[发明专利]一种径向周期聚焦离子迁移管

说明书

本发明提供一种具有径向周期聚焦功能的离子迁移管对低气压IMS中离子团的径向发散进行约束整形。通过在IMS迁移区内设置间隔等分压电极组件，于趋近迁移区径向边缘区域内设置沿轴向周期变化的非均匀直流电场，于迁移区轴线附近区域保持迁移电场的均匀性。其中，迁移区轴线附近区域均匀迁移电场的径向直径大于等于离子接收极(法拉第盘)的直径。如此，可以在获得高离子传输效率的同时保证IMS分辨能力不受影响。该设计结构简单，普适性强。

技术领域

本发明涉及离子迁移谱仪的核心部件离子迁移管，具体地说是一种能够对沿离子迁移管轴向传输的离子团的径向发散进行周期聚焦整形的离子迁移管。

背景技术

离子迁移谱(IMS)现场检测的目标物通常为痕量，且伴随有高湿度、复杂化学背景等干扰。样品直接进样后，一方面，会在离子源内发生离子-水分子团簇化、化学竞争电离等复杂离子化学过程，造成目标物检测灵敏度降低；另一方面，高度水团簇化的产物离子会在IMS迁移区内动态解离，导致离子迁移率K的波动，影响IMS准确识别。降低电离区或离子-分子反应区的气压至千帕范围可以有效解决离子-水分子团簇化、化学竞争电离等对痕量目标物离子化干扰。Zimmermann等(Anal.Chem.2014,86:11841)通过将IMS工作气压降至千帕范围，实现了高湿度混合气中痕量苯、甲苯和丙酮等直接进样定量检测。

IMS响应信号强度正比于IMS离子团的离子数密度n。根据Nernst-Einstein方程，气压P降低还会引起离子团径向尺寸急剧展宽(σ_radial＝(2k_BTL/qNε)^1/2，N表示气压P对应的分子数密度，ε＝E/N表示约化迁移电场)，造成离子数密度n降低，同时会有更多离子在轴向传输过程中湮灭在迁移区导电电极上，使IMS检测灵敏度降低。因此，控制、校正迁移区内离子团的径向扩散展宽是提高低气压(0.1～50kPa)IMS灵敏度的关键。

施加射频电压是质谱及低气压IMS中实现离子高效传输的重要手段。但是，射频电压约束离子径向扩散适用的气压范围通常为～4000Pa以下，并且随着气压升高所需射频电压的幅值与频率也会升高。高频高幅值的射频电压极易造成离子有效温度的升高，引起离子解离或去团簇化，导致离子迁移率K的波动。

非均匀直流电场常被用于大气压IMS迁移区的末端，对迁移区中离子团进行径向压缩聚焦，提高IMS检测灵敏度(Anal.Chem.,2018,90:4514；CN102954995)。然而，由于大气压下存在剧烈的离子-分子碰撞，IMS迁移区内等间距分布的电极环间需要维持倍增变化的电势差才能形成有效的离子径向聚束电场，这会造成迁移区轴线区域离子迁移电场严重不均匀，导致IMS分辨能力下降20。低气压下，离子-分子碰撞频率降低，非均匀直流电场可以更加高效地调制离子运动轨迹，例如，质谱中静电透镜实现对离子束流偏转、径向整形即基于这一规律。Zare等(J.Am.Soc.Mass Spec.2007,18:1901)则利用BNG离子门两组丝状电极间微弱电势差诱导的非均匀电场，对高平动能离子进行偏转分离。Russell等(J.Am.Soc.Mass Spec.2010,296:36)在研究低气压离子传输装置时发现，沿轴向周期变化的非均匀静电场可以将趋近环状电极径向外缘的离子重新拉回离子传输的轴线上，实现离子高效传输。基于此，Russell等(Anal.Chem.2013,85:9543)进一步发展了一种基于周期变化非均匀静电场的离子漏斗装置，可以在千帕气压范围内实现超过90％的离子传输效率。

本发明公开一种具有径向周期聚焦功能的离子迁移管对低气压IMS中离子团的径向发散进行约束。通过在IMS迁移区内设置间隔等分压电极组件，于趋近迁移区径向边缘区域内设置沿轴向周期变化的非均匀直流电场，于迁移区轴线附近区域保持迁移电场的均匀性。其中，迁移区轴线附近区域均匀迁移电场的径向直径大于等于离子接收极(法拉第盘)的直径。如此，可以在获得高离子传输效率的同时保证IMS分辨能力不受影响。该设计结构简单，普适性强。

发明内容