BR102017021121B1 - Espectrômetro de mobilidade iônica para detecção de íons de diferentes espécies, sistema para detecção de íons de diferentes espécies e método de detecção de íons de diferentes espécies em um espectrômetro de mobilidade iônica - Google Patents

Abstract

A presente invenção se refere a um sistema e método de detecção de moléculas ionizadas a partir de um ou mais analitos transportados em fase gasosa ou aerossol por meio de um espectrômetro de mobilidade iônica, bem como um espectrômetro de mobilidade iônica dos tipos Open Loop (OLIMS), Aspiration IMS (AIMS) e Differential Mobility Analysers (DMA). Os objetivos da presente invenção são atingidos por meio de um espectrômetro de mobilidade iônica para detecção de íons de diferentes espécies, o espectrômetro de mobilidade iônica sendo do tipo Open Loop, Aspiration ou Differential Mobility Analyser, em que os eletrodos de saída compreendem um ou mais pares de eletrodos de medição e eletrodos de referência que possuem uma diferença de altura. Adicionalmente, a presente invenção provê um sistema para detecção de íons de diferentes espécies compreendendo dois espectrômetros de mobilidade iônica, em que o primeiro dos dois espectrômetros de mobilidade iônica é configurado de modo a detectar o espectro do analito misturado ao gás de arraste e o outro espectrômetro de mobilidade iônica detecta a referência dos compostos presentes no gás de arraste.

Description

Campo da invenção:

[001] A presente invenção se refere a um sistema e método de detecção de moléculas ionizadas a partir de um ou mais analitos transportados em fase gasosa ou aerossol por meio de um espectrômetro de mobilidade iônica, bem como um espectrômetro de mobilidade iônica dos tipos Open Loop (OLIMS), Aspiration IMS (AIMS) e Differential Mobility Analysers (DMA).

Estado da técnica:

[002] A espectrometria de mobilidade iônica (Ion Mobility Spectrometry - IMS) é uma técnica bem conhecida e difundida na literatura técnica-científica e representa grande interesse para inúmeras aplicações, como, por exemplo, a caracterização de polímeros, análise metabolômica, estudo da estrutura de carboidratos, detecção de substâncias usadas em guerras químicas, detecção de diversas enfermidades de maneira não invasiva, análise da qualidade de alimentos, análise biomolecular, detecção de compostos orgânicos voláteis, detecção de drogas e explosivos, entre outras, podendo ser inclusive adaptada a veículos não tripulados, como drones.

[003] A patente norte-americana US 3,699,333 depositada em 1968 descreve a base do funcionamento do IMS primordial e a patente norte-americana US 4,777,363 depositada em 1986 descreve um IMS semelhante aos atuais, que utilizam um tubo de deriva para direcionamento dos analitos.

[004] Neste sentido, um IMS funciona a partir de uma primeira etapa de entrada e condicionamento da amostra, geralmente por um compartimento apropriado para tal entrada, que provê o condicionamento esperado da amostra em relação às próximas etapas da detecção. Tal condicionamento consiste em, por exemplo, uma etapa de aquecimento e filtragem da amostra.

[005] Na sequência, uma etapa de ionização ioniza a amostra coletada, geralmente em uma câmara de ionização. Existem várias formas de prover a ionização desejada em função de alguns fatores como tipo de amostra, pressão, vazão, temperatura, entre outros, como pode ser visto no artigo “A review of recent, unconventional applications of ion mobility spectrometry (IMS)”, publicado na “Analytica chimica acta, v. 703, n. 2, p. 114-123, 2011”.

[006] Após a ionização, uma terceira etapa do processo de detecção consiste em prover a separação das partículas ionizadas em função de sua mobilidade iônica. Essa etapa permite caracterizar e medir o total de íons presentes de uma determinada espécie. Geralmente, tal etapa é realizada por meio de uma câmara de deriva (drift chamber).

[007] Finalmente, a quarta etapa consiste na detecção das partículas ionizadas, geralmente utilizando eletrodos conectados a eletrômetros.

[008] Para cada etapa existem diferentes abordagens com vantagens e desvantagens, e geralmente é realizada uma análise do custo/benefício de acordo com cada aplicação. Neste sentido, diversos tipos distintos de IMS são analisados no artigo “Review on ion mobility spectrometry. Part 1: current instrumentation”, publicado na “Analyst, v. 140, n. 5, p. 1376-1390, 2015”.

[009] Para os propósitos deste pedido de patente, é importante destacar que nos espectrômetros de mobilidade iônica dos tipos Open Loop (OLIMS), Aspiration IMS (AIMS) e Differential Mobility Analysers (DMA), a medição é realizada de maneira constante sem a necessidade de seleção específica de um elemento para detecção.

[010] Assim, nos espectrômetros de mobilidade iônica AIMS ou OLIMS, após etapa de ionização, os íons são aspirados (a uma determinada vazão que confere ao íon uma velocidade inicial va) para uma câmara de detecção contendo um plano de referência e um plano paralelo constituído de eletrodos conectados a eletrômetros, entre o plano de referência e os eletrodos é aplicado um campo elétrico E. Cada íon possui uma determinada mobilidade iônica K, e quando um íon passa pela região onde existe o campo elétrico E, seu trajeto sofrerá um desvio a uma determinada velocidade de deriva vd = K-E, portanto, a partir de va e vd é possível determinar cada íon que irá atingir cada eletrodo específico. Íons de menor K deverão sofrer menor desvio em sua trajetória (ou seja, sua trajetória irá apresentar um raio maior) enquanto íons de maior K terão sua trajetória desviada de maneira mais acentuada (ou seja, sua trajetória irá apresentar um raio menor). O comportamento coletivo de íons que atingem um mesmo eletrodo promove o fluxo de uma corrente (que geralmente está na faixa de 1x10-15A até 1x10-9 A), assim, uma função de transferência pode ser estabelecida visando determinar as espécies iônicas presente no fluxo do analito e então apresentar um espectro iônico da amostra. A principal diferença entre o AIMS e o DMA reside no fato de que o DMA possui uma geometria tubular, onde os eletrodos são anéis e o plano de referência, em geral, é um tubo posicionado no centro que será referido ao longo deste relatório como eletrodo central de referência (ECR).

[011] O artigo “The charging of small particles for electrostatic precipitation”, publicado na “Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, Part I: Communication and Electronics, v. 76, n. 3, p. 300-306, 1957”, descreve um dispositivo DMA bastante semelhante aos atuais. Porém, tal documento descreve um campo elétrico em que os íons são direcionados contra o ECR (que, nesse caso é um tubo). No ECR proposto no documento em questão, há uma abertura estreita no eletrodo, de forma que a variação do campo elétrico permite selecionar as massas iônicas que serão aspiradas para o interior do ECR e então, direcionadas a um detector.

[012] Um modelo completo do IMS do tipo DMA em questão é descrito no artigo “Aerosol classification by electric mobility: apparatus, theory, and applications” publicado no “Journal of Aerosol Science, v. 6, n. 6, p. 443-451, 1975”, e o artigo “An aerosol electric granulometer with a wide measuring range” publicado na “Acta et Comm. Univ. Tartuensis, No.588, p.84-92” descreve o conceito básico para um IMS do tipo DMA com múltiplos detectores dispostos ao longo do tubo de deriva na forma de anéis, onde é aplicada uma tensão elétrica entre um eletrodo central e os anéis visando produzir um campo elétrico adequado à faixa de mobilidades iônicas a serem investigadas.

