平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪的离子聚焦方法

摘要

平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪的离子聚焦方法，属于生化物质现场分析检测领域。该迁移谱仪的迁移区以上基片和下基片形成气路通道，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，在上迁移区电极加上高场非对称波形射频电压和直流扫描补偿电压，在下迁移区电极加上直流电压。当离子被载气送入迁移区时，离子在非对称波形射频电压作用下发生不同离子的分离，在直流扫描补偿电压的作用下发生离子的选择，在下迁移区电极的直流电压作用下发生离子的聚焦，最后被气路通道末端的检测单元所检测到。本发明不但对不同离子实现了分离，还同时对离子进行聚焦，减小离子在迁移区内的损耗，增大了信号强度，提高了迁移谱仪的灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及对生化物质进行快速测定，属于现场分析检测领域，具体为一种平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪的离子聚焦方法。

背景技术

高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS，High-field Asymmetric Waveform Ion MobilitySpectrometry)，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生化物质。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美国新墨西哥州立大学和Sionex公司，其主体芯片结构采用MEMS加工技术设计加工，而离子源采用真空紫外灯离子源或63Ni离子源。这种平板型高场非对称波形离子迁移谱仪有两种结构形式，分别如图1所示的载气垂直于离子源和图2所示的对着离子源进入的方式。这两种结构方式都存在着不足：由于采用平板式结构，且只在上迁移区电极上加有非对称波形射频电压和直流扫描补偿电压，即只有上迁移区电极上加有电压而下迁移区电极没有电压，经离子源离子化后的离子弥漫在整个迁移区内，在非对称电场的驱动下产生上下振动，有相当多的离子会因为振动幅度过大而撞击在极板上产生湮灭，离子在迁移区内的损失极大，大大影响了检测信号的强度，使得检测变得相当困难。

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的不足，提供一种使得平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪中的样品离子束缚在迁移区中心，减少因撞击迁移区极板和扩散导致离子损失的离子聚焦方法。

本发明的技术方案如下：

一种平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪的离子聚焦方法，所述的平板结构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；所述的迁移区包括平行放置的上基片和下基片，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，在上迁移区电极加有非对称波形射频电压和直流扫描补偿电压，对迁移区内的离子进行分离和选择，该方法的特征在于：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，对样品离子实现聚焦。所述的直流电压在上迁移区电极和下迁移区电极间产生的场强范围为大于零小于5000V/cm。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①本发明采用在下迁移区电极上加上直流电压，离子在进入上迁移区电极和下迁移区电极之间会受到与离子极性相同的电极的排斥力，从而向气路通道中间聚集，减少因扩散、载气扰动等因素带来的离子损失；②本发明总体基于平板结构，分离电极、迁移区和离子检测单元的结构都便于采用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是载气垂直于离子源进入的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪示意图。

图2是载气对着离子源进入的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪示意图。

图3是本发明提供的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的离子聚焦方法的装置结构示意图。

图4是平板型高场非对称波形离子迁移谱仪的聚焦原理图。

图5是下迁移区电极所加的直流电压示意图。

图6是非对称波形射频电压示意图。

图7是直流扫描补偿电压示意图。

图8是下迁移区电极不加和加上直流电压后采集的信号对比图，(电压最大值240V流速0.6L/min不同聚焦电压的对比)其中：(a)聚焦电压0.00V，(b)聚焦电压2.51V(c)，聚焦电压4.94V，(d)聚焦电压7.80V，(e)聚焦电压11.90V，(f)聚焦电压15.30V。

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-检测单元；9-直流扫描补偿电压；10-非对称波形射频电压；11-直流电压。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的离子聚焦型平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪的具体结构和离子聚焦方法的作用原理做进一步的说明。

图3是本发明提供的平板型高场非对称波形离子迁移谱仪离子聚焦方法的装置结构示意图。所述的平板结构高场非对称离子迁移谱仪包括离子源2、迁移区3和检测单元8。其中迁移区3包括上基片4、下基片5、上迁移区电极6、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8；上迁移区电极6加有非对称波形射频电压10和直流扫描补偿电压9，下迁移区电极7则加有直流电压11。

本发明所示的平板结构高场非对称波形离子迁移谱仪离子聚焦方法的作用原理如下：

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。

当离子被载气携带进入迁移区3内后，若上迁移区电极6和下迁移区电极7都加有相同的直流电压11(如图4所示)，其值为CV0(直流电压11在上迁移区电极6和下迁移区电极7间产生的场强范围为大于零小于5000V/cm)(如图5所示)。在上迁移区电极6和下迁移区电极7上CV0的作用下，偏离迁移区电极中心线之间的离子会受到与离子极性相同的电极的排斥力，从而向迁移区中间聚集，减少因扩散、载气扰动等因素带来的离子损失，实现和圆筒型迁移区类似的离子聚焦功能，使检测到的信号得到增强。这就是离子聚焦的基本原理。

在实际的设计中，上迁移区电极6加有直流扫描补偿电压9和非对称波形射频电压10，在下迁移区电极7加有直流电压11(如图3所示)。其中非对称波形射频电压10为上下面积相等的高场非对称波形(如图6所示)；直流扫描补偿电压9以特定的扫描频率和扫描步长在一定的电压区间CV1～CV2之间进行扫描(如图7所示)；直流电压11的电压值为CV0(如图5所示)。那么此时如图3所示的系统可以这样看：上迁移区电极6上有非对称波形射频电压、直流扫描补偿电压(扫描范围CV1-CV0～CV2-CV0)和直流电压CV0三个电压相互叠加；下迁移区电极7上只有直流电压CV0。这样上迁移区电极6和下迁移区电极7同时具有的直流电压CV0使得这样的迁移区设计具有对离子的聚焦性。而对于不同种离子而言，在非对称波形射频电压10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9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。若直流扫描补偿电压9为某一合适值时，使离子在非对称波形射频电压10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。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8，将离子信号转化为电流信号，测出电流信号的值。通过记录每个直流扫描补偿电压对应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：

利用离子聚焦型高场非对称波形离子迁移谱仪对2-戊酮进行检测。载气1携带2-戊酮进入迁移区3。根据离子源2的电离特性，载气1为99.999％的高纯氮，流速确定为0.6L/min。下迁移区电极7加有直流电压11，上迁移区电极6上加载频率2MHz，占空比30％的非对称波形射频电压10。电离的2-戊酮离子在直流电压11作用下发生同种离子的聚焦，信号强度增大，而射频电压使得2-戊酮离子在迁移区与载气中的杂质离子分离，最后通过控制直流扫描补偿电压9电压的扫描得到2-戊酮补偿电压和电流信号对应关系的实时曲线，确定2-戊酮对应的补偿电压，通过数据比对确定2-戊酮的物质种类。从实验结果看(如图8所示)，当非对称波形射频电压幅值为240V时，加载聚焦电压后，检测到的2-戊酮离子信号强度增加了，检测灵敏度大大提高。

实施例2：

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，检测单元8采用圆柱结构的微阵列式法拉第筒。离子源2和检测单元8都可通过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通过在硼硅玻璃上溅射Ti/Pt/Au金属而成(厚度Ti：Pt：Au：)。基片通过键合工艺组装而成。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，选择合适的下迁移电极聚焦电压对信号进行增强，通过扫描直流扫描补偿电压，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。