[发明专利]微型二维离子迁移谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及现场检测仪器领域，更具体涉及微型离子迁移谱仪。

背景技术

离子迁移谱仪是一种广谱快速现场检测仪器，也被称为离子淌度谱或者大气压下质谱，是利用不同物质离子在电场作用下运动行为的差别对其进行分离检测的仪器，因其具有速度快、灵敏度高、便捷的优点而广泛用于公共安全检测、挥发性气体监测以及分析化学中的碰撞截面测量。

离子迁移谱仪以其分离原理的不同主要分为三类：常规离子迁移谱仪，吸气式离子迁移谱仪和高场不对称波形离子迁移谱仪。其中常规离子迁移谱仪，吸气式离子迁移谱仪工作于直流低电场下(电场强度＜1000V/cm)，高场不对称波形离子迁移谱仪工作于高频高电场下(最高电场强度＞10000V/cm)。

常规离子迁移谱仪利用不同物质离子在低电场下离子迁移率的差别，在离子迁移管内构建一个供离子飞行的匀强电场，通过离子在匀强电场中的飞行时间不同而实现对不同离子的鉴别，这种离子迁移谱仪已经广泛用于公共安全中的毒品、爆炸物检测。

吸气式离子迁移谱仪也是不同物质离子在低电场下离子迁移率的差别，在吸气式离子迁移管内通过一系列电压不同的电极构建一个直流牵引电场，利用气流和电场对离子的耦合作用实现对不同离子的分离，不同离子迁移率的离子到达不同的电极，从而实现对不同物质离子的鉴别，该离子迁移谱广泛用于有毒气体的现场检测，其优点是结构简单易微型化和离子损耗小。

高场不对称波形离子迁移谱仪利用不同物质离子在高电场下(＞10000V/cm)离子迁移率非线性变化行为的差异特性，在高场不对称离子迁移管内垂直于离子前进方向构建一个高频、高场强、非对称的高频分离电场，不同离子在前进方向的纵向被分离，其作用效果如同光学里的分光计。该离子迁移谱仪优点在于结构简单易微型化、离子损耗小、连续检测及易与其他检测方法联用等。

离子迁移谱仪是一种现场检测仪器，其发展需要解决高分辨能力和微型化之间的矛盾。离子迁移谱工作在大气压下，因而无法避免因扩散导致的分辨率不足的问题，现有的离子迁移谱仪单独使用仅在分辨率要求不十分高的场合，而在其他场合这必须与其他分离技术联用，如色谱-离子迁移谱联用、离子迁移谱-质谱联用、固相萃取-离子迁移谱联用及色谱-离子迁移谱-质谱联用等，而这无法体现其现场检测的优势。

美国热电公司专利US7368709，将高场不对称离子迁移管内的离子分离电极分成若干，在电极保持高频分离电场的同时加入直流牵引电场，将常规离子迁移谱仪融入高场不对称波形离子迁移谱仪，然而这种结构不符合常规离子迁移谱对直流牵引电场均匀性要求高的特性，从而分辨能力提高有限，而且这种结构不仅加工工艺复杂，更重要的是会导致谱图解析困难。

美国巴特尔纪念研究所专利US7170053，将高场不对称波形离子迁移谱仪和常规离子迁移谱仪联用以提高分辨能力，然而这种联用属于直接联用方式，无法实现高度集成，而常规离子迁移谱仪因存在较大空间的离子迁移管使其微型化困难，不仅如此，这种直接联用还存在接口复杂和离子损耗过大的问题。

美国巴特尔纪念研究所专利US0069120，在不与其他技术联用的情况下，通过改变高频分离电场的波形，利用离子迁移率在高电场下非线性变化的多阶展开系数的差别，提高高场不对称离子迁移谱仪的分辨能力，但是这种方案的实施对电路有极高的要求，无法实现电路的小型化，而且非线性变化的二阶以上的展开系数非常小，其影响比离子迁移率的零阶展开小五个数量级以上，难以观测。

所有这些提高离子迁移谱仪分辨率的手段，都无法做到微型化和高分辨能力的统一，而且还可能导致离子损耗、工艺复杂等其它问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种融合吸气式离子迁移谱仪和高场不对称波形离子迁移谱仪的微型二维离子迁移谱仪，以满足离子迁移谱仪的高分辨能力和微型化的现场检测需求。