专利名称：双极性离子迁移谱仪的离子门及方法
技术领域：
本发明涉及双极性离子迁移率谱仪(IMS)中用的离子门以及方法，属于爆炸物、 毒品检测技术领域。
背景技术：
通常，双极性离子迁移率谱仪(双极性IMS)主要由离子源、两个漂移管(TOF)、正 负离子反应区、正离子门、负离子门、两个探测器构成。最简单的构成方式是两个漂移管位 于正负离子反应区两侧。不同于普通的MS，在双极性MS中，由于要求对正负离子进行探 测，离子门的结构对仪器的灵敏度产生很大的影响。如在专利文献1 (US4445038)中，两个 分别位于正、负漂移管前端的电极构成正、负离子门，离子源位于两个电极中央，样气从离 子源上方的管道进入后被离化，并滞留在离子源两端的正、负离子门内。当脉冲到达后，离 子门内的正、负离子分别被释放到相邻的漂移管中。上述专利文献1优点是离子控制方法 简单，缺点是离子门的制造工艺复杂，装配要求高，生产成本较高。另外，离子有效利用率 低，门的结构使得大约90%的离子损失在门内，导致仪器的灵敏度较低。
为提高离子的有效利用率，专利文献2 (美国专利7259369B2)提出了使用四极离 子阱对正负离子同时进行存储的方法，并通过电极控制对正负离子同时释放。此四极离子 阱由两个扁圆筒、一个内径较大的外部圆筒，中心带孔的两个帽子形状的小圆筒构成，两个 扁圆筒套装在外部圆筒的两端，两个帽子形状的小圆筒分别套在两个扁圆筒内部，且帽顶 相对。专利文献2所提出的结构消除了专利文献1的弊端，四极离子阱对离子的聚焦、压縮 作用提高了系统的分辨率，同时多个进气孔允许装置随时更换载气、迁移气。但由于正、负 离子同时存储在阱内的同一个区间，离子间的电荷交换造成离子的部分损失。同时，由于四 极离子阱的结构复杂、对同心度及组装的要求很高，使得生产成本较高，而复杂的电极控制 方法也提高了装置的控制难度。 另外，在其它的专利中也提出了在一个漂移管中，通过电极控制分别对正、负离子 进行测量的方法，其优点是装置结构简单、体积小；其缺点是不能同时对正、负离子进行测 量，同时装置内的载气、迁移气的更换受到限制。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明在现有的双极性MS的基础上，提出一种新型的正 负离子门。此技术能够有效地降低离子的损耗，从本质上提高了 IMS检测的灵敏度；同时通 过简单、快速、充分的离子引出方式，提高双极性IMS的分辨率。而简单的电极控制方法、离 子门构造及制造工艺大大降低了生产成本。 在本发明的第一方面，提出了一种双极性IMS的离子门，包括离子源；第一门电 极，设置在离子源的一侧；第二门电极，设置在离子源的另一侧；第三门电极，设置在第一 门电极的远离离子源的那侧；第四门电极，设置在第二门电极的远离离子源的那侧；其中， 在离子存储阶段，第一门电极在轴上相应位置的电位与离子源的电位和第三门电极的电位存在差异；第二门电极在轴上相应位置的电位与离子源的电位和第四门电极的电位存在差
巳 升° 优选地，在离子存储阶段，第一 门电极在轴上相应位置的电位高于离子源的电位 和第三门电极的电位；第二门电极在轴上相应位置的电位低于离子源的电位和第四门电极 的电位。 优选地，所述的离子门还包括第五门电极，设置在第三门电极的远离离子源的那 侧；第六门电极，设置在第四门电极的远离离子源的那侧。 优选地，所述第五门电极和第六门电极分别作为负离子漂移管和正离子漂移管的 起始部分。 优选地，在离子引出阶段，通过控制离子源、第一门电极、第二门电极、第三门电极 和第四门电极中的至少之一在轴上的电位来将离子引出。 优选地，第一门电极、第三门电极和第五门电极相对于离子源与第二门电极、第四 门电极和第六门电极对称分布。 优选地，第一门电极、第三门电极和第五门电极相对于离子源与第二门电极、第四 门电极和第六门电极非对称分布。 