专利摘要

本发明涉及一种两级压缩离子门及控制方法。该离子门由依次设置在离子迁移管内的离子源和离子接收极法拉第盘之间的三个平行，同轴，间隔的栅网一、栅网二和栅网三组成。栅网一和离子源之间的区域为反应区，栅网三与法拉第盘之间的区域为迁移区。通过周期性控制该离子门中三个栅网之间的电场，实现离子在注入迁移区过程中的两级压缩。其中，离子在穿过栅网三后被压缩一次，在穿过栅网三后面的导电环后再被压缩一次。这种离子门和控制方法，可以对注入的离子团进行两级压缩，实现分辨率和灵敏度的同时提高。

权利要求

1.一种两级压缩离子门的控制方法，其特征在于：

于圆筒状离子迁移管内部离子源和法拉第盘之间依次同轴、平行、间隔、绝缘设置三个圆形栅网构成离子门，三个圆形栅网依次定义为栅网一、栅网二和栅网三；栅网一和离子源之间的区域为反应区，栅网三与法拉第盘之间的区域为迁移区；该控制方法通过周期性控制该离子门中三个栅网之间的电场，精确控制离子的通过；

每个周期有连续的三种状态：

第一状态时，离子门开门，离子源，栅网一、栅网二和栅网三和法拉第盘上的电势依次降低；第一状态维持一段时间后，提高栅网二上的电位使其高于栅网一上的电位，开始第二状态，第二状态时离子门关门；第二状态维持一段时间后，降低栅网二上的电势使其回到和第一状态相同的电位，同时提高第三栅网的电位使其高于栅网二上的电位，开始第三状态，第三状态时离子门关门；第三状态维持一段时间后，整个过程一周期；

一周期完成后，再次切换到第一状态，进行下一个周期；

在第二状态中，由于栅网二上的电势提高，使栅网二和栅网三之间的电场，高于栅网三之后的电场，离子在从栅网二和栅网三之间的高电场向栅网三后的低电场运动时，第一次被压缩；

在第三状态中，由于栅网三上的电势提高，使栅网三与导电环二之间的电场，高于导电环二后的电场，离子在从栅网三与导电环二之间的高电场向导电环二后的低电场运动时，第二次被压缩。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：

离子源、栅网一、栅网二和栅网三、法拉第盘依次间隔设置，栅网一、栅网二和栅网三之间依次用两个圆环状绝缘片隔开，每个绝缘片与相邻的金属栅网平行、同轴设置，紧密配合。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：

构成离子门的三个栅网为表面平整的丝状栅网或孔状金属栅网。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：

第二状态开始时间应该是在第一状态维持过程中通过栅网二的离子未到达栅网三之前。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：

第一状态维持过程中通过栅网二的离子，在第二状态维持的时间段内全部或部分通过栅网三，才能开启第三状态。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：

第一阶段和第二阶段维持的一段时间为1-999微秒；

第三阶段维持的一段时间为1-100毫秒。

说明书

技术领域

本发明涉及一种迁移谱离子门装置和控制方法。

背景技术

离子迁移谱由于分析速度快，灵敏度高，体积小巧，操作简单等优点，被广泛应用于化学毒剂，炸药，毒品等的检测。^[1]此外由于离子迁移谱能分离同分异构体，还经常和质谱联用检测生物样品。^[2]近年来，离子迁移谱的应用深入到医疗诊断领域，例如检测呼出气中的小分子代谢物，血液中的麻醉剂等。^[3,4]对复杂样品的检测，需要更高的分辨能力和灵敏度。离子门是迁移管中的关键零件之一，其作用是周期性的将一团离子注入到迁移区进行分离和检测。所以，离子门的性能很大程度上决定了迁移谱的分辨能力和灵敏度。

离子迁移管中最常用的离子门是Bradbury-Nielsen gate(BN门)，^[1]这种离子门由两组平行，绝缘，依次交替，处于同一平面的金属丝组成。在开门时，两组丝上的电势相同。在关门时，在其中一组丝上叠加一个电压，或者在两组丝上叠加相反的电压，使相邻的两根丝之间形成和迁移电场垂直的电场，以阻止离子的通过。但是实际上离子门关门时，关门电压会在离子门前后的区域产生不均匀的电场，并在离子门后形成清空区，稀释区和压缩区。^[5]这些区域的存在，一方面会使注入的离子成锯齿状，开门时间越小，注入的离子越不均匀，产生峰拖尾现象。