[013] A patente US 5,576,617 depositada em 1993 descreve uma nova solução para determinação do raio típico de partículas, a geometria da solução é bastante semelhante ao conceito DMA apresentado anteriormente, porém descreve diferenças de operação e aplicação, em que preconiza preferencialmente a determinação da condutividade elétrica de partículas carregadas em meio líquido e, entre o ECR e os eletrodos dispostos ao longo do tubo de deriva é aplicado um campo elétrico alternado, não constante conforme geralmente aplicado.

[014] Um problema constante nos IMS é a interferência, em especial, a interferência eletromagnética externa que afeta a medição das correntes de pequena intensidade. Assim, o pedido de patente inglês GB 2,378,510 e a patente norte-americana US 6,828,794 descrevem tentativas de solucionar tal problema, que tentam melhorar a qualidade de medida (relação sinal/ruído) e ajustes na faixa de detecção de espécies. Neste sentido, os documentos descrevem que o ECR é constituído de um material que apresenta uma resistividade elétrica na faixa de 1x106Q^m até 1x1010Q^m, e que neste ECR podem ser aplicados diferentes potenciais elétricos em diferentes seções e, que tal ECR pode ser constituído por diversos segmentos. Deste modo, um ECR segmentado ou inteiro e com diferentes potenciais elétricos aplicados em diferentes seções possibilita a criação de diferentes campos elétricos em diferentes seções do tubo de deriva, realizando assim uma detecção seletiva de determinadas massas iônicas para cada seção do tubo de deriva. A patente norte-americana US 5,047,723 depositada em 1986 descreve uma tecnologia semelhante, em que um plano de referência segmentado, inclusive com possibilidade de diferentes polaridades, é apresentado.

[015] Já a patente norte-americana US 6,828,794 depositada em 2002 descreve um conjunto de eletrodos em forma de anéis, visando detecção de íons e um eletrodo de guarda, compreendendo uma tela metálica conectada a um potencial elétrico entre o ECR e os eletrodos de detecção de íons. Ademais, é ainda descrita a configuração onde cada eletrodo de detecção possui um eletrodo de compensação associado, cuja finalidade é superar erros de medida devido a correntes induzidas, visando assim melhoras na relação sinal/ruído. Nesse caso, os eletrodos de compensação são conectados a potenciais elétricos diferentes de seus respectivos eletrodos de detecção, visando assim minimizar a detecção de íons pelos eletrodos de compensação. Além disso, é descrita ainda a possibilidade de utilizar anéis finos (em relação aos eletrodos de detecção) como eletrodos de compensação visando diminuir a área de choque para íons. É interessante notar que tal estratégia minimiza a eficiência de detecção de íons, uma vez que parte do fluxo ou “enxame” de íons é “colhida” (retida) pela malha. Além disso, ao aplicar potenciais elétricos diferentes em relação ao respectivo eletrodo de detecção nos eletrodos de guarda, tal estratégia promove irregularidades locais no campo elétrico que impactam a precisão de medição, ao dificultar a determinação da trajetória de íons.

[016] Ainda, o artigo “A sensitive gas chromatography detector based on atmospheric pressure chemical ionization by a dielectric barrier discharge” publicado no “Journal of Chromatography A, v. 1483, p. 120-126, 2017”, descreve um detector tipo AIMS conectado a uma coluna cromatográfica, visando superar problemas de medida devido a descargas elétricas. Assim, a coluna cromatográfica promove uma separação temporal para analitos que fluem para o dispositivo de detecção, em que a câmara de detecção (do tipo AIMS) compreende apenas dois eletrodos de detecção. Nessa configuração, o potencial elétrico aplicado ao plano de referência é ajustado de maneira a manter um mínimo de diferença (preferencialmente tendendo a ser nula a diferença) entre ambos os eletrodos de detecção, ou seja, o sistema opera em malha fechada visando manter um potencial igual a zero. Neste caso, o sistema é extremamente robusto e simples em termos de sinal instrumental, porém, depende da separação temporal provida por uma coluna cromatográfica, o que dificulta seu uso em campo.

[017] Já a patente US 5,455,417 depositada em 1994 descreve a separação temporal de analitos sem a necessidade de uma coluna cromatográfica. Nessa configuração, há somente um eletrodo de detecção e, dessa forma, o potencial elétrico aplicado ao plano de referência varia gradativamente para cobrir toda a faixa de interesse de detecção. Um problema de tal técnica é o tempo que é necessário para a detecção, pois é necessário varrer o espectro do potencial elétrico, além de complexas operações computacionais que resolvem a transformada de Tammet para este caso particular.

[018] Assim, fica claro das técnicas anteriores acima referenciadas que não é apresentado um espectrômetro de mobilidade iônica dos tipos Open Loop (OLIMS), Aspiration IMS (AIMS) e Differential Mobility Analysers (DMA), que seja robusto, que compreenda técnicas de redução de ruído que minimizem ou eliminem os ruídos em tais medições, em especial os ruídos eletromagnéticos que dificultam a medição de correntes de valores pequenos, conforme acima referenciado.

Breve descrição da invenção:

[019] Os objetivos da presente invenção são atingidos por meio de um espectrômetro de mobilidade iônica para detecção de íons de diferentes espécies, o espectrômetro de mobilidade iônica sendo do tipo Open Loop, Aspiration ou Differential Mobility Analyser e compreendendo uma região de ionização, uma região de separação, uma região de detecção, e eletrodos de saída, em que a região de separação e a região de detecção compreendem uma região integrada de separação e detecção conectada à região de ionização; os eletrodos de saída sendo posicionados na região de detecção de modo a detectar espécies de íons e suas respectivas concentrações, em que os eletrodos de saída compreendem um ou mais pares de eletrodos de medição e eletrodos de referência que possuem uma diferença de altura.

[020] Ainda, no espectrômetro de mobilidade iônica em questão, a diferença de altura é uma diferença de diâmetro para espectrômetros em que a região integrada de separação e detecção é cilíndrica, sendo que a diferença de altura está na faixa entre 100nm e 5mm e a altura dos eletrodos de referência sendo menor que a altura dos eletrodos de medição.

[021] O espectrômetro de mobilidade iônica em questão compreende ainda um circuito eletrônico de medição configurado de modo a realizar uma medição compensada de íons por meio da medida diferencial dos eletrodos de medição em relação aos eletrodos de referência, em que o eletrodo de medição do par de eletrodos de medição e eletrodos de referência é configurado de modo a proteger o respectivo eletrodo de referência de colisões de íons.

[022] Tal espectrômetro de mobilidade iônica pode compreender ainda espaçadores entre os pares de eletrodos de medição e eletrodos de referência, em que o espectrômetro possui um fluxo de gás de arraste e analito que compreende os íons a serem detectados. O fluxo de gás proporciona um fluxo jusante direcionado para o interior da região integrada de separação e detecção, em que os espaçadores compreendem sulcos configurados de modo a proporcionar um fluxo de gás externo somado ao fluxo jusante para dentro da região integrada de separação e detecção e eliminar vórtices de fluxo próximos aos pares de eletrodos, o fluxo de gás externo sendo da ordem de dez vezes menor que o fluxo jusante.

