基于多通道接收阵列的离子迁移成分感知系统及方法与流程

本发明涉及离子在线监测，具体涉及基于多通道接收阵列的离子迁移成分感知系统及方法。

背景技术：

1、离子指纹图谱技术作为痕量物质快速检测的核心技术之一，已广泛应用于环境水质监测、工业废水溯源等领域，可实现水体中离子组分的快速定性与半定量分析。现有常规离子指纹图谱检测方法多采用单通道脉冲进样模式，离子占空比普遍低于 1%，检测信噪比受限，对水体中μg/l级痕量污染物的检出能力不足，难以满足工业园区尾水深度监测的实际需求。

2、同时传统差分离子指纹图谱仅依靠单次横向电场偏转实现空间分离，对于迁移率差异小于0.05cm²/(v・s) 的相近组分分离度不足，易产生共迁移峰重叠现象，直接导致组分定性误差增大。此外现有检测方法多以单一迁移时间作为定性依据，缺乏分子结构层面的特征佐证，面对结构同系物、同分异构体等相似离子时误判率较高，且无法同步获取离子在水流截面的空间分布信息，难以支撑水环境的精细化、网格化监测。因此，开发兼具高灵敏度、高分离度与高识别准确率的多通道离子迁移成分感知技术，是当前水质在线监测领域亟待解决的技术问题，为此基于多通道接收阵列的离子迁移成分感知系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于多通道接收阵列的离子迁移成分感知系统及方法，以解决背景技术中不足的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于多通道接收阵列的离子迁移成分感知方法，包括以下步骤：

4、步骤s1、部署多个检测通道，各检测通道设置高速模拟开关，按连续伪随机序列开合，向检测通道内注入稳定的目标检测离子流，所有检测通道保持相同电场环境，并在迁移区后段引入已知中性分子构成碰撞反应池，当单体离子被电场驱动进入碰撞反应池时，与中性分子发生碰撞诱导解离，产生特征碎片离子，采集各检测通道的离子电流信号，将接收信号与伪随机序列进行互相关计算，生成离子指纹图谱；

5、步骤s2、沿垂直于检测水流方向布置环形多通道接收阵列，将待测水流离子化后通入差分离子指纹图谱分析区，通过设置扫描补偿电压使不同迁移率的离子因空间偏转角度差异而获得不同的横向偏移，进而被分别导引至环形多通道接收阵列的不同接收通道中，完成基于迁移率的空间分离；

6、步骤s3、每个接收通道独立对进入的离子组分进行二次或多次离子迁移分析，若存在接收通道内包含多种离子，进而令其在串联迁移场中继续发生差速迁移，进一步分离至下游子通道，直到每个末端接收通道不再出现离子分离现象；

7、步骤s4、将各稳定接收通道内的离子依次引入含相同中性分子的碰撞反应池，在预设电场环境中记录离子电流信号，并与调制序列互相关获得检测迁移谱，提取检测迁移谱中特征碎片峰组合，与离子指纹图谱进行匹配，准确判别各通道离子种类，综合所有接收通道识别结果，解析出检测水流中的离子成分。

8、进一步的，部署多个检测通道，各检测通道设置高速模拟开关，按连续伪随机序列开合，向检测通道内注入稳定的目标检测离子流，所有通道保持相同电场环境的过程包括：

9、设置p个结构一致的检测通道，p为大于16的自然数，所有检测通道沿直线等间距排布，每个检测通道的入口处集成1组高速模拟开关；

10、为每个高速模拟开关分配独立的控制信号通路，生成连续伪随机序列，将生成的连续伪随机序列作为控制信号同步输入至所有高速模拟开关，控制开关按序列码元的高低电平完成开合动作，从而实现对目标检测离子流的伪随机编码调制；

11、向所有检测通道内同步注入稳定的目标检测离子流，目标检测离子流注入前经过匀流聚焦结构与分流器，注入的目标检测离子为单一已知种类的标准离子，用于后续离子指纹图谱的构建。

12、进一步的，在迁移区后段引入已知中性分子构成碰撞反应池，当单体离子被电场驱动进入碰撞反应池时，与中性分子发生碰撞诱导解离，产生特征碎片离子，采集各检测通道的离子电流信号，将接收信号与伪随机序列进行互相关计算，生成离子指纹图谱的过程包括：

13、在每个检测通道的迁移区后段集成碰撞反应池，碰撞反应池与迁移区同轴连通，向碰撞反应池内持续通入已知种类的中性分子作为反应气；

14、当单体目标离子被迁移区电场驱动、以恒定漂移速度进入碰撞反应池时，与池内的中性分子发生频繁的非弹性碰撞，在碰撞反应池的出口处设置加速电极与离子透镜，对生成的碎片离子进行动能聚焦和方向校准，确保所有碎片离子沿通道轴向进入后续的信号采集区；

