一种用于离子迁移谱仪的迁移管及离子迁移谱仪

摘要

本发明公开了一种用于离子迁移谱仪的迁移管及离子迁移谱仪，离子迁移谱仪的迁移管包括迁移管，迁移管采用无机导电材料改性的有机高分子聚合物，经挤压、模压、注射、3D打印或机械切削成型，无机导电材料的含量为1％～40％；迁移管的内部设置有离子门，通过离子门将迁移管划分为反应区和迁移区，迁移管的进口端设置有离子探测板，距离离子探测板前方0.5mm～1mm处设置有金属栅网，金属栅网与离子探测板相互平行，迁移管的外侧缠绕有加热装置，加热装置上设置有温度探头。本发明的迁移管电场均匀程度高，加工精度高，不怕震动和电磁干扰，无需外接电阻形成线性梯度电场，内部气流分布均匀，有利于提高离子迁移谱的分辨率和灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及大气压下离子迁移谱仪器中的离子迁移管，具体涉及一种全密封一体化的离子迁移区内部电场为均匀电场的迁移管及离子迁移谱仪。

背景技术

离子迁移谱(IMS)利用气态离子在线性电场中具有不同飞行速率而对不同化合物进行区分和定量的一种分析方法。离子迁移谱分析法灵敏度高，分析成本低，特别适合于现场分析，在爆炸物检测，毒品分析，挥发性气体分析等领域具有应用非常广泛。

离子迁移谱通常需要一个迁移管，迁移管的材质，参数和性能在很大程度上决定了离子迁移谱仪的性能，包括分辨率、灵敏度和最高使用温度等。为得到一个线性梯度电场，通常的做法是采用金属导电环和绝缘环交替排列的方式，金属环和金属环之间采用电阻相互连接，迁移管的首环和尾环分别接直流高压及地，以形成迁移管的内部的线性电场。绝缘环的材料通常为陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯及聚醚醚酮等。迁移管内电场的均匀性取决于金属环和绝缘环的内外径及厚度，以及各部件的加工和装配精度。为了屏蔽外部电磁环境，金属环的内外径有一定的要求而不能太小，因而其体积和质量都难于进一步缩小，仪器的体积受到影响，便携性差。为了保持迁移管的气密性，金属环和绝缘环的接触面需要精密配合，加工和装配难度较大。为了提高气密性，一个较好的做法是将金属环和绝缘环之间焊接起来，但不同材料之间的焊接难度较大，成本较高。离子迁移谱的分辨率取决于离子本身的特性，迁移电场的强度、离子注入脉冲的宽度及分离的温度、迁移气的种类及压力等因素，除此之外，迁移管内电场的均匀程序也是一个重要的因素。迁移管靠近管壁处的电场分布变动较大，只有靠近中轴线的部分较为均匀，因而边缘部份的离子受不均匀电场的影响需要较多的时间到达迁移管的出口，需要减小离子接收器(检测器)的面积以提高谱图的分辨率，但这种做法减少了检测到离子的数量，因而显著的降低了灵敏度。为提高电场的均匀度，一个有效的方法是尽可能的减小金属环和绝缘环的厚度，但这种做法导致装配迁移管的部件数量较多，成本增大，且密封及施加电压的难度也随之增加。还有一个方法是修改导电金属环电极的结构，将电极环结构由轴向方向上内缘厚度等于外缘厚度改变为轴向方向上内缘厚度小于外缘厚度，提高迁移管内部电场均匀性。这种方法的加工难度大，同时迁移管内部的气流运动受到影响，密封较为困难。另一个方法是采用电阻玻璃作为迁移管的材质，理论上可以得到很高的电场均匀度，有助于提高迁移谱的分辨率，但电阻玻璃的加工比较困难，玻璃的导热性差，热膨胀系数大，机械强度低，寿命较短，因而在实践中较少采用。

综上所述，现有技术中对离子迁移谱已有的技术密封困难、电场均匀度低、质量和体积难于缩小的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于离子迁移谱仪的迁移管及离子迁移谱仪，迁移管电场均匀程度高，加工精度高，不怕震动和电磁干扰，无需外接电阻形成线性梯度电场，内部气流分布均匀，有利于提高离子迁移谱的分辨率和灵敏度。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于离子迁移谱仪的迁移管，所述迁移管采用无机导电材料改性的有机高分子聚合物，经挤压、模压、注射、3D打印或机械切削成型，无机导电材料的含量为1％～40％。

具体的，所述有机高分子聚合物包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚苯醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚醚醚酮的一种或几种的混合物；所述无机导电材料包括石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、金属粉末或金属纤维的一种或几种的混合物。

进一步的，所述迁移管的电阻率为10⁴～10⁸Ω.cm，迁移管的电阻值为1MΩ～1000MΩ。

进一步的，所述迁移管的截面为圆形，其内径为10mm～50mm，外径为12mm～65mm，长度为50mm～500mm。

进一步的，所述迁移管的截面为矩形。

一种离子迁移谱仪，包括上述的迁移管，所述迁移管的内部设置有离子门，通过离子门将迁移管划分为反应区和迁移区，所述迁移管的进口端设置有离子探测板，距离离子探测板前方0.5mm～1mm处设置有金属栅网，所述金属栅网与离子探测板相互平行，所述迁移管的外侧缠绕有加热装置，所述加热装置上设置有温度探头。

