具有减噪功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪

摘要

具有减噪功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪，该迁移谱仪包括离子源、迁移区和检测单元，在迁移区内平行放置上基片和下基片，在上基片和下基片分别设置上迁移区电极和下迁移区电极，上迁移区电极与非对称波形射频电源和直流扫描补偿电源相连，检测单元由电流检测电极和电流检测偏转电极组成，分别放置在上基片和下基片上，其特征在于：在上迁移区电极周围增加一圈迁移区屏蔽电极，同时在电流检测电极周围增加一圈电流检测屏蔽电极，两圈屏蔽电极分别接地，上迁移区电极和迁移区屏蔽电极之间，以及电流检测电极和电流检测屏蔽电极之间用空气或者绝缘材料进行绝缘。

说明书

技术领域

本发明涉及对生化物质进行测定，属于现场分析检测领域，具体为一种在迁移区电极和 电流检测电极周围分别增加一圈屏蔽电极并接地，降低信号检测噪声的平板型高场非对称波 形离子迁移谱仪。

背景技术

高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS，High-field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry)，是于上世纪九十年代逐步发展起来的一种生化物质检测技术。它主要利用高 电场下离子的迁移率会随电场强度的变化而不同的特性来分离检测不同种类的物质。它的基 本原理如下：在低电场条件下，离子的迁移率系数与电场强度无关；当电场强度高到一定值 （E/N>40Td）以后，离子的迁移率系数K就会以一种非线性的方式随电场强度而变化。离子 在高场下的迁移率与电场强度的关系可用如下式子表示：

K=K₀[1+α₁(E/N)²+α₂(E/N)⁴+…]

其中K为离子在高电场下的迁移率，K₀为离子在低电场下的迁移率，E为电场强度，N 为气体密度，α₁,α₂为离子迁移率分解系数。令α(E)=[α₁(E/N)²+α₂(E/N)⁴+…]，则 K=K₀[1+α(E)]。当α(E)>0时，K>K₀，则K随E增大而增大；当α(E)<0时，K<K₀， 则K随着E的增大而减小；当α(E)≈0时，K≈K₀。由上述分析可见，在高电场的作用下， 离子的迁移率会呈现出各自不同的非线性变化趋势，这就使得在低电场强度条件下离子迁移 率相同或相近的离子能够在高电场强度条件下被分离开。

目前，高场非对称波形离子迁移谱主要有平板型和圆筒型两种结构，相比于圆筒型，平 板型高场非对称波形离子迁移谱仪更易于用微机电系统技术（MEMS，Micro Electro Mechanical System）进行加工集成，便于微型化，因此在便携式生化检测仪器方面具有更大 的优势。

对平板型高场非对称波形离子迁移谱仪进行深入研究的主要有Sionex公司和清华大学。 其中Sionex公司的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的结构如图1所示。清华大学提出的 中国专利“平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪的离子聚焦方法”（申请号201010619966.5） 在下迁移区电极加上一个直流电压，使离子在分离的同时向迁移区中心聚集，减少因扩散、 载气扰动等因素带来的离子损失，增大信号强度，其结构如图2所示。另外，清华大学申请 的中国专利“平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的聚集装置及方法”（申请号 20120211272.7）在迁移区前端设置至少一个聚焦区，在每个聚焦区的上基片和下基片上设置 至少一副聚焦极板对，并上下正对，其结构如图3所示。同时在每副聚焦极板对上施加特定 的电压，施加的电压有两种模式，直流聚焦模式为在聚焦极板对上间隔施加相同的直流电压， 如图4所示；射频聚焦模式为在每副聚焦极板对上施加正弦射频电压，相邻聚焦极板对射频 电压相位相差180°，如图5所示。所施加的电压使得离子在进入迁移区之前对离子束的宽度 进行约束，减少因为离子在迁移区内分散而造成的谱线展宽，提高系统的分辨率。但是以上 这些结构都存在着不足：由于在迁移区电极上施加的非对称波形射频电压是一个高压高频电 压，会在整个空间内产生电磁干扰；而电流检测电极检测到的电流是一个皮安量级的微弱信 号，这个信号非常容易受到非对称波形射频电压的干扰，导致最后检测的信号噪声很大，偏 离实际值。

发明内容

本发明的目的是克服现有平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的不足，提供一种降低噪 声的结构设计，使得电流检测不容易受到非对称波形射频电压的干扰，提高系统的性能。

