一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管:專利背景,發明內容,專利目的,技術方案

《一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管》是中國科學院大連化學物理研究所於2011年8月9日申請的專利，該專利的公布號為CN102931046A，申請號為2011102269127，授權公布日為2013年2月13日，發明人是李海洋、杜永齋、王衛國。

《一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管》涉及一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管。利用施加在離子門或者遷移區金屬環上的電壓實現對離子團（束）的壓縮，進而實現離子遷移管解析度和靈敏度的提高。

2018年12月20日，《一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管》獲得第二十屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管》摘要附圖）

基本介紹

中文名：一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管
公告號：CN102931046A
授權日：2013年2月13日
申請號：2011102269127
申請日：2011年8月9日
申請人：中國科學院大連化學物理研究所
地址：遼寧省大連市中山路457號
發明人：李海洋、杜永齋、王衛國
Int.Cl.：H01J49/06(2006.01)I; H01J49/26(2006.01)I
代理機構：瀋陽科苑專利商標代理有限公司
代理人：馬馳
類別：發明專利

專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,實施案例,套用例,榮譽表彰,

專利背景

空間聚焦是質譜中的一項技術，它解決了離子初始狀態時所處的位置及電勢的不同從而獲得了不同的飛行速度造成的飛行時間不同的問題。利用空間聚焦可以實現質譜解析度的大幅度提高。

質譜中聚焦的實現是在真空條件下進行的，離子依靠加速電場和慣性飛行，所獲得能量不會因碰撞而散失。離子遷移管是在大氣壓條件下實現離子分離的技術。由於與漂氣分子劇烈的碰撞，離子的飛行需要電場的推動。要實現大氣壓條件下的聚焦，必須實現初始條件下離子所處的電場梯度不同（非均勻場），即從而使飛行開始時處於後端的離子能夠以更快的速度追趕上前端的離子，實現空間聚焦。

大氣壓條件下的空間聚焦在圓筒式的非對稱場遷移譜（High-Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry）中有所體現。該型遷移譜基於高壓非對稱波形射頻電壓的高壓段和低壓段對離子遷移率的影響的差異來實現離子的分離。遷移管採用圓筒式的結構，在分離空間中處於不同徑向位置的離子的遷移幅度有差異，進而實現聚焦。

對於傳統的直線式的離子遷移管，截至2011年8月9日尚沒有空間聚焦的實現。《一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管》應當為第一例。《一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管》通過簡單的結構，實現了聚焦所需的非均勻電場，並且通過實驗得到了充分的驗證。

發明內容

專利目的

《一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管》的目的是提供只用結構簡單、可以實現離子空間聚焦功能的空間聚焦離子門組件及一種空間聚焦離子遷移管。

技術方案

《一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管》採用的技術方案為：

空間聚焦離子門組件由離子門與一聚焦柵網構成。遷移管採用傳統的設計，並將離子門段改為一個或數個空間聚焦離子門組件。該空間聚焦組件可以實現離子門的注入功能並產生離子的空間壓縮聚焦。

具體為：

一種空間聚焦離子門組件，包括離子門，其特徵在於：於離子門的一側設有平行於離子門的聚焦柵網，離子門及聚焦柵網組合成空間聚焦離子門組件。離子門可以採用Bradbury-Nielsen型離子門也可以採用Tyndall-Powell型離子門。

空間聚焦離子門組件中的離子門和聚焦柵網之間的距離為0.1毫米至10厘米。

一種空間聚焦離子遷移管，包括電離源、離子門和柵網及法拉第盤。於離子門遠離電離源一側設有平行於離子門的聚焦柵網，離子門及聚焦柵網組合成控制離子飛行的空間聚焦離子門組件。

當空間聚焦組件為一個，其將離子遷移管的電離源與柵網及法拉第盤之間的空間分割成反應區和遷移區；

當空間聚焦組件為兩個以上平行設定時，靠近電離源一側的第一個空間聚焦組件將離子遷移管的電離源與柵網及法拉第盤之間的空間分割成反應區和遷移區，其餘的空間聚焦組件設定於漂移區中。

