CN111077212B - 一种基于faims原理的离子传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种基于FAIMS原理的离子传感器，该离子传感器包括：依次连接的电晕电离室、离子筛选通路和离子检测部；电晕电离室包括电离室外壳、电晕电离源和进风口，电晕电离源提供预设负高压，以对样品进行电离；离子筛选通路包括筛选通路外壁、内部柱状电极以及外壁和电极之间构成的通路，通路用于离子筛选；离子检测部，包括偏转电极，和离子检测板，偏转电极环和离子检测板之间有出风口，用于流进电晕电离室空气的流出，偏转电极和离子检测板之间设有偏转电场，用于使待测离子到达离子检测板。本电离源为非放射性电离源，不会产生放射性辐射，具有可在常温常压的外界环境中正常工作的优点，能够适用于各种工作环境。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种基于FAIMS原理的离子传感器。
背景技术
随着基于IMS(Ion mobility spectroscopy，离子迁移谱)和FAIMS(High-fieldAsymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry，高场非对称波形离子迁移谱)技术的爆炸物、毒品检测设备的不断发展，对于设备的体积、对人体健康的影响、检测的速度都有着越来越高的要求。体积小、效率高、无污染等要求逐渐成为新型检测设备需要关注的目标。
目前，市面上的爆炸物检测设备多采用先使用人工放射性离子源对样品进行电离而后再进行检测的方式。但此种方式有一个比较严重的弊端，即其使用的离子源为人工放射性同位素。首先，如果操作过程不当，人工放射性离子源对人体有一定的放射性危险；其次，由于对人体有产生危害的可能，人工放射性离子源的采购，存储，销售，废弃的手续非常复杂，实施的成本也很高。因此，使用无放射性危险的新型电离源是一个非常重要的目标。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种基于FAIMS原理的离子传感器。
本发明实施例提供一种基于FAIMS原理的离子传感器，包括：依次连接的电晕电离室、离子筛选通路和离子检测部；所述电晕电离室包括电离室外壳、电晕电离源和进风口，所述电晕电离源提供预设负高压，以对样品进行电离；所述离子筛选通路包括筛选通路外壁、内部柱状电极以及所述外壁和所述电极之间构成的通路，所述通路用于离子筛选；所述离子检测部，包括偏转电极，和离子检测板，所述偏转电极环和离子检测板之间有出风口，用于流进电晕电离室空气的流出，所述偏转电极和离子检测板之间设有偏转电场，用于使待测离子到达所述离子检测板。
进一步地，所述电晕电离源与离子筛选通路之间设有金属吸收网，所述金属吸收网设有预设负低压。
进一步地，所述通路外壁、所述内部柱状电极、所述偏转电极和所述离子检测板的任意纵截面为圆形。
进一步地，所述离子检测板的横截面为L型。
进一步地，所述外壁和所述电离源之间构成加速电场，用于电离后的待测离子到达所述离子筛选通路。
进一步地，所述电晕电离源为直径0.1mm到0.3mm的放电针。
进一步地，所述电离室外壳由绝缘材料制成。
进一步地，所述离子检测板中心部位为空，用于向所述内部柱状电极施加电压。
本发明实施例提供的基于FAIMS原理的离子传感器，相较于目前市面上常见的人工放射性电离源，本电离源为非放射性电离源，不会产生放射性辐射，大大降低了对人体损伤的可能性；其次，相比放射性电离源，电晕电离源有着成本低廉，购买方便，废弃方式简单等优点。最后，相比于其他方式的非放射性电离源，电晕电离源有着使用条件简单，具有在常温常压的外界环境中正常工作的优点，能够适用于各种工作环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于FAIMS原理的离子传感器结构图；
图2为本发明实施例提供的基于FAIMS原理的离子传感器内部离子运动轨迹示意图；
图3为本发明实施例提供的基于FAIMS原理的离子传感器工作原理示意图；
附图标记说明：1电晕电离室；2离子筛选通路；3离子检测部；11电离室外壳；12电晕电离源；13进风口；14金属吸收网；21筛选通路外壁；22内部柱状电极；31偏转电极；32离子检测板；33出风口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前的非放射性电离源有PID光致电离，贵金属薄膜光电子源，介质阻挡放电，电喷雾及电晕放电离子源。考虑到使用的环境因素，电晕离子源在此方面有更加突出的优势：首先，电晕离子源对人体无放射性的危害；其次电晕离子源可在普通环境下使用，对检测设备没有过高的要求；最后，由于电晕离子源为纯硬件电路设计，成本相对于其他方式会低廉许多。
本发明是一款基于直流电晕电离源和FAIMS原理制作的一种可进行电离检测的离子传感器。本传感器通过连接着负向高压的放电针进行的尖端放电，对检测样品进行电离，并对电离的样品进行筛选检测，可检测不同的物质类型，如用于爆炸物检测设备上。
