離子遷移譜儀及其補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種離子遷移譜儀及其補(bǔ)償式彎曲型漂移管，所述補(bǔ)償式彎曲型漂移管包括基管和套設(shè)于其外周的若干導(dǎo)電環(huán)，所述基管呈彎曲型；所述基管包括相互連接的初始彎道和可使離子通過漂移管的漂移距離保持一致的補(bǔ)償彎道。本發(fā)明通過設(shè)置可使離子通過漂移管的漂移距離保持一致的補(bǔ)償彎道，從而能夠在提高離子遷移譜儀的性能如分辨率和靈敏度的同時(shí)大幅減小離子遷移譜儀的體積，為離子遷移譜儀的小型化、便攜式化提供一種有效可靠的方法。
【專利說明】離子遷移譜儀及其補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣相分離和檢測技術(shù)，特別是涉及一種離子遷移譜儀及其離子漂移管。
【背景技術(shù)】
[0002]離子遷移譜儀(IMS, 1n Mobility Spectrometry)是一種基于離子在電場中的遷移速度的差異來對樣品物質(zhì)進(jìn)行檢測分析的儀器，與傳統(tǒng)的質(zhì)譜、色譜等分析儀器相比，其具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，分析快速等特點(diǎn)，同時(shí)其能在大氣環(huán)境中對微量物質(zhì)進(jìn)行檢測，適合用于現(xiàn)場使用。其基本原理是:樣品由載氣帶入電離反應(yīng)區(qū)后，載氣分子和樣品分子在離子源的作用下發(fā)生一系列的電離反應(yīng)和離子-分子反應(yīng)，形成各種產(chǎn)物離子。在電場的趨勢下，這些離子通過周期性開啟的離子門進(jìn)入漂移區(qū)。然后在漂移區(qū)電場的作用下，離子在漂移管中進(jìn)行定向的遷移，由漂移管終端的檢測器實(shí)時(shí)測量離子電流隨時(shí)間的變化進(jìn)而根據(jù)電流的變化可以計(jì)算出離子的遷移率。在一定的條件下，各種物質(zhì)離子由于其質(zhì)量、帶電荷數(shù)、空間結(jié)構(gòu)等因素不同而導(dǎo)致其具有不同的遷移率，因而將檢測得到的不同離子對應(yīng)的遷移率與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)庫進(jìn)行對比就能判斷所檢測物質(zhì)的種類。
[0003]離子遷移譜儀的微型化是當(dāng)前的一種趨勢，目前國際上的研究已經(jīng)使其由車載式、臺式等向便攜式的輕便儀器發(fā)展?，F(xiàn)有的離子遷移譜儀基本采用直線型漂移管，小型化的時(shí)候只能等比例將原來的漂移管結(jié)構(gòu)縮小，導(dǎo)致遷移管長度減小。根據(jù)離子遷移譜理論，離子遷移譜儀的分辨率和靈敏度都會降低。
[0004]申請?zhí)枮?012101489660的中國發(fā)明專利申請所提出的彎曲型離子遷移譜儀，雖然在實(shí)際應(yīng)用中增加了漂移管的絕對長度，而且對于分辨率和靈敏度起到一定的改善作用，但是，由于彎道會引入離子漂移距離的誤差，從而導(dǎo)致漂移時(shí)間誤差，所以在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在不足之處，因此開發(fā)一種能夠?qū)澋酪胝`差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)钠乒芫哂袕V闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所為克服前述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管，包括基管和套設(shè)于其外周的若干導(dǎo)電環(huán)，所述基管呈彎曲型；所述基管包括相互連接的初始彎道和可使離子的漂移距離保持一致的補(bǔ)償彎道。
[0006]根據(jù)實(shí)施例，本發(fā)明還可采用以下優(yōu)選的技術(shù)方案:
[0007]所述補(bǔ)償彎道的總彎曲角度與所述初始彎道的彎曲角度方向互逆，絕對值相等。
[0008]所述初始彎道的彎曲方向?yàn)槟鏁r(shí)針或順時(shí)針，所述補(bǔ)償彎道的彎曲方向?yàn)轫槙r(shí)針或逆時(shí)針，兩者的彎曲角度的絕對值相等。
[0009]所述初始彎道的彎曲方向?yàn)槟鏁r(shí)針或順時(shí)針，所述補(bǔ)償彎道的彎曲方向包括順時(shí)針段和逆時(shí)針段，所述順時(shí)針段和逆時(shí)針段的彎曲角度之和的絕對值等于所述初始彎道的彎曲角度的絕對值。[0010]所述初始彎道和補(bǔ)償彎道中，順時(shí)針方向的彎道和逆時(shí)針方向的彎道成對設(shè)置，相互間隔連接。
[0011 ] 所述順時(shí)針方向的彎道和逆時(shí)針方向的彎道有兩對以上。
[0012]所述補(bǔ)償彎道和初始彎道的半徑相同。
