基于分立电极的空间非对称离子迁移谱实现方法技术

基于分立电极的空间非对称离子迁移谱实现方法，横向电场由多对分立电极组成，电极对分别依次分布在离子迁移的路径周围，交替产生相同或相反的直流静电场，但其中不同方向的静电场的空间尺寸并不相等。本发明专利技术的有益效果在于，从使用交流电到使用直流电的变化使得控制电路更简单，从而降低电路开发和生产成本。

Implementation of spatially asymmetric ion mobility spectrometry based on discrete electrodes

Asymmetric ion mobility spectrum method based on discrete electrode space, the transverse electric field by separation of the electrode. The electrode are respectively distributed around the path of the ion migration, alternately producing the same or opposite DC electric field, but the size of the electrostatic field in different directions in space are not equal. The beneficial effect of the invention is that the control circuit is simpler from the use of alternating current to the use of direct current, thereby reducing circuit development and production costs.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种离子迁移谱实现方法，尤其是涉及一种。
技术介绍
离子迁移谱技术被用来在常压条件下检测极低浓度的气态化学物质及其浓度。一般而言，离子迁移谱设备首先通过电离源将待测物分子电离，电离后的待测物分子(后简称离子)被引入迁移管中，并在迁移管内的电场作用下沿着迁移管方向运动；离子运动的速度由电场强度和离子迁移率共同决定。由于离子的质量和电荷的不同，不同离子会有不同的迁移率以及相应的迁移速度。如果在迁移管末端放置一个检测极板，离子到达极板时，会被相应的检测电路定量检测。在一定的电场条件下，不同种类的气体离子因其不同的迁移率，将以不同的飞行时间达到检测极板，这样就能够分辨出待测样品中有哪些特定分子的存在，这种技术被称为飞行时间离子迁移谱。飞行时间离子迁移谱的变体是非对称场离子迁移谱，其与传统的飞行时间离子迁移谱的区别在于，在非对称场离子迁移谱中，迁移管中除了沿离子运动方向的迁移电场之外，传统的非对称离子迁移谱通过机械泵或者“压差气膜，，来驱动气流通过横向电极板，离子被交流或者直流脉冲横向电场交替改变迁移方向，最后只有迁移方向改变最小的离子可以顺利穿过横向电场，到达检测极板。尽管微加工工艺使得迁移管和非对称迁移谱的迁移沟道可以小型化，但采用机械气泵或者其它原理驱动离子气流，使得现有技术无法将离子迁移谱仪器继续缩小，同时，其功率损耗也受到了限制。 在专利PCT/GB2005/050126中，利用多电极同时在迁移沟道中施加纵向电场和横向电场， 其中纵向电场驱动离子气流，横向电场进行过滤，从而不需要在使用其它方法驱动离子气流，节省了空间，并且可以采用微机电系统的制造工艺在硅芯片上制造。然后，在专利PCT/ GB2005/050126中，横向电场只有一个，因此如需要过滤离子，并使需要被采样的离子顺利通过沟道，就需要施加脉冲或者交流横向电场，从而增加了电路设计难度，并一定程度上限制了体积。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提出一种。可以使得控制电路更简单，从而降低成本。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案一种，横向电场由多对分立电极组成，电极对分别依次分布在离子迁移的路径周围，交替产生相同或相反的直流静电场，但其中不同方向的静电场的空间尺寸并不相等。本专利技术的进一步方案是，电极的供电电源是直流电。本专利技术的进一步方案是，对于垂直结构的迁移沟道，在衬底比如单晶硅或者石英上依次沉积绝缘层/电极层，然后在特定的地点刻蚀出离子沟道。对于平行结构的迁移沟道，在一片绝缘衬底上，首先在特定位置沉积导电线，然后在导电线的末端生长一维导电纳米材料作为电极，如碳纳米管，硅纳米管线等。电极之间互不接触，并在衬底上方形成离子沟道，也可以在生长完一维纳米材料后继续在周围沉积绝缘材料如二氧化硅，保证纳米材料间不会相互接触，减弱沟道内的电场，之后可以通过刻蚀形成离子沟道。