本发明的技术方案如下：

一种具有减噪功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪，所述的平板型高场非对称波 形离子迁移谱仪包括离子源、迁移区和检测单元；在迁移区内平行放置上基片和下基片，在 上基片和下基片上分别设置上迁移区电极和下迁移区电极，上迁移区电极分别与非对称波形 射频电源和直流扫描补偿电源相连；所述的检测单元由电流检测电极和电流检测偏转电极组 成，电流检测电极放置在上基片，电流检测偏转电极设置在下基片上，其特征在于：在上迁 移区电极周围设置一圈迁移区屏蔽电极，在电流检测电极周围设置一圈电流检测屏蔽电极, 两圈屏蔽电极分别接地；上迁移区电极和迁移区屏蔽电极之间，以及电流检测电极和电流检 测屏蔽电极之间以空气或者绝缘材料进行绝缘。

本发明具有以下优点及突出性效果：①、本发明的屏蔽电极的结构可以有效的减小非对 称波形射频电压对于电流检测的干扰，提高系统的灵敏度和稳定性；②、本发明能够在大气 条件下工作，不需要辅助的抽真空系统；③、本发明总体基于平板结构，迁移区、检测单元、 迁移区屏蔽电极和电流检测屏蔽电极的结构都便于采用MEMS加工技术进行加工，易于集成， 便于FAIMS系统微型化。

附图说明

图1是Sionex公司的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪结构原理示意图。

图2是清华大学提出的中国专利“平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪的离子聚焦方 法”（申请号201010619966.5）的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪结构原理示意图。

图3是清华大学申请的中国专利“平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的聚集装置及方 法”（申请号20120211272.7）的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪结构原理示意图。

图4是清华大学申请的中国专利“平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的聚集装置及方 法”（申请号20120211272.7）直流聚焦模式下聚焦极板对所施加的电压示意图。

图5是清华大学申请的中国专利“平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的聚集装置及方 法”（申请号20120211272.7）射频聚焦模式下聚焦极板对所施加的电压示意图。

图6是本发明提供的具有减噪功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的结构原理示 意图。

图7是图6的A-A剖面示意图。

图8是非对称波形射频电压示意图。

图9是直流扫描补偿电压示意图。

图10是本发明在下迁移区电极上加一个直流电压的实施例的结构原理示意图。

图11是本发明在迁移区前端设置聚焦区的实施例的结构原理示意图。

图中：1-载气；2-离子源；3-迁移区；4-上基片；5-下基片；6-上迁移区电极；7-下迁 移区电极；8-直流扫描补偿电源；9-非对称波形射频电源；10-检测单元；11-电流检测偏转 电极；12-电流检测电极；13-迁移区屏蔽电极；14-电流检测屏蔽电极；15-直流电压；16- 聚焦区；17-第一聚焦极板对；18-第二聚焦极板对；19-第三聚焦极板对；20-第四聚焦极板 对；21-第五聚焦极板对。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明提供的一种平板型高场非对称波形离子迁移谱的 减噪装置做进一步说明。

图6是本发明的具有减噪功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的结构示意图。所 述的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪包括离子源2、迁移区3和检测单元10，其中迁移 区3包括上基片4、下基片5、上迁移区电极6和下迁移区电极7；上基片4和下基片5平行 放置，形成迁移区3的气路通道，上迁移区电极6和下迁移区电极7分别位于上基片4和下 基片5上；在迁移区3的后部、气路通道的末端是能够检测微弱离子流的检测单元10，检测 单元10由电流检测偏转电极11和电流检测电极12组成，分别位于下基片5和上基片4上； 上迁移区电极6分别与非对称波形射频电源9和直流扫描补偿电源8相连。在上迁移区电极 6周围增加的一圈迁移区屏蔽电极13，在电流检测电极12周围增加的一圈电流检测屏蔽电极 14，并分别接地。上迁移区电极6和迁移区屏蔽电极13之间，以及电流检测电极12和电流 检测屏蔽电极14之间以空气或者绝缘材料进行绝缘。迁移区屏蔽电极13的形状与上迁移区 电极6的形状相同或不同；电流检测屏蔽电极14的形状与电流检测电极12的形状相同或不 同。图6的A-A剖面示意图如图7所示。

