基于横向迁移的离子迁移谱分析器及分析方法

本发明属于气体分析器，具体涉及一种基于横向迁移的离子迁移谱分析器及其应用方法。

背景技术：

1、离子迁移谱是一种在常压或近常压条件下，根据气相离子在电场和缓冲气体中的迁移速度差异实现物质分离、识别和分析的技术。待测分子经光电离、电晕放电、放射源电离、化学电离或其他方式形成离子后，在电场作用下发生迁移。由于不同离子的迁移率存在差异，因此可通过漂移时间、空间位置、电压响应或迁移率谱图实现对待测物的定性或定量分析。离子迁移谱仪通常由进样单元、电离源、迁移分析区、电场产生单元、检测器、电源与信号处理单元等组成，其中迁移分析区及其电场、气流和检测结构构成离子迁移谱分析器的核心部分。离子迁移谱仪具有响应速度快、灵敏度高、可在常压下工作、适合现场检测等优点，已广泛应用于爆炸物与毒品检测、环境监测、工业过程控制、食品安全、呼出气分析、化学品泄漏报警以及挥发性有机物检测等领域。随着现场在线检测、无人平台搭载、分布式传感网络和mems工艺的发展，离子迁移谱仪及其核心分析器正朝着便携式、低功耗、低成本和在线集成方向发展。

2、在多种微型化离子迁移谱技术路线中，吸气式离子迁移谱因其结构简单、无需传统离子门和长漂移管、无需高频高压非对称波形电源、易于平面化和低功耗集成而具有较高的微型化潜力。吸气式离子迁移谱通常通过抽吸、压差驱动、微泵驱动或载气输运使样品气体进入扁平通道，并在层流气流和静电场共同作用下实现离子空间分离。典型结构中，样品气体沿扁平通道长度方向流动，离子在垂直于气流方向的电场作用下由通道一侧表面向另一侧表面迁移，不同迁移率的离子因到达检测面的时间不同而在流动方向上形成不同空间位置，从而实现分离检测。然而，现有吸气式离子迁移谱的主要迁移方向通常为扁平通道厚度方向。为了保持器件扁平化、流场稳定性、电场均匀性以及平面加工兼容性，通道厚度通常远小于通道宽度和长度，导致离子在厚度方向上的有效迁移距离受到通道高度限制。由于有效迁移距离较短，不同迁移率离子形成的空间峰位差较小，容易与离子扩散展宽、初始离子云宽度、流场分布不均、检测电极尺寸和电场边缘效应处于同一量级，导致谱峰重叠、分辨率偏低和识别能力不足，从而限制了吸气式离子迁移谱在复杂气体组分识别和高分辨在线检测中的应用。

3、针对上述问题，已有技术尝试通过改变电极结构、优化进样方式、设置吸气冷凝器、改变通道几何参数、增加离子汇聚结构或调整气流与电场分布来改善离子收集效率和空间分离效果。如专利申请cn101853771a公开了一种改进的吸气冷凝器结构离子迁移谱仪，通过设置辅助集成探测电极、记数电极、集成探测电极和辅助电极等结构，在一定程度上改善了离子收集和检测灵敏度，但仍未改善分辨率低的问题；专利申请us20070023647a1公开了一种具有平行漂移气流和离子载气流的离子迁移谱仪，通过将含离子的载气流限制在分离区截面的较小区域，并利用近似无离子的漂移气与其同向流动，使离子从较窄且相对确定的位置进入分析区，从而减小初始位置和流速差异造成的峰展宽，提高空间分离精度。但该方案需要精确控制多路气流，易受流量波动和气流扩散影响，且其主要作用是缩小谱峰宽度，离子的迁移方向和有效迁移距离并未改变，仍受扁平通道厚度限制，难以从根本上增大不同迁移率离子的空间峰位差。

