一种离子迁移谱仪离子门开关门控制方法和离子迁移谱仪

摘要

一种离子迁移谱仪离子门开关门控制方法和离子迁移谱仪，该方法包括控制离子门开门的开门阶段和控制离子门关门的关门阶段，在所述关门阶段，利用高频方波信号对离子门相邻丝级间的电势差进行控制，使离子门相邻丝级间的电势差在零和固定值之间进行高频跳变，进而使离子的行进轨迹在轴向和径向之间不断改变，使离子在轴向上的行进轨迹变长，从而使所述关门阶段形成的离子团的前沿包络面平整化，在所述开门阶段，在迁移电场的作用下沿轴向前进的离子团以经平整化的前沿形状到达离子检测器。本发明在保证了对离子团进行斩切的同时，减少了常规离子门关门方式导致的离子回流损失及离子迁移时间变化，使用本发明可以获得效果理想的离子谱峰。

权利要求

1.一种离子迁移谱仪离子门开关门控制方法，包括控制离子门开门的开门阶段和控制离子门关门的关门阶段，其特征在于,在所述关门阶段，利用高频方波信号对离子门相邻丝级间的电势差进行控制，使离子门相邻丝级间的电势差在零和固定值之间进行高频跳变，进而使离子的行进轨迹在轴向和径向之间不断改变，使离子在轴向上的行进轨迹变长，从而使所述关门阶段形成的离子团的前沿包络面平整化，在所述开门阶段，在迁移电场的作用下沿轴向前进的离子团以经平整化的前沿形状到达离子检测器。

2.如权利要求1所述的离子迁移谱仪离子门开关门控制方法，其特征在于,所述离子门使用TP离子门，并使用金属栅网组成离子门结构。

3.如权利要求1或2所述的离子迁移谱仪离子门开关门控制方法，其特征在于,所述离子迁移谱仪为信号平均离子迁移谱仪(SA-IMS)。

4.如权利要求1至2任一项所述的离子迁移谱仪离子门开关门控制方法，其特征在于,使用周期性信号控制离子门丝级间的电压以交替产生所述开门阶段和所述关门阶段。

5.如权利要求1至2任一项所述的离子迁移谱仪离子门开关门控制方法，其特征在于,所述离子门驱动器包括光电开关模块、高压隔离模块及一组MOS管，信号发生器的输出端通过所述光电开关模块和所述高压隔离模块接到所述MOS管的栅极，所述信号发生器产生周期信号控制所述光电开关模块的工作，在所述高压隔离模块的保护下控制所述MOS管的工作状态，从而使接入所述离子门的电压Vo在直流可调隔离电源两级输出电压VH、VL之间跳变。

6.一种离子迁移谱仪，包括离子门、信号发生器、离子门驱动器以及离子检测器，所述信号发生器连接所述离子门驱动器，所述离子门驱动器连接所述离子门，所述离子门驱动器在所述信号发生器输出信号的控制下，产生驱动信号控制所述离子门开门和关门，其特征在于,在关门阶段，所述信号发生器产生高频方波信号对离子门相邻丝级间的电势差进行控制，使离子门相邻丝级间的电势差在零和固定值之间进行高频跳变，进而使离子的行进轨迹在轴向和径向之间不断改变，使离子在轴向上的行进轨迹变长，从而使所述关门阶段形成的离子团的前沿包络面平整化，在所述开门阶段，在迁移电场的作用下沿轴向前进的离子团以平整化的前沿形状到达离子检测器。

7.如权利要求6所述的离子迁移谱仪离子门开关门控制方法，其特征在于,所述离子门为TP离子门，由金属栅网组成离子门结构。

8.如权利要求6或7所述的离子迁移谱仪离子门开关门控制方法，其特征在于,所述离子迁移谱仪为信号平均离子迁移谱仪(SA-IMS)。

9.如权利要求6至7任一项所述的离子迁移谱仪离子门开关门控制方法，其特征在于,所述信号发生器输出周期性信号控制离子门丝级间的电压以交替产生所述开门阶段和所述关门阶段。