在本发明的另一方面，提出了一种用于双极性IMS的离子门的方法，所述离子门 包括离子源，所述方法包括步骤将离子源一侧在轴上的第一位置的电位设置成与离子源 的电位和沿着在该侧远离该离子源的方向上毗邻该第一位置的第三位置在轴上的电位存 在差异，以形成第一离子存储区；以及将离子源另一侧在轴上的第二位置的电位设置成与 离子源的电位和沿着在该另一侧远离该离子源的方向上毗邻该第二位置的第四位置在轴 上的电位存在差异，以形成第二离子存储区。 优选地，将离子源一侧在轴上的第一位置的电位设置成比离子源的电位和沿着在 该侧远离该离子源的方向上毗邻该第一位置的第三位置在轴上的电位高，以形成第一离子 存储区；以及将离子源另一侧在轴上的第二位置的电位设置成比离子源的电位和沿着在该 另一侧远离该离子源的方向上毗邻该第二位置的第四位置在轴上的电位低，以形成第二离 子存储区。 优选地，所述的方法还包括步骤通过控制所述轴上的电位来将离子引出。 优选地，通过所述轴上的电位来将离子引出的步骤包括给第一到第四位置之一
施加相应的电位来将离子引出。 利用本发明的离子门和方法，样品气体进入离子门后，在第一门电极和第二门电 极之间与反应离子进行电荷交换，正负离子(样品离子、反应离子)在电场的作用下，源源 不断地被存储到正负离子滞留区中，提高了离子的利用效率。采用简单地对组合电极进行 控制的方法，将正负离子滞留区中的离子分步引出。
图1示出了根据本发明实施例的双极性IMS离子门的剖面结构示意图。
图2是如图1所示的各个电极的详细结构示意图。 图3为根据本发明第一实施例的离子存储和引出过程中管轴上电势的分布曲线 示意图。
图4为电极控制脉冲示意图。 图5示出了根据本发明第二实施例的离子存储和引出过程中管轴上电势的分布 曲线示意图。 图6示出了根据本发明第三实施例的离子存储和引出过程中管轴上电势的分布 曲线示意图。 图7示出了根据本发明第四实施例的离子存储和引出过程中管轴上电势的分布 曲线示意图。
具体实施例方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
第一实施例
如图1所示，一种用于双极性IMS的正负离子门，包括一个离子源0、第一门电极 1、第二门电极2，第三门电极3、第四门电极4，第一门电极2位于离子源0与第四门电极4 之间，第一门电极1位于离子源0与第三门电极3之间。第五门电极5可以是探测负离子 的漂移管的起始部分，第六门电极6可以是探测正离子的漂移管的起始部分。第一门电极 1 、第三门电极3和第五门电极5相对于离子源0与第二门电极2，第四门电极4和第六门电 极6对称分布。 离子源O用来将样品分子电离，该离子源可以是放射性同位素源，也可以是激光 等。第一门电极1和第二门电极2都是中心带孔的极板，形成为圆环状电极，保障存储于附 近的离子不会与电极碰撞损失掉，如图2A和2B所示。第三门电极3和第四门电极4为透 过率较高(80%以上)的极板，由导电材料构成并且形成为网状电极，如图2C和2D所示。 如图2E和2F所示，第五门电极5和第六门电极6为离子透过率较高(80%以上)的极板， 由导电材料构成并且形成为网状电极。 作为另一选择，第三门电极3、第四门电极4、第五门电极5和第六门电极6可为其 他已知的任何一种电极结构，例如带有多个孔的极板等结构。 开始时，离子源0、第五门电极5和第六门电极6位于零电位，第一门电极1与第四 门电极4的电位均高于离子源0的电位，第二门电极2与第三门电极3的电位均低于离子 源0的电位。第一门电极1的电位高于离子源0和第三门电极3的电位，因而在第一门电 极1附近形成了存储负离子的离子滞留区。 第二门电极2的电位低于离子源0和第四门电极4的电位，因而在第二门电极2
附近形成了存储正离子的离子滞留区。图3的实线是存储阶段管内各个位置的电场强度分
布曲线。可以将离子源0及第一门电极1和第二门电极2共同构成组合电极。 样品气体进入系统后，在第一门电极1和第二门电极2间与反应离子进行电荷交
换。在第一门电极1和第二门电极2间的电场的作用下，此区间内的正、负离子穿越离子源
O后分别被存储到第一门电极1附近的负离子滞留区内和第二门电极2附近的正离子滞留区内。 在仪器测量时间内，通过对离子滞留区的连续填充离子，从本质上提高了仪器的 灵敏度。然后，向组合电极施加一个幅度为U的负脉冲，如图4所示，组合电极的电位同步 降低U，离子源0与第三门电极3之间瞬间建立负离子引出电场。
