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一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪及方法

阅读：330发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪及方法，当离子门关闭时，迁移区的电场强度会随着迁移时间逐步增大，用来补偿待检测离子束后端离子的离子速度。使得离子束在达到电荷探测器时，后端和前端离子的时间差小于初始的时间差，实现离子峰在时间展宽上的压缩，提高仪器的分辨率，丰富离子迁移谱仪的功能。，下面是一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪，其特征在于，包括：可编程高压电源(1)、迁移区串联电阻(2)、高压电源(3)、串联电阻(4)、离子门电源(5)、地线(6)和电荷探测器(7)；
电压由可编程高压电源(1)为迁移区的电压，通过迁移区串联电阻(2)与地线(6)相连，将电压分配迁移区，形成均匀电场；高压电源(3)为反应区提供电压，通过串联电路(4)与地线相连，将电压分配到反应区；迁移区和反应区两者是分立的；离子门电源(5)与离子门相连，为离子门的开启和关闭提供脉冲电压支持，离子在反应区产生，在电场的作用下，通过离子门，进入迁移区被电荷探测器(7)探测到，从而实现离子迁移谱的功能。
2.根据权利要求1所述的离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪，其特征在于：所述迁移区电压为非恒定值，是一个随时间变化的函数。
3.根据权利要求2所述的离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪，其特征在于：所述迁移区随电压变化函数过程为：离子门电源(5)开启时，可编程高压电源(1)提供的初始电压V0；离子门电源(5)关闭瞬间时，此时可编程高压电源(1)提供的电压在初始电压V0的基础上开始均匀提升，提升的幅度为ΔV/ms,Vt＝V0+ΔV×(t-t0)，t是时间，t0是一个检测周期中离子门关闭的时间；当电压提升阶段结束后，可编程高压电源的(1)提供的电压返回初始电压V0，维持恒定电压，直至下次离子门电源(5)开启和关闭。
4.一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱方法，其特征在于：通过可编程高压电源(1)调控迁移区的电压，电压通过迁移区串联电阻(2)在迁移区形成了均匀电场，在检测过程中，随着可编程高压电源的输出电压的不断增大，迁移区的电场强度也在逐步提升，在电场的引导下，离子由反应区开始，经过离子门，穿过调控的迁移区电场，到达电荷探测器(7)，实现离子迁移谱的功能；对于经过离子门的离子束，当离子束在迁移区运动时，在到达相同位置时，后端离子的到达时间大于前端离子，即t后>t前，而迁移区在进行检测时，电场强度是随着时间不短增大的，则有后端的离子在该处所受的电场强度始终大于前端离子在该处感受到电场强度，在离子迁移谱中，离子的速度是正比于所受电场强度，即后端的离子速度大于前端，始终在追赶前端离子，使离子束在达到电荷探测器(7)时，后端和前端离子的时间差小于初始的时间差，实现离子峰在时间展宽上的压缩，提高仪器的分辨率。

说明书全文

一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪及方法，属于分析仪器与检测领域，具体涉及对对迁移区电场的调控，对进入迁移区的离子束的后端离子进行迁移速度补偿，从而实现迁移谱的高分辨检测。

背景技术

[0002] 离子迁移谱的分辨率(Resolution)代表了离子迁移谱仪对物质的分离能力，是离子迁移谱的主要性能指标之一。通常，分辨率的定义为离子的迁移时间与离子谱峰的半高全宽的比值。

[0003] 根据离子峰的半高全宽计算公式,分辨率可以进一步表示为：

[0004]

[0005] 从公式1中可以看出，影响离子迁移谱分辨率的主要因素有2个，一个是离子门的开门时间tg和离子迁移时间td。

[0006] 开门时间tg在离子迁移谱中，通常指离子门对从反应区到迁移区的放行时间，即第一个离子进入迁移区和最后一个离子进入迁移区的时间差。在均匀电场下，离子的运动速度只受到电场影响，这个时间差会保持到最终离子到达电荷探测器。所以人们通常认为tg是一个恒定值。