离子迁移管中另一种比较常用的离子门是场切换离子门。^[1]这种离子门的结构为一个金属栅网。在关门时，离子源的电势比离子门的电势稍微低，使离子被局限在离子源和离子门之间，开门时，将离子源处的电势提高几百甚至上千伏，将电离区的离子全部注入迁移区。这种离子门不会造成离子门附近的不均匀电场。但是它的应用范围比价窄，不适用于电离范围比较长的电离源，如真空紫外灯，或者本身需要维持一定电势才能工作的电离源，如电喷雾或者电晕放电电离源。^[6]

离子门注入离子团的过程中，如果设法使离子团由高电场向低电场运动时，那么离子团会被压缩，离子厚度变窄，密度增大。因此法拉第盘接收到的信号峰更高，更窄，分辨率和灵敏度同时被提高。

[1]EICEMAN G A,KARPAS Z,HILL JR H H.ion mobility spectrometry[M].3rd ed.:CRC Press,2013；

[2]JIANG W,ROBINSON R A S.Ion Mobility-Mass Spectrometry[M].John Wiley&Sons,Ltd,2013；

[3]JIANG D,LI E,ZHOU Q,et al.Online Monitoring of Intraoperative Exhaled Propofol by Acetone-Assisted Negative Photoionization Ion Mobility Spectrometry Coupled with Time-Resolved Purge Introduction[J].Analytical Chemistry,2018,90(8):5280-9；

[4]WANG X,ZHOU Q,JIANG D,et al.Ion mobility spectrometry as a simple and rapid method to measure the plasma propofol concentrations for intravenous anaesthesia monitoring[J].Scientific Reports,2016,6；

[5]DU Y,WANG W,LI H.Resolution enhancement of ion mobility spectrometry by improving the three-zone properties of the Bradbury-Nielsen gate[J].Anal Chem,2012,84(3):1725-31；

[6]CHEN C,TABRIZCHI M,WANG W,et al.Field Switching Combined with Bradbury-Nielsen Gate for Ion Mobility Spectrometry[J].Anal Chem,2015,87(15):7925-30。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两级压缩离子门及控制方法，对离子门开门时注入的离子进行两次空间压缩，从而同时提高迁移谱的分辨率和灵敏度。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

于圆筒状离子迁移管内部离子源和法拉第盘之间依次同轴、平行、间隔、绝缘设置三个圆形栅网构成离子门，三个圆形栅网依次定义为栅网1、栅网2和栅网3；栅网1和离子源之间的区域为反应区，栅网3与法拉第盘之间的区域为迁移区。

离子源、栅网1、栅网2和栅网3、法拉第盘依次间隔设置，栅网1、栅网2和栅网3之间依次用两个圆环状绝缘片隔开，每个绝缘片与相邻的金属栅网平行、同轴设置，紧密配合。

构成离子门的三个栅网为表面平整的丝状栅网或孔状金属栅网。

可通过周期性控制该离子门中三个栅网之间的电场，精确控制离子的通过；

每个周期有连续的三种状态：

第一状态时，离子门开门，离子源，栅网1、栅网2和栅网3和法拉第盘上的电势依次降低；第一状态维持一段时间后，提高栅网2上的电位使其高于栅网1上的电位，开始第二状态，第二状态时离子门关门；第二状态维持一段时间后，降低栅网2上的电势使其回到和第一状态相同的电位，同时提高第三栅网的电位使其高于栅网2上的电位，开始第三状态，第三状态时离子门关门；第三状态维持一段时间后，整个过程一周期；

一周期完成后，再次切换到第一状态，进行下一个周期。

第二状态开始时间应该是在第一状态维持过程中通过栅网2的离子未到达栅网3之前。

第一状态维持过程中通过栅网2的离子，在第二状态维持的时间段内全部或部分通过栅网3，才能开启第三状态。

第一阶段和第二阶段维持的一段时间可为几至几百微秒，通常1-999微秒；第三阶段维持的一段时间可为几至一百毫秒，通常1-100毫秒。

第二状态时，栅网1和栅网2之间的电场方向与迁移电场方向相反，阻止离子通过栅网2，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移电场方向相同，且电场强度被提高，使离子在穿过栅网3后，由于电场强度降低被压缩一次；

第三状态时，栅网1和栅网2之间的电场方向与迁移电场方向相同，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移电场方向相反，阻止离子通过，同时栅网3与后面的导电环之间的电场强度被提高，使离子在穿过该导电环后由于电场强度降低被再次压缩。