图1为本发明实施例提供的基于FAIMS原理的离子传感器结构图，如图1所示，本发明实施例提供一种基于FAIMS原理的离子传感器，包括：依次连接的电晕电离室1、离子筛选通路2和离子检测部3；电晕电离室1包括电离室外壳11、电晕电离源12和进风口13，电晕电离源12提供预设负高压；离子筛选通路2包括筛选通路外壁21、内部柱状电极22以及外壁和电极之间构成的通路，通路用于离子筛选；离子检测部3，包括偏转电极31，和离子检测板32，偏转电极31环和离子检测板32之间有出风口33，用于流进电晕电离室1空气的流出，偏转电极31和离子检测板32之间设有偏转电场，用于使待测离子到达离子检测板32。
本发明实施例提供的离子传感器包括三个部分，需要说明的是，这三个部分可以不是物理上分离的，本实施例只是为了便于说明，例如电晕电离室1和离子筛选通路2，在结构上外壳可以是连在一起的，目前的电晕放电技术主要有直流电晕放电和脉冲电晕放电两种方式，本发明采用的是直流电晕放电技术。
电晕电离室1：样品通过进风口13的空气推动进入电晕电离室1。电晕电离源12提供预设负高压，负高压电压值根据具体需求设置，以使得样品进行电离，如-3000V(可根据具体样品、以及FAIMS原理确定)。通过电晕电离源12放电所产生的负离子团，对采集到的样品进行电离。电离后的样品通过进风口13空气的气流可以到达离子筛选通路2(或者先通过本发明实施例的加速电场区后通过气流到达离子筛选通路2，可参见下述实施例)。
离子筛选通路2：样品通过空气推动进入离子筛选通路2的外壁和内部柱状电极22之间的通路，外壁和内部柱状电极22之间施加有筛选电压，根据具体应用场景可进行调节，根据预设的筛选电压，使特定的样品粒子能够按照图2中的轨迹4运动，其他离子打到内部柱状电极22上，从而通过筛选通路进入离子检测部3。
离子检测部3：离子检测部3的偏转电极31，和离子检测板32之间构成离子偏转区，偏转电极31环可通入-1V到-12V的可调节的电压。风路出口是整个传感器通路的最后部分，通过连接的风机，维持整个传感器中的空气流动。
本发明实施例提供的基于FAIMS原理的离子传感器，相较于目前市面上常见的人工放射性电离源，本电离源为非放射性电离源，不会产生放射性辐射，大大降低了对人体损伤的可能性；其次，相比放射性电离源，电晕电离源有着成本低廉，购买方便，废弃方式简单等优点。最后，相比于其他方式的非放射性电离源，电晕电离源有着使用条件简单，具有在常温常压的外界环境中正常工作的优点，能够适用于各种工作环境。
目前的电晕放电技术主要有直流电晕放电和脉冲电晕放电两种方式，两种方式之间各有优缺点。直流电晕的优点在于电路简单，只需一块可产生负向高压的电路板，不需要生成电流脉冲的电路，对成本的要求更低，但是缺点为电晕放电时会产生氮氧化物NOX和O3，干扰样品的电离，大大降低被负离子电离的样品的检测灵敏度。
为了解决这一问题，基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，电晕电离源12与离子筛选通路2之间设有金属吸收网14，金属吸收网14设有预设负低压。金属吸收网14可以是在电晕电离源12与离子筛选通路2之间放置的一个通有可进行调节的负电压的钢网，预设负电压根据气体浓度和样品确定，如-1V到-12V，用于吸附被电晕电离源12电离的空气中产生的正离子，以降低由于正离子产生的氮氧化物NOX和O3对样品的电离产生的影响。
通过在电晕电离源12与离子偏转通路之间放置一片通有负电的吸收网，既可以保持直流电晕放电成本低廉的优点，也能够通过吸收网吸收放电针电离产生的正离子，降低氮氧化物NOX和O3的生成，以解决直流电晕放电的灵敏度下降的问题。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，通路外壁、内部柱状电极22、偏转电极31和离子检测板32的任意纵截面为圆形。纵截面为与图1所示视角平行的截面。通过该结构，可以充分利用离子筛选通路2中所有的空间，利用外壁和内部柱状电极22之间的筛选电压，对于浓度较低的样品，能够将电离后的离子全部输送到离子检测部3的离子检测板32上，从而能够适用于低浓度的样品环境。
本发明实施例提供的基于FAIMS原理的离子传感器，整个筛选通路的各个方向均可以试测试样品通过，能够极大的提高通气量，从而提高整个传感器的灵敏度。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，离子检测板32的横截面为L型。其中，横截面为与图1纸面平行的截面。离子检测板32的横截面为L型，结合通有负电压的偏转电极31进行离子的偏转，可以将被电离的样品更靠近检测电极，确保样品能够打在检测电极上，大大降低信号的损耗。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，外壁和电晕电离源12之间构成加速电场，用于电离后的待测离子到达离子筛选通路。图2为本发明实施例提供的基于FAIMS原理的离子传感器内部离子运动轨迹示意图，具体如图2的加速电场区5所示，加速电场区5为离子筛选通路2与电晕电离源12之间的部分，该部分通过电晕电离源12和与筛选通路外壁21之间产生的电压差，产生一段对负离子加速的加速电场，对被电晕电离的样品进行加速，使样品进入后续的空气推动区。