[发明专利]一种无离子歧视的离子门装置及控制方法

说明书

本发明涉及离子迁移谱仪器中离子迁移管的重要组件离子门，具体地说是一种实现迁移率K不同的离子均一、无歧视地通过的离子门装置及控制方法。其充分利用电场对离子空间分布和时域运动特性的影响，通过在离子迁移管内部离子迁移方向上依次设置能够透过离子的第一栅网、第二栅网和第三栅网，形成连接离子迁移管电离区和迁移区的独立离子门区；通过控制各个栅网电极上的电压随时间做周期性时序变化，一方面实现离子在离子门内的富集，另一方面消除不同离子透过离子门所需时间的差异，有利于IMS分辨能力和灵敏度的同时提高。

技术领域

本发明涉及离子迁移谱仪器中离子迁移管的重要组件离子门，具体地说是一种实现迁移率K不同的离子均一、无歧视地通过的离子门装置及其控制方法。

背景技术

离子迁移谱的分辨能力(Resolving Power,R)决定了离子迁移谱可同时检测识别目标物的数量：分辨能力越高，单张离子迁移谱图的峰容量就越大，越有利于IMS对目标物的准确识别^[3]。对于迁移区长度L固定的IMS，其分辨能力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离子门(BNG)是目前商品化IMS仪器中普遍采用的离子门构型。BNG利用共面放置的两组金属丝所形成与离子迁移方向相垂直的径向电场实现离子团斩切。由于BNG机械结构厚度几乎可以忽略(等于BNG的丝径，典型为≤0.1mm)，被普遍认为是最佳的离子斩切工具：可以实现离子片在时间域(w_inj)的任意尺度矩形斩切并对全K₀范围的离子均一透过；即，在保证IMS对K₀不同的目标物具有近似均一灵敏度的前提下，可以通过减小w_inj获得高的IMS分辨能力。

然而，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]；另外，关门电场的渗透同时造成BNG两侧产生明显的离子清空区，其轴向深度远大于BNG的丝径，与丝间距相当(典型为大于1mm)。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。该BNG离子清空区的存在造成了IMS对不同的K₀的离子表现出表现出较大灵敏度差异，并且无法消除：K₀大的离子，灵敏度高；K₀小的离子，灵敏度低或无法被检测到。为了保证IMS对不同K₀的离子都具有可以接受的灵敏度，BNG的开门时间实际上只能保持在100us以上，造成了目前商品化IMS仪器的分辨率仅为30～40左右。