專利名稱：平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀的聚焦裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)生化物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，屬于現(xiàn)場(chǎng)分析檢測(cè)領(lǐng)域，具體為一種對(duì)離子束進(jìn)行聚焦，提高平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀分辨率的裝置及方法。
背景技術(shù)：
高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜(FAIMS,High-field Asymmetric Waveform IonMobility Spectrometry),是于上世紀(jì)九十年代逐步發(fā)展起來(lái)的一種生化物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)。它主要利用高電場(chǎng)下離子的遷移率會(huì)隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化而不同的特性來(lái)分離檢測(cè)不同種類的生化物質(zhì)。它的基本原理如下在低電場(chǎng)條件下，離子的遷移率系數(shù)與電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度高到一定值(E/N>40Td)以后，離子的遷移率系數(shù)K就會(huì)以一種非線性的方式隨 電場(chǎng)強(qiáng)度而變化。離子在高場(chǎng)下的遷移率與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系可用如下式子表示K=K0[1+ a (E/N)2+ a 2 (E/N) V"]，其中K為離子在高電場(chǎng)下的遷移率，K0為離子在低電場(chǎng)下的遷移率，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，N為氣體密度，a” Ci2為離子遷移率分解系數(shù)。令a (E) = Ea1 (E/N)2+Ci2 (E/N)4+…]，則 K=KJl+a (E)]。當(dāng) a (E) >0 時(shí)，K>K。，則 K 隨 E 增大而增大；當(dāng)a (E)〈O時(shí)，K〈K。，則K隨著E的增大而減?。划?dāng)a (E)。0時(shí)，K。K。。由上述分析可見，在高電場(chǎng)的作用下，離子的遷移率會(huì)呈現(xiàn)出各自不同的非線性變化趨勢(shì)，這就使得在低電場(chǎng)強(qiáng)度條件下離子遷移率相同或相近的離子能夠在高電場(chǎng)強(qiáng)度條件下被分離開。目前，高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜主要有平板型和圓筒型兩種結(jié)構(gòu)，相比于圓筒型，平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀更易于用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)進(jìn)行加工集成,便于微型化，因此在便攜式生化檢測(cè)儀器方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀進(jìn)行深入研究的主要有美國(guó)新墨西哥州立大學(xué)和Sionex公司，其主體芯片結(jié)構(gòu)采用MEMS加工技術(shù)設(shè)計(jì)加工，而離子源采用真空紫外燈離子源或63Ni離子源。這種平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別如圖I所示的載氣垂直于離子源和圖2所示的對(duì)著離子源進(jìn)入的方式。這兩種結(jié)構(gòu)方式都存在著不足由于采用平板式結(jié)構(gòu)，缺乏聚焦能力，經(jīng)離子源離子化后的離子將會(huì)彌漫在整個(gè)遷移區(qū)內(nèi)，并在非對(duì)稱電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生上下振動(dòng)；當(dāng)直流掃描補(bǔ)償電壓為某一特定值時(shí)，離子在一個(gè)射頻周期的凈位移為零；理論上，當(dāng)直流掃描補(bǔ)償電壓偏離這個(gè)值時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)急劇減小，但是由于離子在遷移區(qū)內(nèi)的分布，信號(hào)強(qiáng)度不會(huì)迅速降低，這就導(dǎo)致在譜線測(cè)量的時(shí)候產(chǎn)生譜線擴(kuò)展，導(dǎo)致分辨率降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀的不足，提供一種聚焦裝置和聚焦方法，使得離子在進(jìn)入遷移區(qū)之前對(duì)離子束的寬度進(jìn)行約束，減少因?yàn)殡x子在遷移區(qū)內(nèi)分散而造成的譜線展寬，提高系統(tǒng)的分辨率。