空間聚焦組件中的離子門和聚焦柵網之間的距離為0.1毫米至10厘米。所用的離子門可以是Bradbury-Nielsen型離子門，由共平面但相互間絕緣的兩組金屬絲平行排列構成，在離子門的第一組金屬絲上施加相當於其所處遷移管中位置的電勢的恆定電壓，第二組金屬絲上施加周期性的高壓，其絕對值高於第一組金屬絲上的恆定電壓絕對值，並處於第一金屬絲上電壓絕對值的≥100％且≤300％範圍內。該高壓在第一組金屬絲與第二組金屬絲間形成阻斷離子的控制電場，實現離子門的功能，將離子周期性的注入到遷移區中；在聚焦柵網施加另一恆定電壓，其絕對值小於第一金屬絲上的恆定電壓絕對值，並在其所處遷移管中位置處的電勢的＞0且≤200％範圍內。第二組金屬絲上高壓在其與聚焦柵網間形成一個聚焦電場，實現聚焦功能，將注入的離子進行壓縮。

所用的離子門也可以是Tyndall-Powell型離子門分別處於兩個平行平面的平行金屬絲或柵網構成。在離子門靠近電離源的第一柵網上施加相當於其所處遷移管中位置的電勢的恆定電壓，靠近柵網及法拉第盤的第二柵網上施加周期性的高壓，其峰值絕對值高於第一柵網上的恆定電壓絕對值，其峰值絕對值處於第一柵網上電壓絕對值的≥100％且≤300％範圍內。該高壓在第二柵網與第一柵網間形成阻斷離子的控制電場，實現離子門的功能，將離子周期性的注入到遷移區中；在聚焦柵網上施加另一恆定電壓，其絕對值略小於第一柵網上的恆定電壓絕對值，並在其所處遷移管中位置處的電勢的＞0且≤200％範圍內。第二柵網上高壓在其與聚焦柵網間形成一個聚焦電場，實現聚焦功能，將注入的離子進行壓縮。

附圖說明

圖1為空間聚焦離子門組件1—空間聚焦組件；2—離子門；3—柵網；（I）採用Bradbury-Nielsen型離子門；（II）採用Tyndall-Powell型離子門。

圖2為例2一種具有空間聚焦功能的遷移管，採用Bradbury-Nielsen門。其中：1—空間聚焦組件；2—離子門；3—柵網；4—電離源；5—反應區；6—遷移區；7—柵網及法拉第盤區。

圖3為例3一種具有空間聚焦功能的遷移管，採用Tyndall-Powell門。其中：1—空間聚焦組件；2—離子門；3—柵網；4—電離源；5—反應區；6—遷移區；7—柵網及法拉第盤區。

圖4為離子遷移譜圖。

技術領域

《一種空間聚焦離子門組件及空間聚焦離子遷移管》涉及一種離子遷移管的遷移管，具體的說是一種具有空間聚焦作用的離子遷移管。該遷移管採用了特殊的離子門設計，可以實現離子團的空間聚焦，提高了遷移譜的解析度和靈敏度。該發明屬於儀器分析技術。

權利要求

1.一種空間聚焦離子門組件，包括離子門，其特徵在於：於離子門（2）的一側設有平行於離子門的聚焦柵網（3），離子門（2）及聚焦柵網（3）組合成空間聚焦離子門組件（1）；所用的離子門（2）是Bradbury-Nielsen型離子門，由共平面但相互間絕緣的兩組金屬絲平行排列構成，在離子門的第一組金屬絲上施加相當於其所處遷移管中位置的電勢的恆定電壓，第二組金屬絲上施加周期性的高壓，其絕對值高於第一組金屬絲上的恆定電壓絕對值，並處於第一金屬絲上電壓絕對值的≥100％且≤300％範圍內；該高壓在第一組金屬絲與第二組金屬絲間形成阻斷離子的控制電場，實現離子門的功能，將離子周期性的注入到遷移區（6）中；在聚焦柵網（3）上施加另一恆定電壓，其絕對值小於第一金屬絲上的恆定電壓絕對值，並在其所處遷移管中位置處的電勢的>0且≤200％範圍內；第二組金屬絲上高壓在其與聚焦柵網（3）間形成一個聚焦電場，實現聚焦功能，將注入的離子進行壓縮。

