一種基于空氣兩極放電的反應離子純化離子遷移譜裝置及方法與流程

本發明涉及痕量物質分析檢測領域，具體是一種基于空氣兩極放電的反應離子純化離子遷移譜裝置及方法。

背景技術：

離子遷移譜（Ion Mobility Spectrometry, IMS）和質譜是兩種非常重要的痕量氣體探測技術。與質譜相比，離子遷移譜技術最重要的特點是不需要真空系統，可以在大氣壓下工作。因此離子遷移譜儀器體積小、分析成本低，在環境污染、食品安全、生物醫藥、爆炸物和化學戰劑探測領域有著廣泛的應用。

經過多年的研究和發展，離子遷移譜技術已經形成了傳統的離子遷移譜、非對稱射頻電場離子遷移譜和高場非對稱波形離子遷移譜等多種技術。雖然這些技術在裝置的結構、施加電壓的方式和氣路流向等有差別，但是都包含有離子源、離子分離和檢測三個部分。在離子源區，通過電暈放電或者放射性物質將空氣分子電離形成反應離子（含有多種離子），反應離子在電場和氣流的作用下進入到離子反應區，與待測物質分子發生化學電離反應，將待測物質轉換成為產物離子。反應離子和產物離子在離子柵門開啟的一個很短時間（約幾百微秒）內，進入到離子遷移分離區，在電場E的作用下作遷移運動到達離子接收器。由于構型及質量的差異，不同離子的遷移運動速度不同，遷移相同的距離，不同離子到達離子接收器的時間有差別，從而將反應離子和產物離子分離和探測，通過測量產物離子到達離子探測器的時間實現對待測物質的識別和檢測。

離子源的主要目的是將待測物質轉變變成離子，以便于離子的分離和檢測，是離子遷移譜技術的重要組成部分。離子源將待測物質轉換成離子的方式及效率將影響離子遷移譜的分辨率、準確性、靈敏度及誤報率等關鍵指標。在現有的商用的離子遷移譜技術中，主要是采用化學電離的方式來實現待測物質的離子化的，即通過放射性電離源、光致電離源、電暈放電電離源等方式，將空氣電離產生了包含H₃O⁺、NO⁺、O₂⁺在內的多種反應離子，并利用反應離子與待測物質發生離子-分子反應，將待測物質轉換成離子的。然而直接電離空氣將產生多種反應離子，其中H₃O⁺、NO⁺、O₂⁺三種離子的信號強度最強且為同一量級，不同反應離子均可能與待測物質發生反應，使致產物離子復雜化，不利于待測物質的檢測和識別。更為復雜的情況是，H₃O⁺、NO⁺、O₂⁺三種離子的信號強度隨空氣濕度的變化而變化，嚴重影響離子遷移譜的穩定性。目前商用儀器所采用的方法是將待測氣體進行干燥并在儀器使用過程中多次反復校準。如果環境濕度發生了變化而校準不及時，將會影響離子遷移譜的準確性和靈敏度，提高儀器的誤報率，校準過程減少了儀器使用的便利性。

分析發現，離子遷移譜中反應離子種類多樣并且其相對比例隨測試點環境濕度變化而變化是影響離子遷移譜的準確性、誤報率和使用的便利性的關鍵。如何利用空氣放電，在不顯著增加離子遷移譜儀器的體積和使用便利性的基礎上，得到不受測試點空氣濕度影響的單一的反應離子是提高離子遷移譜的準確性和靈敏度，降低儀器的誤報率的關鍵。

技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基于空氣兩極放電的反應離子純化離子遷移譜裝置及方法，利用空氣兩級放電，產生高純度NO₂⁺作為遷移譜的反應離子，解決了利用空氣直接放電不能產生高純度單一離子的問題，從而可以提高離子遷移譜的分辨率、穩定性和探測靈敏度。為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

一種基于空氣兩極放電的反應離子純化離子遷移譜裝置，其特征在于：包括：

一級放電區，其采用介質阻擋放電，將空氣中的N₂，O₂，H₂O等成分經過放電轉換成為N₂，O₂，H₂O，O₃，NO₂，NO等；

二級放電區，將前端放電產生的氣體產生的N₂，O₂，H₂O，O₃，NO₂，,NO等導入二級放電區，經放電產生高純度的NO₂⁺離子作為離子遷移譜的初始反應離子。二級放電區采用空心陰極放電或電暈放電；

離子反應區，其前端與二級放電區軸向末端共中心軸連通，且離子反應區具有供待測有機物分子進入的入口；

離子遷移分離區，其為漂移管結構，離子遷移分離區前端與離子反應區軸向末端共中心軸連通，且離子遷移分離區、離子反應區之間連通處設有離子柵門；

離子探測區，其為法拉第盤，法拉第盤的收集極在離子遷移分離區末端進行探測。

所述的一種基于空氣兩極放電的反應離子純化離子遷移譜裝置，其特征在于：離子遷移分離區由電極環和絕緣環組成，遷移環由阻值相等的電阻相連。在遷移分離區的兩端的電極環上加上遷移電壓，從而在遷移區形成均勻電場。

所述的一種兩極放電的反應離子純化裝置，其特征在于：所述離子柵門由設置在離子遷移分離區、離子反應區之間連通處的一對離子柵門構成，用于控制離子進入遷移區。當離子柵門上的平行電極之間的電壓相等時，離子可以進入漂移區，在電場的作用下到達離子探測區，當離子柵門上的平行電極之間的電壓不相等時，離子源產生的初始離子則無法進入到漂移區。

