一种反射式离子迁移谱仪

本发明属于分析仪器与检测领域，具体涉及一种反射式离子迁移谱仪。

背景技术：

离子迁移谱是利用大气压下离子在电场中迁移速度的差异，实现对离子的快速分离和探测，具有结构简单、探测灵敏度高、响应速度快等特点，广泛应用于爆炸物、毒品和化学战剂等毒害危险品的现场快速检测，据统计，目前在全球机场、海关等地运行的离子迁移谱检测设备达数十万台。除公共安全领域外，离子迁移谱也被应用于其他领域，如食品的纯度检测、环境污染物检测、制药工业中的质量控制和病人呼气中生物标志物查找等。

离子迁移谱的分辨率r是衡量其性能的核心参数之一。r越大，离子迁移谱分离和识别物质的能力越强。离子迁移的分辨率r可表示为(analyticalchemistry,2008，80，6610)为：

其中，t为迁移区气体温度，q是离子带的电荷数，v是离子门-离子接收器间的电压，tg是离子门开启宽度，t为被测物的迁移时间。根据上述公式，提高分辨率r的途径之一是增大被测物的迁移时间t。又因为

故：

其中，l为迁移管迁移区的长度，v为离子的迁移速度，k为待测物的迁移率，待测物一定时，k为恒定值，e为迁移区的电场强度。当迁移区气体温度t、离子门宽度tg和迁移区电场强度e一定时，迁移管迁移区l越长，迁移时间t越大，单电荷检测物的r越大。然而随着迁移管加长，离子迁移路径增加，离子径向扩散丢失也严重，到达探测器上的离子数减少，从而降低仪器的检测灵敏度，此外，迁移管越长，离子迁移谱仪器尺寸越大，仪器的实用性越差。最近美国仪器公式waters利用低气压下的离子容易被高频电场束缚的特性，借助离子回旋的办法，离子的迁移路径长达98cm，离子在2mbar氮气中的分辨率已达到750(analyticalchemistry,2019，91，8564)，但在大气压力下，这种提高离子迁移谱分辨率的技术并不适用。

大气压环境下，在不损失、甚至提高检测灵敏度的情况下，提高离子迁移谱的分辨率仍然是离子迁移谱技术研究的热点和难点之一。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：针对在大气压力下通过延长离子的迁移路径来提高离子迁移谱的分辨率，以及抑制离子在迁移过程中的径向扩散等技术需求，提出一种反射式离子迁移谱仪，即在大气压力下，离子迁移管有两个空间上相互垂直或平行的迁移区，离子在第一个迁移区迁移一定距离后，在推斥电极作用下，离子迁移速度不变，运动方向发生偏转，进入下一个迁移区，在均匀电场中继续迁移，从而延长离子的迁移路径，提高离子迁移谱的分辨率。此外，为了抑制离子运动过程中的径向扩散，迁移区的电极采用漏斗结构，以抑制离子运动过程中的径向扩散，避免离子因迁移路径变长导致的离子丢失，提高离子迁移谱的检测灵敏度，最终增强仪器的检测能力。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种反射式离子迁移谱仪，其特征在于：包括离子迁移管和信号探测和处理单元，所述离子迁移管包括离子存储区，离子门，第一迁移区，第一推斥电极，第二推斥电极，金属网和第二迁移区，其中第一迁移区和第二迁移区均包括漏斗状电极；离子存储区与第一迁移区之间设置有离子门，由分子-离子反应或电喷雾电离手段产生的离子在离子门作用下存储在离子存储区；所述的第一迁移区末端与第二迁移区连通，中间设置有金属网；所述的第二迁移区末端出口外设置有信号探测与处理单元；当离子门开启时，离子束团进入第一迁移区，在电场e作用下往第一迁移区下游迁移；当离子到达第一迁移区末端时，第一推斥电极在第一迁移区的径向方向产生一个推斥电场，使离子的运动方向产生偏转，并通过金属网进入第二迁移区，所述的第二迁移区的空间位置设置为与第一迁移区垂直或平行两种方式；