[0013]所述初始彎道和補(bǔ)償彎道的基管彎道半徑不同，所述補(bǔ)償彎道的基管包括與所述初始彎道彎曲方向相反的一個(gè)或兩個(gè)以第一彎曲段，以及與所述初始彎道彎曲方向相同的一個(gè)或兩個(gè)以上第二彎曲段。
[0014]所述基管還包括一個(gè)或兩個(gè)以上直道段。
[0015]所述基管的初始彎道和補(bǔ)償彎道的中心線同為S型或Ω型。
[0016]本發(fā)明還提供一種離子遷移譜儀，包括如前任一項(xiàng)所述的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是:通過設(shè)置可使離子的漂移距離保持一致的補(bǔ)償彎道，從而能夠在提高離子遷移譜儀的性能如分辨率和靈敏度的同時(shí)大幅減小離子遷移譜儀的體積，為離子遷移譜儀的小型化、便攜式化提供一種有效可靠的方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是圖1補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管的原理示意圖。
[0020]圖3是圖1補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管的電勢線示意圖。
[0021]圖4是圖1補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管的離子遷移補(bǔ)償效果示意圖。
[0022]圖5是另一實(shí)施例的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖6是再一優(yōu)選實(shí)施例的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管的原理示意圖。
[0024]圖7是圖6實(shí)施例的離子遷移補(bǔ)償效果示意圖。
[0025]圖8是本發(fā)明一類補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管的基管軸線基本原理示意圖。
[0026]各附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對本申請的任何限制，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖，通過以下結(jié)合附圖的說明，能夠更充分地理解本發(fā)明上面所述和其他的方面、實(shí)施方式和其特點(diǎn)。在附圖中，相似的參考標(biāo)記通常代表各附圖中相似的特征和結(jié)構(gòu)部件。附圖無需嚴(yán)格按照比例，而是著重于對說明本發(fā)明的原理。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面對照附圖和結(jié)合優(yōu)選【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的闡述。
[0028]實(shí)施例1
[0029]如圖1所示，本實(shí)施例是一個(gè)補(bǔ)償式S型離子漂移管，屬于補(bǔ)償式彎曲型離子漂移
管中的一種類型，其包括S型的基管和設(shè)在該基管上的若干導(dǎo)電環(huán)a、b、c.......，可根據(jù)
實(shí)際需要選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電環(huán)數(shù)量。該S型離子漂移管在離子遷移譜儀中工作時(shí)，每個(gè)導(dǎo)電環(huán)上均加有恒定的直流電壓，并且從該S型離子漂移管的一端到另一端，各個(gè)導(dǎo)電環(huán)上所加的直流電壓單調(diào)遞減或者單調(diào)遞增。被檢測樣品經(jīng)過離子漂移管前端的電離區(qū)被電離成各種離子后進(jìn)入該S型離子漂移管的一端，由于S型離子漂移管上的導(dǎo)電環(huán)被加載不同的直流電壓，且導(dǎo)電環(huán)上的電壓呈單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減的排布方式，會生成和S型基管軸線大致平行的電場線(即為電勢線的垂直方向的線)，因此由樣品電離生成的離子將會沿著電場線的方向進(jìn)行遷移。也就是說，該S型離子漂移管內(nèi)的電場呈現(xiàn)比較均勻的分布，離子漂移管軸心的電場線方向(即電勢線的垂直方向)基本與S型離子漂移管機(jī)械結(jié)構(gòu)的軸線保持一致，同時(shí)彎道內(nèi)的電勢線分布保持均勻。
[0030]在圖2所示的補(bǔ)償式S型離子漂移管的原理示意圖中，可以看到，該S型離子漂移管的基管中，初始彎道和補(bǔ)償彎道具有相同的彎道半徑，同時(shí)初始彎道和補(bǔ)償彎道還具有完全對稱一致的導(dǎo)電環(huán)排布方式，其上的加載電壓差也是保持完全一致。
