一种单管正负双模快速切换离子迁移谱及工作时序

1.本发明涉及一种离子迁移谱，具体涉及一种单根离子迁移谱实现正负双模快速切换的离子迁移谱及工作时序。


背景技术：

2.离子迁移谱(ims)是指利用在气相中的迁移率来识别化学品的原理和方法的设备。高压施加在离子迁移谱上形成电场，离子在电场中迁移运动。高压必须足够高，确保离子能获得足够的移动速率。在离子运动过程中，迁移区电场应保持稳定，这可以通过在分压模块中使用大容量电容来实现。现有的传统离子迁移谱都能在迁移区中产生一个恒定的电场，有一些具有缓慢正负极性切换功能，即需要使用正模式检测物质时切换到正模式，需要使用负模式检测物质时切换到负模式，不能实现一次进样正负模式同测。因为正负高压快速切换会使离子迁移谱产生电气干扰、过载和信号漂移等现象，影响使用测量。
3.大多数检测任务需要能同时在正负离子模式下检测的离子迁移谱。有些商业的产品使用串或并联的离子迁移管的方式实现正负双模。如smiths detection公司研制的台式ionscan500dt和600dt；bruker(德国)公司开发离子迁移谱仪探测器，implant science corporation研制台式探测器qs-b220等。
4.串或并联的离子迁移管一般有三种设计方式，见图1。第一种设计(图1a)样品依次通过第一和第二个离子迁移管。分析的样品气体首先进入第一个迁移管的电离室，适当极性的离子得到检测。然后样品通过连接通道进入第二迁移管的电离室，另一种极性的离子得到检测。由于第一个迁移管电离室中的离子发生了电离反应，降低了第二个迁移管检测灵敏度。因此，在实际中，这种设计是不合适的。第二种设计(图1b)是在进样管路设计气流分配器。所分析的样品气体先进入分配器，然后分成2部分，分别进入第一个迁移管的电离室(假设1通道仅检测正离子)和第二个迁移管的电离室(假设2通道仅检测负离子)。这种设计的缺点是：气流分配器导致进样系统设计的复杂性；进样通道长度增加和出现额外弯曲，样品传输效率差；进入每个迁移管的物质分配比例控制困难；供应给每个迁移管物质的量减少，导致灵敏度降低。第三种设计(图1c)两根迁移管使用一个公共电离室，产生正负极性离子。这种离子迁移管有两个迁移区、检测器和离子门和一个进样系统和电离区。通过离子门离子停留在电离区，然后同时注入相应的迁移区。这种设计的缺点：离子源和离子门的结构复杂；如果外置电离源，电离效率低；电场施加方式复杂；生产工艺复杂，装配要求严格，成本高。
5.此外，这类设备(双模同测)大都是台式设备，尺寸大、重量重、能耗大。它们不能当作可穿戴或便携式设备使用。开发能够在正负两种模式下同时检测物质的便携式或可穿戴设备成为挑战任务，可实时检测爆炸物、毒品和有毒有害物质。专利cn201911157574.9通过调控三栅网离子门的中间栅网的通断，实现单根离子迁移管正负离子的切换注入。但是离子门控制时序复杂，没有正负电场的快速切换，不属于快速切换技术。