10.如权利要求6至7任一项所述的离子迁移谱仪离子门开关门控制方法，其特征在于，所述离子门驱动器包括光电开关模块、高压隔离模块及一组MOS管，所述信号发生器的输出端通过所述光电开关模块和所述高压隔离模块接到所述MOS管的栅极，所述信号发生器产生周期信号，用于控制所述光电开关模块的工作，在所述高压隔离模块的保护下控制所述MOS管的工作状态，从而使接入所述离子门的电压Vo在直流可调隔离电源两级输出电压VH、VL之间跳变。

说明书

一种离子迁移谱仪离子门开关门控制方法和离子迁移谱仪

技术领域

[0001] 本发明涉及离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)技术，特别是一种离子迁移谱仪离子门开关门控制方法和离子迁移谱仪。

背景技术

[0002] 离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)技术是一种检测痕量化物质的技术，该技术是基于气相离子在电场中迁移速度的差异来对化学物质进行表征，从而将不同物质分离、检测出来。样品由载气带入电离区后，载气分子和样品分子在离子源的作用下发生一系列的电离反应和离子-分子反应，形成各种产物离子。在电离区电场驱动下，经过离子门斩切出片状的离子团，团内的不同类型的离子在漂移管(迁移管用分压电阻产生出匀强电场)开始以不同速度定向迁移，然后在法拉第盘检测到离子信号，形成离子迁移谱图，从最后的谱图信息里我们将待测物质进行辨别区分。

[0003] 离子门位于离子源与漂移区之间，起着离子阀门的作用，将连续的离子流周期性切断以产生离子团，根据丝网是否在同一平面，主要有两种类型：Bradbury-Nielsen(BN)离子门和Tyndall-Powell(TP)离子门之分，其中BN离子门是由两组位于同一平面，交替排列而相互绝缘的金属丝组组成。开门状态，两组金属丝组电势相等，相邻金属丝之间不存在垂直于轴向的垂向电场，离子可以自由通过离子门进入漂移区；关门状态，金属丝组之间存在足够大的电势差，相邻金属丝之间形成垂向的电场，离子在垂向电场作用下会碰撞湮灭到其中一组金属丝电极上，而无法进入漂移区。

[0004] TP门相对于BN门的区别从结构上说在于TP门两组丝网不在同一平面上，两平面的距离差一般在0.1到1mm之间。开门状态时两组丝网电势相等或者相差很小，而关门时则一组丝网会提高到高电压，将离子推斥到另一组丝网上，从而实现关闭，然而由于TP门丝网不在同一平面上，则不同组丝网提高电压会产生不同的效果。

[0005] 传统的离子门开关门驱动信号如图1所示，在离子门的关门阶段，由于丝级之间存在电势差，离子会沿电场线方向前进，进而离子轨迹会形成离子团的前沿包络面，当离子门开启时，离子团会在当前位置开始轴向前进，在电场的作用下到达检测的法拉第盘，形成离子电流。在传统的离子门开关门驱动信号作用下，产生的离子团的前沿不平整(参见图2)，使离子到达检测器的时间不一致，进而电流产生时间不一致，导致谱峰展宽。

[0006] 由于TP门丝网不在同一平面上，在丝网中和的位置不同时会产生不同的离子团薄片形状，其区别主要是离子团的前沿。在丝级电压的推斥下，离子团的前沿会形成截面为半圆的形状，参见图2，这就造成离子到达时间的差距较大，从而导致迁移谱峰存在较大展宽，进而使分辨率下降。

发明内容

[0007] 本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种离子迁移谱仪离子门开关门控制方法和离子迁移谱仪，以减小现有关门方式导致的谱峰展宽程度。

[0008] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0009] 一种离子迁移谱仪离子门开关门控制方法，包括控制离子门开门的开门阶段和控制离子门关门的关门阶段，在所述关门阶段，利用高频方波信号对离子门相邻丝级间的电势差进行控制，使离子门相邻丝级间的电势差在零和固定值之间进行高频跳变，进而使离子的行进轨迹在轴向和径向之间不断改变，使离子在轴向上的行进轨迹变长，从而使所述关门阶段形成的离子团的前沿包络面平整化，在所述开门阶段，在迁移电场的作用下沿轴向前进的离子团以经平整化的前沿形状到达离子检测器。

