一种用于离子迁移谱仪的离子门控制方法与流程

本发明涉及离子迁移谱领域，特别是一种用于离子迁移谱仪的离子门控制方法。

背景技术：

离子迁移谱(ims)是一种痕量物质快检技术，具有结构简单、灵敏度高、检测速度快、常压下工作的优点。离子迁移谱仪通过开关离子门的方式控制带电粒子以特定的模式进入漂移区，经分离后被检测器探测到。

离子门开关门状态的切换通常是通过改变第一栅网电极g1和第二栅网电极g2的电压来实现的：当第一栅网电极g1和第二栅网电极g2电压相差较小时，离子门打开，离子得以通过；当第一栅网电极g1和第二栅网电极g2电压相差较大时，离子门关闭，离子门附近的离子将被打到电压较低的离子门上，离子不能通过，从而实现关闭。在低电压的离子门附近会聚集大量的离子，高电压的离子门附近因缺少离子而形成空白区，从而导致离子团后沿的不平齐。

传统的离子门时序控制方式是在离子门栅网上施加固定宽度和幅值的脉冲信号，这种控制方式的主要问题在于离子团后沿切割形状不理想。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本申请的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于离子迁移谱仪的改进的离子门控制方法，以提高离子团后沿形状的平整性，从而提高离子迁移谱图的分辨力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于离子迁移谱仪的离子门控制方法，所述离子门包括在离子迁移管内相互绝缘设置的第一栅网电极和第二栅网电极，所述第一栅网电极和所述第二栅网电极所处的平面与离子迁移方向相垂直，其中所述第一栅网电极与所述第二栅网电极共面或所述第一栅网电极相对于所述第二栅网电极更靠近离子门的电离区，所述离子迁移管工作在正极性模式，所述控制方法包括控制所述离子门的一个完整工作周期经历以下阶段：

开门阶段：将所述第一栅网电极的电压保持为v1开，将所述第二栅网电极的电压保持为v2开，其中v1开和v2开的选取满足：所产生的电压差允许电离区中的离子穿过离子门进入迁移区；

剪切阶段：将所述第一栅网电极的电压保持为v1剪，将所述第二栅网电极的电压保持为v2剪，其中v1剪和v2剪的选取满足：|v1剪-v2剪|＞|v1开-v2开|，且v1剪+v2剪＜v1开+v2开；

推斥阶段：将所述第一栅网电极的电压保持为v1推，将所述第二栅网电极的电压保持为v2推，其中v1推和v2推的选取满足：v1推-v2推与v1剪-v2剪的符号相反，或v1推+v2推＞v1开+v2开；

关门阶段，将所述第一栅网电极的电压保持为v1关，将所述第二栅网电极的电压保持为v2关，其中v1关和v2关的选取满足：所产生的电压差阻止电离区中的离子穿过离子门进入迁移区。

进一步地：

在所述开门阶段，0≤v1开-v2开≤d×|ed|，其中d为所述第一栅网电极和所述第二栅网电极的间距，ed为迁移区电场强度。

在所述剪切阶段，50≤v1剪-v2剪≤1000，优选200≤v1剪-v2剪≤600。

在所述推斥阶段，-1000≤v1推-v2推≤-50，优选-600≤v1推-v2推≤-200。

在所述关门阶段，-1000≤v1关-v2关≤-50，优选-400≤v1关-v2关≤-80。

所述工作周期中满足以下条件中的一个或多个：

v1剪＝v1开；

v1推＝v1开；

v1关＝v1开；

v1开＝v1剪＝v1推＝v1关；

v1开＝v1剪＝v1推＝v1关＝v2开；

v1推＝v1关；

v2推＝v2关。

一种用于离子迁移谱仪的离子门控制方法，所述离子门包括在离子迁移管内相互绝缘设置的第一栅网电极和第二栅网电极，所述第一栅网电极和所述第二栅网电极所处的平面与离子迁移方向相垂直，其中所述第一栅网电极与所述第二栅网电极共面或所述第一栅网电极相对于所述第二栅网电极更靠近离子门的电离区，所述离子迁移管工作在负极性模式，所述控制方法包括控制所述离子门的一个完整工作周期经历以下阶段：

开门阶段：将所述第一栅网电极的电压保持为v1开，将所述第二栅网电极的电压保持为v2开，其中v1开和v2开的选取满足：所产生的电压差允许电离区中的离子穿过离子门进入迁移区；

剪切阶段：将所述第一栅网电极的电压保持为v1剪，将所述第二栅网电极的电压保持为v2剪，其中v1剪和v2剪的选取满足：|v1剪-v2剪|＞|v1开-v2开|，且v1剪+v2剪＞v1开+v2开；