一種兩極放電的反應離子純化方法，其特征在于：空氣從進氣口進入一級放電區，在一級放電區中通過介質阻擋放電；經一級放電區介質阻擋放電后的尾氣進入二級放電區，二級放電區中在空心陰極放電的情況下產生高純度的NO₂⁺，并且NO₂⁺的純度不受水蒸氣濃度的影響；二級放電區產生的高純度的NO₂⁺進入離子反應區，同時待測有機物分子進入離子反應區，在離子反應區中高純度的NO₂⁺與待測有機物分子反應并生成離子；離子反應區生成的離子在離子柵門打開時進入離子遷移分離區，并在離子遷移分離區中離子遷移電場作用下遷移至離子遷移分離區末端的法拉第盤，經電流經放大和轉化后輸出至外部的檢測設備。

與已有技術相比，本發明的有益效果體現在：

空氣經過介質阻擋放電之后，氣體的成分將發生改變，然后將這部分氣體導入低壓的空心陰極放電，可以產生純度高達95%以上的NO₂⁺，而且即使加入飽和的水蒸氣，仍然不會影響NO₂⁺離子的純度。

常規的離子遷移譜均是利用大氣壓空氣的直接電離，不可避免的產生多種離子。本發明設計了兩級空氣放電離子遷移譜反應離子的裝置，并采用大氣壓兩級空氣放電獲取高純度NO₂⁺離子得方法。利用大氣壓兩級空氣放電制備高純度的NO₂⁺離子，不需要高純度的壓縮鋼瓶氣體，不需要接入干燥劑，不會因為引入離子純化技術而過多的增加儀器的體積。在儀器的使用便利性和經濟性上具有較大的優勢。

利用兩級空氣放電產生高純度NO₂⁺離子作為離子遷移譜的反應離子。由于反應離子種類單一，可以簡化離子遷移譜的識別；增加了儀器識別待測物質的準確性，降低了儀器的誤報率。同時由于產生的反應離子不受環境濕度的影響，提高了離子遷移譜的穩定性，解決了現有離子遷移譜需要反復校準的問題。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種基于空氣兩極放電的反應離子純化離子遷移譜裝置，包括：

一級放電區1，其采用介質阻擋放電，一級放電區1前端為進氣口11,空氣由此進入；

二級放電區2，其前端與一級放電區1軸向末端共中心軸連通，二級放電區2采用空心陰極放電；

離子反應區3，其前端與二級放電區2軸向末端共中心軸連通，且離子反應區3有供待測氣體進入的入口4，抽氣口；

離子遷移分離區6，其為漂移管結構，離子遷移分離區6前端與離子反應區3軸向末端共中心軸連通，且離子遷移分離區6、離子反應區3之間連通處設有離子柵門7；

在離子遷移分離區6末端有法拉第盤離子探測器8。

離子遷移分離區6為漂移管結構，該漂移管內設有多組在一定壓力下共中心軸固定在一起的金屬環9，多組金屬環構成漂移環，以金屬環作為導電環，相鄰金屬環之間由聚四氟乙烯環10絕緣和密封，漂移管中導電環之間形成有離子遷移電場；

離子柵門7由設置在離子遷移分離區4、離子反應區3之間的一對柵網構成，兩離子柵門的電場垂直于離子遷移分離區軸向，在離子柵門上施加約600V/cm的強電場，可以阻止離子通過，當離子柵門開啟，即離子柵門兩柵網的電場為零時，允許離子通過。

一種兩極放電的反應離子純化方法，空氣從進氣口進入一級放電區，在一級放電區中通過介質阻擋放電；經一級放電區介質阻擋放電后的尾氣進入二級放電區，二級放電區中在空心陰極放電的情況下產生高純度的NO₂⁺，并且NO₂⁺的純度不受水蒸氣濃度的影響；二級放電區產生的高純度的NO₂⁺進入離子反應區，同時待測有機物分子進入離子反應區，在離子反應區中高純度的NO₂⁺與待測有機物分子反應并生成離子；離子反應區生成的離子在離子柵門允許通過的情況下進入離子遷移分離區，并在離子遷移分離區中離子遷移電場作用下遷移至離子遷移分離區末端；構成離子探測區的法拉第盤的收集極在離子遷移分離區末端進行探測，當離子撞向收集極時離子被中和產生微弱的電流，電流經放大和轉化后輸出至外部的檢測設備。

本發明中，包括一級放電區1、二級放電區2、離子反應區3、離子遷移分離區6、離子探測區8、離子柵門7。具體地，一級放電區1為介質阻擋放電；二級放電區2為空心陰極放電；離子反應區3緊接著二級放電區2后面，為待測物有機物分子，與二級放電產生的NO₂⁺反應提供場所；離子遷移分離區6與離子反應區3連接在一起，當離子柵門打開的時候，反應后產生的離子進入漂移區，在漂移電場的作用下進行漂移；離子柵門7置于所述離子反應區3和離子遷移分離區4之間，把反應區與遷移區分隔開來；離子探測區置于離子遷移分離區4的末端由法拉第盤探測離子信號，漂移環7置于整個漂移管內，由一組金屬環在一定壓力作用下固定在一起。