在此负脉冲宽度内，第一 门电极1的电位低于第三门电极3的电位，如图3虚线所 示，因此存储于第一门电极1附近的负离子在引出电场的作用下进入到探测负离子的漂移 管中。同时，存储于第二门电极2附近的正离子被电场压縮。 经过时间t后，组合电极被施加一幅度为U的正脉冲，离子源0与第四门电极4之 间瞬间建立正离子引出电场。 在此正脉冲宽度内，第二门电极2的电位高于第四门电极4的电位，如图3点划 线所示，因此存储于第二门电极2附近的正离子在引出电场作用下进入探测正离子的漂移 管。在此正脉冲宽度内，存储于第一门电极l附近的负离子被压縮。 根据实际需要，t、正、负脉冲宽度是可调的，并且可以先对组合电极施加正脉冲， 然后施加负脉冲。优选地，在一个脉冲周期内，一个状态的开始到另一个状态的开始之间的 时间间隔t满足以下关系500ms > t > 20ii s。 以上的第一实施例描述了将离子源0、第一门电极l和第二门电极2作为组合电 极来引出离子的过程，但是本发明不限于此，例如，仅控制离子源O的电位，要求负(正)脉 冲跳变幅度很大以至于能够穿越电极1(2)，使第一门电极1(2)在轴上的电位小于(大于) 第三(四)门电极3(4)在轴上的电位，从而引出离子。
第二实施例
图5示出了根据本发明第二实施例的离子存储和引出过程中管轴上电势的分布 曲线示意图。 如图5所示，根据本发明第二实施例，在离子存储阶段，向各个电极和离子源施加 电压使得离子门轴上形成的电势满足以下关系第五门电极5上的电位>第一门电极1上 的电位>离子源0上的电位>第三门电极3上的电位，以便在第一门电极1附近形成存储 负离子的负离子滞留区，而第六门电极6上的电位<第二门电极2上的电位<离子源0上 的电位<第四门电极4的电位，以便在第二门电极2附近形成存储正离子的正离子滞留区。
在负离子引出阶段，向离子源O施加负脉冲，使得在离子门轴向上形成的电势满 足以下关系第五门电极5上的电位>第三门电极3上的电位>第一门电极1上的电位> 离子源0的电位，从而仅仅将负离子引出。 在正离子引出阶段，向离子源O施加正脉冲，使得在离子门轴向上形成的电势满 足以下关系离子源0上的电位>第二门电极2上的电位>第四门电极4上的电位>第六 门电极6上的电位，从而仅仅将正离子引出。 在这种情况下，由于仅仅对离子源0进行控制就可以引出离子，因此控制电路的 结构和控制过程非常简单。 此夕卜，还可以对第三门电极3和第四门电极4分别施加脉冲来进行离子的引出。
在负离子引出阶段，如图5所示，对第三门电极3施加正脉冲，使得第三门电极3 上的电位大于第一门电极1上的电位，小于第五门电极5上的电位，从而仅仅将负离子引 出。 在正离子引出阶段，如图5所示，对第四门电极4施加负脉冲，使得第四门电极4 上的电位大于第六门电极6上的电位，小于第二门电极2上的电位，从而仅仅将正离子引出。 在这种情况下，进行离子引出所用的控制电路的结构和控制过程也比较简单，并
7且离子释放效率比较高。 此外，还可以对正、负离子存储区的两个门电极和离子源0施加脉冲来进行离子 的引出。 在负离子引出阶段，对第一门电极1和离子源0施加负脉冲，使得在离子门轴向上 形成的电势满足以下关系第五门电极5上的电位>第三门电极3上的电位>第一门电极 1上的电位>离子源0的电位，从而将负离子引出。 在正离子引出阶段，对第二门电极2和离子源0施加正脉冲，使得在离子门轴向上 形成的电势满足以下关系离子源0上的电位>第二门电极2上的电位>第四门电极4上 的电位>第六门电极6上的电位，从而将正离子引出。 在这种情况下，控制电路的结构和控制过程比较简单，并且离子释放效率比较高。 [OOM]第三实施例