推斥阶段：将所述第一栅网电极的电压保持为v1推，将所述第二栅网电极的电压保持为v2推，其中v1推和v2推的选取满足：v1推-v2推与v1剪-v2剪的符号相反，或v1推+v2推＜v1开+v2开；

关门阶段，将所述第一栅网电极的电压保持为v1关，将所述第二栅网电极的电压保持为v2关，其中v1关和v2关的选取满足：所产生的电压差阻止电离区中的离子穿过离子门进入迁移区。

进一步地：

在所述开门阶段，-(d×|ed|)≤v1开-v2开≤0，其中d为所述第一栅网电极和所述第二栅网电极的间距，ed为迁移区电场强度。

在所述剪切阶段，-1000≤v1剪-v2剪≤-50，优选-600≤v1剪-v2剪≤-200。

在所述推斥阶段，50≤v1推-v2推≤1000，优选200≤v1推-v2推≤600。

在所述关门阶段，50≤v1关-v2关≤1000，优选80≤v1关-v2关≤400。

所述工作周期中满足以下条件中的一个或多个：

v1剪＝v1开；

v1推＝v1开；

v1关＝v1开；

v1开＝v1剪＝v1推＝v1关；

v1开＝v1剪＝v1推＝v1关＝v2开。

v1推＝v1关；

v2推＝v2关。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出一种改进的离子门控制方法，通过第一栅网电极和第二栅网电极的电压，在离子门的开门阶段和关门阶段之间，增加一个剪切阶段和一个推斥阶段，利用电场影响离子空间分布和时域运动特性。其中，剪切阶段实现对离子团后沿的快速切断，推斥阶段实现对离子团在迁移方向上的整体推移，一方面可以实现对离子门切割离子团过程的独立控制，另一方面可以改善离子门切割离子团后沿造成的拖尾，有利于离子迁移谱仪分辨能力的提高。本发明的离子门控制方法可以使得离子团后沿形状更为平整，从而提高离子迁移谱图的分辨力。

前述已经相当广泛地阐述了本发明的特征和技术优势，以便能够更好地理解本发明的详细描述。本发明的其它特征和优势将在以下描述。

附图说明

图1a是离子迁移谱仪中的离子门结构的第一栅网电极和第二栅网电极的主视图；

图1b是离子迁移谱仪中的一种离子门结构的第一栅网电极和第二栅网电极的侧视图；

图1c是离子迁移谱仪中的另一种离子门结构的第一栅网电极和第二栅网电极的侧视图；

图2是根据本发明离子门控制方法的一个具体实施例的电压时序图；

图3是根据本发明离子门控制方法的另一个具体实施例的电压时序图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明的离子门控制方法用于控制离子迁移谱仪的离子门，所述离子迁移谱仪包括离子迁移管(未示出)，在所述离子迁移管内部沿离子迁移方向上依次形成有电离区、离子门区、迁移区。所述离子门位于所述离子门区，包括在离子迁移管内相互绝缘设置的第一栅网电极g1和第二栅网电极g2，如图1a所示。所述第一栅网电极g1和所述第二栅网电极g2所处的平面与离子迁移方向相垂直。可选的，所述第一栅网电极g1与所述第二栅网电极g2共面，如图1b所示。或者，第一栅网电极g1靠近离子迁移谱仪中的电离源(未示出)，第二栅网电极g2靠近离子迁移谱仪中的检测器(未示出)，如图1c所示。第一栅网电极g1和第二栅网电极g2为可以透过离子的电极；第一栅网电极g1和第二栅网电极g2的间距d通常满足0≤d≤2mm，其中d为0时表示第一栅网电极g1和第二栅网电极g2共面，形成为bn(bradbury-nielson)离子门结构。

所述离子迁移管工作在正极性模式或负极性模式。所述离子门控制方法包括控制所述离子门的一个完整工作周期经历四个阶段：开门阶段、剪切阶段、推斥阶段和关门阶段。

根据本发明的离子门控制方法，在离子门的开门阶段和关门阶段之间增加一个剪切阶段和一个推斥阶段，即离子门一个完整工作周期的时序为：开门阶段、剪切阶段、推斥阶段、关门阶段。其中，剪切阶段实现对离子团后沿的快速切断，同时降低离子团向前的迁移速度，甚至暂时停止离子团向前迁移，减小离子团在剪切过程中的轴向拉伸；推斥阶段实现对离子团在沿迁移方向上的整体推移，利用推斥电场的非均匀性实现离子团轴向压缩。特别的，推斥阶段和关门阶段施加在离子门栅网上的电压可以相同，其电压需同时满足推斥阶段和关门阶段的约束条件，这可以使推斥阶段和关门阶段合二为一，进一步简化控制时序。本方法一方面可以实现对离子团切割和分离过程的分别独立控制，另一方面可以减小离子门切割离子团造成的后沿拖尾，有利于提高离子迁移谱仪的分辨能力。