[0010] 进一步地：

[0011] 所述离子门使用TP离子门，并使用金属栅网组成离子门结构。

[0012] 所述离子迁移谱仪为信号平均离子迁移谱仪(SA-IMS)。

[0013] 使用周期性信号控制离子门丝级间的电压以交替产生所述开门阶段和所述关门阶段。

[0014] 所述离子门驱动器包括光电开关模块、高压隔离模块及一组MOS管，所述信号发生器的输出端通过所述光电开关模块和所述高压隔离模块接到所述MOS管的栅极，所述信号发生器产生周期信号控制所述光电开关模块的工作，在所述高压隔离模块的保护下控制所述MOS管的工作状态，从而使接入所述离子门的电压Vo在直流可调隔离电源两级输出电压VH、VL之间跳变。

[0015] 一种离子迁移谱仪，包括离子门、信号发生器、离子门驱动器以及离子检测器，所述信号发生器连接所述离子门驱动器，所述离子门驱动器连接所述离子门，所述离子门驱动器在所述信号发生器输出信号的控制下，产生驱动信号控制所述离子门开门和关门，在关门阶段，所述信号发生器产生高频方波信号对离子门相邻丝级间的电势差进行控制，使离子门相邻丝级间的电势差在零和固定值之间进行高频跳变，进而使离子的行进轨迹在轴向和径向之间不断改变，使离子在轴向上的行进轨迹变长，从而使所述关门阶段形成的离子团的前沿包络面平整化，在所述开门阶段，在迁移电场的作用下沿轴向前进的离子团以平整化的前沿形状到达离子检测器。

[0016] 进一步地：

[0017] 所述离子门为TP离子门，由金属栅网组成离子门结构。

[0018] 所述离子迁移谱仪为信号平均离子迁移谱仪(SA-IMS)。

[0019] 所述信号发生器输出周期性信号控制离子门丝级间的电压以交替产生所述开门阶段和所述关门阶段。

[0020] 所述离子门驱动器包括光电开关模块、高压隔离模块及一组MOS管，所述信号发生器的输出端通过所述光电开关模块和所述高压隔离模块接到所述MOS管的栅极，所述信号发生器产生周期信号，用于控制所述光电开关模块的工作，在所述高压隔离模块的保护下控制所述MOS管的工作状态，从而使接入所述离子门的电压Vo在直流可调隔离电源两级输出电压VH、VL之间跳变。

[0021] 本发明与现有技术相比的有益效果：

[0022] 本发明提供了一种离子迁移谱仪离子门开关门控制方法和离子迁移谱仪，在离子门关门阶段，利用高频方波信号进行控制，使离子门相邻丝级间的电势差在零和固定值之间进行高频跳变，进而使离子的行进轨迹在轴向和径向之间不断改变，相对于常规的固定压差直接关门的方式，离子在轴向上的行进轨迹更长，从而使关门状态下的离子团前沿的曲率半径更大，在离子门开门后，离子团前沿更为平整，减少离子到达检测器的时间差距，离子到达的时间更为集中，因此减小了谱峰展宽程度，能够得到更好的迁移谱峰效果。

[0023] 相比于使用传统的周期性信号对离子门进行电压控制，本发明在保证了对离子团进行斩切的同时，减少了常规离子门关门方式导致的离子回流损失及离子迁移时间变化，因此，使用本发明可以获得效果更理想的离子谱峰。

附图说明

[0024] 图1为传统的离子门开关门驱动信号示意图。

[0025] 图2是采用传统的离子门开关门驱动信号仿真得到的离子团前沿形状示意图。

[0026] 图3是本发明实施例提供的离子门开关门驱动信号示意图。

[0027] 图4是采用本发明实施例仿真得到的离子团前沿形状示意图。

具体实施方式

[0028] 以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

[0029] 参阅图3和图4，在一种实施例中，一种离子迁移谱仪离子门开关门控制方法，包括控制离子门开门的开门阶段和控制离子门关门的关门阶段，在所述关门阶段，利用高频方波信号对离子门相邻丝级间的电势差进行控制，使离子门相邻丝级间的电势差在零和固定值之间进行高频跳变，进而使离子的行进轨迹在轴向和径向之间不断改变，使离子在轴向上的行进轨迹变长，从而使所述关门阶段形成的离子团的前沿包络面平整化，在所述开门阶段，在迁移电场的作用下沿轴向前进的离子团以经过平整化的前沿形状到达离子检测器。