图6示出了根据本发明第三实施例的离子存储和引出过程中管轴上电势的分布 曲线示意图。 在离子存储阶段，对各个电极以及离子源施加电压，使得管轴上的电势满足关系 第一门电极1上的电位>第五门电极5上的电位=离子源0上的电位>第三门电极3上的 电位，从而在第一门电极1附近形成负离子滞留区，第二门电极2上的电位<离子源0上的 电位=第六门电极6上的电位<第四门电极4上的电位，从而在第二门电极附近形成正离 子滞留区。 在负离子引出阶段，仅控制离子源O上的电位，要求负脉冲跳变幅度很大以至于 能够穿越第一门电极l，使第一门电极1在轴上的电位小于第三门电极3在轴上的电位，从 而引出负离子。 在正离子引出阶段，仅控制离子源O上的电位，要求正脉冲跳变幅度很大以至于 能够穿越第二门电极2，使第二门电极2在轴上的电位电位大于第四门电极4在轴上的电 位，从而引出正离子。 在这种情况下，控制电路的结构和控制过程比较简单，并且离子释放效率比较高。
此外，也可以同时对第一门电极1、离子源0和第二门电极2施加脉冲来引出离子。
在负离子引出阶段，对第一门电极1和离子源0施加负脉冲，使得在离子门轴向上 形成的电势满足以下关系第五门电极5上的电位>第三门电极3上的电位>第一门电极 1上的电位>离子源0上的电位，从而将负离子引出。 在正离子引出阶段，对离子源0和第二门电极2施加正脉冲，使得在离子门轴向上 形成的电势满足以下关系离子源0上的电位>第二门电极2上的电位>第四门电极4上 的电位>第六门电极6上的电位，从而将正离子引出。
在这种情况下，离子的引出效率非常高。
第四实施例
图7示出了根据本发明第四实施例的离子存储和引出过程中管轴上电势的分布 曲线示意图。 如图7所示，在离子存储阶段，对各个电极以及离子源施加电压，使得管轴上的电 势满足关系第一门电极1上的电位>离子源0上的电位>第三门电极3上的电位>第五 门电极5上的电位，从而在第一 门电极1附近形成负离子滞留区，第二门电极2上的电位<离子源0上的电位<第四门电极4上的电位<第六门电极6上的电位，从而在第二门电 极附近形成正离子滞留区。 在负离子引出阶段，仅控制离子源O上的电位，要求负脉冲跳变幅度很大以至于 能够穿越第一 门电极1 ，使第一 门电极1在轴上的电位小于第三门电极3在轴上的电位和第 五门电极5在轴上的电位，从而引出负离子。 在正离子引出阶段，仅控制离子源O上的电位，要求正脉冲跳变幅度很大以至于 能够穿越第二门电极2，使第二门电极2在轴上的电位电位大于第四门电极4在轴上的电位 和第六门电极6在轴上的电位，从而引出正离子。 在这种情况下，控制电路的结构和控制过程比较简单，并且离子释放效率比较高。
此外，也可以同时对第一门电极1、离子源0和第二门电极2施加脉冲来引出离子。
在负离子引出阶段，对第一门电极1和离子源0施加负脉冲，且第三门电极3上的 电位被渗透，其值等于第五门电极5上的电位，使得在离子门轴向上形成的电势满足以下 关系第五门电极5上的电位=第三门电极3上的电位>第一门电极1上的电位>离子源 0上的电位，从而将负离子引出。 在正离子引出阶段，对离子源0和第二门电极2施加正脉冲，且第四门电极4上的
电位被渗透，其值等于第六门电极6上的电位，使得在离子门轴向上形成的电势满足以下
关系离子源0上的电位>第二门电极2上的电位>第四门电极4上的电位=第六门电极
6上的电位，从而将正离子引出。 在这种情况下，离子的引出效率非常高。 如上所述，根据本发明的实施例，样品气体进入离子门后，在第一门电极和第二门 电极之间与反应离子进行电荷交换，正负离子(样品离子、反应离子)在电场的作用下，源 源不断地被存储到正负离子滞留区中，提高了离子的利用效率。 然后，在离子引出阶段，采用简单地对组合电极进行控制，就可以将正负离子滞留 区中的离子分步引出。 要说明的是，以上实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述 实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明进 行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种双极性IMS的离子门，包括离子源(0)；第一门电极(1)，设置在离子源(0)的一侧；第二门电极(2)，设置在离子源(0)的另一侧；第三门电极(3)，设置在第一门电极(1)的远离离子源(0)的那侧；第四门电极(4)，设置在第二门电极(2)的远离离子源(0)的那侧；其中，在离子存储阶段，第一门电极(1)在轴上相应位置的电位与离子源(0)的电位和第三门电极(3)的电位存在差异；第二门电极(2)在轴上相应位置的电位与离子源(0)的电位和第四门电极(4)的电位存在差异。
