一种基于空气两极放电的反应离子纯化离子迁移谱装置及方法与流程

本发明涉及痕量物质分析检测领域，具体是一种基于空气两极放电的反应离子纯化离子迁移谱装置及方法。

背景技术：

离子迁移谱（Ion Mobility Spectrometry, IMS）和质谱是两种非常重要的痕量气体探测技术。与质谱相比，离子迁移谱技术最重要的特点是不需要真空系统，可以在大气压下工作。因此离子迁移谱仪器体积小、分析成本低，在环境污染、食品安全、生物医药、爆炸物和化学战剂探测领域有着广泛的应用。

经过多年的研究和发展，离子迁移谱技术已经形成了传统的离子迁移谱、非对称射频电场离子迁移谱和高场非对称波形离子迁移谱等多种技术。虽然这些技术在装置的结构、施加电压的方式和气路流向等有差别，但是都包含有离子源、离子分离和检测三个部分。在离子源区，通过电晕放电或者放射性物质将空气分子电离形成反应离子（含有多种离子），反应离子在电场和气流的作用下进入到离子反应区，与待测物质分子发生化学电离反应，将待测物质转换成为产物离子。反应离子和产物离子在离子栅门开启的一个很短时间（约几百微秒）内，进入到离子迁移分离区，在电场E的作用下作迁移运动到达离子接收器。由于构型及质量的差异，不同离子的迁移运动速度不同，迁移相同的距离，不同离子到达离子接收器的时间有差别，从而将反应离子和产物离子分离和探测，通过测量产物离子到达离子探测器的时间实现对待测物质的识别和检测。

离子源的主要目的是将待测物质转变变成离子，以便于离子的分离和检测，是离子迁移谱技术的重要组成部分。离子源将待测物质转换成离子的方式及效率将影响离子迁移谱的分辨率、准确性、灵敏度及误报率等关键指标。在现有的商用的离子迁移谱技术中，主要是采用化学电离的方式来实现待测物质的离子化的，即通过放射性电离源、光致电离源、电晕放电电离源等方式，将空气电离产生了包含H₃O⁺、NO⁺、O₂⁺在内的多种反应离子，并利用反应离子与待测物质发生离子-分子反应，将待测物质转换成离子的。然而直接电离空气将产生多种反应离子，其中H₃O⁺、NO⁺、O₂⁺三种离子的信号强度最强且为同一量级，不同反应离子均可能与待测物质发生反应，使致产物离子复杂化，不利于待测物质的检测和识别。更为复杂的情况是，H₃O⁺、NO⁺、O₂⁺三种离子的信号强度随空气湿度的变化而变化，严重影响离子迁移谱的稳定性。目前商用仪器所采用的方法是将待测气体进行干燥并在仪器使用过程中多次反复校准。如果环境湿度发生了变化而校准不及时，将会影响离子迁移谱的准确性和灵敏度，提高仪器的误报率，校准过程减少了仪器使用的便利性。

分析发现，离子迁移谱中反应离子种类多样并且其相对比例随测试点环境湿度变化而变化是影响离子迁移谱的准确性、误报率和使用的便利性的关键。如何利用空气放电，在不显著增加离子迁移谱仪器的体积和使用便利性的基础上，得到不受测试点空气湿度影响的单一的反应离子是提高离子迁移谱的准确性和灵敏度，降低仪器的误报率的关键。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于空气两极放电的反应离子纯化离子迁移谱装置及方法，利用空气两级放电，产生高纯度NO₂⁺作为迁移谱的反应离子，解决了利用空气直接放电不能产生高纯度单一离子的问题，从而可以提高离子迁移谱的分辨率、稳定性和探测灵敏度。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于空气两极放电的反应离子纯化离子迁移谱装置，其特征在于：包括：

一级放电区，其采用介质阻挡放电，将空气中的N₂，O₂，H₂O等成分经过放电转换成为N₂，O₂，H₂O，O₃，NO₂，NO等；

二级放电区，将前端放电产生的气体产生的N₂，O₂，H₂O，O₃，NO₂，,NO等导入二级放电区，经放电产生高纯度的NO₂⁺离子作为离子迁移谱的初始反应离子。二级放电区采用空心阴极放电或电晕放电；

离子反应区，其前端与二级放电区轴向末端共中心轴连通，且离子反应区具有供待测有机物分子进入的入口；

离子迁移分离区，其为漂移管结构，离子迁移分离区前端与离子反应区轴向末端共中心轴连通，且离子迁移分离区、离子反应区之间连通处设有离子栅门；

离子探测区，其为法拉第盘，法拉第盘的收集极在离子迁移分离区末端进行探测。

所述的一种基于空气两极放电的反应离子纯化离子迁移谱装置，其特征在于：离子迁移分离区由电极环和绝缘环组成，迁移环由阻值相等的电阻相连。在迁移分离区的两端的电极环上加上迁移电压，从而在迁移区形成均匀电场。

所述的一种两极放电的反应离子纯化装置，其特征在于：所述离子栅门由设置在离子迁移分离区、离子反应区之间连通处的一对离子栅门构成，用于控制离子进入迁移区。当离子栅门上的平行电极之间的电压相等时，离子可以进入漂移区，在电场的作用下到达离子探测区，当离子栅门上的平行电极之间的电压不相等时，离子源产生的初始离子则无法进入到漂移区。