[023] Adicionalmente, a presente invenção provê um sistema para detecção de íons de diferentes espécies compreendendo dois espectrômetros de mobilidade iônica, um distribuidor de fluxo que realiza uma distribuição do gás de arraste entre os dois espectrômetros de mobilidade iônica, e uma entrada de analito e gás de arraste que proporciona um fluxo jusante direcionado para o interior da região integrada de separação e detecção de um primeiro dos dois espectrômetros de mobilidade iônica; em que o primeiro dos dois espectrômetros de mobilidade iônica é configurado de modo a detectar o espectro do analito misturado ao gás de arraste e o outro espectrômetro de mobilidade iônica detecta a referência dos compostos presentes no gás de arraste.

[024] Tal sistema para detecção de íons compreende um sistema eletrônico configurado de modo a detectar as espécies de íons e suas respectivas concentrações por meio da medida diferencial entre os valores detectados pelos dois espectrômetros de mobilidade iônica, e pode compreender ainda um sistema de controle de vazão constituído por sensor de vazão, atuador e controlador eletrônico, configurado de modo a manter uma vazão constante nos dois espectrômetros de mobilidade iônica.

[025] Adicionalmente, o sistema para detecção de íons de diferentes espécies referenciado pode compreender um dispositivo bocal convergente-divergente, que compreende uma dimensão de entrada, um ângulo de estrangulamento, um diâmetro de garganta, um ângulo de abertura divergente, uma dimensão de saída da região divergente e um sentido da vazão de alta velocidade, configurado de modo a expulsar o gás de arraste e o analito para longe da entrada de analito e gás de arraste.

[026] Por fim, é previsto ainda um método de detecção de íons de diferentes espécies em um espectrômetro de mobilidade iônica que compreende as etapas de: a) Eliminar as interferências eletromagnéticas originadas pelo sistema de ionização ou, a partir do ambiente externo ou, como resultado da combinação de ambos os fatores; b) Reduzir as colisões de íons com eletrodos de referência; c) Corrigir o espectro obtido considerando espécies interferentes transportadas para a câmara de detecção pelo gás de arraste; d) Reduzir a interferência de medida devido a gás proveniente de recirculação; e e) Detectar as espécies de íons e suas respectivas concentrações.

[027] Em tal método, a etapa a) consiste em promover uma proteção a eletrodos de referência contra colisões de íons por meio de uma diferença de altura entre os eletrodos de referência e eletrodos de medição, em que é realizada uma medição compensada de íons por meio da medida diferencial dos eletrodos de medição em relação aos eletrodos de referência.

[028] A etapa b) consiste em proporcionar um fluxo de gás de arraste e analito que compreende os íons a serem detectados que proporciona um fluxo jusante direcionado para o interior do espectrômetro de mobilidade iônica, proporcionar um fluxo de gás externo somado a um fluxo jusante de gás de arraste e analito e eliminar vórtices de fluxo próximos aos pares de eletrodos, o fluxo de gás externo sendo da ordem de dez vezes menor que o fluxo jusante, em que o fluxo de gás externo é perpendicular ao fluxo jusante.

[029] A etapa c) consiste em proporcionar dois espectrômetros de mobilidade iônica, em que um primeiro dos dois espectrômetros de mobilidade iônica é configurado de modo a detectar o espectro do analito misturado ao gás de arraste e o outro espectrômetro de mobilidade iônica detecta a referência dos compostos presentes no gás de arraste, e compreende detectar as espécies de íons e suas respectivas concentrações por meio da medida diferencial entre os valores detectados pelos dois espectrômetros de mobilidade iônica.

[030] A etapa d) consiste em providenciar que o gás expelido pelo espectrômetro de mobilidade iônica passe por uma nova etapa de compressão para expulsão do sistema.

[031] Por fim, a etapa e) compreende detectar as espécies de íons e suas respectivas concentrações por meio de uma medida diferencial entre os eletrodos de medição em relação aos eletrodos de referência, e uma medida diferencial entre os valores detectados pelos dois espectrômetros de mobilidade iônica.

Breve descrição das figuras:

[032] A invenção passará a ser descrita a seguir com referência às concretizações típicas da mesma e também com referência aos desenhos apensos, nos quais:

[033] A Figura 1 é uma representação das partes principais de um espectrômetro de mobilidade iônica.

[034] A Figura 2 é uma ilustração da parte externa de um sistema DMA de acordo com uma concretização da presente invenção.

[035] A Figura 3 é uma representação em corte das partes internas de um sistema DMA de acordo com uma concretização da presente invenção.

[036] A Figura 4 é uma ilustração de acordo com uma concretização da presente invenção empregada na câmara de ionização e na câmara de detecção.

[037] A Figura 5 é uma representação do circuito aplicado em cada par de eletrodos de medida e referência empregada em um sistema AIMS ou OLIMS.

[038] A Figura 6 é uma ilustração do circuito aplicado em cada par de eletrodos de medida e referência em um sistema DMA.

[039] A Figura 7 é uma representação do posicionamento de eletrodos e espaçadores.

[040] A Figura 8 é uma ilustração dos canais em um espaçador usado tipicamente em um sistema DMA.

[041] A Figura 9 é uma representação em corte dos sulcos em um espaçador usado tipicamente em um sistema DMA.

[042] A Figura 10 é uma ilustração de um canal em um espaçador usado em um sistema AIMS ou OLIMS.

[043] A Figura 11 é uma representação em corte de um sulco em um espaçador usado em um sistema AIMS ou OLIMS.

[044] A Figura 12 é uma ilustração do sistema de compensação de acordo com a presente invenção utilizando dois espectrômetros de mobilidade iônica e um sistema de saída por meio de um bocal convergente-divergente.

Descrição detalhada da invenção:

[045] A presente invenção se refere a um sistema de espectrometria de mobilidade iônica que confere maior relação sinal/ruído e robustez a dispositivos AIMS ou DMA, além de mecanismos contra interferências originadas por espécies transportadas pelo gás de arraste e recirculação do gás expelido.

[046] Em uma primeira forma preferida desta invenção, especificamente no caso dos eletrodos em forma de anéis empregados como detectores e conectados aos seus respectivos eletrômetros (referidos daqui em diante simplesmente como AD, anéis de detecção), estes possuem diferentes diâmetros internos (ou alturas, no caso de espectrômetros de mobilidade iônica com câmara de detecção retangular tais como AIMS ou OLIMS), assim existem pelo menos dois diâmetros para ADs ao longo do tubo de deriva.

[047] Assim, seja considerado o par de ADs designado como AD1-2 onde AD1 possui um diâmetro interno (através do qual passa o eletrodo central de referência (ECR)) menor do que o diâmetro interno de AD2 e, que tal diferença entre os diâmetros internos de AD1-2 seja de no mínimo 100 nm. É importante destacar que a ordem de arranjo entre o AD de menor diâmetro e do AD de maior diâmetro não afeta a abrangência desta invenção. Deste modo, ao longo do tubo de deriva podem haver múltiplos ADs com diferentes diâmetros internos e, preferencialmente, são agrupados em pares ADM-R ou ADR-M, em que ADM é o anel de medida do par, enquanto ADR é o anel de referência. Preferencialmente, todos os ADs devem estar conectados ao mesmo potencial elétrico e, entre os ADs o sistema pode compreender um espaçador fabricado com material que promove a isolação elétrica entre os mesmos. Tal espaçador pode ser fabricado, por exemplo, em politetrafluoretileno, silicone, materiais cerâmicos tais como Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) ou High Temperature Co-fired Ceramics (HTCC), materiais poliméricos que apresentem elevada resistividade elétrica, vidro, entre outros.