15、在每个检测通道的末端采集各通道的离子电流信号，采样率设置为伪随机序列码元速率的2倍以上，将接收的离子电流信号与伪随机序列进行互相关计算，通过互相关运算最终生成对应目标离子的离子指纹图谱；

16、将所有谱峰按照迁移时间从小到大排序构成特征碎片峰组合，提取特征碎片峰组合的多维特征参数，将该组多维特征参数定义为对应目标离子的离子指纹图谱。

17、进一步的，沿垂直于检测水流方向布置环形多通道接收阵列，将待测水流离子化后通入差分离子指纹图谱分析区的过程包括：

18、沿垂直于检测水流的截面方向布置环形多通道接收阵列，环形多通道接收阵列包含q个独立的接收通道，每个接收通道均包含离子接收电极和屏蔽信号引出线，q为大于32的自然数；

19、所述差分离子指纹图谱分析区整体为圆柱形密封腔体，沿水流轴向依次分为电离区、缓冲区和迁移分离区，电离区与迁移分离区之间设置有离子门，迁移分离区设置两组相互垂直的平行电极，分别提供轴向迁移电场和横向补偿电场，迁移电场为恒定直流电场，驱动离子沿轴向向前迁移；补偿电场为垂直于迁移电场方向的横向电场，即扫描补偿电压对应的电场，用于使不同迁移率的离子产生差异化横向偏转。

20、进一步的，通过设置扫描补偿电压使不同迁移率的离子因空间偏转角度差异而获得不同的横向偏移，进而被分别导引至环形多通道接收阵列的不同接收通道中，完成基于迁移率的空间分离的过程包括：

21、对补偿电场施加线性扫描的补偿电压，离子在迁移分离区中同时受到轴向迁移电场和横向补偿电场的作用，离子的运动轨迹为两个方向运动的合成，不同迁移率的离子在横向电场中受到的电场力不同，产生的横向偏转加速度存在差异，最终形成不同的离子横向偏移量；

22、根据环形多通道接收阵列各通道的周向位置，预先采用标准离子对每个通道对应的离子横向偏移量区间进行标定，当离子完成轴向迁移到达阵列截面时，不同迁移率的离子因横向偏移量不同，分别落入对应的接收通道中，从而完成基于迁移率的空间分离。

23、进一步的，每个接收通道独立对进入的离子组分进行二次或多次离子迁移分析的过程包括：

24、为环形多通道接收阵列的每个接收通道下游独立对接一组串联迁移场架构，所有串联迁移场的结构参数、电场环境保持完全一致，确保各接收通道分离条件的统一性；

25、每组串联迁移场采用多级级联的树状分流结构，串联级数最多设置为5级，每一级迁移单元均包含迁移电场区、离子偏转导引区和子通道分流口；

26、每一级迁移电场区内部设置多组环状匀场电极，离子偏转导引区设置在每一级迁移电场区的末端，包含一组对称偏转电极和静电离子导引透镜，偏转电极可施加纳秒级瞬时脉冲电压，对到达末端的离子施加精准横向偏转力，将其导引至对应的下游子通道；

27、当接收通道内的离子进入第一级串联迁移场后，在均匀迁移电场的驱动下沿轴向发生漂移，不同种类的离子因迁移率不同，漂移速度存在差异，即产生差速迁移现象，到达迁移区末端的时间各不相同；

28、在每一级迁移电场区的末端，离子偏转导引区根据预设的时间分流窗口，对不同到达时间的离子施加对应方向的瞬时偏转电压，将早到达的离子导引至一侧下游子通道，晚到达的离子导引至另一侧下游子通道，完成一次离子分离与子通道分流；

29、若某一下游子通道内的离子组分仍存在多种类混合，则该子通道的离子继续进入下一级串联迁移场，重复上述差速迁移与分流过程；

30、若下游子通道内已为单一组分或不可分离混合体，则终止该接收通道的后续分级，直接进入下一检测环节。

31、进一步的，若存在接收通道内包含多种离子，则令其在串联迁移场中继续发生差速迁移，进一步分离至下游子通道，直到每个末端接收通道不再出现离子分离现象的过程包括：

32、对每一级分流后的下游子通道，均执行离子分离现象判定，判定周期与离子迁移周期一致，连续采集3个周期的离子迁移信号进行综合判定；

33、当所有接收通道均完成判定，不再有可继续分离的通道，或达到最大串联级数时，终止多级分离过程，此时所有末端接收通道即为成分纯净的稳定接收通道，对所有稳定接收通道进行统一编号，并记录每个稳定接收通道对应的上游环形阵列通道位置、经过的串联级数。

