道和可使离子的漂移距离保持一致的补偿弯道。
[0006]根据实施例，本发明还可采用以下优选的技术方案:
[0007]所述补偿弯道的总弯曲角度与所述初始弯道的弯曲角度方向互逆，绝对值相等。
[0008]所述初始弯道的弯曲方向为逆时针或顺时针，所述补偿弯道的弯曲方向为顺时针或逆时针，两者的弯曲角度的绝对值相等。
[0009]所述初始弯道的弯曲方向为逆时针或顺时针，所述补偿弯道的弯曲方向包括顺时针段和逆时针段，所述顺时针段和逆时针段的弯曲角度之和的绝对值等于所述初始弯道的弯曲角度的绝对值。[0010]所述初始弯道和补偿弯道中，顺时针方向的弯道和逆时针方向的弯道成对设置，相互间隔连接。
[0011 ] 所述顺时针方向的弯道和逆时针方向的弯道有两对以上。
[0012]所述补偿弯道和初始弯道的半径相同。
[0013]所述初始弯道和补偿弯道的基管弯道半径不同，所述补偿弯道的基管包括与所述初始弯道弯曲方向相反的一个或两个以第一弯曲段，以及与所述初始弯道弯曲方向相同的一个或两个以上第二弯曲段。
[0014]所述基管还包括一个或两个以上直道段。
[0015]所述基管的初始弯道和补偿弯道的中心线同为S型或Ω型。
[0016]本发明还提供一种离子迁移谱仪，包括如前任一项所述的补偿式弯曲型离子漂移管。
[0017]本发明与现有技术对比的有益效果是:通过设置可使离子的漂移距离保持一致的补偿弯道，从而能够在提高离子迁移谱仪的性能如分辨率和灵敏度的同时大幅减小离子迁移谱仪的体积，为离子迁移谱仪的小型化、便携式化提供一种有效可靠的方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明一个优选实施例的补偿式弯曲型离子漂移管的结构示意图。
[0019]图2是图1补偿式弯曲型离子漂移管的原理示意图。
[0020]图3是图1补偿式弯曲型离子漂移管的电势线示意图。
[0021]图4是图1补偿式弯曲型离子漂移管的离子迁移补偿效果示意图。
[0022]图5是另一实施例的补偿式弯曲型离子漂移管的结构示意图。
[0023]图6是再一优选实施例的补偿式弯曲型离子漂移管的原理示意图。
[0024]图7是图6实施例的离子迁移补偿效果示意图。
[0025]图8是本发明一类补偿式弯曲型离子漂移管的基管轴线基本原理示意图。
[0026]各附图中的实施例不构成对本申请的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图，通过以下结合附图的说明，能够更充分地理解本发明上面所述和其他的方面、实施方式和其特点。在附图中，相似的参考标记通常代表各附图中相似的特征和结构部件。附图无需严格按照比例，而是着重于对说明本发明的原理。
【具体实施方式】
[0027]下面对照附图和结合优选【具体实施方式】对本发明进行详细的阐述。
[0028]实施例1
[0029]如图1所示，本实施例是一个补偿式S型离子漂移管，属于补偿式弯曲型离子漂移
管中的一种类型，其包括S型的基管和设在该基管上的若干导电环a、b、c.......，可根据
实际需要选择适当的导电环数量。该S型离子漂移管在离子迁移谱仪中工作时，每个导电环上均加有恒定的直流电压，并且从该S型离子漂移管的一端到另一端，各个导电环上所加的直流电压单调递减或者单调递增。被检测样品经过离子漂移管前端的电离区被电离成各种离子后进入该S型离子漂移管的一端，由于S型离子漂移管上的导电环被加载不同的直流电压，且导电环上的电压呈单调递增或者单调递减的排布方式，会生成和S型基管轴线大致平行的电场线(即为电势线的垂直方向的线)，因此由样品电离生成的离子将会沿着电场线的方向进行迁移。也就是说，该S型离子漂移管内的电场呈现比较均匀的分布，离子漂移管轴心的电场线方向(即电势线的垂直方向)基本与S型离子漂移管机械结构的轴线保持一致，同时弯道内的电势线分布保持均匀。
[0030]在图2所示的补偿式S型离子漂移管的原理示意图中，可以看到，该S型离子漂移管的基管中，初始弯道和补偿弯道具有相同的弯道半径，同时初始弯道和补偿弯道还具有完全对称一致的导电环排布方式，其上的加载电压差也是保持完全一致。