[048] Neste sentido, também é importante indicar que as diferenças nos diâmetros ou alturas entre os eletrodos de medição e referência devem ser tais que não implicam em distorções locais do campo elétrico, deste modo, fica claro que pequenos degraus (diferenças de alturas ou diâmetros), conectados ao mesmo potencial elétrico, oferecem uma distorção desprezível no campo elétrico, visto que as diferenças de diâmetros estão os eletrodos estão em uma faixa entre 100 nm e 5mm. Tais valores podem ser calculados por simulações a partir das equações de Navier-Stokes para faixas de vazões, visando um fluxo laminar correto para transporte dos íons. Por exemplo, podem ser utilizados diferentes simuladores, tais como MATLAB e SIMION 8.1, para efetuar os cálculos de tais faixas de diferença de diâmetro.

[049] Uma primeira vantagem da supramencionada disposição para ADs é que cada par ADM-R (ou ADR-M) irá constituir um par de medidas diferencial visando superar os problemas com interferências eletromagnéticas com a vantagem de superar o problema de detecção de íons pelo ADR. Mais especificamente, que seja considerado que os íons entram no tubo de deriva a partir de sua interface com a câmara de ionização e que estes sigam a jusante rumo à sua expulsão pelo sistema de aspiração, e seja considerado que a abertura para entrada dos íons é tangente ao ECR e que a carga elétrica dos íons é tal que estes tenham sua trajetória modificada pelo campo elétrico no sentido dos ADs. Neste cenário, de maneira preferida haverá um par ADM- R, cujo diâmetro interno de ADM é menor do que o diâmetro interno de ADR, assim os parâmetros: vazão da aspiração, o campo elétrico radial (partindo do ECR em direção aos ADs), temperatura, pressão e a diferença entre os diâmetros internos do par ADM-R são tais que os íons com mobilidades iônicas compatíveis com cada região alvo de um dado par ADM-R somente atingirão o ADM, uma vez que este promove uma barreira de proteção para o ADR em relação aos íons. Assim, múltiplos pares ADM-R (ou ADR-M) podem ser empregados ao longo do tubo de deriva acompanhando o ECR, de modo a detectar de maneira robusta diversos íons distintos baseado em sua mobilidade.

[050] De acordo com uma segunda forma de realização desta invenção, o espaçador compreende canais de entrada (ou sulcos), que possibilita que o gás de arraste seja aspirado ao longo do túnel de deriva (além da vazão principal, ou seja, além da mistura de analitos ionizados e gás de arraste aspirado para o túnel de deriva). Não obstante, a vazão que será aspirada através dos espaçadores, por tais canais ou sulcos, é suficientemente tênue em relação ao fluxo principal proveniente da câmara de ionização. Isso representa um sistema e um método de anular qualquer possibilidade de que íons colidam com algum ADR na ocorrência de vórtices de fluxo sobre tais eletrodos de detecção, o que indicaria um erro de medida em tal detecção por colidência em um eletrodo distinto do esperado para tal íon.

[051] Assim, a técnica descrita pela presente invenção supera a necessidade de conectar ADM e ADR a diferentes potenciais elétricos, o que provoca distorções locais no campo elétrico e consequentemente mudanças na trajetória de todo o enxame de íons. Além disso, tal configuração também descarta a necessidade do eletrodo de guarda, e a necessidade de possuir um ECR cujo potencial elétrico é ajustado ao longo do tempo visando manter a diferença de correntes entre ADM e ADR nula, descartando a obrigatoriedade do uso de uma coluna cromatográfica. Por fim, não é necessário variar a tensão elétrica aplicada ao ECR entre uma ampla faixa por um determinado tempo visando investigar a presença e concentração de determinadas faixas de mobilidades iônicas uma de cada vez.

[052] Isto ocorre pois, a proteção contra colisões iônicas que ADM oferece para seu respectivo ADR possibilita que este último somente detecte interferências eletromagnéticas locais, enquanto, o primeiro detecta a mesma interferência eletromagnética local somada da corrente produzida pelas colisões iônicas. Deste modo, a medida diferencial do par ADM-R (ou ADR-M para outras possíveis geometrias) oferece uma medida robusta da corrente produzida pela colisão dos íons, sem as interferências eletromagnéticas.

[053] Ademais, os espectrômetros de mobilidade iônica empregam um gás de arraste, em especial no caso de equipamentos portáteis que empregam a tecnologia IMS ou DMA, e deste modo, apesar de haver uma etapa de filtragem do ar externo coletado, tal gás de arraste não é um gás inerte totalmente puro (como, por exemplo, nitrogênio, hélio entre outros). Assim, além do analito de interesse, existem uma série de íons que surgem de moléculas carregadas oriundas do gás de arraste como, por exemplo, íons de água devido a humidade presente no ar. Por outro lado, os íons oriundos do gás de arraste podem reagir com os íons de interesse oriundos do analito e afetar a medida.

[054] Tal problema é extremamente complexo, especialmente em aplicações de espectrômetros de mobilidade iônica para análise da respiração humana visando oferecer diagnósticos/exames médicos não invasivos de maneira portátil, ou em veículos aéreos não tripulados (VANT) visando monitoramento de regiões.

[055] Assim, de acordo com uma terceira forma de concretização da presente invenção, um sistema compreendendo dois espectrômetros de mobilidade iônica são empregados visando a compensação de espécies interferentes. O sistema consiste de um tubo coletor de ar ambiente que atuará como gás de arraste, seguido da etapa de filtragem de materiais particulados suspensos no ar, e esse ar sendo distribuído por meio de um distribuidor apropriado de maneira homogênea entre os dois espectrômetros. O espectrômetro de medição dos analitos de interesse, referido daqui em diante, simplesmente como EMA, enquanto que, o espectrômetro de compensação de espécies interferentes presentes no gás de arraste será referido daqui em diante simplesmente como EMCI. Deve ser observado que EMA e EMCI são, preferencialmente, idênticos, para facilitar a distribuição homogênea de fluxo e os cálculos posteriores para eliminar as interferências de analitos que não são de interesse. A distribuição do gás de arraste entre EMA e EMCI é feita por um distribuidor que permite que cada espectrômetro receba, preferencialmente, a mesma quantidade do gás de arraste. Além disso, pode haver um sensor de vazão na entrada de cada espectrômetro que permita que um controlador apropriado acione atuadores dinamicamente visando corrigir a vazão de cada espectrômetro. A vazão do analito que é aspirado para o interior do EMA é tal que não oferece grande diferença em relação à vazão total que existe no interior do EMCI. Ainda é previsto na saída de cada detector de íons, respectivo a uma faixa de mobilidade iônica investigada de cada um dos espectrômetros (já corrigida considerando o sistema de compensação conforme a medida diferencial do par ADM-R), que serão conectadas de forma a apresentar uma tensão diferencial entre si. Assim, o primeiro ADM-R de EMA chamado de EMA-ADM-R1, o segundo de EMA-ADM-R2, assim sucessivamente até EMA-ADM-Rn, analogamente para EMCI, ou seja, EMCI-ADM-R1, EMCI-ADM-R2, assim sucessivamente até EMCI-ADM-Rn, onde as medidas contando com a correção das interferências causadas pelo gás de arraste serão: Δ1 = EMA-ADM-R1- EMCI-ADM-R1, Δ2 = EMA-ADM-R2- EMCI-ADM-R2, assim sucessivamente até Δn = EMA- ADM-Rn- EMCI-ADM-Rn.