2.如權利要求1所述的空間聚焦離子門組件，其特徵在於：所述離子門為Bradbury-Nielsen型離子門（I）或Tyndall-Powell型離子門（II）；空間聚焦離子門組件（1）中的離子門和聚焦柵網（3）之間的距離為0.1毫米至10厘米。

3.一種權利要求1或2所述空間聚焦離子門組件構成的離子遷移管，包括電離源、離子門和柵網及法拉第盤，其特徵在於：於離子門遠離電離源一側設有平行於離子門的聚焦柵網（3），離子門（2）及聚焦柵網（3）組合成控制離子飛行的空間聚焦離子門組件（1）；所用的離子門（2）是Bradbury-Nielsen型離子門，由共平面但相互間絕緣的兩組金屬絲平行排列構成，在離子門的第一組金屬絲上施加相當於其所處遷移管中位置的電勢的恆定電壓，第二組金屬絲上施加周期性的高壓，其絕對值高於第一組金屬絲上的恆定電壓絕對值，並處於第一金屬絲上電壓絕對值的≥100％且≤300％範圍內；該高壓在第一組金屬絲與第二組金屬絲間形成阻斷離子的控制電場，實現離子門的功能，將離子周期性的注入到遷移區（6）中；在聚焦柵網（3）上施加另一恆定電壓，其絕對值小於第一金屬絲上的恆定電壓絕對值，並在其所處遷移管中位置處的電勢的>0且≤200％範圍內；第二組金屬絲上高壓在其與聚焦柵網（3）間形成一個聚焦電場，實現聚焦功能，將注入的離子進行壓縮。

4.如權利要求3所述的空間聚焦離子門組件構成的離子遷移管，其特徵在於：空間聚焦離子門組件（1）為一個，其將離子遷移管的電離源與柵網及法拉第盤之間的空間分割成反應區和漂移區；空間聚焦離子門組件（1）為兩個以上平行設定時，靠近電離源一側的第一個空間聚焦離子門組件（1）將離子遷移管的電離源與柵網及法拉第盤之間的空間分割成反應區和遷移區，其餘的空間聚焦離子門組件（1）設定於漂移區中。

5.如權利要求4所述的空間聚焦離子門組件構成的離子遷移管，其特徵在於：空間聚焦離子門組件（1）中的離子門和聚焦柵網之間的距離為0.1毫米至10厘米。

6.如權利要求4所述的空間聚焦離子門組件構成的離子遷移管，其特徵在於：所用的離子門（2）是Tyndall-Powell型離子門，由分別處於兩個平行平面的平行金屬絲或柵網構成；在離子門靠近電離源的第一柵網上施加相當於其所處遷移管中位置的電勢的恆定電壓，靠近柵網及法拉第盤的第二柵網上施加周期性的高壓，其峰值絕對值高於第一柵網上的恆定電壓絕對值，其峰值絕對值處於第一柵網上電壓絕對值的≥100％且≤300％範圍內；該高壓在第二柵網與第一柵網間形成阻斷離子的控制電場，實現離子門的功能，將離子周期性的注入到遷移區（6）中；在聚焦柵網上施加另一恆定電壓，其絕對值小於第一柵網上的恆定電壓絕對值，並在其所處遷移管中位置處的電勢的>0且≤200％範圍內；第二柵網上高壓在其與聚焦柵網（3）間形成一個聚焦電場，實現聚焦功能，將注入的離子進行壓縮。

實施方式

實施案例

實施例1

如圖1所示，一種空間聚焦離子門組件，包括離子門，於離子門2的一側設有平行於離子門的聚焦柵網3，離子門2及聚焦柵網3組合成空間聚焦離子門組件1。

離子門可以採用Bradbury-Nielsen型離子門（I）也可以採用Tyndall-Powell型離子門（II）。

空間聚焦離子門組件1中的離子門和聚焦柵網之間的距離為2毫米至1厘米。

實施例2

如圖2所示，一種空間聚焦離子遷移管，包括電離源、離子門和柵網及法拉第盤。於離子門遠離電離源一側設有平行於離子門的聚焦柵網3，離子門2及聚焦柵網3組合成控制離子飛行的空間聚焦離子門組件1。