34、进一步的，将各稳定接收通道内的离子依次引入含相同中性分子的碰撞反应池，在预设电场环境中记录离子电流信号，并与调制序列互相关获得检测迁移谱的过程包括：

35、将各稳定接收通道内的离子依次引入统一的碰撞反应池中，离子进入碰撞反应池后，在恒定电场驱动下与池内中性分子发生碰撞诱导解离，生成对应的特征碎片离子，碎片离子经迁移区漂移后到达末端检测器，采集对应的离子电流信号；

36、对每个稳定接收通道采集到的离子电流信号，执行互相关计算，将接收信号与伪随机序列进行互相关运算，生成对应接收通道的检测迁移谱，对检测迁移谱进行谱峰识别与参数拟合，提取每个有效谱峰的特征参数，包括谱峰的迁移时间、峰高、峰面积、半高峰宽，将所有有效谱峰按照迁移时间从小到大排序，形成对应接收通道离子的特征碎片峰组合，同时计算相邻谱峰的迁移时间比值、峰面积比值，作为辅助匹配特征，增加匹配维度，提高匹配的准确性与抗干扰能力。

37、进一步的，提取检测迁移谱中特征碎片峰组合，与离子指纹图谱进行匹配，准确判别各通道离子种类，综合所有接收通道识别结果，解析出检测水流中的离子成分及其相对分布的过程包括：

38、将提取得到的特征碎片峰组合，与各个离子指纹图谱逐一进行相似度匹配，并获得相应相似度数值，根据相似度数值大小判定对应稳定接收通道内的离子为对应标准离子种类，完成所有稳定接收通道的离子种类判别后，结合各稳定接收通道对应的环形阵列空间位置，统计不同离子在环形阵列各区域的分布情况，计算各离子的峰面积占总峰面积的比例，得到各离子成分的相对含量，最终综合所有接收通道的识别结果，输出检测水流中的完整离子成分清单、各成分的相对浓度占比，以及离子成分在水流截面的横向空间分布数据，完成整体的离子成分感知。

39、基于多通道接收阵列的离子迁移成分感知系统，包括离子指纹图谱构建模块、离子迁移控制模块以及离子成分感知模块；

40、所述离子指纹图谱构建模块用于部署多个检测通道，各检测通道设置高速模拟开关，按连续伪随机序列开合，向检测通道内注入稳定的目标检测离子流，所有检测通道保持相同电场环境，并在迁移区后段引入已知中性分子构成碰撞反应池，当单体离子被电场驱动进入碰撞反应池时，与中性分子发生碰撞诱导解离，产生特征碎片离子，采集各检测通道的离子电流信号，将接收信号与伪随机序列进行互相关计算，生成离子指纹图谱；

41、所述离子迁移控制模块用于沿垂直于检测水流方向布置环形多通道接收阵列，将待测水流离子化后通入差分离子指纹图谱分析区，通过设置扫描补偿电压使不同迁移率的离子因空间偏转角度差异而获得不同的横向偏移，进而被分别导引至环形多通道接收阵列的不同接收通道中，完成基于迁移率的空间分离，每个接收通道独立对进入的离子组分进行二次或多次离子迁移分析，若存在接收通道内包含多种离子，进而令其在串联迁移场中继续发生差速迁移，进一步分离至下游子通道，直到每个末端接收通道不再出现离子分离现象；

42、所述离子成分感知模块用于将各稳定接收通道内的离子依次引入含相同中性分子的碰撞反应池，在预设电场环境中记录离子电流信号，并与调制序列互相关获得检测迁移谱，提取检测迁移谱中特征碎片峰组合，与离子指纹图谱进行匹配，准确判别各通道离子种类，综合所有接收通道识别结果，解析出检测水流中的离子成分。

43、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

44、1、本发明通过伪随机调制互相关检测机制，同时结合环形多通道空间分离与多级串联差速迁移的二维分离架构，可高效拆分迁移率相近的复杂组分，提升了检测峰容量与分离度，有效降低共迁移干扰。

45、2、本发明通过引入碰撞诱导解离的离子指纹图谱匹配方法，通过特征碎片峰组合实现离子定性识别，突破单一迁移时间特征的识别局限性，有效提升结构相似离子的识别准确率；同时可同步输出离子在水流截面的空间分布数据，适配管道式在线监测场景，为水环境精细化管控提供数据支撑。