[发明专利]单片集成多针板放电离子源与FAIMS分析器的装置及工作方法

权利要求书

1.单片集成多针板放电离子源与FAIMS分析器的装置，其特征在于：包括自上向下依次设置的上基板、中基板与下基板；

所述上基板与中基板之间设有中空的离子源中间垫片，上基板的底部、离子源中间垫片的内壁和中基板的顶部围成离化腔体；

所述中基板与下基板之间设有中空的FAIMS分析器中间垫片，中基板的底部、FAIMS分析器中间垫片的内壁和下基板的顶部围成检测腔体；

所述离化腔体为离化区，包括设置在上基板底部的多针板电极和设置在中基板顶部的离子源板电极；所述多针板电极与多针放电电压源相连，离子源板电极与板电极地相连；

所述检测腔体的中段为分析区，包括设置在中基板底部的FAIMS分离上电极和设置在下基板顶部的FAIMS分离下电极；所述FAIMS分离上电极与FAIMS分离电压源相连，FAIMS分离下电极与FAIMS补偿电压源相连；

所述检测腔体的右端为离子检测区，包括设置在中基板底部的FAIMS致偏电极和设置在下基板顶部的样品特征离子检测电极；所述FAIMS致偏电极和FAIMS致偏电压源相连，样品特征离子检测电极和微弱电流探测器相连；所述上基板的左端开设有进样口，分析区左侧的中基板上开设有连通离化腔体与检测腔体的FAIMS分析器离子入口，FAIMS分析器中间垫片的右端开设有尾气出口。

2.根据权利要求1所述的单片集成多针板放电离子源与FAIMS分析器的装置，其特征在于：所述上基板、中基板和下基板均采用石英玻璃或高硼硅玻璃材质；所述上基板、中基板和下基板的结构采用高精度机械加工装置制作。

3.根据权利要求1所述的单片集成多针板放电离子源与FAIMS分析器的装置，其特征在于：所述多针板电极包括若干均匀分布的针板；所述针板采用金属薄片通过金属刻蚀工艺制成；所述上基板上开设有若干通孔；所述针板的上端插入至通孔中，下端为针尖状，且其针尖的曲率半径小于50μm。

4.根据权利要求1所述的单片集成多针板放电离子源与FAIMS分析器的装置，其特征在于：所述上基板的底部设有套设在多针板电极外侧的针电极屏蔽电极；所述针电极屏蔽电极接地；所述针电极屏蔽电极采用厚膜和薄膜工艺实现。

5.根据权利要求1所述的单片集成多针板放电离子源与FAIMS分析器的装置，其特征在于：所述中基板的顶部设有套设在离子源板电极外侧的板电极屏蔽电极，所述板电极屏蔽电极接地；所述板电极屏蔽电极采用厚膜和薄膜工艺实现。

6.根据权利要求1所述的单片集成多针板放电离子源与FAIMS分析器的装置，其特征在于：所述FAIMS分离上电极与FAIMS分离下电极的间距小于0.5mm。

7.根据权利要求1所述的单片集成多针板放电离子源与FAIMS分析器的装置，其特征在于：所述多针放电电压源，用于向多针板电极施加直流高压；所述板电极地，用于将离子源板电极接地；所述FAIMS分离电压源，用于向FAIMS分离上电极施加高频非对称高电压，其电压频率大于1MHz，幅值大于1000V；所述FAIMS补偿电压源，用于向FAIMS分离下电极施加直流缓变电压，其电压范围为-30V～30V，时间为30s；所述FAIMS致偏电压源，用于向FAIMS致偏电极施加大于4V的直流电压。

8.根据权利要求3所述的单片集成多针板放电离子源与FAIMS分析器的装置，其特征在于：所述通孔采用喷砂工艺在上基板上加工成通孔；所述离子源板电极采用金属银或金材质，且离子源板电极采用磁控溅射镀金属工艺实现；所述上基板与下基板采用同质热键合工艺键合。

9.根据权利要求1所述的单片集成多针板放电离子源与FAIMS分析器的装置，其特征在于：所述上基板上设有套设在FAIMS致偏电压源外侧的致偏屏蔽电极；所述下基板上设有套设在样品特征离子检测电极外侧的离子检测屏蔽电极；所述致偏屏蔽电极和离子检测屏蔽电极均采用玻璃穿孔工艺实现。

10.根据权利要求1～9任意一项所述的单片集成多针板放电离子源与FAIMS分析器的装置的工作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)待测样品随载气一同由进样口进入离化腔体内；

(2)多针板电极上施加有直流高压电，离子源板电极接地，在多针板电极与离子源板电极之间形成离化电场；在多针板电极附近的局部电场强度大于待测样品的电离场强，将大量待测样品分子离化为离子状态，变成离子状态的待测样品随载气由FAIMS分析器离子入口进入到检测腔体中；

(3)由于FAIMS分离上电极上施加有高频非对称电压，FAIMS分离下电极上施加有直流缓变电压，因此，在FAIMS分离上电极与FAIMS分离下电极之间形成由高频非对称电场和直流缓变电场组成的特殊混合电场FAIMS电场，在该特殊混合电场FAIMS电场的作用下，只有样品特征离子随载气穿过分析区达到检测区；

(4)由于FAIMS致偏电极上施加有大于4V的直流电压，样品特征离子检测电极接地，因此，在FAIMS致偏电极与样品特征离子检测电极之间形成牵引电场，在牵引电场作用下，待测样品的特征离子被牵引至样品特征离子检测电极上，产生的微弱电流被微弱电流探测器探测到，并输出至显示界面；同时，尾气通过尾气出口排出。