[发明专利]一种用于离子迁移谱仪的离子门及其控制方法

说明书

本发明公开一种用于离子迁移谱仪的离子门及其控制方法。该离子门由两个平行设置的Bradbury‑Nielsen型离子门构成；通过调控两个Bradbury‑Nielsen型离子门分别在开门、场压缩、关门状态之间周期变化，可以将两个Bradbury‑Nielsen型离子门之间存在的离子无歧视地注入离子迁移区，并在此过程中对所注入的离子团进行两级电场压缩，从而实现离子迁移谱仪对全迁移率K范围内离子的分辨能力和检测灵敏度的同时提高。与利用三个平行栅网电极实现离子无歧视注入的三态离子门相比，该离子门仅在两个平面内设置离子门电极，可有效降低离子通过离子门电极平面时碰撞电极造成的损失。

技术领域

本发明涉及离子迁移谱仪中离子迁移管的重要组件离子门及其控制方法，具体地说是一种由两个Bradbury-Nielsen型离子门平行设置构成的离子门，通过控制离子门各电极的电势，将迁移率K不同的离子无歧视地注入离子迁移区，并对所注入的离子团进行两级电场压缩，从而实现离子迁移谱仪对全迁移率K 范围内离子的分辨能力和检测灵敏度的同时提高。

背景技术

迁移时间离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry,IMS)需要周期开启的离子门向离子迁移区内注入离子团实现其对目标离子的分离和检测。离子门注入迁移区内离子团的时间宽度和离子总量决定了离子迁移谱的分辨能力 (Resolving Power,R)和检测灵敏度。

对于迁移区长度L固定的IMS，R由离子门开门时间w_inj以及离子团迁移造成的峰展宽(16k_BTln2/eU_d)^1/2(L²/KU_d)决定，如公式1所示。在仪器参数固定时，离子团迁移造成的峰展宽固定不变，离子门开门时间w_inj就成了R的唯一决定因素：w_inj越小，R越高。

其中，L为离子迁移区长度，K为离子迁移率(K＝K₀(T/273.5)(760/P)，T为温度，P为压强)，U_d为迁移区总电压，t_d为离子峰迁移时间，w_0.5为离子峰半峰宽，w_inj为离子门开门时间，16k_BTln2/eU_d为离子扩散造成峰展宽系数。

Bradbury-Nielsen型离子门(BNG)是目前商品化IMS仪器中普遍采用的离子门构型。2012年，大连化物所李海洋教授在研究BNG关门电压对IMS分辨能力的影响时发现：BNG关门时，其关门电场会向着与BNG紧邻的离子迁移区和离子反应区方向渗透。关门电场向着迁移区的渗透，造成迁移区中紧邻离子门区域的电场瞬时增强，对通过BNG的离子团在时间域w_inj上进行压缩，使得IMS实际检测到离子峰的半峰宽变窄，提高IMS的分辨能力^[11]；但是，关门电场的渗透同时造成BNG电极平面两侧均产生离子清空区，其轴向宽度与BNG 丝间距相当(典型地，丝间距为1mm时，离子清空区平均宽度约为1mm)。一方面，在BNG开门时间w_inj内，只有通过离子清空区的离子才能进入离子迁移区中被分离和检测，造成BNG注入IMS迁移区中离子团的实际时间宽度远远小于BNG的开门时间，降低了IMS检测的灵敏度；另一方面，在BNG开门时间结束后，BNG关门电场在BNG临近IMS迁移区一侧形成的离子清空区会将一部分已经进入IMS迁移区的离子重新拉回BNG的电极上消耗掉，进一步降低 IMS检测的灵敏度。