[056] Considerando o exposto, ainda é possível que o gás de arraste proveniente do ambiente seja oriundo de recirculação, ou seja, é possível que o gás expelido pela bomba de aspiração do sistema possa ser parcialmente aspirado novamente após se difundir pelo ambiente, o que representaria maiores dificuldades durante a medida (especialmente quando a sensibilidade é da ordem de partes por bilhão, ppb, ou partes por trilhão, ppt). Mesmo considerando a compensação descrita anteriormente, tal situação pode ocorrer para espectrômetros de mobilidade iônica empregados na forma de equipamento de bancada, portáteis, VANTs, entre outros. Especialmente, no caso de VANTs onde em geral são empregadas múltiplas hélices que direcionam o fluxo de ar para baixo e, que em geral, possuem o espectrômetro de mobilidade iônica fixo em tal configuração que este aspira amostras de ar pela parte de baixo do VANT e expele o gás analisado para cima, pode ser facilmente verificado que uma recirculação é estabelecida entre o ar expelido para cima (que é lançado para baixo pelas hélices) e o ar aspirado pela parte de baixo, causando uma recirculação de íons, caso não seja feita uma compensação referencial.

[057] Deste modo, de acordo com uma quarta concretização da presente invenção, um sistema e método de atenuação da possibilidade de ocorrência de recirculação do gás expelido para um espectrômetro de mobilidade iônica consiste de um bocal convergente-divergente apropriadamente posicionado na saída do sistema, ou seja, a jusante da descarga da bomba que promove a aspiração do analito junto ao gás de arraste. O dito bocal convergente-divergente é apropriadamente configurado em termos da dimensão da entrada convergente (conectada com a descarga da bomba de aspiração), da dimensão da garganta e da dimensão da saída divergente para o ambiente externo visando promover um jato a partir do gás analisado, assim minimizando a possibilidade de recirculação. É possível ainda que haja um sistema de compressão em um segundo estágio posicionado entre a bomba de aspiração de analitos e o bocal convergente-divergente, configurado de tal forma que esse segundo estágio de compressão possa succionar o gás expelido pela primeira bomba, além de succionar ar externo por meio de entradas independentes, visando promover um jato de maior vazão, reduzindo ainda mais a possibilidade de recirculação.

[058] Assim, de acordo com o acima exposto, a presente invenção se refere a um sistema de detecção de moléculas ionizadas de diferentes espécies para um espectrômetro de mobilidade iônica. Por meio da presente invenção são detectados traços de determinadas espécies (analitos) encontradas em amostras de gases.

[059] Para tanto, de acordo com as figuras 1 a 6, é ilustrado um sistema de detecção de moléculas ionizadas de diferentes espécies para um espectrômetro de mobilidade iônica de acordo com a presente invenção, bem como seu circuito eletrônico de detecção. O sistema de detecção de moléculas ionizadas de diferentes espécies para um espectrômetro de mobilidade iônica compreende uma estrutura para espectrômetros de mobilidade iônica dos tipos AIMS, OLIMS ou DMA, que compreende uma entrada do analito (001), espectrômetros de mobilidade iônica (100), uma região de ionização (200), uma interface ou conexão (110) entre a entrada do analito (001) e a região de ionização (200), uma região de separação (310), uma primeira interface ou conexão (120) entre a região de ionização (200) e a região de separação (310), uma região de detecção (320), uma segunda interface (130) entre a região de separação (310) e a região de detecção (320) e eletrodos de saída (327) na região de detecção (320).

[060] É importante destacar que, para a forma de realização desta invenção, a primeira interface (120) representa um contato elétrico entre um invólucro metálico da câmara de ionização (220) e um eletrodo central de referência (311), contudo, isso representa apenas uma particularidade de uma possível forma de realização desta invenção, baseada na ionização promovida por descarga corona.

[061] Adicionalmente, em espectrômetros do tipo em questão, a região de separação (310) e a região de detecção (320) compreendem uma região integrada de separação e detecção (300), e a segunda interface (130) é meramente abstrata, uma vez que nestas configurações de espectrômetros de mobilidade iônica a mesma região de separação (310) corresponde à região de detecção (320).

[062] Por sua vez, os eletrodos de saída (327) são posicionados na região de detecção (320) de modo a detectar cada espécie de íon e sua respectiva concentração, já corrigidos em relação a interferências eletromagnéticas. Assim, íons (010) produzidos pelo processo de ionização que ocorre na câmara de ionização (200) são direcionados para a região integrada de separação e detecção (300), e sua espécie e concentração são calculados.

[063] Um espectrômetro de acordo com a presente invenção pode compreender também uma agulha cirúrgica (210), e o invólucro metálico da câmara de ionização (220) pode ser construído, preferencialmente, em materiais metálicos que não sofram oxidação, tais como aço inox 316, aço inox 316L, ligas ou materiais especiais contra oxidação, banhado a ouro, entre outros. De maneira similar, eletrodos de medida da corrente iônica (312) e eletrodos de medida da interferência eletromagnética (313), bem como o eletrodo central de referência (311) ou plano de referência são fabricados, preferencialmente, com os mesmos materiais.

[064] Durante o uso do sistema, um primeiro potencial elétrico (230) é aplicado entre o invólucro metálico da câmara de ionização (220) e a agulha cirúrgica (210), na faixa preferencial de 100 a 10.000 V, para a detecção de todos os íons relevantes. Adicionalmente, um segundo potencial elétrico (314) é aplicado entre o terra (315) do circuito eletrônico e o eletrodo de referência (311) na faixa preferencial de 100 a 10.000 V.

[065] É importante destacar aqui que, quanto menor a tensão aplicada nos eletrodos, maior será o raio da trajetória dos íons e, portanto, maior deverá ser o comprimento da câmara de detecção. Por outro lado, quanto maior tal tensão, menor será o raio da trajetória dos íons e, portanto, menor será o comprimento da câmara de detecção. Uma câmara de detecção maior oferece mais precisão para a posição de colisão dos íons nos eletrodos, porém, as correntes são proporcionalmente menores, o que dificulta a detecção. Ademais, com um aumento grande da tensão, pode-se criar um arco-elétrico dentro da câmara de detecção, o que poderia danificar os circuitos de medição de correntes (extremamente sensíveis, por ser da ordem de femtoamperes).

[066] É previsto ainda um canal (240) de condução do fluxo de íons (010) entre a câmara de ionização (200) e a região de separação/detecção (300), o canal (240) compreendendo uma dimensão preferencial na faixa de 10μm até 10mm, e espaçadores entre eletrodos de medida (330) e referência (331), com espessuras da faixa preferencial de 50μm até 5mm, fabricados preferencialmente em materiais que apresentem elevada resistividade elétrica como, por exemplo, politetrafluoretileno, silicone, materiais cerâmicos tais como Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) ou High Temperature Co-fired Ceramics (HTCC), materiais poliméricos, vidro, entre outros.

[067] Por fim, o circuito eletrônico exemplar de detecção compreende resistores de medida da corrente iônica (350), preferencialmente com valores típicos maiores do que 1Q0kQ, resistores de referência (323) conectados a um amplificador operacional (321) para amplificação do sinal obtido no resistor de medida da corrente iônica (350), resistores de realimentação (324) conectados ao amplificador operacional (321), um amplificador operacional (322) configurado em modo diferencial e respectivos resistores de tratamento de sinal (325, 326).