图10是本发明在下迁移区电极上加一个直流电压的实施例的结构原理示意图，即在下迁 移区电极7加上一个直流电压15；在上迁移区电极6周围增加的一圈迁移区屏蔽电极13，在 电流检测电极12周围增加的一圈电流检测屏蔽电极14，并分别接地。

图11是本发明在迁移区前端设置聚焦区的实施例的结构原理示意图，即在迁移区3前端 设置至少一个聚焦区16，在每个聚焦区16的上基片4和下基片5上至少设置一副聚焦极板 对，并上下正对，同时在每副聚焦极板对上施加电压，施加的电压有两种模式，一种为直流 聚焦模式，另一种为射频聚焦模式；直流聚焦模式为在聚焦极板对上间隔施加相同的直流电 压；射频聚焦模式为在每副聚焦极板对上施加正弦射频电压，相邻聚焦极板对的正弦射频电 压相位相差180°。在上迁移区电极6周围增加的一圈迁移区屏蔽电极13，在电流检测电极 12周围增加的一圈电流检测屏蔽电极14，并分别接地。

本发明所示的具有减噪功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的作用原理如下：

载气1携带着样品通入离子迁移谱仪内，样品在离子源2作用下发生离子化形成样品离 子。

上迁移区电极6分别与直流扫描补偿电源8和非对称波形射频电源9相连，下迁移区电 极7接地。其中非对称波形射频电源9产生的电压为上下面积相等的高场非对称波形（如图 8所示）；直流扫描补偿电源8产生的电压以特定的扫描频率和扫描步长在一定的直流扫描 补偿电压区间CV1～CV2之间进行扫描（如图9所示）。对于不同种离子而言，在非对称波形 射频电压的作用下，某种离子向上迁移区电极6或下迁移区电极7产生一个净位移（取决于 离子在高场作用下的运动特性，不同离子的净位移各不相同），若没有直流扫描补偿电压的 作用，离子将产生偏转而撞击到上迁移区电极6或者下迁移区电极7上被中和掉。若加载一 个合适的直流扫描补偿电源，使离子在非对称波形射频电压作用下产生的净位移能够得到补 偿，则离子能通过迁移区。那么对应某个直流扫描补偿电压的离子能够通过迁移区，而其他 的离子则撞击到金属电极上被中和掉。则不同大小的直流扫描补偿电压对应不同种类的离子， 因此根据直流扫描补偿电压的值就可确定样品的种类。

经过迁移区3过滤选择后的离子在载气的作用下继续向右运动，进入检测单元10，电流 检测偏转电极11上施加一个直流电压，将离子偏转到电流检测电极12上，离子信号转化为 电流信号，测出电流信号的值。由于上迁移区电极6被迁移区屏蔽电极13所包围，电流检测 电极12被电流检测屏蔽电极14所包围，并且迁移区屏蔽电极13和电流检测屏蔽电极14分 别接地，那么在上迁移区电极6和电流检测电极12周围分别形成了零电势区，而电场线将无 法通过零电势区。因而，与上迁移区电极6相连的非对称波形射频电源9所产生的非对称波 形射频电压不能干扰到电流检测电极12，而电流检测电极12所接受的干扰就会大大减小， 电流检测电极12所检测到的电流信号能够真实反映实际的信号。通过记录每个直流扫描补偿 电压对应时刻检测单元检测到的电流的相关数据，并通过软件实时地绘出两者的对应关系曲 线。经过微处理器的噪声和图像处理，确定每个波形中电流信号最大值对应的直流扫描补偿 电压值。将此时的高场非对称波形射频电压和直流扫描补偿电压的相关参数（电压最大值、 频率、占空比、波形等）、迁移区的尺寸（长度、宽度、间距）、气压、纯净载气的流速、 温度和种类（高纯氮、净化过的空气、二氧化碳等）和直流扫描补偿电压值与数据库中的数 据进行比对，从而确定样品载气中所携带的样品物质种类。

实施例1：

利用具有减噪功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪和无减噪功能的平板型高场非 对称波形离子迁移谱仪进行了空载对比实验。实验中不通载气、不通样品，只是观察非对称 波形射频电压对于电流检测的影响。非对称波形射频电源9产生频率1MHz，占空比为30%的 非对称波形射频电压,加载在上迁移区电极6上。非对称波形射频电压的峰峰值从零开始逐渐 增大，同时记录下对应电压下测得的电流值。从实验结果看，无减噪功能的平板型高场非对 称波形离子迁移谱仪的检测电流随着非对称波形射频电压的增大而急剧增大，无法进行测量； 而具有减噪功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的检测电流随着非对称波形射频电压 的增大变化不大，对实际测量影响很小。