4、上述方案多数仍然是在扁平通道厚度方向上完成主要迁移分离，其有效迁移距离本质上仍受通道厚度限制。若为增加有效迁移距离而直接增大通道厚度，则可能导致所需电压升高、电场均匀性下降、流场稳定性变差、器件体积增大以及平面加工难度增加；若通过减小通道宽度或改变局部结构提高场强，又可能引起边缘电场增强、离子壁面损失增加和检测重复性下降。因此亟需开发一种能够解决现有吸气式离子迁移谱中离子主要沿扁平通道厚度方向迁移、有效迁移距离受通道高度限制而导致空间分离能力不足和分辨率偏低的问题的离子迁移谱。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于横向迁移的离子迁移谱分析器，该分析器通过使离子在气流输运过程中沿扁平通道横向方向迁移，以增大有效迁移分离距离，从而提高吸气式离子迁移谱结构的离子空间分离能力，提高分辨率的上限。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于横向迁移的离子迁移谱分析器，包括：

4、分析器通道、上极板、下极板、迁移电极、局部电离区和检测区；

5、定义所述分析器通道的长度方向即气体和检测离子的流场方向为x轴，宽度方向为y轴，厚度方向为z轴；

6、所述上极板和下极板上设有多个迁移电极，所述迁移电极沿所述y轴方向等间距排列，相邻的所述迁移电极之间施加有梯度电压，以在所述分析器通道内形成沿所述y轴方向的横向迁移电场；

7、所述局部电离区的两端为设于所述上极板和下极板上的电离窗口，局部电离区沿所述z轴方向贯穿所述分析器通道；进一步地，所述局部电离区内设有或正对设有电离源，用于电离待测物质生成离子；

8、所述检测区包括设于下极板上的偏转电极和设于上极板上的检测电极；所述检测电极为单个固定检测电极和位于所述单个固定检测电极两侧的检测辅助电极；或者，所述检测电极为多通道阵列检测电极；

9、所述偏转电极用于施加偏转电压以形成沿所述z轴方向的偏转电场，所述单个固定检测电极电势为0，用于检测目标离子信号；所述检测辅助电极接地，用于收集吸收目标离子以外的离子，减少对目标离子的干扰；所述多通道阵列检测电极包含多个独立电极，用于检测沿x流场方向多个不同位置的目标离子信号；

10、进一步地，所述迁移电极为矩形电极，平行于通道表面且与通道表面重合放置，其长边平行于所述x轴，短边平行于所述y轴；所述上极板和下极板上的迁移电极相互平行且在xy面的投影完全重合，构成上下平行的迁移电极对。

11、进一步地，所述局部电离区沿所述y轴方向到所述单个固定检测电极的距离为所述分析器通道的厚度的10~30倍；

12、进一步地，所述局部电离区沿所述y轴方向到所述单个固定检测电极的距离越大所提升的有效迁移距离就越大，但由于扩散效应，迁移距离提升对提升分辨率的收益会趋于稳定，同时随着有效迁移距离过长，虽然分辨率提升，但是灵敏度也随之下降，因此当局部电离区沿所述y轴方向到所述单个固定检测电极的距离为所述分析器通道的厚度的10~30倍时综合性能最佳，但实际使用中不限于此范围。

13、进一步地，所述偏转电极、检测辅助电极、单个固定检测电极和多通道阵列检测电极中包含的每一个独立电极均为矩形电极，且长边平行于x轴，短边平行于y轴，均平行于通道表面且与通道表面重合放置；

14、进一步地，所述偏转电极在xy面的投影覆盖所述检测电极的投影；

15、进一步地，所述偏转电极在xy面的投影覆盖所述检测辅助电极和单个固定检测电极的投影；或者，所述偏转电极在xy面的投影覆盖所述多通道阵列检测电极的投影；

16、进一步地，所述局部电离区设有局部电离窗口，所述局部电离窗口为圆孔或狭缝，用于限制离子在宽度方向上的初始位置。

17、进一步地，所述分析器通道的宽度大于其厚度；

18、进一步地，所述所述分析器通道采用pcb、玻璃、硅、石英、陶瓷或聚合物材料制成；进一步地，所述所述分析器通道采用多层pcb一体加工成型。

19、第二方面，本发明提供一种基于横向迁移的离子迁移谱分析方法，应用于第一方面所述的基于横向迁移的离子迁移谱分析器，包括以下步骤：

20、s1、进样与电离：待测物质随载气沿所述分析器通道的x轴方向流动，在流经所述局部电离区时，所述待测物质被电离生成离子；

21、s2、横向迁移分离：所述离子在随气流沿x轴方向运动的同时，在所述上极板迁移电极和下极板迁移电极形成的横向迁移电场的作用下，沿y轴方向产生电场迁移速度，实现不同迁移率离子的空间分离；