其中，当第二迁移区和第一迁移区设置为垂直时，所述的第一推斥电极设置在第一迁移区的末端，推斥方向沿着第一迁移区的径向方向；离子到达第一迁移区末端后，在第一推斥电极产生的推斥电场作用下，离子的运动速度保持不变，运动方向偏转90度，穿过金属网进入第二迁移区，并在迁移电场e电场作用下，到达信号探测与处理单元，进行探测和分析处理，获得检测物的离子迁移谱图；

当第二迁移区和第一迁移区设置为平行时，所述的第一推斥电极设置在第一迁移区的末端，推斥方向沿着第一迁移区的径向方向；所述第二推斥电极设置在第二迁移区顶端，推斥方向沿着与第一迁移区离子运动相反的方向；离子到达第一迁移区末端后，在第一推斥电极产生的推斥电场作用下，离子的运动方向偏转90度，穿过金属网到达第二迁移区中心位置，紧接着，第二迁移区顶端的第二推斥电极产生和第一迁移区电场方向相反的推斥电场，把离子推入第二迁移区，使离子在第二迁移区的迁移速度和在第一迁移区的迁移速度一致，运动方向偏转180度，离子在第二迁移区电场e作用下，到达信号探测与处理单元，进行探测和分析处理，获得检测物的离子迁移谱图。

进一步的，所述离子迁移管包含两个相互垂直或平行的第一迁移区和第二迁移区，且第一迁移区和第二迁移区均包括漏斗状电极，这种电极形成的电场能够抑制离子在迁移过程中的径向扩散，提高仪器的检测灵敏度。

进一步的，所述的离子存储区内的离子通过离子-分子反应产生，包括利用光电离电离源、放射性电离源、电晕放电电离源、等离子体电离源和薄膜型电离源，或通过电喷雾电离源直接产生。

进一步的，所述的离子门为bradbury-nielson型，或者是tyndall-powell型离子门。

进一步的，离子迁移到第一迁移区末端时，在第一推斥电极作用下，在第一迁移区的径向方向产生一个推斥电场，使离子的运动方向产生偏转，通过金属网进入第二迁移区。

进一步的，第一迁移区和第二迁移区之间的金属网，其作用是：使运动方向发生偏转的离子从第一迁移区进入第二迁移区，并防止第一迁移区和第二迁移区之间的电场渗透。

进一步的，当第二迁移区和第一迁移区垂直时，离子到达第一迁移区末端后，在第一推斥电极产生的推斥电场作用下，离子的运动速度保持不变，运动方向偏转90度，穿过金属网进入第二迁移区，并在第二迁移区迁移电场e的作用下，被信号探测与处理单元探测和分析处理，获得检测物的离子迁移谱图。

进一步的，当第二迁移区和第一迁移区平行时，离子到达第一迁移区末端后，在第一推斥电极产生的推斥电场作用下，离子的运动方向偏转90度，穿过金属网到达第二迁移区中心位置，紧接着，第二迁移区顶端的第二推斥电极产生和第一迁移区电场方向相反的推斥电场，把离子推入第二迁移区，使离子在第二迁移区的迁移速度和在第一迁移区的迁移速度一致，运动方向偏转180度，离子在第二迁移区电场e作用下，到达信号探测与处理单元，进行探测和分析处理，获得检测物的离子迁移谱图。

进一步的，利用这种反射式离子迁移谱技术，能够使离子的迁移路径增加一倍以上，提高离子迁移谱的分辨率；同时，迁移区漏斗状电极形成的迁移电场，能够抑制离子在迁移过程中的径向扩散，提高离子迁移谱的检测灵敏度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明是使离子在迁移过程中运动方向产生偏转，让离子在相互垂直或平行的两个离子迁移区内迁移，增加离子的迁移路径，可使离子的迁移路径增加一倍以上，提高离子迁移谱的分辨率。

(2)本发明中，离子迁移区的漏斗状电极形成的约束性电场，可抑制离子的径向扩散，提高仪器的检测灵敏度。

附图说明

图1为第一迁移区和第二迁移区相互垂直的反射式离子迁移谱仪示意图；

图2为第一迁移区和第二迁移区相互平行的反射式离子迁移谱仪示意图；

图3为离子迁移区内漏斗型电场形成的电场模拟图。

图中附图标记含义为：1为离子迁移管，2为信号探测和处理单元，3为离子存储区，4为离子门，5为第一迁移区，6-1为第一推斥电极，6-2为第二推斥电极，7为金属网，8为第二迁移区，9为漏斗状电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明设计的一种反射式离子迁移谱仪，和传统离子迁移谱仪的区别在于：离子迁移管1包括有两个空间相互垂直或平行的迁移区，当离子迁移到第一迁移区5末端时，在第一推斥电极6-1作用下，离子的运动速度不变，运动方向发生偏转，进入第二迁移区8继续迁移。

