一种径向周期聚焦离子迁移管的制作方法

1.本发明涉及离子迁移谱仪的核心部件离子迁移管，具体地说是一种能够对沿离子迁移管轴向传输的离子团的径向发散进行周期聚焦整形的离子迁移管。


背景技术：

2.离子迁移谱(ims)现场检测的目标物通常为痕量，且伴随有高湿度、复杂化学背景等干扰。样品直接进样后，一方面，会在离子源内发生离子
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水分子团簇化、化学竞争电离等复杂离子化学过程，造成目标物检测灵敏度降低；另一方面，高度水团簇化的产物离子会在ims迁移区内动态解离，导致离子迁移率k的波动，影响ims准确识别。降低电离区或离子
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分子反应区的气压至千帕范围可以有效解决离子
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水分子团簇化、化学竞争电离等对痕量目标物离子化干扰。zimmermann等(anal.chem.2014,86:11841)通过将ims工作气压降至千帕范围，实现了高湿度混合气中痕量苯、甲苯和丙酮等直接进样定量检测。
3.ims响应信号强度正比于ims离子团的离子数密度n。根据nernst
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einstein方程，气压p降低还会引起离子团径向尺寸急剧展宽(σ
radial
＝(2k
b
tl/qnε)
1/2
，n表示气压p对应的分子数密度，ε＝e/n表示约化迁移电场)，造成离子数密度n降低，同时会有更多离子在轴向传输过程中湮灭在迁移区导电电极上，使ims检测灵敏度降低。因此，控制、校正迁移区内离子团的径向扩散展宽是提高低气压(0.1～50kpa)ims灵敏度的关键。
4.施加射频电压是质谱及低气压ims中实现离子高效传输的重要手段。但是，射频电压约束离子径向扩散适用的气压范围通常为～4000pa以下，并且随着气压升高所需射频电压的幅值与频率也会升高。高频高幅值的射频电压极易造成离子有效温度的升高，引起离子解离或去团簇化，导致离子迁移率k的波动。
5.非均匀直流电场常被用于大气压ims迁移区的末端，对迁移区中离子团进行径向压缩聚焦，提高ims检测灵敏度(anal.chem.,2018,90:4514；cn102954995)。然而，由于大气压下存在剧烈的离子
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分子碰撞，ims迁移区内等间距分布的电极环间需要维持倍增变化的电势差才能形成有效的离子径向聚束电场，这会造成迁移区轴线区域离子迁移电场严重不均匀，导致ims分辨能力下降20。低气压下，离子
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分子碰撞频率降低，非均匀直流电场可以更加高效地调制离子运动轨迹，例如，质谱中静电透镜实现对离子束流偏转、径向整形即基于这一规律。zare等(j.am.soc.mass spec.2007,18:1901)则利用bng离子门两组丝状电极间微弱电势差诱导的非均匀电场，对高平动能离子进行偏转分离。russell等(j.am.soc.mass spec.2010,296:36)在研究低气压离子传输装置时发现，沿轴向周期变化的非均匀静电场可以将趋近环状电极径向外缘的离子重新拉回离子传输的轴线上，实现离子高效传输。基于此，russell等(anal.chem.2013,85:9543)进一步发展了一种基于周期变化非均匀静电场的离子漏斗装置，可以在千帕气压范围内实现超过90％的离子传输效率。
6.本发明公开一种具有径向周期聚焦功能的离子迁移管对低气压ims中离子团的径向发散进行约束。通过在ims迁移区内设置间隔等分压电极组件，于趋近迁移区径向边缘区域内设置沿轴向周期变化的非均匀直流电场，于迁移区轴线附近区域保持迁移电场的均匀
性。其中，迁移区轴线附近区域均匀迁移电场的径向直径大于等于离子接收极(法拉第盘)的直径。如此，可以在获得高离子传输效率的同时保证ims分辨能力不受影响。该设计结构简单，普适性强。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种具有径向周期聚焦功能的离子迁移管对低气压ims中离子团的径向发散进行约束。通过在ims迁移区内设置间隔等分压电极组件，于趋近迁移区径向边缘区域内设置沿轴向周期变化的非均匀直流电场，于迁移区轴线附近区域保持迁移电场的均匀性。其中，迁移区轴线附近区域均匀迁移电场的径向直径大于等于离子接收极(法拉第盘)的直径。如此，可以在获得高离子传输效率的同时保证ims分辨能力不受影响。该设计结构简单，普适性强。
8.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
9.一种径向周期聚焦离子迁移管，离子迁移管包括分压电阻链(8)；