[0031]在圖3所示的補(bǔ)償式S型離子漂移管的電勢線示意圖中，可以看到，該S型離子漂移管管內(nèi)的電場呈現(xiàn)比較均勻的分布，離子漂移管軸心的電場線方向(即電勢線的垂直方向)基本與S型離子漂移管機(jī)械結(jié)構(gòu)的軸心保持一致，同時(shí)初始彎道內(nèi)的電勢線分布與補(bǔ)償彎道的電勢線分布保持對稱且均勻。
[0032]在圖4所示的補(bǔ)償式S型離子漂移管的離子遷移補(bǔ)償效果示意圖中，我們可以看到，A、B、C三個(gè)離子各自從S管的軸心以及內(nèi)、外偏移(相對于軸心)等距的地方開始出發(fā)，可以計(jì)算得到:[0033]A離子漂移的距離為:
[0034]La = 1^+1^+13+2 Ji R
[0035]B離子漂移的距離為:
[0036]Lb = lj+lg+ls+ π (R+ Δ R) + Ji (R-AR) =R
[0037]C離子漂移的距離為:
[0038]La = Lb = Lc
[0039]Lc = Ijl2+]^+(R- Δ R) + Ji (R+ Δ R) =R
[0040]所以有:亦即不同出發(fā)點(diǎn)出發(fā)的離子的漂移距離為一致，即對單彎道所引入的誤差具有補(bǔ)償?shù)男Ч?br> [0041]值得說明的是:如B、C兩個(gè)離子從內(nèi)、外偏移(相對于軸心)不等距的地方開始出發(fā)，其最終漂移的距尚仍然是1^+1^+13+2 31 Ro
[0042]此外，本實(shí)施例中，還包括設(shè)于所述初始彎道和補(bǔ)償彎道之間的作為過渡的多個(gè)直道段。但本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，所述多個(gè)直道并非必須。
[0043]實(shí)施例2
[0044]在圖5所示的由多個(gè)補(bǔ)償式S型離子漂移管疊加而成的補(bǔ)償式離子漂移管的結(jié)構(gòu)示意圖中，可以看到，其采用多個(gè)補(bǔ)償式S型離子漂移管疊加排布的方式，其中，單個(gè)補(bǔ)償式S型離子漂移管已經(jīng)進(jìn)行了內(nèi)補(bǔ)償，所以多個(gè)補(bǔ)償式S型離子漂移管疊加能夠有效地增加離子漂移管的絕對長度，進(jìn)而增加漂移管的分辨率以及靈敏度。其結(jié)構(gòu)及工作原理與實(shí)施例I類似，不做贅述。同時(shí)，補(bǔ)償式S型離子漂移管內(nèi)部補(bǔ)償可減小初始彎道對離子漂移帶來的漂移時(shí)間和漂移距離的影響，因此，本發(fā)明能夠在提高離子遷移譜儀的性能的同時(shí)大幅減小離子遷移譜儀的體積，可以直接適用于離子遷移譜儀的小型化和便攜式化，為微型化離子遷移譜儀提供一種有效可靠的方法。
[0045]實(shí)施例3
[0046]在圖6所示的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管的原理示意圖中，我們可以看到相較于實(shí)施例I所不同的是:離子漂移管中間的大彎道半徑為兩側(cè)兩個(gè)小彎道半徑的和，其他的結(jié)構(gòu)基本與實(shí)施例1中的類似，該漂移管包括Ω型的基管和在該基管上的若干導(dǎo)電環(huán)a、b、
c.......，每個(gè)導(dǎo)電環(huán)上均加有恒定的直流電壓，并且從該Ω型漂移管的一端到另一端，
各個(gè)導(dǎo)電環(huán)上所加的直流電壓單調(diào)遞減(也可是單調(diào)遞增)。該Ω型基管在離子遷移譜儀中工作時(shí)，被檢測樣品經(jīng)過離子漂移管前端的電離區(qū)被電離成各種離子后進(jìn)入該Ω型基管的一端，由于基管上的導(dǎo)電環(huán)被加載不同的直流電壓，且導(dǎo)電環(huán)上的電壓呈單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減的排布方式，會生成和Ω型基管軸線大致平行的電場線，因此由樣品電離生成的離子將會沿著電場線的方向進(jìn)行遷移。同樣地，該Ω型離子漂移管內(nèi)的電場呈現(xiàn)比較均勻的分布，離子漂移管軸心的電場線方向(即電勢線的垂直方向)基本與Ω型離子漂移管機(jī)械結(jié)構(gòu)的軸線保持一致，同時(shí)彎道內(nèi)的電勢線分布保持均勻。
[0047]在圖7所示的補(bǔ)償式Ω型離子漂移管的離子遷移補(bǔ)償效果示意圖中，假設(shè)D、E、F三個(gè)離子分別從管的軸心以及內(nèi)、外偏移(相對于軸心)等距的地方開始出發(fā)，可以計(jì)算得到:
[0048]D離子漂移的距離為:
[0049]Ld = 14+15+ Ji Rx+2 Ji R2+ Ji R3
[0050]E離子漂移的距離為:
[0051 ] Le = 14+15+ τι (R1+ Δr) +2 (R2-Δr) + n (R3+ Ar) = 14+15+ τι Rj+2 τι R2+ n R3
[0052]F離子漂移的距離為:
[0053]Lf = 14+15+ τι (R「Δr) +2 (R2+ Δr) + π (R3- Ar) = 14+15+ τι Rj+2 τι R2+ π R3
[0054]所以有:
[0055]Ld = Le = Lf