2. 如权利要求l所述的离子门，其中，在离子存储阶段，第一门电极(1)在轴上相应位置的电位高于离子源(0)的电位和第三门电极(3)的电位；第二门电极(2)在轴上相应位置的电位低于离子源(0)的电位和第四门电极(4)的电位。
3. 如权利要求l所述的离子门，还包括第五门电极(5)，设置在第三门电极(3)的远离离子源(0)的那侧；第六门电极(6)，设置在第四门电极(4)的远离离子源(0)的那侧。
4. 如权利要求3所述的离子门，其中所述第五门电极(5)和第六门电极(6)分别作为负离子漂移管和正离子漂移管的起始部分。
5. 如权利要求l所述的离子门，其中在离子引出阶段，通过控制离子源(0)、第一门电极(D、第二门电极(2)、第三门电极(3)和第四门电极(4)中的至少之一在轴上的电位来将离子引出。
6. 如权利要求2所述的离子门，其中第一门电极(1)、第三门电极(3)和第五门电极(5)相对于离子源(0)与第二门电极(2)、第四门电极(4)和第六门电极(6)对称分布。
7. 如权利要求3所述的离子门，其中第一门电极(1)、第三门电极(3)和第五门电极(5)相对于离子源(0)与第二门电极(2)、第四门电极(4)和第六门电极(6)非对称分布。
8. —种用于双极性IMS的离子门的方法，所述离子门包括离子源，所述方法包括步骤将离子源一侧在轴上的第一位置的电位设置成与离子源的电位和沿着在该侧远离该离子源的方向上毗邻该第一位置的第三位置在轴上的电位存在差异，以形成第一离子存储区；以及将离子源另一侧在轴上的第二位置的电位设置成与离子源的电位和沿着在该另一侧远离该离子源的方向上毗邻该第二位置的第四位置在轴上的电位存在差异，以形成第二离子存储区。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，将离子源一侧在轴上的第一位置的电位设置成比离子源的电位和沿着在该侧远离该离子源的方向上毗邻该第一位置的第三位置在轴上的电位高，以形成第一离子存储区；以及将离子源另一侧在轴上的第二位置的电位设置成比离子源的电位和沿着在该另一侧远离该离子源的方向上毗邻该第二位置的第四位置在轴上的电位低，以形成第二离子存储区。
10. 如权利要求9所述的方法，还包括步骤通过控制所述轴上的电位来将离子引出。
11.如权利要求IO所述的方法，所述通过所述轴上的电位来将离子引出的步骤包括给第一到第四位置之一施加相应的电位来将离子引出。
全文摘要
公开了一种双极性IMS的离子门和方法，该离子门包括离子源；第一门电极，设置在离子源的一侧；第二门电极，设置在离子源的另一侧；第三门电极，设置在第一门电极的远离离子源的那侧；第四门电极，设置在第二门电极的远离离子源的那侧；其中，在离子存储阶段，第一门电极在轴上相应位置的电位与离子源的电位和第三门电极的电位存在差异；第二门电极的电位与离子源的电位和第四门电极的电位存在差异。根据本发明，样品气体进入离子门后，在第一门电极和第二门电极之间与反应离子进行电荷交换，正负离子在电场的作用下，源源不断地被存储到相应的离子滞留区中，提高了离子的利用效率。采用简单地对组合电极进行控制的方法，将离子滞留区中的离子分步引出。
文档编号G01N27/64GK101728208SQ20081011997
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月20日 优先权日2008年10月20日
发明者代主得, 张仲夏, 张清军, 张阳天, 彭华, 曹士娉, 李元景, 林德旭, 林津, 毛绍基, 王清华, 陈志强 申请人:同方威视技术股份有限公司;清华大学