[发明专利]用于测量气体的方法及相应的离子迁移谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量气体的方法，该方法包括以下步骤：

—使气流中的样本气体离子化；

—在细长的离子迁移测量室所限定的流动横截面使离子化的气流被引导通过该离子迁移测量室；

—借助于横向电场和设置在测量室壁上的至少一对测量电极对离子迁移率不同的离子进行分离。

本发明还涉及实施该方法的离子迁移谱仪(IMS)。

背景技术

离子迁移谱测定法(IMS)是用于测量空气中的气态杂质的方法(Eiceman & Karpas，2005)。离子的迁移率可通过许多方法来进行测量。最常见的是飞行时间离子迁移谱测定法，或者漂移时间离子迁移谱测定法。另一种公知的方法是吸入离子迁移谱测定法。这可用来测量离子和悬浮颗粒的迁移率。吸入离子迁移谱测定法是基于离子在气流中移动并且通常具有垂直于流动方向的电场的事实。如果电场保持恒定，那么离子将基于其电子迁移率而行进到不同的位置，该迁移率由测量的位置决定。测量也可通过相对于时间改变电场来进行，在这种情况下在不同时间对代表不同迁移率的离子进行测量。

申请公开文献US 2007/0023647 A1(Zimmermann)中披露了一种离子迁移谱仪，样本气体在所述离子迁移谱仪中被离子化，并在测量电极之前被引导至输送气流的横截面中的窄点。这就是所谓的二级吸入离子迁移谱测定法的问题。理想地，当所有离子从相对于连续电极而言相同的横向距离处出发时，将呈窄流的离子化样本气体引导至输送气体的流动横截面的中心和电场。此时对分子的横向运动产生影响的变量是分子的质量和电荷。与来自整个横截面区域的离子流相比，通道的分离精度显著改善。对输送气体和待离子化样本气体的控制使得结构复杂化。然而，即使一个分流中的微小干扰也能够轻易导致较大的误差。公开文献US 2006/0054804 A1(Wexler)中披露了相似的结构。

公开文献WO 2008/008826 A2中披露了几种不同类型的离子迁移谱仪设备(IMS设备)。该公开文献中的图5和图6示出了使用Bradbury-Nielsen多组分栅极的IMS设备，其中使用的是约1Mhz等级的频率，以及扫描DC电压。这种带有若干与DC扫描结合的相RF源的电极装置极其复杂。

理论上能够将样本气体引导到中心，但是实践实施上却有困难，为此公开文献中披露了一种模型，其中将样本气体引导至输送气流的边缘。就输送气流的抛物线速度剖面而言，这种供给方式不是最佳的，反而会导致不精确。

图1示出了实施吸入单元的传统方式。来自流动通道整个区域的离子J1-n到达分离的测量带e1-e3。虽然大多数的离子因流动的速度剖面而来自中心，但是来自流动边缘的离子会造成相当程度的不精确。图2示出所谓的扫描(SWEEP)单元结构，其中来自流动通道整个区域的离子J1n到达单独的测量带e1-e2。在实施过程中，通过改变测量带的电场，使离子发生分离。该方法也如同前一个方法那样面临到达的离子分布广泛的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种与现有技术相比更为简单的用于测量气体样本的方法和设备，特别是实施所谓的二级吸入离子迁移谱测定法。权利要求1中陈述了根据本发明的方法的特有特征，权利要求6中陈述了相应的IMS设备的特有特征。借助于根据本发明的过滤技术，发射流可处于流动横截面的中心，在该处流动的速度剖面最大。该结构比上述Zimmermann的设备结构简单得多。最简单的是，发射流中可以是绝对的0电场，但是在研制程度更高的实施例中，也可以使用弱电场和集电极来选择离子，这使得仅一部分通过发射通道的离子得以分离。

在离子聚集部分的流动中，即在所谓截断通道中，电场相对于离子的迁移而言处于静态。根据选定的实施例，可以使用缓慢变化(小于100Hz，更普遍地为0Hz-50Hz)的电场或者绝对静电场。例如，在一秒的期间内，可使用缓慢改变的电场来优化迁移率不同的离子的分离。对于能够在截断通道以外聚集的离子和所确保的发射通道的无干扰操作而言，预滤器的电场在流动方向上足够长。在预滤器之后，根据计算的路径，分离电极沿轴向定位于测量室中。

发射通道的静电场要求两侧的电极等势。然而，静电场的每个电极都可位于绝缘板的相对侧上，并同时为截断通道的第二电极。

与没有离子过滤的探测器相比，借助于根据本发明的离子过滤技术可获得相当高的测量精度。依靠根据本发明的过滤技术，发射通道可位于流动横截面的中心、即流动的速度剖面最大处。其结构比上述Zimmermann的设备的结构简单得多。