[0056]亦即不同出發(fā)點(diǎn)出發(fā)的離子的漂移距離為一致，即對單彎道所引入的誤差具有補(bǔ)償?shù)男Ч?br> [0057]同實(shí)施例1，如B、C兩個(gè)離子從內(nèi)、外偏移(相對于軸心)不等距的地方開始出發(fā)，其最終漂移的距離仍然是li+l2+l3+2 31 R0
[0058]在圖6所示的補(bǔ)償式Ω型彎道疊加型離子漂移管的原理示意圖中，可見采用單個(gè)Ω型管疊加排布的方式已經(jīng)對離子漂移管進(jìn)行了內(nèi)補(bǔ)償，所以同樣地多個(gè)Ω型離子漂移管疊加能夠有效地增加漂移管的絕對長度，能夠延長漂移管長度進(jìn)而增加漂移管的分辨率以及靈敏度，同時(shí)Ω型離子漂移管內(nèi)部補(bǔ)償減小了初始彎道對離子漂移帶來的漂移時(shí)間和漂移距離的影響，因此，本發(fā)明能夠在提高離子遷移譜儀的性能的同時(shí)大幅減小離子遷移譜儀的體積。同時(shí)，相較于S型離子漂移管而言，Ω型離子漂移管可以更好地安置和排布漂移管外圍結(jié)構(gòu)，更好地為微型化離子遷移譜儀提供一種有效可靠的方法。
[0059]實(shí)施例1、2、3僅為本優(yōu)選【具體實(shí)施方式】的舉例，但并不局限于此，結(jié)合圖8可知，只要滿足下式即可進(jìn)行漂移補(bǔ)償:
[0060]Z A1+ Z A2+ Z A3+......Z An = Z B1+ Z B2+......Z Bm
[0061]其中，Z A1+Z A2+Z A3+......Z An分別為逆時(shí)針方向的基管彎曲角度，
[0062]Z B1+ Z B2+......ZBm分別為順時(shí)針方向的基管彎曲角度，η和m為自然數(shù)。
[0063]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管，包括基管和套設(shè)于其外周的若干導(dǎo)電環(huán)，所述基管呈彎曲型，其特征在于:所述基管包括相互連接的初始彎道和可使離子的漂移距離保持一致的補(bǔ)償彎道。
2.如權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述補(bǔ)償彎道的總彎曲角度與所述初始彎道的彎曲角度方向互逆，絕對值相等。
3.如權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述初始彎道的彎曲方向?yàn)槟鏁r(shí)針或順時(shí)針，所述補(bǔ)償彎道的彎曲方向?yàn)轫槙r(shí)針或逆時(shí)針，兩者的彎曲角度的絕對值相等。
4.如權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述初始彎道的彎曲方向?yàn)槟鏁r(shí)針或順時(shí)針，所述補(bǔ)償彎道的彎曲方向包括順時(shí)針段和逆時(shí)針段，所述順時(shí)針段和逆時(shí)針段的彎曲角度之和的絕對值等于所述初始彎道的彎曲角度的絕對值。
5.如權(quán)利要求4所述的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述初始彎道和補(bǔ)償彎道中，順時(shí)針方向的彎道和逆時(shí)針方向的彎道成對設(shè)置，相互間隔連接。
6.如權(quán)利要求5所述的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述順時(shí)針方向的彎道和逆時(shí)針方向的彎道有兩對以上。
7.如權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述補(bǔ)償彎道和初始彎道的半徑相同。
8.如權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述初始彎道和補(bǔ)償彎道的基管彎道半徑不同，所述補(bǔ)償彎道的基管包括與所述初始彎道彎曲方向相反的一個(gè)或兩個(gè)以第一彎曲段，以及與所述初始彎道彎曲方向相同的一個(gè)或兩個(gè)以上第二彎曲段。
9.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述基管還包括一個(gè)或兩個(gè)以上直道段。
10.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管，其特征在于:所述基管的初始彎道和補(bǔ)償彎道的中心線同為S型或Ω型。
11.一種離子遷移譜儀，其特征在于:包括如權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的補(bǔ)償式彎曲型離子漂移管。
【文檔編號】H01J49/04GK103578907SQ201310539519
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】倪凱, 歐光禮, 余泉, 郭靜然, 錢翔, 王曉浩, 唐飛 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院