[0007] 通过公式1可以发现，分辨率的极限值可以表达为td/tg,即分母第二项取0。所以现有提高分辨率的技术主要是通过减小tg的时间来提高离子迁移谱的分辨率。tg越小，分辨率越高。但是tg越小会导致，离子门开门能通过的离子数目减小，影响灵敏度。

[0008] 所以本发明提出一种本离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪及方法，可以在不影响灵敏度的前提下，提高仪器的分辨率，丰富离子迁移谱仪的功能。

发明内容

[0009] 本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪及方法，减小离子门开门时间对离子迁移谱分辨率影响，提高离子迁移谱的分辨率。

[0010] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

[0011] 一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪，包括可编程高压电源、迁移区串联电阻、高压电源、串联电阻、离子门电源、地线和电荷探测器；电压由可编程高压电源为迁移区的电压，通过迁移区串联电阻与地线相连，将电压分配迁移区，形成均匀电场；高压电源为反应区提供电压，通过串联电路与地线相连，将电压分配到反应区；迁移区和反应区两者是分立的；离子门电源与离子门相连，为离子门的开启和关闭提供脉冲电压支持。离子在反应区产生，在电场的作用下，通过离子门，进入迁移区被电荷探测器探测到，从而实现离子迁移谱的功能。

[0012] 所述迁移区电压为非恒定值，是一个随时间变化的函数。

[0013] 所述迁移区随电压变化函数过程为：离子门电源开启时，可编程高压电源提供的初始电压V0；离子门电源关闭瞬间时，此时可编程高压电源提供的电压在初始电压V0的基础上开始均匀提升，提升的幅度为ΔV/ms,Vt＝V0+ΔV×(t-t0)，阶段持续20ms，t是时间，t0是一个检测周期中离子门关闭的时间；当电压提升阶段结束后，可编程高压电源的提供的电压返回初始电压V0，维持恒定电压，直至下次离子门电源开启和关闭。本发明的一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱方法，通过可编程高压电源调控迁移区的电压，电压通过迁移区串联电路在迁移区形成了均匀电场，在检测过程中，随着可编程高压电源的输出电压的不断增大，迁移区的电场强度也在逐步提升，在电场的引导下，离子由反应区开始，经过离子门，穿过调控的迁移区电场，到达电荷探测器，实现离子迁移谱的功能；对于经过离子门的离子束，当离子束在迁移区运动时，在到达相同位置时，后端离子的到达时间大于前端离子，即t后>t前，而迁移区在进行检测时，电场强度是随着时间不短增大的，则有后端的离子在该处所受的电场强度始终大于前端离子在该处感受到电场强度，在离子迁移谱中，离子的速度是正比于所受电场强度，即后端的离子速度大于前端，始终在追赶前端离子，使离子束在达到电荷探测器时，后端和前端离子的时间差小于初始的时间差，实现离子峰在时间展宽上的压缩，提高仪器的分辨率。

[0014] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0015] (1)本发明通过对迁移区的电场进行调控，实现了在离子的迁移过程中，对后端离子的迁移速度进行补偿，使其在运动的过程中，逐渐追赶前端离子，减小与前端离子的时间差，即减小开门时间tg所带来的时间差对迁移谱分辨率的影响，提高离子迁移谱的分辨率。

[0016] (2)传统的离子迁移谱中，其分辨率的上限由离子门开门时间的限制，即反应峰的最小宽度为离子的开门时间tg。而本发明通过对迁移区的电场进行调控，实现了在离子的迁移过程中，对后端离子的迁移速度进行补偿，使其在运动的过程中，逐渐追赶前端离子，减小与前端离子的时间差，即减小开门时间tg所带来的时间差对迁移谱分辨率的影响。

[0017] (3)当离子门关闭时，迁移区的电场强度会随着迁移时间逐步增大，用来补偿待检测离子束后端离子的离子速度。使得离子束在达到电荷探测器时，后端和前端离子的时间差小于初始的时间差，实现离子峰在时间展宽上的压缩，提高仪器的分辨率，丰富离子迁移谱仪的功能。附图说明

[0018] 图1为本发明的一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪示意图；

[0019] 图2为本发明的一种离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪可编程电源和离子门电源控制时序；