在一种实施例中，一种用于离子迁移谱仪的离子门控制方法，其中离子迁移管工作在正极性模式，即迁移区内电场线方向从电离源指向检测器。

所述离子门控制方法包括控制所述离子门的一个完整工作周期经历以下四个阶段：

开门阶段：第一栅网电极g1的电压保持为v1开，第二栅网电极g2电压保持为v2开，记δv开＝v1开-v2开；在开门阶段，v1开和v2开的选取满足：能够让电离区中的离子穿过离子门进入迁移区，若一直保持在开门阶段，经过足够长的时间(大于1秒)后，从电离区穿过离子门进入迁移区的离子撞击在探测器上产生的电流的绝对值|i开|≥10pa。一般而言，|δv开|≤50。

剪切阶段：第一栅网电极g1的电压保持为v1剪，第二栅网电极g2电压保持为v2剪，记δv剪＝v1剪-v2剪；在剪切阶段，v1剪和v2剪的选取满足：|δv剪|＞|δv开|，且v1剪+v2剪＜v1开+v2开；|δv剪|＞|δv开|保证第一栅网电极g1和第二栅网电极g2之间的压差不能使离子正常通过，达到切断离子团的目的。v1剪+v2剪＜v1开+v2开使剪切阶段离子门区的平均电势低于开门阶段离子门区的平均电势，位于迁移区一侧的离子团受到与迁移电场反向的作用力而减速，停止运动甚至反向运动，减小剪切阶段离子团在迁移方向上的拉伸。因此，剪切阶段实现对离子团后沿的快速切断，离子团末尾部分离子湮灭在电压较低的离子门上，同时降低离子团向前的迁移速度，甚至暂时停止离子团向前迁移，更甚至使其反向运动，减小离子团在剪切过程中的轴向拉伸。

推斥阶段：第一栅网电极g1的电压保持为v1推，第二栅网电极g2电压保持为v2推，记δv推＝v1推-v2推；在推斥阶段，v1推和v2推的选取满足：δv推与δv剪符号相反，或v1推+v2推＞v1开+v2开；在剪切阶段，当第一栅网电极g1的电压小于第二栅网电极g2的电势，则正离子将聚集并湮灭在第一栅网电极g1，而δv推与δv剪符号相反，则意味着此时第一栅网电极g1的电势大于第二栅网电极g2的电势，因此原本聚集在第一栅网电极g1附近离子将被推向第二栅网电极g2，达到推斥离子团的目的。而v1推+v2推＞v1开+v2开，则意味着推斥阶段离子门区的平均电势高于开门阶段离子门区的平均电势，离子团在推斥阶段受到沿电场线方向的正向推力，达到推斥离子团的目的。因此，在推斥阶段，对离子团整体施加沿离子迁移方向上的正向推力，离子团整体离开离子门区进入到迁移区；推斥阶段实现对离子团在沿迁移方向上的整体推移，利用推斥电场的非均匀性实现离子团轴向压缩。

关门阶段：第一栅网电极g1的电压保持为v1关，第二栅网电极g2电压保持为v2关，记δv关＝v1关-v2关。在关门阶段，v1关和v2关的选取满足：能够阻止电离区中的离子穿过离子门进入迁移区，若一直保持在关门阶段，经过足够长的时间(大于1秒)后，从电离区穿过离子门进入迁移区的离子撞击在探测器上产生的电流的绝对值|i关|≤0.9*|i开|。一般而言，|δv关|＞50。在关门阶段，形成与离子迁移方向不同向的电压梯度，阻止离子门区中的离子进入到迁移区。

优选地，0≤δv开≤d×|ed|，其中d为第一栅网电极g1和第二栅网电极g2间距，ed为迁移区电场强度。

优选地，50≤δv剪≤1000，更优选地，200≤δv剪≤600。

优选地，-1000≤δv推≤-50，更优选地，-600≤δv推≤-200。

优选地，-1000≤δv关≤-50，更优选地，-400≤δv关≤-80。

可选地，v1剪＝v1开。

可选地，v1推＝v1开。

可选地，v1关＝v1开。

可选地，v1开＝v1剪＝v1推＝v1关。

可选地，v1开＝v1剪＝v1推＝v1关＝v2开。

可选地，第一栅网电极g1在推斥阶段和关门阶段的电压相同，v1推＝v1关。v1推、v1关的选取应同时满足推斥阶段和关门阶段的电压选择条件。这可以使第一栅网电极的推斥阶段和关门阶段合二为一，进一步简化控制时序。