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀的聚焦裝置，所述的平板結(jié)構(gòu)高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀包括離子源、遷移區(qū)和檢測(cè)單元；在遷移區(qū)內(nèi)平行放置上基片和下基片，在上基片和下基片上分別設(shè)置上遷移區(qū)電極和下遷移區(qū)電極，上遷移區(qū)電極分別與非對(duì)稱波形射頻電源和直流掃描補(bǔ)償電源相連；聚焦裝置其特征在于在遷移區(qū)前端設(shè)置至少一個(gè)聚焦區(qū)，在每個(gè)聚焦區(qū)的上基片和下基片上設(shè)置至少一副聚焦極板對(duì)，并上下正對(duì)。采用上述聚焦裝置的一種平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀聚焦方法，其特征在于在每副聚焦極板對(duì)上施加電壓，使離子在進(jìn)入遷移區(qū)之前向中心聚集，施加的電壓有兩種模式，a.直流聚焦模式直流聚焦模式為在聚焦極板對(duì)上間隔施加相同的直流電壓，與施加直流電壓的聚焦極板對(duì)相鄰的聚焦極板對(duì)不施加電壓；施加的直流電壓根據(jù)離子極性選擇極性，若為正離子施加正電壓，若為負(fù)離子施加負(fù)電壓；b.射頻聚焦模式射頻聚焦模式為在每副聚焦極板對(duì)上施加正弦波射頻電壓，相鄰聚焦極板對(duì)射頻電壓相位相差180°。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果①、本發(fā)明的聚焦極板對(duì)的結(jié)構(gòu)可以有效對(duì)離子束寬度進(jìn)行聚焦，提高分辨率；②、本發(fā)明能夠在大氣條件下工作，不需要輔助的抽真空系統(tǒng)、本發(fā)明總體基于平板結(jié)構(gòu)，聚焦區(qū)、遷移區(qū)和檢測(cè)單元的結(jié)構(gòu)都便于采用MEMS加工技術(shù)進(jìn)行加工，易于集成，便于FAIMS系統(tǒng)微型化。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)中載氣垂直于離子源進(jìn)入的平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)中載氣對(duì)著離子源進(jìn)入的平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖3是本發(fā)明提供的平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀聚焦裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖4是本發(fā)明采用直流聚焦模式下聚焦極板對(duì)所施加的電壓示意圖。圖5是本發(fā)明采用射頻聚焦模式下聚焦極板對(duì)所施加的電壓示意圖。圖6是直流聚焦模式的聚焦原理圖。圖7是射頻聚焦模式的聚焦原理圖。圖8是非對(duì)稱波形射頻電壓示意圖。圖9是直流掃描補(bǔ)償電壓示意圖。圖中1-載氣；2_離子源；3_遷移區(qū)；4_上基片；5_下基片；6_上遷移區(qū)電極；7-下遷移區(qū)電極；8_檢測(cè)單元；9_直流掃描補(bǔ)償電源；10-非對(duì)稱波形射頻電源；11_聚焦區(qū)；12-第一聚焦極板對(duì)；13-第二聚焦極板對(duì)；14-第三聚焦極板對(duì)；15-第四聚焦極板對(duì)；16-第五聚焦極板對(duì)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明提供的一種平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜的聚焦裝置及方法做進(jìn)一步說(shuō)明。