空气推动区是离子筛选通路2中的一段不存在电场的空气通路，从电场加速区进入的样品离子在空气推动区中，通过空气流动进入离子筛选区。通过加速电场对被电晕电离的样品进行加速，确保样品经加速后，经过离子筛选区，能够打在检测电极上，大大降低信号的损耗。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，电晕电离源12为直径0.1mm到0.3mm的放电针。电晕离子源可以是一根连接-3000V左右高压的直径为0.1mm-0.3mm，长度为5mm的放电针，通过放电针尖端放电所产生的负离子团，来电离采集到的样品。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，电离室外壳11由绝缘材料制成。电离室外壳11由绝缘材料制成，防止带有高压的电晕电离源12伤到操作人员。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，离子检测板32中心部位为空，用于向内部柱状电极施加电压。如图1所示，由于通路外壁、内部柱状电极22、偏转电极31和离子检测板32的任意纵截面为圆形，为了能够适用于低浓度的样品环境，通过离子检测板32中心部位为空，以向内部柱状电极施加电压。
基于上述包括电晕放电针、加速电场区5和金属吸收网14的实施例，图3为本发明实施例提供的基于FAIMS原理的离子传感器工作原理示意图，如图3所示：
整个离子传感器在工作的时候，可通过末端风机提供气流，在整个传感器中都有流动的空气作为载体，携带测试样品进行运动。将待检测样品放在整个传感器的最前端电晕电离室的入口处，待测样品会被流动的空气带入到如电晕放电针处，由于放电针连接着-3000V左右的高压，会使待测样品被电离而带上负电。在放电针的旁边放有一个通有-1V到-12V电压的金属吸收网14，用于吸收放电针因电离产生的正离子，该电压与检测电极32检测到的环境信号有关，当环境信号降低的时候，金属吸收网14上的负电压会升高，提高吸收正离子的能力，提高环境信号。当样品被电离后，会收到电场的影响，进入加速电场区5，在加速电场区5中，因为放电针和金属吸收网14距离筛选通路外壁21距离较近，约有5mm左右，筛选通路外壁21又连接到地，放电针/吸收网和筛选通路外壁21之间会产生一个指向放电针的强力电场，由于被电离的样品为负电，样品会被此电场所吸引，加速进入空气推动区，同时被电离出的正离子，会被金属吸收网14吸收。在空气推动区里，被电离的样品失去了加速电场区的加速电场的影响，会受到传感器内空气流动的影响，被运送到离子筛选区。在离子筛选区中，由于内部柱状电极(可为圆柱形)通有特定的筛选电压，会使特定的样品离子能够按照如图2所示的轨迹运动，通过筛选通路进入离子检测部分。当离子通过离子筛选区，进入离子偏转区的时候，由于偏转电极32(为环形)通有-1V到-12V的电压，离子会受到向检测电极的偏转力，逐渐向检测电极的方向靠近，直到打在检测电极(即离子检测板)上，产生电信号，随后，失去电子的样品就会随着气流排出传感器外(在出风口33处排出)。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于FAIMS原理的离子传感器，其特征在于，包括：
依次连接的电晕电离室、离子筛选通路和离子检测部；
所述电晕电离室包括电离室外壳、电晕电离源和进风口，所述电晕电离源提供预设负高压，以对样品进行电离；
所述离子筛选通路包括筛选通路外壁、内部柱状电极以及所述外壁和所述内部柱状电极之间构成的通路，所述通路用于离子筛选；
所述离子检测部，包括偏转电极，和离子检测板，所述偏转电极和离子检测板之间有出风口，用于流进电晕电离室空气的流出，所述偏转电极和离子检测板之间设有偏转电场，用于使待测离子到达所述离子检测板；
通过所述外壁和所述内部柱状电极之间的筛选电压，将低浓度样品电离后的离子全部输送到所述离子检测板；
所述电晕电离源与离子筛选通路之间设有金属吸收网，所述金属吸收网设有可调节的预设负低压；所述金属吸收网用于吸附被所述电晕电离源电离的空气中产生的正离子；所述预设负低压是基于所述低浓度样品调节的。
2.根据权利要求1所述的基于FAIMS原理的离子传感器，其特征在于，所述外壁、所述内部柱状电极、所述偏转电极和所述离子检测板的任意纵截面为圆形。
3.根据权利要求1所述的基于FAIMS原理的离子传感器，其特征在于，所述离子检测板的横截面为L型。
4.根据权利要求1所述的基于FAIMS原理的离子传感器，其特征在于，所述外壁和所述电离源之间构成加速电场，用于电离后的待测离子到达所述离子筛选通路。
5.根据权利要求1所述的基于FAIMS原理的离子传感器，其特征在于，所述电晕电离源为直径0.1mm到0.3mm的放电针。
6.据权利要求1所述的基于FAIMS原理的离子传感器，其特征在于，所述电离室外壳由绝缘材料制成。
7.根据权利要求2所述的基于FAIMS原理的离子传感器，其特征在于，所述离子检测板中心部位为空，用于向所述内部柱状电极施加电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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