當空間聚焦組件1為一個，其將離子遷移管的電離源與柵網及法拉第盤之間的空間分割成反應區和漂移區；

當空間聚焦組件1為兩個以上平行設定時，靠近電離源一側的第一個空間聚焦組件1將離子遷移管的電離源與柵網及法拉第盤之間的空間分割成反應區和遷移區，其餘的空間聚焦組件1設定於漂移區中。

所述的離子遷移管，空間聚焦組件1中的離子門和聚焦柵網之間的距離為0.1毫米至2厘米。

所用的離子門2可以是Bradbury-Nielsen型離子門，由共平面但相互間絕緣的兩組金屬絲平行排列構成，在離子門的第一組金屬絲上施加相當於其所處遷移管中位置的電勢的恆定電壓，第二組金屬絲上施加周期性的高壓，其絕對值高於第一組金屬絲上的恆定電壓絕對值，並處於第一金屬絲上電壓絕對值的≥100％且≤300％範圍內。該高壓在第一組金屬絲與第二組金屬絲間形成阻斷離子的控制電場，實現離子門的功能，將離子周期性的注入到遷移區6中；在聚焦柵網3上施加另一恆定電壓，其絕對值小於第一金屬絲上的恆定電壓絕對值，並在其所處遷移管中位置處的電勢的＞0且≤200％範圍內。第二組金屬絲上高壓在其與聚焦柵網3間形成一個聚焦電場，實現聚焦功能，將注入的離子進行壓縮。

實施例3

如圖3所示，一種空間聚焦離子遷移管，包括電離源、離子門和柵網及法拉第盤。於離子門遠離電離源一側設有平行於離子門的聚焦柵網，離子門2及聚焦柵網3組合成控制離子飛行的空間聚焦離子門組件1。

當空間聚焦組件1為一個，其將離子遷移管的電離源與柵網及法拉第盤之間的空間分割成反應區和漂移區；

所述的離子遷移管，空間聚焦組件1中的離子門和聚焦柵網之間的距離為2毫米至1厘米。

所用的離子門2也可以是Tyndall-Powell型離子門分別處於兩個平行平面的平行金屬絲或柵網構成。在離子門靠近電離源的第一柵網上施加相當於其所處遷移管中位置的電勢的恆定電壓，靠近柵網及法拉第盤的第二柵網上施加周期性的高壓，其峰值絕對值高於第一柵網上的恆定電壓絕對值，其峰值絕對值處於第一柵網上電壓絕對值的≥100％且≤300％範圍內。該高壓在第二柵網與第一柵網間形成阻斷離子的控制電場，實現離子門的功能，將離子周期性的注入到遷移區6中；在聚焦柵網上施加另一恆定電壓，其絕對值略小於第一柵網上的恆定電壓絕對值，並在其所處遷移管中位置處的電勢的＞0且≤200％範圍內。第二柵網上高壓在其與聚焦柵網3間形成一個聚焦電場，實現聚焦功能，將注入的離子進行壓縮。

套用例

一離子遷移譜遷移管，採用Bradbury-Nielsen型空間聚焦離子門組件。遷移區長6.25厘米，電場強度240伏/厘米，離子門與聚焦柵網間恆定電壓差為72伏，溫度100℃，漂氣載氣均為500SCCM，樣品為二氯甲烷，濃度為60ppm。採用圖1所示的Bradbury-Nielsen門加聚焦柵網結構（間距5毫米）。在第一、二金屬絲間電壓為50伏和350伏，門上脈衝寬度為340微秒時得到的譜圖如圖4所示。

50伏時，半峰寬為0.39毫秒，峰高為0.508納安；而350伏時半峰寬為0.21毫秒，峰高為0.66納安。

榮譽表彰