可选地，第二栅网电极g2在推斥阶段和关门阶段的电压相同，v2推＝v2关。v2推、v2关的选取应同时满足推斥阶段和关门阶段的电压选择条件。这可以使第二栅网电极的推斥阶段和关门阶段合二为一，进一步简化控制时序。

在一个优选的实施例中，推斥阶段和关门阶段电压相同，即v1推＝v1关且v2推＝v2关；v1推、v2推、v1关、v2关的选取应同时满足推斥阶段和关门阶段的电压选择条件；v1开＝v1剪＝v1关＝v2开，且50≤δv剪≤1000，更优选地200≤δv剪≤600，且-1000<δv关≤-50，更优选地-400≤δv关≤-80。

在另一种实施例中，一种用于离子迁移谱仪的离子门控制方法，其中离子迁移管工作在负极性模式，即迁移区内电场线方向从检测器指向电离源。负极性模式和正极性模式的区别在于，正极性模式下运动的是正离子，负极性模式下运动的是负离子。

所述离子门控制方法包括控制所述离子门的一个完整工作周期经历以下四个阶段：

开门阶段：第一栅网电极g1电压保持为v1开，第二栅网电极g2电压保持为v2开，记δv开＝v1开-v2开；在开门阶段，v1开和v2开的选取满足：能够让电离区中的离子穿过离子门进入迁移区，若一直保持在开门阶段，经过足够长的时间(大于1秒)后，从电离区穿过离子门进入迁移区的离子撞击在探测器上产生的电流的绝对值|i开|≥10pa。一般而言，|δv开|≤50。

剪切阶段：第一栅网电极g1电压保持为v1剪，第二栅网电极g2电压保持为v2剪，记δv剪＝v1剪-v2剪；在剪切阶段，v1剪和v2剪的选取满足：|δv剪|＞|δv开|，且v1剪+v2剪＞v1开+v2开。|δv剪|＞|δv开|保证第一栅网电极g1和第二栅网电极g2之间的压差不能使离子正常通过，达到切断离子团的目的。v1剪+v2剪＞v1开+v2开使剪切阶段离子门区的平均电势高于开门阶段离子门区的平均电势，位于迁移区一侧的离子团受到与迁移电场反向的作用力而减速，停止运动甚至反向运动，减小剪切阶段离子团在迁移方向上的拉伸。因此，剪切阶段实现对离子团后沿的快速切断，离子团末尾部分离子湮灭在电压较低的离子门上，同时降低离子团向前的迁移速度，甚至暂时停止离子团向前迁移，更甚至使其反向运动，减小离子团在剪切过程中的轴向拉伸。

推斥阶段：第一栅网电极g1电压保持为v1推，第二栅网电极g2电压保持为v2推，记δv推＝v1推-v2推；在推斥阶段，v1推和v2推的选取满足：δv推与δv剪符号相反，或v1推+v2推＜v1开+v2开；在剪切阶段，当第一栅网电极g1的电势大于第二栅网电极g2的电势，则负离子将聚集并湮灭在第一栅网电极g1，而δv推与δv剪符号相反，意味着此时第一栅网电极g1电势小于第二栅网电极g2，因此原本聚集在第一栅网电极g1附近的离子将被推向第二栅网电极g2，达到推斥离子团的目的。而v1推+v2推＜v1开+v2开，则意味着推斥阶段离子门区的平均电势小于开门阶段离子门区的平均电势，离子团在推斥阶段受到沿迁移方向的正向推力，达到推斥离子团的目的。因此，在推斥阶段，对离子团整体施加沿离子迁移方向上的正向推力，离子团整体离开离子门区进入到迁移区；推斥阶段实现对离子团在沿迁移方向上的整体推移，利用推斥电场的非均匀性实现离子团轴向压缩。

关门阶段：第一栅网电极g1电压保持为v1关，第二栅网电极g2电压保持为v2关，记δv关＝v1关-v2关。在关门阶段，v1关和v2关的选取满足：能够阻止电离区中的离子穿过离子门进入迁移区，若一直保持在关门阶段，经过足够长的时间(大于1秒)后，从电离区穿过离子门进入迁移区的离子撞击在探测器上产生的电流的绝对值|i关|≤0.9*|i开|。一般而言，|δv关|＞50；在关门阶段，形成与离子迁移方向不同向的电压梯度，阻止离子门区中的离子进入到迁移区。