一种两极放电的反应离子纯化方法，其特征在于：空气从进气口进入一级放电区，在一级放电区中通过介质阻挡放电；经一级放电区介质阻挡放电后的尾气进入二级放电区，二级放电区中在空心阴极放电的情况下产生高纯度的NO₂⁺，并且NO₂⁺的纯度不受水蒸气浓度的影响；二级放电区产生的高纯度的NO₂⁺进入离子反应区，同时待测有机物分子进入离子反应区，在离子反应区中高纯度的NO₂⁺与待测有机物分子反应并生成离子；离子反应区生成的离子在离子栅门打开时进入离子迁移分离区，并在离子迁移分离区中离子迁移电场作用下迁移至离子迁移分离区末端的法拉第盘，经电流经放大和转化后输出至外部的检测设备。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

空气经过介质阻挡放电之后，气体的成分将发生改变，然后将这部分气体导入低压的空心阴极放电，可以产生纯度高达95%以上的NO₂⁺，而且即使加入饱和的水蒸气，仍然不会影响NO₂⁺离子的纯度。

常规的离子迁移谱均是利用大气压空气的直接电离，不可避免的产生多种离子。本发明设计了两级空气放电离子迁移谱反应离子的装置，并采用大气压两级空气放电获取高纯度NO₂⁺离子得方法。利用大气压两级空气放电制备高纯度的NO₂⁺离子，不需要高纯度的压缩钢瓶气体，不需要接入干燥剂，不会因为引入离子纯化技术而过多的增加仪器的体积。在仪器的使用便利性和经济性上具有较大的优势。

利用两级空气放电产生高纯度NO₂⁺离子作为离子迁移谱的反应离子。由于反应离子种类单一，可以简化离子迁移谱的识别；增加了仪器识别待测物质的准确性，降低了仪器的误报率。同时由于产生的反应离子不受环境湿度的影响，提高了离子迁移谱的稳定性，解决了现有离子迁移谱需要反复校准的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于空气两极放电的反应离子纯化离子迁移谱装置，包括：

一级放电区1，其采用介质阻挡放电，一级放电区1前端为进气口11,空气由此进入；

二级放电区2，其前端与一级放电区1轴向末端共中心轴连通，二级放电区2采用空心阴极放电；

离子反应区3，其前端与二级放电区2轴向末端共中心轴连通，且离子反应区3有供待测气体进入的入口4，抽气口；

离子迁移分离区6，其为漂移管结构，离子迁移分离区6前端与离子反应区3轴向末端共中心轴连通，且离子迁移分离区6、离子反应区3之间连通处设有离子栅门7；

在离子迁移分离区6末端有法拉第盘离子探测器8。

离子迁移分离区6为漂移管结构，该漂移管内设有多组在一定压力下共中心轴固定在一起的金属环9，多组金属环构成漂移环，以金属环作为导电环，相邻金属环之间由聚四氟乙烯环10绝缘和密封，漂移管中导电环之间形成有离子迁移电场；

离子栅门7由设置在离子迁移分离区4、离子反应区3之间的一对栅网构成，两离子栅门的电场垂直于离子迁移分离区轴向，在离子栅门上施加约600V/cm的强电场，可以阻止离子通过，当离子栅门开启，即离子栅门两栅网的电场为零时，允许离子通过。

一种两极放电的反应离子纯化方法，空气从进气口进入一级放电区，在一级放电区中通过介质阻挡放电；经一级放电区介质阻挡放电后的尾气进入二级放电区，二级放电区中在空心阴极放电的情况下产生高纯度的NO₂⁺，并且NO₂⁺的纯度不受水蒸气浓度的影响；二级放电区产生的高纯度的NO₂⁺进入离子反应区，同时待测有机物分子进入离子反应区，在离子反应区中高纯度的NO₂⁺与待测有机物分子反应并生成离子；离子反应区生成的离子在离子栅门允许通过的情况下进入离子迁移分离区，并在离子迁移分离区中离子迁移电场作用下迁移至离子迁移分离区末端；构成离子探测区的法拉第盘的收集极在离子迁移分离区末端进行探测，当离子撞向收集极时离子被中和产生微弱的电流，电流经放大和转化后输出至外部的检测设备。

本发明中，包括一级放电区1、二级放电区2、离子反应区3、离子迁移分离区6、离子探测区8、离子栅门7。具体地，一级放电区1为介质阻挡放电；二级放电区2为空心阴极放电；离子反应区3紧接着二级放电区2后面，为待测物有机物分子，与二级放电产生的NO₂⁺反应提供场所；离子迁移分离区6与离子反应区3连接在一起，当离子栅门打开的时候，反应后产生的离子进入漂移区，在漂移电场的作用下进行漂移；离子栅门7置于所述离子反应区3和离子迁移分离区4之间，把反应区与迁移区分隔开来；离子探测区置于离子迁移分离区4的末端由法拉第盘探测离子信号，漂移环7置于整个漂移管内，由一组金属环在一定压力作用下固定在一起。