[发明专利]一种离子富集离子迁移管

说明书

本发明公开一种具有高效离子富集功能的离子迁移管。离子迁移管的离子源和离子门之间设置离子富集区，离子富集区由环状平板电极与环状平板绝缘体交替叠合构成，内径沿离子源指向法拉第盘方向逐渐减小且内表面设置能够累积静电荷的绝缘涂层；离子源中产生的离子进入离子富集区后，部分离子在非均匀电场作用下会迁移至绝缘涂层表面并形成静电荷沉积层，电荷沉积层产生指向离子富集区内部的径向静电场；在非均匀电场和径向静电场的共同作用下，离子浓度获得显著提高。本发明无需射频电场、不影响离子迁移谱响应速度，可以在大气压条件下对离子源产生的离子进行高效富集和传输，从而提高离子迁移谱检测灵敏度。

技术领域

本发明涉及离子迁移谱分析仪器的离子迁移管技术，具体地说是一种利用轴向非均匀直流电场和径向静电场实现迁移管内离子高效富集、传输的离子迁移管技术。

背景技术

离子迁移谱(IMS)作为爆炸物、毒品和化学战剂检测的核心技术，一直发挥着非常重要的作用。近年来，随着不同大气压离子化源的发明和应用，离子迁移谱的应用领域逐渐拓展到分析化学的多个领域，包括环境安全、食品安全、医疗临床监测等等。检测对象的多样化，也给离子迁移谱的检测灵敏度带来了巨大挑战。

类似飞行时间质谱，IMS也是一种脉冲式离子分离与检测技术，其检测灵敏度直接取决于离子门开门期间(w_g)注入IMS迁移区的离子总量，通过减小w_g获得超高分辨IMS会同时引起IMS检测灵敏度的降低。对于和质谱联用的IMS，由于其工作气压可以低到几Torr的范围内，离子漏斗、无损离子传输结构等基于射频电场的高效离子调制富集技术均可以被用于对离子进行注入前的富集，提高IMS检测的灵敏度。然而，这些技术对离子的束缚效应，会因为大气压条件下剧烈的分子离子碰撞而变得很不明显。

对于大气压下工作的IMS，固相萃取、固相微萃取、液液萃取等样品预处理富集是其实现对痕量目标物灵敏检测的一种重要方法。然而，样品预富集通常需要5～30min，耗时长，难以满足IMS现场快速检测的需求。Fourier变换、Hadamard变换等时域复用技术(Temporal Multiplexing)通过0、1数字序列调制IMS离子门打开与关断进行离子信号采集和谱图获取。它可以有效提高IMS对电离源生成离子的利用效率，进而提高IMS灵敏度6倍左右。但是，时域复用技术要求IMS样品进样系统在信号采集周期内保持连续、稳定才能实现信噪比的明显提高，用于现场检测的IMS难以保证。另外，由于IMS离子门斩切性能的影响，使用时域复用技术获得的离子迁移谱图中存在随机出现的假峰，影响目标离子峰的识别。

为了在大气压下实现离子富集，2004年李海洋等人(CN1544931A)以及2007年李元景等人(CN101470100B)分别提出了使用无场区进行离子囚禁富集的方法。但是根据大气压下离子的电场趋向性，离子无法在无场区中停留并被富集，上述方法实际上是一种无效的方法。在离子迁移管内设置非均匀电场是操纵离子运动行为的一种有效方法。1989年，Blanchard首次提出在离子迁移管内设置非均匀电场操纵离子的运动行为。2011年韩丰磊等人(CN102954995A)、2015年周庆华等人(Scientific Reports,5,10659)、2018年倪凯等人(Anal.Chem.90,4514)先后验证了电场强度沿离子迁移管轴向递增的非均匀直流电场可以实现离子沿迁移管径向的压缩，并获得增强的离子信号。但是，根据2019年陈创等人(Sensor.Actuat.B-Chem.,295,179)的最新研究结果，电场强度沿轴向递增的非均匀直流电场尽管可以实现离子在径向的压缩，在轴向上离子实际上是被发散稀释的，增强的离子信号实际上是高电场下离子运动速度增大，单位时间内通过法拉第盘的离子量增多造成的。相反，沿轴向递减的电场尽管可以实现离子在轴向的压缩富集，在径向上离子实际上是被发散稀释的，会造成一部分离子在迁移管内壁上的损失。