10.离子迁移管为n个环状电极和n
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1个环状绝缘体依次交替同轴叠合构成的中空圆柱状腔体，n为大于等于8的正整数；于腔体两端分别设置离子源以及圆盘状离子接收极，即一端设置有离子源、另一端设置有圆盘状离子接收极；在腔体内部位于离子源和离子接收极之间设置离子门，将腔体内部分成两个区域，其中离子源和离子门之间构成电离区，离子门和离子接收极之间构成迁移区；
11.n个环状电极的内径与n
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1个环状绝缘体的内径相同，n个环状电极的轴向长度与n
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1个环状绝缘体的轴向长度相同；n个环状电极的内径是其轴向长度的3～5倍；n个环状电极的内径为离子接收极直径的2～4倍；
12.分压电阻链由m个第一分压电阻和l个第二分压电阻依次交替串联连接构成，分压电阻链的二端及相邻电阻之间的连接点为电气连接点；m和l分别为正整数，m＝l或m＝l 1，第一分压电阻和第二分压电阻的个数之和等于n
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1；m个第一分压电阻的阻值相同，为0.5～10兆欧，l个第二分压电阻的阻值相同，为0.1～5兆欧；第一分压电阻的阻值为第二分压电阻的阻值的2～5倍；
13.离子迁移管的环状电极与分压电阻链的电气连接点依次顺序一一对应电气连接；靠近离子源一端的分压电阻链为第一分压电阻，其与直流高压电源的高电压输出端子相连接，分压电阻链靠近离子接收极一端与直流高压电源的地电压输出端子及大地相连接；于离子迁移管内相邻环状电极间形成n
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1个电压差值；
14.正离子检测模式下，直流高压电源的高电压输出端子输出100～10000伏的正高压；负离子检测模式下，直流高压电源的高电压输出端子输出
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100～
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10000伏的负高压。
15.离子迁移管工作时，电离区中的离子经脉冲开启的离子门进入迁移区内形成离子团；离子团沿迁移区轴向迁移的过程中，会在迁移区内直流电场的作用下发生径向周期聚焦整形，使离子团中的离子向着离子迁移管轴线处汇聚，从而实现离子高效传输并保证ims分辨能力不受影响。
16.环状电极和环状绝缘体的径向截面均为圆环状。
17.n个环状电极的内径是其轴向长度的3.6倍；n个环状电极的内径为离子接收极直径的3倍；
18.第一分压电阻的阻值为第二分压电阻的阻值的2倍。
19.沿离子源至离子接收极的方向，第奇数个相邻环状电极之间的电压差值保持相同均为u1，第偶数个电压差值保持相同均为u2，u1的绝对值大于u2的绝对值，于离子迁移管内部形成沿离子源至离子接收极方向具有离子团径向周期聚焦功能的直流电场。
20.于离子迁移管内部的径向边缘区域，沿离子源至离子接收极方向，所述直流电场的径向分量和轴向分量均呈波浪形周期变化，处于该区域内的离子向着离子迁移管轴线处周期汇聚；于离子迁移管内部以离子迁移管轴线为基准轴的一圆柱形区域内，沿离子源至离子接收极方向，所述直流电场的径向分量为零、轴向分量保持恒定，即为均匀直流电场；所述以离子迁移管轴线为基准轴的圆柱形区域的直径大于离子接收极的直径，保持离子迁移管的分辨能力不受影响；
21.本发明的优点是：
22.本发明所公开一种具有径向周期聚焦功能的离子迁移管，可以对对低气压ims中离子团的径向发散进行约束，在获得高离子传输效率的同时保证ims分辨能力不受影响。迁移管设计简单，普适性强。
23.下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
附图说明
24.图1.本发明所公开径向周期聚焦离子迁移管的结构示意图。其中：1、紫外光离子源；2、电离区；3、离子门；4、迁移区；5、离子接收极；6、环状电极；7、环状绝缘体；8、分压电阻链；8
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1、第一分压电阻；8
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2、第二分压电阻；9、高压电源的高压输出端子；10、漂气入口；11、样品气入口；12、尾气出口；13、屏蔽栅网。
25.图2.本发明所公开径向周期聚焦离子迁移管迁移区内部直流电场的径向分量沿离子迁移管轴向的分布特征。其中，7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、10.0mm、10.5mm、11.0mm指示的曲线分别表示迁移区内对应径向半径处直流电场径向分量的分布特征(离子迁移管轴线定义为径向半径零点，离子源所在位置定义为轴向零点，离子门所在位置定义为轴向30mm)。