本发明的优点是：

对离子门开门时注入的离子进行两级压缩。

同时提高分辨率和灵敏度。

结构简单。

附图说明

图1为离子迁移管结构示意图。其中(1)为离子迁移管腔体，(2)为离子源，(3)为法拉第盘，(4)为反应区，(5)为迁移区，(6)为栅网1，(7)为栅网2，(8)为栅网3，(9)为导电环1，(10)为导电环2，(11)为漂气入口，(12)为载气入口，(13)为尾气出口。

图2为栅网2和栅网3上的脉冲施加方式示意图。

图3为一个周期中各个阶段的电势和离子运动示意图。

图4为一个周期中各个阶段的电场和离子运动示意图。

图5为使用该发明的离子门和控制方式得到的谱图与使用BN门得到的谱图对比。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的离子迁移管结构示意图，图2，为脉冲施加方式示意图，图3，为一个周期中各个阶段的电势示意图，图4，为一个周期各个阶段的电场示意图。

离子迁移管(1)为一中空圆柱形腔体，在腔体一端设置样品离子产生装置离子源(2)，在腔体另一端设置离子接收装置法拉第盘(3)。于离子源和法拉第盘之间依次同轴、间隔、平行设置构成该离子门的三个栅网，三个栅网依次定义为栅网1(6)、栅网2(7)和栅网3(8)。栅网1、栅网2和栅网3之间依次用两个环状绝缘片隔开，每个绝缘环与相邻的金属栅网平行、同轴设置，紧密配合。栅网1和离子源之间的区域为反应区(4)，栅网3与法拉第盘之间的区域为迁移区(5)。

通过周期性控制该离子门中三个栅网之间的电场，精确控制离子的通过。每个周期有三种状态：第一状态时(0～t₁)，离子源，栅网1、栅网2、栅网3和法拉第盘上的电势依次降低，相邻两栅网之间的电场方向均和反应区及迁移区的电场方向相同，离子可以从反应区经过三个栅网进入迁移区；第一状态维持一段时间t₁后，将栅网2上的电压提高至高于栅网1上的电压，其他位置电势不变，开启第二状态(t₁～t₂)，其电场特征为栅网1和栅网2之间的电场方向与反应区及迁移区的电场方向相反，阻止离子通过，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移区及反应区的电场方向相同；第二状态维持一段时间后，在保证第一状态开启阶段通过栅网2的离子全部或部分通过栅网3，但未到达栅网3后面的导电环时，将栅网2的电势降低到和第一状态时相同的电势，同时将栅网3上的电势提高到高于栅网2上的电势，开启第三状态(t₂～T)，其电场特征为栅网1和栅网2之间的电场方向与反应区及迁移区的电场方向相同，栅网2和栅网3之间的电场方向与迁移区及反应区的电场方向相反。第三状态维持至一个周期结束时(t＝T)，再次切换到第一状态，开启下一个周期。

在第二状态中，由于栅网2上的电势提高，使栅网2和栅网3之间的电场，高于栅网3之后的电场。离子在从栅网2和栅网3之间的高电场向栅网3后的低电场运动时，第一次被压缩，厚度变小，密度变大。

在第三状态中，由于栅网3上的电势提高，使栅网3与电极环2之间的电场，高于电极环2后的电场，离子在从栅网3与电极环2之间的高电场向电极环2后的低电场运动时，第二次被压缩，厚度进一步变小，密度进一步变大。

实施例1

如图3所示为在⁶³Ni电离源-正离子模式离子迁移谱中，采用该发明的两级压缩离子门及控制方法和采用常规的BN门检测丙酮的谱图对比。其中该实施例中所用的栅网50μm厚的方孔不锈钢金属栅网，孔径的大小为1mm。在两种离子门中，相邻两栅网之间的间距为4mm。使用该离子门时，第一状态时离子门开门，栅网1、栅网2和栅网3上的电势分别为5100V，5050V，5000V，开门时间为50μs；第二状态时栅网1、栅网2和栅网3上的电势分别为5100V，5450V，5000V，维持时间为100μs。第三状态时栅网1、栅网2和栅网3上的电势分别为5100V，5050V，5500V维持时间为9.75ms。使用BN门时，开门时BN门两组丝上的电势均为5000V，开门时间为50μs。关门时将其中一组丝上的电势提高到5100V，另一组丝上的电势不变，关门时间为9.92ms。使用两种离子门的其它实验条件相同。由图3可以看出，使用该发明所述的离子门及控制方法和使用BN门，所获得丙酮的峰高前者远远高于后者，而半峰宽比后者明显低。说明使用该离子门控制方法可以同时提高灵敏度和分辨率。

一种两级压缩离子门及控制方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。