[068] É previsto também que o fluxo jusante (340) do gás de arraste (020) e íons (010) do analito podem ser direcionados para a entrada do analito (001) por meio de uma bomba de aspiração (520), preferencialmente na faixa de 0,01 a 5LPM (litros por minuto).

[069] Como pode ser visto na figura 7, preferencialmente, uma distância (342) entre o topo do eletrodo de medição (312) e o plano de referência (311) está na faixa de 50μm a 50mm, e uma diferença de altura (341) ou diâmetro entre eletrodo de medição (312) e eletrodo de referência (313) está na faixa preferencial de 100nm até 5mm.

[070] As figuras 8 a 11 ilustram os espaçadores de acordo com uma segunda configuração da presente invenção, que compreendem canais (332) ou sulcos visando favorecer a entrada do gás de arraste por meio destes ao longo da região integrada de separação e detecção (300). Deste modo, o espectrômetro compreende um fluxo de gás de arraste (020) e analito (001) que compreende os íons a serem detectados que proporciona um fluxo jusante (340) direcionado para o interior da região integrada de separação e detecção (300), em que os espaçadores (330, 331) compreendem os sulcos (332) que são configurados de modo a proporcionar um fluxo de gás externo somado ao fluxo jusante (340) para dentro da região integrada de separação e detecção (300) e eliminar vórtices de fluxo próximos aos pares de eletrodos. Preferencialmente, o fluxo de gás externo sendo da ordem de dez vezes menor que o fluxo jusante (340).

[071] Como é mostrado na figura 12, o sistema de acordo com uma terceira configuração da presente invenção compreende a entrada de ar externo ou conexão apropriada para gás de arraste (020), fabricados preferencialmente de materiais inertes conforme acima referenciados, um distribuidor de fluxo (400) que, preferencialmente, realiza a distribuição uniforme e homogênea do gás de arraste (020), um sistema de controle de vazão (410) constituído por sensor de vazão, atuador apropriado e controlador eletrônico visando manter a vazão constante de um determinado gás, um primeiro conjunto (500) que é composto por um sistema de controle de vazão (410) e um espectrômetro de mobilidade iônica (100), cuja finalidade é determinar especificamente o espectro das espécies presentes no gás de arraste (020), um segundo conjunto (501) que é composto por um sistema de controle de vazão (410) e um espectrômetro de mobilidade iônica (100), cuja finalidade é determinar o espectro do analito (001) misturado/diluído ao gás de arraste (020), em que o conjunto (500) determina a referência enquanto que o conjunto (501) é o espectrômetro de mobilidade iônica principal para o cálculo dos íons.

[072] Nessa configuração preferencial, os vários eletrodos de saída (327) de cada conjunto podem ser analisados separadamente por um sistema eletrônico que irá realizar as compensações do impacto das espécies presentes no gás de arraste (020) sobre o espectro obtido a partir do analito (001), ou podem ser subtraídos em um circuito eletrônico que compreende um amplificador operacional de compensação (502), resistores de tratamento de sinal de compensação (503, 504), proporcionando assim uma saída corrigida (505).

[073] Ainda, o sistema de acordo com uma quarta configuração compreende ainda canais (510), que conectam a saída da região integrada de separação e detecção (300) dos espectrômetros de mobilidade iônica (100) a uma bomba de aspiração (520) e uma bomba de segundo estágio (600), que visa succionar o gás expelido pela bomba de aspiração (520) e misturar a ar ambiente ou outro gás disponível (610), para então descarregar a mistura em uma pressão e vazão conveniente a um dispositivo bocal convergente-divergente (700), que compreende um diâmetro da entrada convergente (701), um raio ou um ângulo de estrangulamento (710), um diâmetro de garganta (720), um raio ou um ângulo da abertura divergente (730), um diâmetro de saída da região divergente (740) e um sentido da vazão (750), cuja vazão preferencialmente deve ser superior a 5LPM para expulsar o gás de arraste e os íons de modo a não haver uma realimentação após a medição.

[074] O espectrômetro de mobilidade iônica de acordo com a presente invenção compreende assim, um mecanismo de compensação da interferência eletromagnética, devido às diferenças de alturas (341) entre os eletrodos de medição (312) e os eletrodos de referência (313), considerando a mudança de trajetória provocada nos íons (010) pelo campo elétrico promovido pelo potencial elétrico (314) aplicado entre os eletrodos de medição (312), os eletrodos de referência (313) e o eletrodo de referência central (311), conforme ilustrado na Erro! Fonte de referência não encontrada. (considerando AIMS) ou na Erro! Fonte de referência não encontrada. (considerando DMS).

[075] Nesse caso, os íons não colidirão com os eletrodos de referência (313), mas somente com os eletrodos de medição (312). Deve ser observado que a área de choque dos eletrodos de medição (312) é maior (o que é uma vantagem, visando aumentar a corrente induzida pelos íons nos resistores (350)). Assim, fica evidente, considerando o sentido do fluxo a jusante (340) e a disposição dos eletrodos de medição (312) e os eletrodos de referência (313), bem como os respectivos espaçadores (330, 331) que os eletrodos de referência (313) não sofrerão colisões de íons, portanto, ficando susceptíveis somente à interferência eletromagnética local.

[076] De acordo com a segunda configuração da presente invenção, o espectrômetro de mobilidade iônica compreende ainda um mecanismo de entrada tênue do gás de arraste, que, conforme ilustrado pelas figuras 8 a 11, é realizado por meio de canais ou sulcos (332) fabricados nos espaçadores (330, 331). O gás de arraste (020) é preferencialmente conduzido para os sulcos (332) por meio de um distribuidor adjacente à região integrada de separação e detecção (300). Nesse caso, o fluxo de gás de arraste (020) que é adicionado à região integrada de separação e detecção (300) e somado ao fluxo a jusante (340) por meio dos sulcos (332) é relativamente pequeno, sendo desprezível para o fluxo a jusante (340) total, sendo, preferencialmente, da ordem de dez vezes menor que o fluxo a jusante (340) que atravessa o canal (240). Na configuração preferencial, a vazão a jusante (340) compreende preferencialmente uma vazão entre 10-3cm3/min e 10+3cm3/min, preferencialmente 10cm3/min, e a vazão dos sulcos (332) compreende preferencialmente uma vazão entre 10-5cm3/min e 10+2cm3/min, preferencialmente 1cm3/min. Deste modo, os espaçadores compreendem, preferencialmente, uma dimensão entre de 50μm e 5mm, preferencialmente 100μm de espessura.

[077] Ademais, conforme acima descrito e pode ser visto na figura 12, o sistema em uma terceira configuração compreende ainda um mecanismo de compensação da interferência originada por espécies presentes no gás de arraste (020), que compreende dois espectrômetros de mobilidade iônica (100), preferencialmente idênticos para facilitar os cálculos, com o mesmo número de saídas (327) que indicam a corrente iônica induzida em cada seção da região (300). Um primeiro espectrômetro de mobilidade iônica (501) recebe o analito (001) diluído no gás de arraste (020) para análise, enquanto que um segundo espectrômetro de mobilidade iônica (500) recebe somente o gás de arraste (020), as saídas (327) dos espectrômetros de mobilidade iônica (500, 501) são conectadas, preferencialmente, a um circuito eletrônico de compensação acima referenciado.