[0020] 图3离子门开门时，迁移区的电压和时间的关系图。

具体实施方式

[0021] 以下结合附图，对本发明的具体方式进行详细阐述。

[0022] 如图1所示：离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪，主要由反应区、离子门、迁移区和电荷探测器组成，主要包括可编程高压电源1、迁移区串联电阻2、高压电源3、串联电阻4、离子门电源5、地线6和电荷探测器7。高压电源3通过串联电阻4对反应区施加电压；离子门电源5为离子门提高开启和关闭电压；可编程高压电源1通过迁移区串联电阻2提供迁移区的电压。高压电源3的电压高于可编程高压电源1，确保离子能顺利到达离子门，随后在离子门电源5的作用通过离子门，进入迁移区被电荷探测器7检测到，从而实现离子迁移谱功能。

[0023] 图2给出了可编程高压电源和离子门电源之间的时序关系，主要分为3个阶段。

[0024] (1)离子门开门阶段，此时离子门电压抬高，通道打开，离子开始进入迁移区；此时迁移区的电压为初始电压。

[0025] (2)离子迁移速度补偿阶段，此时离子门电压降低到基线，通道关闭，后续离子被关在迁移区之前；此时可编程高压电源电压开始均匀提升，该阶段持续时间20ms。

[0026] (3)等待时间，此时本周期检测已经结束，可编程高压电源电压回归初始电压。等待下次离子门打开。

[0027] 图3给出了可编程高压电源的电压输出情况。当离子门关闭之后时，迁移区电压由V0随时间逐渐升高，斜率为ΔV，既有Vt＝V0+ΔV×(t-t0)，可以推出电场的变化为Et＝E0+ΔE×(t-t0)。其中Vt是指迁移区的瞬时电压，V0是迁移区的初始电压，ΔV是随时间变化的所提升的电压大小，t是时间，t0是一个检测周期中离子门关闭的时间。Et是指迁移区的瞬时电场，E0是迁移区的初始电场，ΔE是随时间变化的所提升的电场大小。

[0028] 基于本发明的具体方式，以一个例子进行具体阐述：

[0029] 常规离子迁移谱仪，其参数为：整个迁移管为，离子门开门时间200微秒，迁移区长度8cm，反应区和迁移区的均匀电场为300V/cm。

[0030] 本发明的离子迁移速度补偿离子迁移谱，其参数为：离子门开门时间200微秒，迁移区长度8cm。离子门打开时，整个迁移管为均匀电场300V/cm；离子门关闭时，在300V/cm的基础上，以每毫秒提高50V/cm的速度对电场进行补偿。

[0031] 在这两种条件下检测迁移率为2.5cm2s-1V-1的离子，分别计算计算离子束到达电荷探测器的时间展宽。

[0032] 离子在均匀电场300V/cm电场下，其运动速度为0.75cm/ms，那么在离子门关门时，进入迁移区的离子束长度0.15厘米，即前端离子只需要运动7.85cm即可到达探测器，而后端离子需要运动8cm。

[0033] 通过计算Δt＝200微秒，与离子门开门时间相同。

[0034] 采用离子迁移速度补偿离子迁移谱，在离子门开门时，两者是一致的。即在离子门关门的瞬间，进入迁移区的离子束长度也为0.15cm。由于当离子门关闭时，迁移区的电场是逐渐线性增加的，即离子的速度不断增加，离子的速度与时间的关系为：

[0035] ν＝E0×k+ΔE×k×t (2)

[0036] 其中，v是指离子的速度，k是离子的迁移率，E0是迁移区的初始电场，ΔE是随时间变化的所提升的电场大小。速度的导数是加速度，所以对公式2求导，有：

[0037] a＝ΔE×k (3)

[0038] 其中，a是离子在迁移区的飞行中所受到的加速度。将离子的初始速度和加速度带入均匀加速计算公式，可得到Δt＝94.05微秒，相比于离子门开门时间缩短了将近一半。

[0039] 总之，本发明提出的离子迁移速度补偿的离子迁移谱仪，可以实现离子峰在时间展宽上的压缩，大幅提高离子迁移谱仪的分辨率，使得离子迁移谱仪的性能有极大的提升。

[0040] 本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术

[0041] 提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

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