圖3是本發(fā)明的平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀聚焦裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。所述的平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀包括離子源2、遷移區(qū)3和檢測(cè)單元8，其中遷移區(qū)3包括上基片4、下基片5、上遷移區(qū)電極6和下遷移區(qū)電極7 ;上基片4和下基片5平行放置，形成遷移區(qū)3的氣路通道，上遷移區(qū)電極6和下遷移區(qū)電極7分別位于上基片4和下基片5上；在遷移區(qū)3的后部、氣路通道的末端是能夠檢測(cè)微弱離子流的檢測(cè)單元8 ;上遷移區(qū)電極6分別與非對(duì)稱波形射頻電源10和直流掃描補(bǔ)償電源9相連。聚焦裝置為在離子源2和遷移區(qū)3之間的聚焦區(qū)11，在聚焦區(qū)11內(nèi)至少設(shè)有一副聚焦極板對(duì)。如圖3的實(shí)施例中設(shè)有第一聚焦極板對(duì)12、第二聚焦極板對(duì)13、第三聚焦極板對(duì)14、第四聚焦極板對(duì)15、第五聚焦極板對(duì)16。本發(fā)明所示的平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀的聚焦方法作用原理如下載氣I攜帶著樣品通入離子遷移譜儀內(nèi)，樣品在離子源2作用下發(fā)生離子化形成樣品離子。
當(dāng)離子被載氣攜帶進(jìn)入聚焦區(qū)11后，在聚焦極板對(duì)上施加電壓，使離子在進(jìn)入遷移區(qū)之前向中心聚集，施加的電壓有兩種模式直流聚焦模式和射頻聚焦模式。直流聚焦模式為在聚焦極板對(duì)上間隔施加相同的直流電壓，與施加直流電壓的聚焦極板對(duì)相鄰的聚焦極板對(duì)不施加電壓；施加的直流電壓根據(jù)離子極性選擇極性，若為正離子施加正電壓，若為負(fù)離子施加負(fù)電壓。射頻聚焦模式為在每副聚焦極板對(duì)上施加正弦波射頻電壓，相鄰聚焦極板對(duì)射頻電壓相位相差180°。使聚焦區(qū)工作在直流聚焦模式或者射頻聚焦模式下直流聚焦模式下各聚焦極板對(duì)所加電壓如圖4所示；射頻聚焦模式下各聚焦極板對(duì)所加電壓如圖5所示。離子在聚焦區(qū)的作用下向中心集聚，直流聚焦模式的聚焦結(jié)果如圖6所示，射頻聚焦模式的聚焦結(jié)果如圖7所示；最后，進(jìn)入遷移區(qū)3的離子束的寬度減小。上遷移區(qū)電極6分別與直流掃描補(bǔ)償電源9和非對(duì)稱波形射頻電源10相連，下遷移區(qū)電極7接地。其中非對(duì)稱波形射頻電源10產(chǎn)生的電壓為上下面積相等的高場(chǎng)非對(duì)稱波形(如圖8所示)；直流掃描補(bǔ)償電源9產(chǎn)生的電壓以特定的掃描頻率和掃描步長(zhǎng)在一定的直流掃描補(bǔ)償電壓區(qū)間CVl CV2之間進(jìn)行掃描(如圖9所示)。對(duì)于不同種離子而言，在非對(duì)稱波形射頻電壓的作用下，某種離子向上遷移區(qū)電極6或下遷移區(qū)電極7產(chǎn)生一個(gè)凈位移(取決于離子在高場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)特性，不同離子的凈位移各不相同)，若沒有直流掃描補(bǔ)償電壓的作用，離子將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)而撞擊到上遷移區(qū)電極6或者下遷移區(qū)電極7上被中和掉。若加載一個(gè)合適的直流掃描補(bǔ)償電源，使離子在非對(duì)稱波形射頻電壓作用下產(chǎn)生的凈位移能夠得到補(bǔ)償，則離子能通過(guò)遷移區(qū)。那么對(duì)應(yīng)某個(gè)直流掃描補(bǔ)償電壓的離子能夠通過(guò)遷移區(qū)，而其他的離子則撞擊到金屬電極上被中和掉。則不同大小的直流掃描補(bǔ)償電壓對(duì)應(yīng)不同種類的離子，因此根據(jù)直流掃描補(bǔ)償電壓的值就可確定樣品的種類。由于聚焦區(qū)11對(duì)離子束寬度約束的作用，當(dāng)直流掃描補(bǔ)償電壓偏離某種離子對(duì)應(yīng)的直流掃描補(bǔ)償電壓值的時(shí)候，信號(hào)強(qiáng)度能夠明顯降低，峰寬縮小，分辨率提高。經(jīng)過(guò)遷移區(qū)3過(guò)濾選擇后的離子在載氣的作用下繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入檢測(cè)單元8，將離子信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，測(cè)出電流信號(hào)的值。通過(guò)記錄每個(gè)直流掃描補(bǔ)償電壓對(duì)應(yīng)時(shí)刻檢測(cè)單元檢測(cè)到的電流的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)軟件實(shí)時(shí)地繪出兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。經(jīng)過(guò)微處理器的噪聲和圖像處理，確定每個(gè)波形中電流信號(hào)最大值對(duì)應(yīng)的直流掃描補(bǔ)償電壓值。