[078] Nesse caso, outras estratégias de correção da interferência causada por espécies presentes no gás de arraste (020) podem ser empregadas, sem divergir do escopo da presente invenção, ou seja, as saídas (327) dos espectrômetros de mobilidade iônica (500, 501) podem ser enviadas a um sistema que seja apropriado para interpretar e compensar tais interferências, tais como uma RNA (rede neural artificial), um sistema baseado em lógica Fuzzy entre outros.

[079] Por fim, o sistema em uma quarta configuração compreende um mecanismo de expulsão do gás analisado, que visa evitar a recirculação do gás já analisado que compreende preferencialmente um estágio de compressão (600) e canal de admissão de ar externo ou gás de arraste (610) e um dispositivo bocal convergente-divergente (700). Desta forma, considerando a etapa de compressão (600) e o dispositivo (700), haverá uma redução substancial, ou total eliminação da recirculação do analito expelido (750). Esse cuidado é extremamente relevante para aplicações onde a sensibilidade necessária seja da ordem de ppb ou ppt.

[080] Por fim, é previsto pela presente invenção um método de operação do sistema de detecção de moléculas ionizadas de diferentes espécies para um espectrômetro de mobilidade iônica, conforme acima revelado.

[081] Assim, um método de detecção de íons de acordo com a presente invenção compreende as etapas de: a) Eliminação das interferências eletromagnéticas originadas pelo sistema de ionização ou, a partir do ambiente externo ou, como resultado da combinação de ambos os fatores; b) Redução das colisões de íons com eletrodos de referência; c) Correção do espectro obtido considerando espécies interferentes transportadas para a câmara de detecção depelo gás de arraste; d) Redução da interferência de medida devido a gás proveniente de recirculação; e) Detectar as espécies de íons e suas respectivas concentrações..

[082] Inicialmente, a etapa de eliminação das interferências eletromagnéticas baseia-se no fato de que os íons não irão colidir com eletrodos de referência (313) devido ao sentido de fluxo a jusante (340) va. Ou seja, etapa a) consiste em promover uma proteção robusta aos eletrodos de referência (313) contra colisões de íons por meio da diferença dimensional (341) que pode ser em termos de altura (no caso de AIMS) ou de diâmetro interno (no caso de DMS). Assim, fica assegurado que os eletrodos de referência (313) somente irão apresentar correntes induzidas por interferências eletromagnéticas e pode assim ser realizado o cancelamento das interferências a partir de circuitos simples e robustos, como aqueles previamente apresentados, em que assim as saídas (327) apresentam sinal proveniente apenas da corrente induzida pelas colisões de íons (010).

[083] Ainda, é previsto que a diferença dimensional (341) seja suficientemente pequena de modo que o regime do fluxo (340) seja laminar, e é possível que em determinadas condições (tais como propriedades do gás de arraste, analito, humidade, pressão, temperatura, entre outros) ocorram vórtices ou pequenas turbulências de modo que haja colisões de íons (010) contra eletrodos (313) o que irá degradar a qualidade do sinal obtido a partir da compensação supramencionada.

[084] Assim, a etapa de redução das colisões de íons com eletrodos de referência visa reduzir tais colisões de íons (010) contra eletrodos de referência (313), e consiste em empregar um distribuidor apropriado que irá permitir a distribuição uniforme de gás de arraste (020) ao longo da região (300) por meio dos sulcos (332). De modo que o fluxo de gás de arraste (020) que é adicionado à região integrada de separação e detecção (300) e somado ao fluxo a jusante (340) por meio dos sulcos (332) é suficientemente pequeno, sendo desprezível para o fluxo a jusante (340) total, sendo preferencialmente, no máximo da ordem de dez vezes menor que o fluxo (340) que atravessa o canal (240), conforme acima explanado.

[085] A etapa de correção do espectro obtido considerando espécies interferentes transportadas para a câmara de detecção pelo gás de arraste, considerando espécies interferentes transportadas para a câmara de detecção (300) de um espectrômetro de mobilidade iônica (501) pelo gás de arraste (020) consiste de analisar o espectro obtido por dois espectrômetros idênticos (500, 501). Mais especificamente, o método consiste em utilizar o mesmo gás de arraste (020), distribuir de maneira homogênea, garantindo, preferencialmente, a mesma vazão e regime por meio de um distribuidor adequado e usar um de sistema de controle para ambos os espectrômetros (500, 501). O analito (001) inserido em (501) é diluído em (020) e a vazão que passa pelos canais (240) de cada espectrômetro (500, 501) é a mesma.

[086] A partir das saídas (327) de cada espectrômetro (500, 501), é possível empregar diferentes abordagens para cancelar interferências originadas por espécies transportadas pelo gás de arraste (020); por exemplo, tais saídas podem ser enviadas para um computador que possua um programa adequado para efetuar o cancelamento de interferências, pode ainda ser usado um sistema embarcado ou outras abordagens já mencionadas anteriormente.

[087] Cabe aqui salientar que, obviamente, a mesma vazão facilita a análise de dados, porém proporções diferentes podem ser utilizadas, resultando em uma análise computacional maior.

[088] Por fim, a etapa de redução da interferência de medida devido ao gás proveniente de recirculação reduz ou elimina a interferência de medida devido à recirculação de gás nos arredores do espectrômetro de mobilidade iônica, mais especificamente, devido à recirculação do gás expelido que pode ser novamente aspirado, e consiste em providenciar que o gás expelido passe por uma nova etapa de compressão, na qual, ar externo pode ser adicionado, visando providenciar elevada vazão mássica, maior diluição do gás expelido por e alta velocidade de descarga por meio de, por exemplo, um dispositivo bocal convergente-divergente, fabricado no mesmo corpo do sistema de espectrometria de mobilidade iônica ou, que seja acoplado a este.

[089] Tal etapa é especialmente útil para aplicação em sistemas portáteis de espectrometria, conforme previamente mencionado.

[090] Diante do acima exposto, fica claro que a presente invenção descreve um espectrômetro de mobilidade iônica dos tipos Open Loop (OLIMS), Aspiration IMS (AIMS) e Differential Mobility Analysers (DMA), robusto, que com técnicas de redução de ruído que minimizam (ou mesmo eliminam) os ruídos em tais medições, em especial os ruídos eletromagnéticos que dificultam a medição de correntes de valores pequenos conforme acima referenciado, porém também diversos outros fatores como a realimentação de íons, erros na medição de íons devido aos vórtices de fluxo perto dos eletrodos de medição, entre outros.

[091] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.

Claims (21)

1. Espectrômetro de mobilidade iônica (100) para detecção de íons (010) de diferentes espécies, o espectrômetro de mobilidade iônica sendo do tipo Open Loop, Aspiration ou Differential Mobility Analyser e compreendendo uma região de ionização (200), uma região de separação (310), uma região de detecção (320), e eletrodos de saída (327), em que a região de separação (310) e a região de detecção (320) compreendem uma região integrada de separação e detecção (300) conectada à região de ionização (200), os eletrodos de saída (327) sendo posicionados na região de detecção (320) de modo a detectar espécies de íons e suas respectivas concentrações, o espectrômetro de mobilidade iônica sendo caracterizadopelo fato de que os eletrodos de saída (327) compreendem um ou mais pares de eletrodos de medição (312) e eletrodos de referência (313) que possuem uma diferença de altura (341).

2. Espectrômetro de mobilidade iônica (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a diferença de altura (341) é uma diferença de diâmetro.