技术实现要素：

6.考虑到这些设计的缺点，本专利提出了一种利用分时复用技术，在单根离子迁移管上施加交变高压检测两种极性离子的正负双模快速切换的实现方法。
7.为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种单管正负双模快速切换的离子迁移谱,包括依次电连接的正高压电源、负高压电源、正负高压快速切换模块、正负快速切换离子迁移管；所述正高压电源和负高压电源相对设置；所述正负高压快速切换模块内部由两个电子开关组成，两个电子开关相对设置且能够交替开关，使正负高压电源输出变成正负交变高压；所述正负快速切换离子迁移管为具备正负切换功能的单根离子迁移管，正负快速切换离子迁移管从左到右依次包括电离区、离子门、迁移区、法拉第盘、放大器；所述电离区设置有进气口和出气口，所述迁移区设置有漂气口。
9.进一步地，所述正负快速切换离子迁移管的离子门可以为bn离子门、tp离子门、场切换离子门、三栅网离子门中一种或四种离子门的变化形式。
10.进一步地，有三种工作模式：正负快速切换模式、正离子模式和负离子模式。
11.进一步地，所述正高压电源、负高压电源和正负高压快速切换模块可以为分离器件或可以集成为一个模块。
12.进一步地，所述法拉第盘和放大器相对设置，法拉第盘在离子迁移管的内壁上，放大器在离子迁移管的外壁上。
13.一种单管正负双模快速切换的离子迁移谱的工作时序，能够快速切换工作时序；
14.当时间t＝t1时，正负高压快速切换模块输出正高压；离子迁移谱的信号处理正在处理上一次切换采集谱图信号；离子门处于关闭状态。
15.当时间t＝t2时，正负高压快速切换模块保持输出正高压；信号处理已完成采集谱图信号；离子门开始处于开启状态。
16.当时间t2《t《t3时，离子门一直处于不断开关状态,并进行数据采集。其他状态保持不变；
17.当时间t＝t3时，正负高压快速切换模块切换输出负高压；信号处理开始处理上一次切换采集正离子谱图信号；离子门处于关闭状态。
18.当时间t＝t4时，正负高压快速切换模块保持输出负高压；信号处理已完成采集谱图信号；离子门开始处于开启状态。
19.当时间t4《t《t5时，离子门一直处于不断开关状态,并进行数据采集。其他状态保持不变；
20.当时间t＝t5时，正负高压快速切换模块切换输出正高压；信号处理开始处理上一次切换采集负离子谱图信号；离子门处于关闭状态。
21.进一步地，所述时间t1-t5时间间隔为离子迁移谱正负模式一个快速切换周期t。
22.进一步地，所述快速切换周期t，时间为0.01-10s。
23.进一步地，优选时间为0.5-2s。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果：
25.(1)本发明所提供的单管正负双模快速切换离子迁移谱，通过正负高压快速切换模块获得正负交变高压，施加在单根离子迁移管上，实现正负离子模式的同时检测，与串或
并联离子迁移管相比，减小了体积，重量和能耗，降低了系统设计的复杂度和制造成本。
26.(2)本发明所提供的单管正负双模快速切换离子迁移谱，离子迁移管为单根，具有最小化的质量和尺寸，便于实现便携式或可穿戴设备。
27.(3)本发明所提供的单管正负双模快速切换离子迁移谱的工作时序，是正负双模快速切换离子迁移谱的正常工作的基础。采用分时复用技术，切换速度极快，切换频率100hz-0.1hz，实现一次进样同时检测正负离子的物质。
附图说明
28.图1为背景技术中三种串或并联的正负双模离子迁移谱设计方式；
29.图2为单管正负双模快速切换离子迁移谱组成结构框图；
30.图3为单管正负双模快速切换离子迁移谱的快速切换工作时序图；
31.图4为单管正负双模快速切换离子迁移谱的离子迁移管示意图；
32.图5为单管正负双模快速切换离子迁移谱的单周期内采集丙酮试剂离子正负模式实时谱图；
33.图6为单管正负双模快速切换离子迁移谱的信号处理后正负模式丙酮试剂离子rip实时谱图。
34.图7正负高压快速切换模块处理后产生的正负交变高压。
35.图8一个周期内正负交变高压和对应正负交变电场的变化图。