[0031]在图3所示的补偿式S型离子漂移管的电势线示意图中，可以看到，该S型离子漂移管管内的电场呈现比较均匀的分布，离子漂移管轴心的电场线方向(即电势线的垂直方向)基本与S型离子漂移管机械结构的轴心保持一致，同时初始弯道内的电势线分布与补偿弯道的电势线分布保持对称且均匀。
[0032]在图4所示的补偿式S型离子漂移管的离子迁移补偿效果示意图中，我们可以看到，A、B、C三个离子各自从S管的轴心以及内、外偏移(相对于轴心)等距的地方开始出发，可以计算得到:[0033]A离子漂移的距离为:
[0034]La = 1^+1^+13+2 Ji R
[0035]B离子漂移的距离为:
[0036]Lb = lj+lg+ls+ π (R+ Δ R) + Ji (R-AR) =R
[0037]C离子漂移的距离为:
[0038]La = Lb = Lc
[0039]Lc = Ijl2+]^+(R- Δ R) + Ji (R+ Δ R) =R
[0040]所以有:亦即不同出发点出发的离子的漂移距离为一致，即对单弯道所引入的误差具有补偿的效果。
[0041]值得说明的是:如B、C两个离子从内、外偏移(相对于轴心)不等距的地方开始出发，其最终漂移的距尚仍然是1^+1^+13+2 31 Ro
[0042]此外，本实施例中，还包括设于所述初始弯道和补偿弯道之间的作为过渡的多个直道段。但本领域技术人员理解，所述多个直道并非必须。
[0043]实施例2
[0044]在图5所示的由多个补偿式S型离子漂移管叠加而成的补偿式离子漂移管的结构示意图中，可以看到，其采用多个补偿式S型离子漂移管叠加排布的方式，其中，单个补偿式S型离子漂移管已经进行了内补偿，所以多个补偿式S型离子漂移管叠加能够有效地增加离子漂移管的绝对长度，进而增加漂移管的分辨率以及灵敏度。其结构及工作原理与实施例I类似，不做赘述。同时，补偿式S型离子漂移管内部补偿可减小初始弯道对离子漂移带来的漂移时间和漂移距离的影响，因此，本发明能够在提高离子迁移谱仪的性能的同时大幅减小离子迁移谱仪的体积，可以直接适用于离子迁移谱仪的小型化和便携式化，为微型化离子迁移谱仪提供一种有效可靠的方法。
[0045]实施例3
[0046]在图6所示的补偿式弯曲型离子漂移管的原理示意图中，我们可以看到相较于实施例I所不同的是:离子漂移管中间的大弯道半径为两侧两个小弯道半径的和，其他的结构基本与实施例1中的类似，该漂移管包括Ω型的基管和在该基管上的若干导电环a、b、
c.......，每个导电环上均加有恒定的直流电压，并且从该Ω型漂移管的一端到另一端，
各个导电环上所加的直流电压单调递减(也可是单调递增)。该Ω型基管在离子迁移谱仪中工作时，被检测样品经过离子漂移管前端的电离区被电离成各种离子后进入该Ω型基管的一端，由于基管上的导电环被加载不同的直流电压，且导电环上的电压呈单调递增或者单调递减的排布方式，会生成和Ω型基管轴线大致平行的电场线，因此由样品电离生成的离子将会沿着电场线的方向进行迁移。同样地，该Ω型离子漂移管内的电场呈现比较均匀的分布，离子漂移管轴心的电场线方向(即电势线的垂直方向)基本与Ω型离子漂移管机械结构的轴线保持一致，同时弯道内的电势线分布保持均匀。
[0047]在图7所示的补偿式Ω型离子漂移管的离子迁移补偿效果示意图中，假设D、E、F三个离子分别从管的轴心以及内、外偏移(相对于轴心)等距的地方开始出发，可以计算得到:
[0048]D离子漂移的距离为:
[0049]Ld = 14+15+ Ji Rx+2 Ji R2+ Ji R3
[0050]E离子漂移的距离为:
[0051 ] Le = 14+15+ τι (R1+ Δr) +2 (R2-Δr) + n (R3+ Ar) = 14+15+ τι Rj+2 τι R2+ n R3
[0052]F离子漂移的距离为:
[0053]Lf = 14+15+ τι (R「Δr) +2 (R2+ Δr) + π (R3- Ar) = 14+15+ τι Rj+2 τι R2+ π R3
[0054]所以有:
[0055]Ld = Le = Lf
[0056]亦即不同出发点出发的离子的漂移距离为一致，即对单弯道所引入的误差具有补偿的效果。
[0057]同实施例1，如B、C两个离子从内、外偏移(相对于轴心)不等距的地方开始出发，其最终漂移的距离仍然是li+l2+l3+2 31 R0
[0058]在图6所示的补偿式Ω型弯道叠加型离子漂移管的原理示意图中，可见采用单个Ω型管叠加排布的方式已经对离子漂移管进行了内补偿，所以同样地多个Ω型离子漂移管叠加能够有效地增加漂移管的绝对长度，能够延长漂移管长度进而增加漂移管的分辨率以及灵敏度，同时Ω型离子漂移管内部补偿减小了初始弯道对离子漂移带来的漂移时间和漂移距离的影响，因此，本发明能够在提高离子迁移谱仪的性能的同时大幅减小离子迁移谱仪的体积。同时，相较于S型离子漂移管而言，Ω型离子漂移管可以更好地安置和排布漂移管外围结构，更好地为微型化离子迁移谱仪提供一种有效可靠的方法。
[0059]实施例1、2、3仅为本优选【具体实施方式】的举例，但并不局限于此，结合图8可知，只要满足下式即可进行漂移补偿:
[0060]Z A1+ Z A2+ Z A3+......Z An = Z B1+ Z B2+......Z Bm
[0061]其中，Z A1+Z A2+Z A3+......Z An分别为逆时针方向的基管弯曲角度，
[0062]Z B1+ Z B2+......ZBm分别为顺时针方向的基管弯曲角度，η和m为自然数。
[0063]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种补偿式弯曲型离子漂移管，包括基管和套设于其外周的若干导电环，所述基管呈弯曲型，其特征在于:所述基管包括相互连接的初始弯道和可使离子的漂移距离保持一致的补偿弯道。
2.如权利要求1所述的补偿式弯曲型离子漂移管，其特征在于:所述补偿弯道的总弯曲角度与所述初始弯道的弯曲角度方向互逆，绝对值相等。
3.如权利要求1所述的补偿式弯曲型离子漂移管，其特征在于:所述初始弯道的弯曲方向为逆时针或顺时针，所述补偿弯道的弯曲方向为顺时针或逆时针，两者的弯曲角度的绝对值相等。
4.如权利要求1所述的补偿式弯曲型离子漂移管，其特征在于:所述初始弯道的弯曲方向为逆时针或顺时针，所述补偿弯道的弯曲方向包括顺时针段和逆时针段，所述顺时针段和逆时针段的弯曲角度之和的绝对值等于所述初始弯道的弯曲角度的绝对值。
5.如权利要求4所述的补偿式弯曲型离子漂移管，其特征在于:所述初始弯道和补偿弯道中，顺时针方向的弯道和逆时针方向的弯道成对设置，相互间隔连接。
6.如权利要求5所述的补偿式弯曲型离子漂移管，其特征在于:所述顺时针方向的弯道和逆时针方向的弯道有两对以上。
7.如权利要求1所述的补偿式弯曲型离子漂移管，其特征在于:所述补偿弯道和初始弯道的半径相同。
8.如权利要求1所述的补偿式弯曲型离子漂移管，其特征在于:所述初始弯道和补偿弯道的基管弯道半径不同，所述补偿弯道的基管包括与所述初始弯道弯曲方向相反的一个或两个以第一弯曲段，以及与所述初始弯道弯曲方向相同的一个或两个以上第二弯曲段。
9.如权利要求1-8任一项所述的补偿式弯曲型离子漂移管，其特征在于:所述基管还包括一个或两个以上直道段。
10.如权利要求1-8任一项所述的补偿式弯曲型离子漂移管，其特征在于:所述基管的初始弯道和补偿弯道的中心线同为S型或Ω型。
11.一种离子迁移谱仪，其特征在于:包括如权利要求1-10任一项所述的补偿式弯曲型离子漂移管。
【文档编号】H01J49/04GK103578907SQ201310539519
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】倪凯, 欧光礼, 余泉, 郭静然, 钱翔, 王晓浩, 唐飞 申请人:清华大学深圳研究生院