3. Espectrômetro de mobilidade iônica (100), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que a diferença de altura (341) está na faixa entre 100nm e 5mm.

4. Espectrômetro de mobilidade iônica (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizadopelo fato de que a altura dos eletrodos de referência (313) é menor que a altura dos eletrodos de medição (312).

5. Espectrômetro de mobilidade iônica (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizadopelo fato de que compreende um circuito eletrônico de medição, o circuito eletrônico de medição sendo configurado de modo a realizar uma medição compensada de íons por meio da medida diferencial dos eletrodos de medição (312) em relação aos eletrodos de referência (313).

6. Espectrômetro de mobilidade iônica (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizadopelo fato de que o eletrodo de medição (312) do par de eletrodos de medição (312) e eletrodos de referência (313) é configurado de modo a proteger o respectivo eletrodo de referência (313) de colisões de íons (010).

7. Espectrômetro de mobilidade iônica (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizadopelo fato de compreender espaçadores (330, 331) entre os pares de eletrodos de medição (312) e eletrodos de referência (313).

8. Espectrômetro de mobilidade iônica (100) para detecção de íons (010) de diferentes espécies, compreendendo uma região de ionização (200), uma região de separação (310), uma região de detecção (320), em que a região de ionização (200) é conectada a região de separação (310) e a região de separação (310) é conectada a região de detecção (320), a região de detecção (320) compreendendo eletrodos de saída (327), o espectrômetro de mobilidade iônica (100) caracterizadopelo fato de compreender um fluxo de gás de arraste (020) e analito (001) que compreende os íons a serem detectados, o fluxo de gás proporciona um fluxo jusante (340) direcionado para o interior da região de detecção (320), e a região de detecção (320) compreende espaçadores (330, 331) posicionados entre os eletrodos de saída (327), em que os espaçadores (330, 331) compreendem sulcos (332) configurados de modo a proporcionar um fluxo de gás externo somado ao fluxo jusante (340) para dentro da região de detecção (320) e eliminar vórtices de fluxo próximos aos eletrodos de saída (327), o fluxo de gás externo sendo da ordem de dez vezes menor que o fluxo jusante (340).

9. Sistema para detecção de íons (010) de diferentes espécies, caracterizadopelo fato de compreender dois espectrômetros de mobilidade iônica (100) conforme definidos em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, um distribuidor de fluxo (400) que realiza uma distribuição do gás de arraste (020) entre os dois espectrômetros de mobilidade iônica (100), e uma entrada de analito (001) e gás de arraste (020) que proporciona um fluxo jusante (340) direcionado para o interior da região integrada de separação e detecção (300) de um primeiro dos dois espectrômetros de mobilidade iônica (100), em que o primeiro dos dois espectrômetros de mobilidade iônica (100) é configurado de modo a detectar o espectro do analito (001) misturado ao gás de arraste (020) e o outro espectrômetro de mobilidade iônica (100) detecta a referência dos compostos presentes no gás de arraste (020).

10. Sistema para detecção de íons (010) de diferentes espécies, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de compreender um sistema eletrônico configurado de modo a detectar as espécies de íons e suas respectivas concentrações por meio da medida diferencial entre os valores detectados pelos dois espectrômetros de mobilidade iônica (100).

11. Sistema para detecção de íons (010) de diferentes espécies, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizadopelo fato de compreender um sistema de controle de vazão (410) constituído por sensor de vazão, atuador e controlador eletrônico, configurado de modo a manter uma vazão constante nos dois espectrômetros de mobilidade iônica (100).

12. Sistema para detecção de íons (010) de diferentes espécies, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizadopelo fato de compreender um dispositivo bocal convergente-divergente (700), que compreende uma dimensão de entrada (701), um ângulo de estrangulamento (710), um diâmetro de garganta (720), um ângulo de abertura divergente (730), uma dimensão de saída da região divergente (740) e um sentido da vazão de alta velocidade (750), configurado de modo a expulsar o gás de arraste (020) e o analito (001) para longe da entrada de analito (001) e gás de arraste (020).

13. Método de detecção de íons (010) de diferentes espécies em um espectrômetro de mobilidade iônica (100) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8,caracterizadopelo fato de compreender as etapas de: a) Eliminar as interferências eletromagnéticas originadas pelo sistema de ionização ou, a partir do ambiente externo ou, como resultado da combinação de ambos os fatores; b) Reduzir as colisões de íons com eletrodos de referência; c) Corrigir o espectro obtido considerando espécies interferentes transportadas para a câmara de detecção pelo gás de arraste; e d) Reduzir a interferência de medida devido a gás proveniente de recirculação e) Detectar as espécies de íons e suas respectivas concentrações.

14. Método de detecção de íons (010) de diferentes espécies, de acordo com a reivindicação 13, o método caracterizadopelo fato de que a etapa a) consiste em promover uma proteção a eletrodos de referencia (313) contra colisões de íons por meio de uma diferença de altura (341) entre os eletrodos de referencia (313) e eletrodos de medição (312).

15. Método de detecção de íons (010) de diferentes espécies, de acordo com a reivindicação 14, o método caracterizadopelo fato de que a etapa a) consiste em realizar uma medição compensada de íons por meio da medida diferencial dos eletrodos de medição (312) em relação aos eletrodos de referência (313).

16. Método de detecção de íons (010) de diferentes espécies, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15, o método caracterizadopelo fato de que a etapa b) consiste em proporcionar um fluxo de gás de arraste (020) e analito (001) que compreende os íons a serem detectados que proporciona um fluxo jusante (340) direcionado para o interior para do espectrômetro de mobilidade iônica (100), proporcionar um fluxo de gás externo somado a um fluxo jusante (340) de gás de arraste (020) e analito (001) e eliminar vórtices de fluxo próximos aos pares de eletrodos, o fluxo de gás externo sendo da ordem de dez vezes menor que o fluxo jusante (340).

17. Método de detecção de íons (010) de diferentes espécies, de acordo com a reivindicação 16, o método caracterizadopelo fato de que o fluxo de gás externo é perpendicular ao fluxo jusante (340).

18. Método detecção de íons (010) de diferentes espécies, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 17, caracterizadopelo fato de que a etapa c) consiste em proporcionar dois espectrômetros de mobilidade iônica (100), em que um primeiro dos dois espectrômetros de mobilidade iônica (100) é configurado de modo a detectar o espectro do analito (001) misturado ao gás de arraste (020) e o outro espectrômetro de mobilidade iônica (100) detecta a referência dos compostos presentes no gás de arraste (020).

19. Método de detecção de íons (010) de diferentes espécies, de acordo a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que a etapa c) compreende detectar as espécies de íons e suas respectivas concentrações por meio da medida diferencial entre os valores detectados pelos dois espectrômetros de mobilidade iônica (100).

20. Método de detecção de íons (010) de diferentes espécies, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 19, caracterizadopelo fato de que a etapa d) consiste em providenciar que o gás expelido pelo espectrômetro de mobilidade iônica (100) passe por uma nova etapa de compressão para expulsão do sistema.

21. Método detecção de íons (010) de diferentes espécies, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 17, caracterizadopelo fato de que a etapa e) compreende detectar as espécies de íons e suas respectivas concentrações por meio de uma medida diferencial entre os eletrodos de medição (312) em relação aos eletrodos de referência (313), e uma medida diferencial entre os valores detectados pelos dois espectrômetros de mobilidade iônica (100).