如图1所示，根据本发明的实施例1，第一迁移区5和第二迁移区8在空间上相互垂直，这种反射式离子迁移谱仪包括离子迁移管1和信号探测和处理单元2，其中离子迁移管1包括离子存储区3，离子门4，第一迁移区5，第一推斥电极6-1，金属网7和第二迁移区8，其中第一迁移区5和第二迁移区8均包括漏斗状电极9。离子存储区3与第一迁移区5之间设置有离子门4；所述的第一推斥电极6-1设置在第一迁移区5的末端，推斥方向沿着第一迁移区的径向方向；由分子-离子反应或电喷雾电离等手段产生的离子在离子门4作用下存储在离子存储区3，当离子门4开启时，离子束团进入第一迁移区5，在电场e作用下往第一迁移区下游迁移。所述的第一迁移区5末端与第二迁移区8连通，中间设置有金属网7；所述的第二迁移区8末端出口外设置有信号探测与处理单元2；当离子到达第一迁移区5末端时，第一推斥电极6-1在径向方向产生一个推斥电场，使离子的运动速度不变，运动方向产生90度偏转，并通过金属网7进入第二迁移区8，并在第二迁移区8的迁移电场e作用下，到达信号探测和处理单元2，获得检测物的离子迁移谱图。

如图2所示，根据本发明的实施例2，第一迁移区5和第二迁移区8在空间上相互平行，这种反射式离子迁移谱仪包括离子迁移管1和信号探测和处理单元2，其中离子迁移管1包括由离子存储区3，离子门4，第一迁移区5，第一推斥电极6-1，第二推斥电极6-2，金属网7和第二迁移区8，其中第一迁移区5和第二迁移区8均包括漏斗状电极9。离子存储区3与第一迁移区5之间设置有离子4门；所述的第一推斥电极6-1设置在第一迁移区5的末端，推斥方向沿着第一迁移区的径向方向；所述第二推斥电极6-2设置在第二迁移区8顶端，推斥力方向沿着与第一迁移区离子运动5相反的方向；由分子-离子反应或电喷雾电离等手段产生的离子在离子门作用下存储在离子存储区3，当离子门4开启时，离子束团进入第一迁移区5，在电场e作用下往第一迁移区下游迁移。当离子到达第一迁移区5末端时，在第一推斥电极6-1产生的推斥电场作用下，离子的运动方向偏转90度，穿过金属网7到达第二迁移区8中心位置，紧接着，第二迁移区8顶端的第二推斥电极6-2产生和第一迁移区5电场方向相反的推斥电场，把离子推入第二迁移区8，使离子在第二迁移区8的迁移速度和在第一迁移区5的迁移速度一致，运动方向偏转180度，离子在第二迁移区8电场e作用下，到达信号探测与处理单元2，进行探测和分析处理，获得检测物的离子迁移谱图。

其中，第一迁移区5和第二迁移区8之间的金属网，其作用是：使运动方向发生偏转的离子从第一迁移区5进入第二迁移区8，并防止第一迁移区和第二迁移区8之间的电场渗透。

和传统的单迁移区离子迁移谱仪相比，本发明具有两个迁移区，其迁移路径是传统迁移管的两倍，根据公式可知，当迁移管温度、离子门宽度和迁移电场一定时，单电荷离子的迁移路径越长，仪器的分辨率越高。

此外，从图3的电场模拟结果可看出，漏斗状电极9在迁移区形成的电场强度从迁移管边缘到迁移管中心依次减弱，在这种电场作用下，离子的径向扩散被有效抑制，从而避免了离子迁移过程中的径向扩散损失，提高了仪器的检测灵敏度。

同样，由于两个迁移区内漏斗状电极9在迁移区形成了如图3所示的，从迁移管边缘到迁移管中心依次减弱的电场强度，抑制了离子在径向的扩散，从而提高仪器的检测灵敏度。

以上实例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。