[发明专利]多层平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及对生化物质进行快速测定，属于现场分析检测领域，具体为一种多层平板结 构高场非对称波形离子迁移谱仪。

背景技术

高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS，High-field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry)，是在上世纪九十年代逐步发展起来的一种生化物质检测技术。它主要利用高 电场下离子的迁移率会随电场强度的变化而不同的特性来分离检测不同种类的生化物质。离 子在低电场条件下的迁移率系数与电场强度无关，当电场强度高到一定值以后，离子的迁移 率系数K就会发生变化，并以一种非线性的方式随电场强度而变化。离子在高场下的迁移率 与电场强度的关系可用如下式子表示：K＝K₀[1+α₁(E/N)²+α₂(E/N)⁴+…]，K为离子在高 电场下(E/N大于40Td)的迁移率，K₀为离子在低电场下的迁移率，E为电场强度，N为气 体密度，α₁，α₂为离子迁移率分解系数。令α(E)＝[α₁(E/N)²+α₂(E/N)⁴+…]，则 K＝K₀[1+α(E)]。当α(E)＞0时，K＞K₀，则K随E增大而增大；当α(E)＜0时，K＜K₀， 则K随着E的增大而减小；当α(E)≈0时，K≈K₀。由上述分析可见，在高场下，离子的迁 移率呈现出各自不同的非线性变化趋势，这就使在低电场强度条件下离子迁移率相同或相近 的离子能够在高电场强度条件下被分离开。

目前，高场非对称波形离子迁移谱主要有平板型和圆筒型两种结构，相比于圆筒型，平 板型高场非对称波形离子迁移谱仪更易于用微机电系统技术(MEMS， Micro-Electro-Mechanical System)进行加工集成，便于微型化，因此在便携式生化检测仪器 方面具有更大的优势。

对平板型高场非对称波形离子迁移谱仪进行深入研究的主要有美国新墨西哥州立大学和 Sionex公司，其主体芯片结构采用MEMS加工技术设计加工，而离子源采用真空紫外灯离子 源或63Ni离子源。这种平板型高场非对称波形离子迁移谱仪有两种结构形式，分别如图1所示 的载气垂直于离子源和图2所示的对着离子源进入的方式。这两种结构方式都存在以下不足：

1.从离子源出来的离子和没有电离的中性分子在载气的作用下一起进入迁移区，容易形成团 簇离子。在高场非对称波形射频电压的高场作用下，团簇离子容易分解；在低场下，中性分 子和离子又容易重新结合形成团簇离子，这种团簇反应的发生，使某些容易结合的物质分子 和离子不断发生分解和结合，在迁移区不能分离，从而降低FAIMS的分辨率，影响仪器整体 性能。

2.在FAIMS系统中，离子源将样品电离成样品离子，迁移区对电离的样品离子进行分离，两 者对载气的流速有不同要求。这两种平板型FAIMS中离子源和迁移区在同一气路上，不能分 别调节离子源和迁移区的载气流速，降低了FAIMS系统的整体性能。

美国新墨西哥州立大学采用图1和图2所示结构的平板型FAIMS系统对丙酮和甲苯的混合 物进行分离，由于分子离子反应的存在，实验中不能将丙酮和甲苯完全分离。因此，这种结 构影响了FAIMS的性能，需要在现有的基础上实现功能的突破。

发明内容

本发明的目的是克服现有平板型高场非对称波形离子迁移谱的不足，提供一种将中性分 子和带电离子分离，以及实现离子源和迁移区载气流速可分别调节的新型平板型高场非对称 波形离子迁移谱仪。

本发明的技术方案如下：