检测极板可以通过刻蚀或者沉积的方法制造在另一片衬底上，之后两块衬底可以通过物理或化学黏合的方法集成，并保证检测极板和沟道的相对位置合适。本专利技术的有益效果在于，从使用交流电到使用直流电的变化使得控制电路更简单，从而降低电路开发和生产成本。附图说明图1是分离电极离子迁移谱技术迁移管结构示意图。图2是以垂直结构实现的分立电极离子迁移谱技术迁移管。图3是以平行结构实现的分立电极的离子迁移谱技术迁移管。图4是以图3方式实现的基于垂直生长的碳纳米管的离子迁移谱的一对分立电极电子显微镜图。图5是为图1所示电极A的外加电压示意图。图6是为图1所示电极B的外加电压示意图。图7是为图1所示电极C的外加电压示意图。图8是为图1所示电极D的外加电压示意图。图9是为图1所示电极E的外加电压示意图。图10是为检测极板收集到的电流信号示意图。其中，图5-图10的横轴都表示时间，信号在横轴上从左至右被分为三个部分，第一部分表示为了检测出2号气体，电极对ABCDE所加的直流电压信号，第二部分表示为了检测出1号气体，电极对ABCDE所加的直流电压信号，第三部分表示为了检测出3号气体，电极对ABCDE所加的直流电压信号。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术作进一步描述。本专利技术对多电极同时产生横向与纵向电场进行了改进，纵向电场依然不变，引导离子气流的流动，使待检测的离子最终到达探测极板，而横向电场由多对分立电极组成，电极对分别依次分布在离子迁移的路径周围，交替产生相同或相反的直流静电场，但其中不同方向的静电场的空间尺寸并不相等，这样在离子被驱动到达检测极板之前，所受到的横向电场方向和大小由所达到的位置决定，不同的位置，受横向电场的作用，运动方向被改变，从而可以通过选择性地安排产生横向电场的电极对的方向和大小，对迁移中的离子实现过滤。如图1的原理图所示，以由5对分立电极对的迁移沟道为例。图1中A，B, C，D，E 分别为离子气流迁移沟道内的五对分立电极，其中B，D电极在迁移沟道中所占据的长度要分别大于A，C，E电极。第一种情况，如果从A至E，A电极对中的正电极电势小于B电极对中的负电极电势，B电极对中的正电极电势小于C电极对中的负电极电势，C电极对中的正电极电势小于D电极对中的负电极电势，D电极对中的正电极电势小于E电极对中的负电极电势，这样安排是为了使得负离子可以被驱动到达检测极板。第二种情况，如果从A至E，A 电极对中的负电极电势大于B电极对中的正电极电势，B电极对中的负电极电势大于C电极对中的正电极电势，C电极对中的负电极电势大于D电极对中的正电极电势，D电极对中的负电极电势大于E电极对中的正电极电势，这样安排是为了使得正离子可以被驱动到达检测极板。从A至E的横向电场的方向以此交替，大小可以根据检测离子的种类来进行安排。 在第一种情况下，当离子气流进入沟道后，负离子被E电极端的电势所吸引从左边进入迁移沟道并往检测极板迁移，如图1所示的1号气体，代表需要被过滤的负离子的迁移轨迹， 在A，C电极的作用范围内，离子在向检测极板迁移的同时向其正电极迁移，当到达电极对B 电极的作用范围时，离子向相反方向的正电极迁移，通过安排A，B，C的电极的电压大小，利用离子在大电场下的非线性迁移率曲线，使得该离子在A，C电极的作用范围内横向迁移的距离要大于B电极作用范围横向迁移的距离，以至于该离子无法通过迁移沟道。而3号气体离子所示的离子轨迹，表示该离子在A，C电极作用范围内的横向迁移距离，小于B，D电极作用范围内的横向迁移距离，从而最终该离子也无法通过迁移沟道。只有2号气体离子，A，C 电极作用范围内的横向迁移距离等于B，D电极作用范围内的横向迁移距离，从而可以顺利通过迁移沟道，到达检测极板，从而信号被检测电路捕获。可以通过调整个电极电压来获得第二种情况下的离子过滤和检测。传统的离子迁移谱利用脉冲或交流电路非对称地改变横向电场进行离子过滤，而这个专利技术中的脉冲或交流电路产生的时间非对称交替横向电场，被只需直流电压信号的空间非对称交替横向电场所取代。这样的好处是以迁移沟道的空间结构的复杂性换取了控制电路的简化，传统的机械加工工艺在这种情况下会增加仪器的体积，因为需要更多的电极；但利用微加工工艺和纳米加工工艺，迁移沟道的体积并不会增加，但控制电路得到简化，可以完全采用最简单的直流电路，为进一步减小仪器的体积和功耗提本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．基于分立电极的空间非对称离子迁移谱实现方法，其特征在于，横向电场由多对分立电极组成，电极对分别依次分布在离子迁移的路径周围，交替产生相同或相反的直流静电场，但其中不同方向的静电场的空间尺寸并不相等。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小知，李鹏，
申请(专利权)人：汪小知，
类型：发明
国别省市：43