36.图中1.正高压电源；2.负高压电源；3.正负高压快速切换模块；4.电子开关；5.正负快速切换离子迁移管；6.进样口；7.电离区；8.出气口；9.离子门；10.迁移区；11.法拉第盘；12.放大器；13.漂气口。
具体实施方式
37.以下结合具体实施例对本发明处理工艺作进一步说明。
38.如图2所示，一种单管正负双模快速切换的离子迁移谱,包括依次电连接的正高压电源1、负高压电源2、正负高压快速切换模块3、正负快速切换离子迁移管5。正高压电源1和负高压电源2相对设置，产生直流正负高压，同时施加到正负高压快速切换模块3，正负高压快速切换模块内部由两个超快速电子开关组成，两个电子开关相对设置，经过正负高压快速切换模块3内部的快速电子开关4交替开关处理后，将直流正负高压变为受控正负交变高压。
39.正高压电源1和负高压电源2，产生直流正负高压幅值可以相同或不同。当正高压幅值为零时，只有负高压幅值，则离子迁移谱工作在负离子模式。相反的，只有正高压幅值，负高压幅值为零时，离子迁移谱工作在正离子模式。如果正负高压都有幅值，此时离子迁移谱工作在正负快速切换模式。因此，单管正负双模快速切换离子迁移谱能有三种工作模式：正负快速切换模式、正离子模式和负离子模式。正高压电源、负高压电源和正负高压快速切换模块可以为分离器件或可以集成为一个模块。
40.如图4所示，正负快速切换离子迁移管5为单根经过特殊设计的具备正负切换功能的离子迁移管，从左到右依次包括电离区7、离子门9、迁移区10、法拉第盘11、放大器12，法拉第盘11和放大器12相对设置。法拉第盘和放大器相对设置，法拉第盘在离子迁移管的内
壁上，放大器在离子迁移管的外壁上。电离区还设置有进气口6和出气口8，迁移区还设置有漂气口13。信号产生受离子门9控制，正负交变高压施加在正负快速切换离子迁移管上产生正负交变电场，在离子门9控制下，能获得正负快速切换谱图。离子门可以为bn离子门、tp离子门、场切换离子门、三栅网离子门中一种或四种离子门的变化形式。图8上半部分为一个周期内在正负快速切换离子迁移管5施加的正负交变高压和对应正负交变电场的变化情况。在正负双模同测时，正负交变电场交替非常快速。
41.如图3所示，一种单管正负双模快速切换的离子迁移谱的工作时序，能够快速切换工作时序；
42.当时间t＝t1时，正负高压快速切换模块输出正高压；离子迁移谱的信号处理正在处理上一次切换采集谱图信号；离子门处于关闭状态。
43.当时间t＝t2时，正负高压快速切换模块保持输出正高压；信号处理已完成采集谱图信号；离子门开始处于开启状态。
44.当时间t2《t《t3时，离子门一直处于不断开关状态,并进行数据采集。其他状态保持不变；
45.当时间t＝t3时，正负高压快速切换模块切换输出负高压；信号处理开始处理上一次切换采集正离子谱图信号；离子门处于关闭状态。
46.当时间t＝t4时，正负高压快速切换模块保持输出负高压；信号处理已完成采集谱图信号；离子门开始处于开启状态。
47.当时间t4《t《t5时，离子门一直处于不断开关状态,并进行数据采集。其他状态保持不变；
48.当时间t＝t5时，正负高压快速切换模块切换输出正高压；信号处理开始处理上一次切换采集负离子谱图信号；离子门处于关闭状态。
49.时间t1-t5时间间隔为离子迁移谱正负模式一个快速切换周期t，时间为0.01-10s，优选时间为0.5-2s。
50.图5进一步展示了正负双模快速切换离子迁移谱在正负同测模式下按照快速切换工作时序工作，并由单管正负双模快速切换离子迁移谱实时采集到的单周期内正负模式丙酮试剂离子实时谱图。图中每一个上下的尖峰为一个离子门开门周期内获得的离子迁移谱图。
51.图6为采用快速切换工作时序获得正负双模快速切换离子迁移谱的信号处理后正负模式丙酮试剂离子rip实时谱图。
52.图7为经正负高压快速切换模块处理后产生的正负交变高压。在正负快速切换模式下离子迁移管上不断施加正负交变高压的。正负交变高压完全不同于慢速的正负交变高压，它的交变频率特别快，一般频率为100hz-0.1hz之间，有时会更快。
53.正负交变高压经由分压电阻分压后会在离子迁移管中产生快速变化的正负交变高压电场，见图8。在高压电场的作用下实现正负离子模式交替检测。
54.对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。