將此時(shí)的高場(chǎng)非對(duì)稱波形射頻電壓和直流掃描補(bǔ)償電壓的相關(guān)參數(shù)(電壓最大值、頻率、占空比、波形等)、遷移區(qū)的尺寸(長(zhǎng)度、寬度、間距)、氣壓、純凈載氣的流速、溫度和種類(高純氮、凈化過(guò)的空氣、二氧化碳等)和直流掃描補(bǔ)償電壓值與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而確定樣品載氣中所攜帶的樣品物質(zhì)種類。實(shí)施例I :利用離子聚焦型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀對(duì)丙酮進(jìn)行檢測(cè)。載氣I攜帶丙酮進(jìn)入離子遷移譜儀。根據(jù)離子源2的電離特性，載氣I為99. 999%的高純氮，流速確定為
0.96L/min。非對(duì)稱波形射頻電源10產(chǎn)生頻率1MHz，占空比30%的非對(duì)稱波形射頻電壓，加載在上遷移區(qū)電極6上。電離的丙酮離子在聚焦區(qū)11的作用下發(fā)生聚焦，離子束寬度減小，然后進(jìn)入遷移區(qū)3，而非對(duì)稱波形射頻電壓使得丙酮離子在遷移區(qū)與載氣中的雜質(zhì)離子分離，最后通過(guò)控制直流掃描補(bǔ)償電源9得到丙酮的直流掃描補(bǔ)償電壓和電流信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系的實(shí)時(shí)曲線，確定丙酮對(duì)應(yīng)的直流掃描補(bǔ)償電壓，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)確定物質(zhì)種類。從實(shí)驗(yàn)結(jié) 果看，當(dāng)非對(duì)稱波形射頻電壓峰峰值為800V時(shí)，加載聚焦電壓后，檢測(cè)到的丙酮離子信號(hào)峰寬減小，檢測(cè)分辨率得到提高。直流聚焦模式
權(quán)利要求
1.一種平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀的聚焦裝置，所述的平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀包括離子源(2)、遷移區(qū)(3)和檢測(cè)單元(8);在遷移區(qū)(3)內(nèi)平行放置上基片(4)和下基片(5)，在上基片(4)和下基片(5)上分別設(shè)置上遷移區(qū)電極(6)和下遷移區(qū)電極(7)，上遷移區(qū)電極(6)分別與非對(duì)稱波形射頻電源(10)和直流掃描補(bǔ)償電源(9)相連，其特征在于在遷移區(qū)(3 )前端設(shè)置至少一個(gè)聚焦區(qū)(11 )，在每個(gè)聚焦區(qū)(11)的上基片(4)和下基片(5)上設(shè)置至少一副聚焦極板對(duì)，并上下正對(duì)。
2.采用如權(quán)利要求I所述聚焦裝置的一種平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀聚焦方法，其特征在于在每副聚焦極板對(duì)上施加電壓，使離子在進(jìn)入遷移區(qū)之前向中心聚集，施加的電壓有兩種模式 a.直流聚焦模式直流聚焦模式為在聚焦極板對(duì)上間隔施加相同的直流電壓，與施加直流電壓的聚焦極板對(duì)相鄰的聚焦極板對(duì)不施加電壓；施加的直流電壓根據(jù)離子極性選擇極性，若為正離子施加正電壓，若為負(fù)離子施加負(fù)電壓； b.射頻聚焦模式射頻聚焦模式為在每副聚焦極板對(duì)上施加正弦波射頻電壓，相鄰聚焦極板對(duì)射頻電壓相位相差180°。
全文摘要
平板型高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移譜儀的聚焦裝置及方法，該遷移譜儀包括離子源、遷移區(qū)和檢測(cè)單元，在遷移區(qū)內(nèi)平行放置上基片和下基片，在上基片和下基片分別設(shè)置上遷移區(qū)電極和下遷移區(qū)電極，上遷移區(qū)電極與非對(duì)稱波形射頻電源和直流掃描補(bǔ)償電源相連，其特征在于在遷移區(qū)前端設(shè)置至少一個(gè)聚焦區(qū)，在每個(gè)聚焦區(qū)的上基片和下基片上設(shè)置至少一副聚焦極板對(duì)。采用上述聚焦裝置的聚焦方法，其特征在于在每副聚焦極板對(duì)上施加電壓，使離子在進(jìn)入遷移區(qū)之前向中心聚集，施加的電壓有兩種模式直流聚焦模式為在聚焦極板對(duì)上間隔施加相同的直流電壓；射頻聚焦模式為在每副聚焦極板對(duì)上施加正弦射頻電壓，相鄰聚焦極板對(duì)射頻電壓相位相差180°。
文檔編號(hào)H01J49/06GK102723254SQ20121021127
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者唐飛, 徐初隆, 王曉浩 申請(qǐng)人:清華大學(xué)