无减噪功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪

射频电压Vpp/V 0 100 200 300 400 电流/pA 1.5 1.3 1.5 1.4 -0.3 射频电压Vpp/V 450 500 550 600 650 电流/pA -5 -21 -62 -84 -96

具有减噪功能的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪

射频电压Vpp/V 0 100 200 300 400 450 电流/pA -4.4 -4.0 -3.5 -3.1 -3.4 -4.1 射频电压Vpp/V 500 550 600 650 700 750 电流/pA -4.6 -5.1 -5.6 -6.2 -6.8 -7.4 射频电压Vpp/V 800 850 900 950 1000   电流/pA -8.0 -8.4 -9.1 -9.2 -9.3  

实施例2：

在清华大学提出的中国专利“平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪的离子聚焦方法” （申请号201010619966.5）上采用具有减噪功能的设计，如图10所示。在上迁移区电极6 周围增加的一圈迁移区屏蔽电极13，在电流检测电极12周围增加的一圈电流检测屏蔽电极 14，并分别接地。由于上迁移区电极6被迁移区屏蔽电极13所包围，电流检测电极12被电 流检测屏蔽电极14所包围，并且迁移区屏蔽电极13和电流检测屏蔽电极14分别接地，那么 在上迁移区电极6和电流检测电极12周围分别形成了零电势区，而电场线将无法通过零电势 区。因而，与上迁移区电极6相连的非对称波形射频电源9所产生的非对称波形射频电压不 能干扰到电流检测电极12，而电流检测电极12所接受的干扰就会大大减小，电流检测电极 12所检测到的电流信号能够真实反映实际的信号。同时在下迁移区电极7加上一个直流电压 15，使离子在分离的同时向迁移区中心聚集，减少因扩散、载气扰动等因素带来的离子损失， 增大了信号强度。

实施例3：

在清华大学申请的中国专利“平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的聚集装置及方法” （申请号20120211272.7）采用具有减噪功能的设计，如图11所示。在上迁移区电极6周围 增加的一圈迁移区屏蔽电极13，在电流检测电极12周围增加的一圈电流检测屏蔽电极14， 并分别接地。由于上迁移区电极6被迁移区屏蔽电极13所包围，电流检测电极12被电流检 测屏蔽电极14所包围，并且迁移区屏蔽电极13和电流检测屏蔽电极14分别接地，那么在上 迁移区电极6和电流检测电极12周围分别形成了零电势区，而电场线将无法通过零电势区。 因而，与上迁移区电极6相连的非对称波形射频电源9所产生的非对称波形射频电压不能干 扰到电流检测电极12，而电流检测电极12所接受的干扰就会大大减小，电流检测电极12所 检测到的电流信号能够真实反映实际的信号。同时在迁移区前端设置至少一个聚焦区，在每 个聚焦区的上基片和下基片上设置至少一副聚焦极板对，并上下正对。同时在每副聚焦极板 对上施加特定的电压，使得离子在进入迁移区之前对离子束的宽度进行约束，减少因为离子 在迁移区内分散而造成的谱线展宽，提高系统的分辨率。

实施例4：

采用MEMS工艺对离子聚焦型高场非对称波形离子迁移谱仪进行系统集成。离子源2采用圆 筒型结构的电晕放电离子源，可通过ICP工艺刻蚀导电硅片而成。上基片4和下基片5采用硼硅 玻璃。基片上的上迁移区电极6、下迁移区电极7，电流检测偏转电极11，电流检测电极12， 迁移区屏蔽电极13，电流检测屏蔽电极14通过在硼硅玻璃上溅射Ti/Pt/Au金属而成（厚度Ti： 400Pt：300Au：900）。基片通过键合工艺组装而成。实验时采用负电晕的放 电模式，对载气中所携带的乙酸样品进行电离。根据圆筒型电晕放电离子源的工作特性，载 气的气体流速调为100ml/min。在一定高场非对称波形射频电压参数下，通过直流扫描补偿电 压，得到相应的信号曲线，通过对乙酸直流扫描补偿电压的比对确定乙酸的物质种类。