进一步的，所述离子门采用B-N型离子门或TP型离子门。

进一步的，所述迁移管与离子门以及金属栅网与迁移管之间分别采用耐高温导电胶粘接，导电胶采用纳米级银或钠米级石墨导电材料。

进一步的，所述加热装置采用带绝缘的加热带、电热丝或加热膜。

进一步的，所述迁移管的外壁上包裹有保温带，所述加热装置位于保温带的外侧，所述保温带采用聚四氟乙烯带。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的迁移管电场均匀程度高，加工精度高，不怕震动和电磁干扰，无需外接电阻形成线性梯度电场，内部气流分布均匀，有利于提高离子迁移谱的分辨率和灵敏度；

(2)本发明结构简单坚固，成本低，迁移管无需常用的金属环及绝缘环，采用一体化结构，成本低，重量轻，密封性好，机械稳定性能高；

(3)本发明分辨率高，迁移管内部电场均匀，无表面电荷效应，因而离子迁移谱图的分辨率较高；

(4)本发明灵敏度高，迁移管可采用较大面积的电荷收集极，因而有助于提高检测的灵敏度；

(5)本发明无需外接分压电阻，电路简单，有利于小型化离子迁移谱仪器。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明实施例公开的电喷雾离子迁移谱仪的迁移管结构图；

图2是本发明实施例公开的电喷雾离子迁移谱仪结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，离子迁移谱已有的技术存在密封困难、电场均匀度低、质量和体积难于缩小的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于离子迁移谱仪的迁移管及离子迁移谱仪。

本申请的一种典型实施方式，提供了一种用于离子迁移谱仪的迁移管，该迁移管采用无机导电材料改性的导电有机高分子聚合物制成，其电阻率为10⁴～10⁸Ωcm，电阻值为1MΩ～1000MΩ；其中，有机高分子聚合物采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPO)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚醚醚酮(PEEK)的一种或几种的混合物；无机导电材料采用石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、金属粉末或金属纤维等，无机导电材料的含量为1％～40％。

上述的迁移管的截面可以是圆形、矩形或其它形状，其内径及壁厚可以连续增加或减小以实现电场强度梯度的连续均匀变化，以达到引导离子定向运动并实现聚焦的目的。

对于圆形截面的迁移管的内径为10mm～50mm，外径为12mm～65mm，长度为50mm～500mm；所述迁移管为整体成型结构，采用挤压成型、注射成型、模压成型、3D打印或机械切削成型。

本申请的另一种典型实施方式，提供了一种离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪包括上述的迁移管，所述迁移管的内部设置有离子门，通过离子门将迁移管划分为反应区和迁移区，所述迁移管末端设置有离子探测板，距离离子探测板前方0.5mm～1mm处设置有金属栅网，所述金属栅网与离子探测板相互平行。

上述的所述离子门采用B-N型离子门或TP型离子门。

所述迁移管与离子门以及金属栅网与迁移管之间分别采用耐高温导电胶粘接，导电胶采用纳米级银或钠米级石墨作为导电材料。

所述迁移管的外侧缠绕有加热装置，所述加热装置上设置有温度探头；所述加热装置采用带绝缘的加热带、电热丝或加热膜。迁移管的外壁上包裹有保温带，所述加热装置位于保温带的外侧，所述保温带采用聚四氟乙烯带，迁移管以聚四氟带包裹以实现保温，温度范围为室温至250℃。

为了使本领域的技术人员更好的了解本发明，下面列举一个电喷雾离子迁移谱仪的实施例，如图1-2所示，本发明实施例提供了一种电喷雾离子迁移谱仪，所述离子迁移谱仪工作于大气压下，采用电喷雾离子源，离子迁移谱的温度为150℃，迁移气体为氮气，流速为250mL.min^-1，迁称管的总长度为20厘米，由一个TP型离子门分隔成两部分，前半部分为脱溶剂区，长度为7.5厘米，后端为迁移区，长度为12.0厘米，迁移管采用机械切削成型，见图1所示。

迁移管采用纳米石墨粉改性的聚四氟乙烯管制成，其中石墨粉的含量为5％，体积电阻率为3*10⁶Ω.cm。迁移管的内径为25mm，外径为35mm，厚度为5mm。120mm的迁移管和75mm长的脱溶剂管的内外径均相同，迁移管通过石墨改性的高温导电胶与一0.1mm厚的不锈钢金属环粘合并实现密封，金属环的的内外径与迁移管相同。金属环与TP离子门组件用导电胶与迁移管密封粘接。脱溶剂区的前端同样与一0.1mm厚的中央开口不锈钢金属圆环连接。反向的迁移气为干燥氮气，由离子探测板后的不锈钢端板引入。

迁移电压9000V施加于脱溶剂区的前端的不锈钢环，电喷雾毛细管为内径50μm，外径150μm的石英毛细管，通过一不锈钢两通与注射泵连接，电喷雾电压施加于不锈钢两通之上，喷雾电压为2500V。离子迁移谱仪的整体结构见图2所示。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)结构简单坚固，成本低：本发明的迁移管无需常用的金属环及绝缘环，采用一体化结构，成本低，重量轻，密封性好，机械稳定性能高；

(2)分辨率高：本发明的迁移管内部电场均匀，因而离子迁移谱图的分辨率较高；

(3)灵敏度高：本发明的迁移管可采用较大面积的电荷收集极，因而有助于提高检测的灵敏度；

(4)本发明无需外接分压电阻，电路简单，有利于小型化离子迁移谱仪器。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。