22、s3、偏转与检测：所述空间分离后的离子运动至所述检测区，在所述偏转电极和检测电极形成的偏转电场的作用下沿z轴方向偏转，所述离子被所述检测电极收集并转化为电流信号。

23、进一步地，当所述不同迁移率离子的空间分离采用扫描电压模式时，所述检测电极为单个固定检测电极和位于所述单个固定检测电极两侧的检测辅助电极，所述方法包括步骤：

24、保持所述单个固定检测电极位置固定，按预设序列扫描所述横向迁移电场的梯度电压；所述离子在所述偏转电极、单个固定检测电极和检测辅助电极形成的z轴方向的偏转电场作用下，向单个固定检测电极或检测辅助电极运动，到达检测辅助电极的目标离子湮灭，到达单个固定检测电极的目标离子被检测形成电流信号；记录不同梯度电压下的电流信号，形成电流-电压信号谱图，实现特定离子分离检测识别。

25、进一步地，当所述不同迁移率离子的空间分离采用固定电压模式进行检测，所述检测电极为多通道阵列检测电极，所述多通道阵列检测电极包含多个独立电极，用于检测沿x轴方向多个不同位置的目标离子信号，所述方法包括步骤：

26、保持所述横向迁移电场的梯度电压固定，所述目标离子在所述偏转电极和多通道阵列检测电极形成的z轴方向的偏转电场作用下，向多通道阵列检测电极运动，到达多通道阵列检测电极的目标离子分别落入所述多通道阵列检测电极中不同空间位置的所述独立电极上，被检测并形成电流信号，从而同步获取不同迁移率离子的空间分布谱图，实现不同迁移率离子的分离检测识别。

27、第三方面，本发明提供一种离子迁移谱仪，包括第一方面所述的基于横向迁移的离子迁移谱分析器，以及用于控制所述分析器工作的控制单元和信号处理单元。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

29、1、本发明将离子的主要迁移方向由通道厚度方向改为通道宽度方向（横向）。在保持通道扁平化（小厚度）的前提下，大幅增加了离子的有效迁移分离距离，从而有效提高了不同迁移率离子的空间峰位差，显著提升了谱图分辨率；同时，避免了直接增大通道厚度所带来的驱动电压升高、电场均匀性下降及流场失稳等问题。

30、2、通过在上、下极板设置平面电极阵列来合成横向迁移电场，无需传统的离子门和长漂移管。该结构完全兼容mems、pcb等标准平面微加工工艺，易于实现分析器的微型化、片上化、低功耗及批量制造。

31、3、通过设置局部电离窗口（如圆孔或狭缝），严格限制了离子在横向迁移方向上的初始位置，有效降低了初始离子云宽度对空间分辨率的不利影响，进一步保障了高分辨率分离。

32、4、本发明基于横向迁移结构，提供两种时空等效的检测模式：（1）扫描电压模式：采用单个固定检测电极配合电压扫描，仅需单通道信号处理电路，硬件复杂度与成本极低，适合原理样机和低成本便携式仪器；（2）固定电压模式：采用多通道阵列检测电极，无需电压扫描即可实时、并行输出空间型离子迁移谱，适合多组分同时检测和快速响应场景。两种模式均充分利用了横向迁移带来的长有效距离，实现了高分辨率检测。

33、5、本发明当采用扫描电压模式时，检测区通过偏转电极与接地的检测辅助电极配合形成偏转电场，在将目标离子导向单个固定检测电极的同时，使偏离轨迹的非目标离子在辅助检测电极上湮灭。该结构实现了有效的空间滤波，消除了杂散离子干扰，显著提高了检测信号的信噪比。