优选地，-(d×|ed|)≤δv开≤0，其中d为第一栅网电极g1和第二栅网电极g2间距，ed为迁移电场强度；

优选地，-1000≤δv剪≤-50，更优选地，-600≤δv剪≤-200。

优选地，50≤δv推≤1000，更优选地，200≤δv推≤600。

优选地，50≤δv关≤1000，更优选地，80≤δv关≤400。

可选地，v1剪＝v1开。

可选地，v1推＝v1开。

可选地，v1关＝v1开。

可选地，v1开＝v1剪＝v1推＝v1关。

可选地，v1开＝v1剪＝v1推＝v1关＝v2开。

可选地，第一栅网电极g1在推斥阶段和关门阶段的电压相同，v1推＝v1关。v1推、v1关的选取应同时满足推斥阶段和关门阶段的电压选择条件。这可以使第一栅网电极的推斥阶段和关门阶段合二为一，进一步简化控制时序。

可选地，第二栅网电极g2在推斥阶段和关门阶段的电压相同，v2推＝v2关。v2推、v2关的选取应同时满足推斥阶段和关门阶段的电压选择条件。这可以使第二栅网电极的推斥阶段和关门阶段合二为一，进一步简化控制时序。

在一个优选的实施例中，推斥阶段和关门阶段电压相同，即v1推＝v1关且v2推＝v2关；v1推、v2推、v1关、v2关的选取应同时满足推斥阶段和关门阶段的电压选择条件；v1开＝v1剪＝v1关＝v2开，且-1000≤δv剪≤-50，更优选地-600≤δv剪≤-200，且50≤δv关≤1000，更优选地80≤δv关≤400。

在具体的实施例中，第一栅网电极g1和第二栅网电极g2的形状可以为网状电极、同心环状电极、栅格状电极、螺旋线状电极中的一种或两种以上的组合。

应用例1

离子迁移谱仪的参数和条件：迁移管长度10.5cm，迁移电场强度50v/mm；检测样品为丙酮，浓度为10ppm；载气流速为10ml/min，漂移气流速600ml/min；第一栅网电极g1和第二栅网电极g2分别由一组相互平行且距离相等的金属丝网组成，相邻金属丝之间距离为2mm；第一栅网电极g1和第二栅网电极g2丝径均为0.1mm；第一栅网电极g1和第二栅网电极g2共面且相邻金属丝之间距离为1mm。本例中，离子迁移谱仪工作在正极性模式。

采用本发明的方法，来进行离子团后沿整形，第一栅网电极g1和第二栅网电极g2的时序图如图2所示，具体参数如下：

第一栅网电极g1和第二栅网电极g2各阶段电压满足下列条件，单位均为伏特(v)：

v1开＝v1剪＝v1推＝v1关＝v2开；

v2剪＝v2开-400；

v2推＝v2开+300；

v2关＝v2开+100；

剪切阶段持续时间τ剪＝18μs；

推斥阶段持续时间τ推＝30μs。

应用例2

离子迁移谱仪的参数和条件：迁移管长度10.5cm，迁移电场强度50v/mm；检测样品为丙酮，浓度为10ppm；载气流速为10ml/min，漂移气流速600ml/min；第一栅网电极g1和第二栅网电极g2分别由一组相互平行且距离相等的金属丝网组成，相邻金属丝之间距离为2mm；第一栅网电极g1和第二栅网电极g2丝径均为0.1mm；第一栅网电极g1和第二栅网电极g2共面且相邻金属丝之间距离为1mm。本例中，离子迁移谱仪工作在正极性模式。

采用本发明的方法，来进行离子团后沿整形，第一栅网电极g1和第二栅网电极g2的时序图如图3所示，具体参数如下：

第一栅网电极g1和第二栅网电极g2各阶段电压满足下列条件，单位均为伏特(v)：

v1开＝v1剪＝v1推＝v1关＝v2开；

v2剪＝v2开-400；

v2推＝v2关＝v2开+100；

剪切阶段持续时间τ剪＝18μs。

实验测得，整形前，谱图的半峰宽为153.4μs，分辨率为64.5；整形后，谱图的半峰宽为101.7μs，分辨率为100。可见本发明能够改善离子团后沿的形变，抑制离子团的展宽，从而提高谱图的分辨力。

以上内容是结合具体/优选的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，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。