26.图3.本发明所公开径向周期聚焦离子迁移管迁移区内直流电场的轴向分量沿离子迁移管轴向的分布特征。其中，7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、10.0mm、10.5mm、11.0mm指示的曲线分别表示迁移区内对应径向半径处直流电场轴向分量的分布特征(离子迁移管轴线定义为径向半径零点，离子源所在位置定义为轴向零点，离子门所在位置定义为轴向30mm)。
27.图4.离子迁移管使用2mω和1mω电阻首尾交替连接构成的电阻链进行分压时，工作气压为50kpa的离子迁移管迁移区内离子运动轨迹。其中：3、离子门；4、迁移区；13、屏蔽栅网。
28.图5.离子迁移管使用1mω电阻首尾连接构成的电阻链进行分压时，工作气压为50kpa的离子迁移管迁移区内离子运动轨迹。其中：3、离子门；4、迁移区；13、屏蔽栅网。
具体实施方式
29.实施例1
30.采用本发明所公开径向周期聚焦离子迁移管如图1所示。离子迁移管的离子源1为10.6ev的vuv光电离源；离子门3为bradbury
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nielsen型离子门，离子门由0.1mm直径的金属丝编制而成，丝间距为1mm，金属丝分为两组，分别与两个脉冲高压电源相连接；离子接收极5为直径6mm的法拉第盘，固定在外径为30mm的金属屏蔽筒上。电离区2和迁移区4均由轴向长度5mm、内径18mm、外径30mm的环状导电极片6和轴向长度5mm、内径18mm、外径30mm的环状绝缘极片7交替叠合构成，电离区2的长度为30mm，迁移区4的长度为75mm；分压电阻链8由2mω的第一分压电阻8
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1和1mω的第二分压电阻8
‑
2交替串联相连所构成，离子源1、环状电极6和离子接收极5分别与分压电阻链8相连接；分压电阻链8靠近离子源1的一端与直流高压电源的高压输出端子9相连接，分压电阻链8靠近离子接收极5的一端与直流高压电源的低电平输出端子和大地相连接；直流高压电源的高压输出端子9输出的电压为5900v。
31.离子迁移管的温度为100℃，内部气压为50kpa，漂气为500ml/min净化空气，经漂气入口10进入离子迁移管，样品气为使用净化空气载带的丙酮顶空蒸气，流速100ml/min，经样品气入口11进入离子迁移管的电离区2中，漂气和样品气最终经尾气出口12流出离子迁移管。
32.图2和图3分别展示了上述工作条件下，离子迁移管迁移区内直流电场的径向分量和轴向分量沿离子迁移管轴向的分布特征；其中，7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、10.0mm、10.5mm、11.0mm指示的曲线分别表示迁移区内不同径向半径处直流电场的分布特征(离子迁移管轴线定义为径向半径零点，离子源所在位置定义为轴向零点，离子门所在位置定义为轴向30mm)。
33.明显地，迁移区内径向半径小于7.5mm的区域内，直流电场的径向分量为0v/mm，轴向电场为恒定值55v/mm，表明该区域为均匀电场区域，该电场分布特征可以保证离子迁移谱的分辨能力不受影响；迁移区内径大于7.5mm的区域内，直流电场的径向分量在
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11～0～ 11v/mm区间呈现周期变化，直流电场的轴向分量在55～92.25v/mm之间呈现周期变化，表明该区域为周期非均匀电场区域，该电场分布特征可以对迁移区内离子团的径向扩散进行周期整形聚焦。离子在迁移区内传输时，其离子传输路径如图4中所示，随着离子的迁移，离子束流的径向尺寸基本保持不变。
34.对比例1
35.为了对比本发明所公开径向周期聚焦离子迁移管的效果，实验过程中还测试了分压电阻链由1mω等值电阻首尾串联构成时(其他工作条件保持不变)，离子在迁移区内的传输路径。如图5中所示，随着离子的迁移，离子束流的径向尺寸越来越大，部分离子开始向迁移区环状电极上迁移并湮灭。
36.对比例2
37.为了对比本发明所公开径向周期聚焦离子迁移管的效果，实验过程中还测试了环状导电极片6的轴向长度为5mm、环状绝缘极片7的轴向长度为10mm，分压电阻链8由2mω的第一分压电阻8
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1和1mω的第二分压电阻8
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2交替首尾相连所构成时(其他工作条件保持不变)离子在迁移区内的传输路径。类似图5中所示，随着离子的迁移，离子束流的径向尺寸越来越大，部分离子开始向迁移区环状电极上迁移并湮灭。