[0030] 与传统方案不同，本发明调节关门信号，将以往关门阶段维持固定压差(即输入信号维持高电平)改变为高频跳变压差，即使关门阶段的输入信号为高频方波信号，从而使离子门丝级间的电势差也以相同高频进行跳变，通过这种控制方式，使离子在离子门处于高频跳变阶段时，行进加速度方向在轴向和径向间也进行高频改变，从而使离子团在关门状态下的前包络面的曲率半径更大(即更平整)。当离子门进入开门状态时，即丝级的电势相等时，离子团会在迁移电场的作用下沿轴向前进，这时离子团的前包络面即为离子团的前沿形状，进而形成不同离子到达检测器的时间差，即谱峰的上升沿。通过改变高频方波信号的频率，使离子被限制在丝级之间并保持较平整的前包络面，从而使离子团在开门后到达检测器的时间更为集中，进而减小谱峰展宽，获得效果更好的谱峰。相比于使用传统的周期性信号对离子门进行电压控制，本发明在保证了对离子团进行斩切的同时，减少了常规离子门关门方式导致的离子回流损失及离子迁移时间变化，因此，使用本发明可以获得效果更理想的离子谱峰。

[0031] 在优选的实施例中，所述离子门使用TP离子门，并使用金属栅网组成离子门结构。

[0032] 在优选的实施例中，所述离子迁移谱仪为信号平均离子迁移谱仪(SA-IMS)。

[0033] 在优选的实施例中，使用周期性信号控制离子门丝级间的电压以交替产生所述开门阶段和所述关门阶段。

[0034] 在优选的实施例中，所述离子门驱动器包括光电开关模块、高压隔离模块及一组MOS管，所述信号发生器的输出端通过所述光电开关模块和所述高压隔离模块接到所述MOS管的栅极，所述信号发生器产生周期信号控制所述光电开关模块的工作，在所述高压隔离模块的保护下控制所述MOS管的工作状态，从而使接入所述离子门的电压Vo在直流可调隔离电源两级输出电压VH、VL之间跳变。

[0035] 在另一种实施例中，一种离子迁移谱仪，包括离子门、信号发生器、离子门驱动器以及离子检测器，所述信号发生器连接所述离子门驱动器，所述离子门驱动器连接所述离子门，所述离子门驱动器在所述信号发生器输出信号的控制下，产生驱动信号控制所述离子门开门和关门，在关门阶段，所述信号发生器产生高频方波信号对离子门相邻丝级间的电势差进行控制，使离子门相邻丝级间的电势差在零和固定值之间进行高频跳变，进而使离子的行进轨迹在轴向和径向之间不断改变，使离子在轴向上的行进轨迹变长，从而使所述关门阶段形成的离子团的前沿包络面平整化，在所述开门阶段，在迁移电场的作用下沿轴向前进的离子团以平整化的前沿形状到达离子检测器。

[0036] 在优选的实施例中，所述离子门为TP离子门，由金属栅网组成离子门结构。

[0037] 在优选的实施例中，所述离子迁移谱仪为信号平均离子迁移谱仪(SA-IMS)。

[0038] 在优选的实施例中，所述信号发生器输出周期性信号控制离子门丝级间的电压以交替产生所述开门阶段和所述关门阶段。

[0039] 在优选的实施例中，所述离子门驱动器包括光电开关模块、高压隔离模块及一组MOS管，所述信号发生器的输出端通过所述光电开关模块和所述高压隔离模块接到所述MOS管的栅极，所述信号发生器产生周期信号，用于控制所述光电开关模块的工作，在所述高压隔离模块的保护下控制所述MOS管的工作状态，从而使接入所述离子门的电压Vo在直流可调隔离电源两级输出电压VH、VL之间跳变。

[0040] 实施例和对比例仿真测试

[0041] 仿真所设置的参数为：迁移电场50V/cm，离子门的跳变电压为200V。

[0042] 实施例和采用传统方案的对比例分别进行离子团的关门操作：

[0043] 对比例：在关门阶段，前一组金属丝的电压为0V，后一组金属丝的电压为200V，即关门阶段维持前一组和后一组金属丝的电势差为固定200V。对比例产生的离子团前沿如图2所示。

[0044] 实施例：在关门阶段，前一组金属丝的电压为0V，后一组金属丝的电压在0与200V间以100KHz的频率跳变，即关门阶段使前一组和后一组金属丝的电势差在零和固定200V之间进行高频跳变。实施例产生的离子团前沿如图4所示。

[0045] 以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。