一种可切换正负离子注入的三栅网离子门及应用

本发明涉及大气压离子操控技术，具体地说是一种快速切换正负离子注入的三栅网离子门，包括同轴、且平行设置的三个金属网电极。中间的栅网电极为调控电极，其与隔离脉冲电源相连，通过调控隔离脉冲电源的通断实现离子的注入。本发明可以实现正负离子的切换注入，避免正负离子同时传输过程中的正负离子复合，从而大幅提升检测灵敏度。本发明可以用于正负切换的离子迁移谱，实现单根迁移管在单次进样条件下的正负离子测定，便于加工和产业化推广。

背景技术：

离子门是飞行时间质谱、离子迁移谱的重要组成部件；离子门对最终的检测灵敏度和分辨率影响巨大。离子门(iongate,ionshutter)是依靠电场产生脉冲离子团的部件，最初用于飞行时间质谱中控制离子的飞行方向。如今离子门更多地被使用在飞行时间离子迁移谱中[52]。离子门是离子迁移谱中的关键部件之一，其性能的优劣直接影响迁移管及整个迁移谱系统的性能。目前常见的离子门主要有两类。一类离子门被称为bradbury-nielsen门(简写为bn门)，使用两组互相绝缘且交替排列的平行金属丝，并使其处于同一个平面。其发明则应归功于cravath和vandecnaaff，他们二人于1929年各自独立在文献报道中提出，后由bradbury-nielsen给予设计改进并由此而得名。另一类可被称为tyndall门，是由两个平行放置的栅网构成。bn门控制离子的电场与轴向电场相互垂直，通过控制电场的通断即可实现离子门的开关；而tp门控制离子的电场与轴向电场相互平行，为了实现离子门的开关，就需要使得两平行栅网之间的电场反向。

传统tp门控制通过在其中一离子门的栅网上施加正向或反向脉冲电压来实现；而要实现正负离子检测模式，单一正向或反向脉冲无法实现。解决思路通过设计兼容正、负脉冲的来实现，单缺陷是电路复杂，稳定性差。另外，这种脉冲控制方式导致仪器的体积变大。不利于微型化和便携。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种可实现正负离子快速切换的离子门，本发明离子门采用三栅网并行结构设计，中间电极为调控电极，通过在调控电极上施加正向或反向脉冲电压实现正负离子的切换注入。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可切换正负离子注入的三栅网离子门，包括同轴、间隔、平行设置的三个金属栅网电极，高压直流电源，高压直流电源的高压输出端可切换地输出正高压或负高压，隔离脉冲电源，隔离脉冲电源的输出端可输出正脉冲电压或负脉冲电压；其中：高压直流电源的高压输出端和接地端通过导线经四组分压电阻串连连接；

第一栅网电极与第一组和第二组分压电阻之间的连接导线(参考点a)相连；第三栅网电极与第三组和第四组分压电阻之间的连接导线(参考点c)相连；

中部的电极为切换栅网电极，其与隔离脉冲电源的输出端相连，隔离脉冲电源的接地端与第二组和第三组分压电阻之间的连接导线(参考点b)相连。

高压直流电源与第一、第三栅网电极之间的连接线路上分别设有分压电阻，利用分压电阻获得不同的电势；

切换栅网电极与一隔离脉冲电源的高压输出端相连，脉冲电源的接地端分别通过分压电阻与第一、第三栅网电极相连接线端；

开门时，隔离脉冲电源输出为0，切换栅网电极电压为参考点b的电压；关门时，隔离脉冲电源输出为正脉冲电压或负脉冲高压，切换栅网电极电压为参考点b的电压加上脉冲电源的电压。

隔离脉冲电源的输出为正脉冲，且输出电压幅值大于a、b点之间的电压差，且大于b、c两点的电压差。

每个金属栅网电极的栅网分别均为共面平行设置的多根金属丝、金属网、带有开孔的金属薄片中的一种。

相邻金属栅网电极的栅网之间的距离在0.001mm至5mm之间。

每个金属栅网电极的栅网自身的厚度在0.001mm至2mm之间.

隔离脉冲电源的脉宽在0.1微秒到5000微秒，电压幅值在50v到800v，频率在1hz到1000hz；高压直流电源的电压幅值在2000v到8000v。

其可以用于正负切换的离子迁移谱，实现单根迁移管在单次进样条件下的正负离子测定。

本发明的优点是：

1.设计实现了三栅网tp离子门，可以实现正、负离子的调控，可用于单根迁移管测定正负离子。

2.本发明使用单一脉冲电源，结构简单、加工方便，易于批量化生产；

本发明仅仅通过增加一个栅网电极，可实现对正负离子模式的快速切换，便于实现微型化、对便携式和手持式仪器的开发具有重要意义。

附图说明

图1为一种快速切换正负离子注入的三栅网离子门及控制电路原理图；

栅网电极1、切换栅网电极2、栅网电极3、隔离脉冲电源4、切换电源5、分压电阻6。

图2为利用该三栅网离子门的正负离子迁移谱图；

具体实施方式

本发明的一种快速切换正负离子注入的三栅网离子门及控制电路的示意图如图1所示。一种可切换正负离子注入的三栅网离子门，包括同轴、间隔、平行设置的三个金属栅网电极，高压直流电源，高压直流电源的高压输出端可切换地输出正高压或负高压，隔离脉冲电源，隔离脉冲电源的输出端可输出正脉冲电压或负脉冲电压；其中：高压直流电源的高压输出端和接地端通过导线经四组分压电阻串连连接；

第一栅网电极与第一组和第二组分压电阻之间的连接导线(参考点a)相连；第三栅网电极与第三组和第四组分压电阻之间的连接导线(参考点c)相连；

中部的电极为切换栅网电极，其与隔离脉冲电源的输出端相连，隔离脉冲电源的接地端与第二组和第三组分压电阻之间的连接导线(参考点b)相连。

隔离脉冲电源5提供正脉冲高压时：正离子模式下，开门时而隔离脉冲电源5的输出为0v，a、b、c三点的电势分别为4800,4600,4400v；关门时而隔离脉冲电源5提供正脉冲高压400v，a、b、c三点的电势分别为4800,5000,4400v，栅网电极1和切换栅网电极2实现关门。负离子模式下，开门时而隔离脉冲电源5的输出为0v，a、b、c三点的电势分别为-4800,-4600,-4400v；关门时而隔离脉冲电源5提供正脉冲高压400v，a、b、c三点的电势分别为-4800,-4200,-4400v，栅网电极3和切换栅网电极2实现关门。

隔离脉冲电源(5)提供负脉冲高压时：正离子模式下，开门时而隔离脉冲电源5的输出为0v，a、b、c三点的电势分别为4800,4600,4400v；关门时而隔离脉冲电源5提供负脉冲高压400v，a、b、c三点的电势分别为4800,4200,4400v，栅网电极3和切换栅网电极2实现关门。负离子模式下，开门时而隔离脉冲电源5的输出为0v，a、b、c三点的电势分别为-4800,-4600,-4400v；关门时而隔离脉冲电源5提供负脉冲高压400v，a、b、c三点的电势分别为-4800,-5000,-4400v，栅网电极1和切换栅网电极2实现关门。

实施例1：

将该三栅网离子门及控制电路与离子迁移谱联用用于正负离子的检测谱图如图2所示。可以实现tatp和tnt的高灵敏痕量测定。