CN101680857A - 包括用于滤波的间隔电极的离子迁移率光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种离子迁移率光谱仪，具有分析物的进口(2)，该进口(2)通向产生物质离子的电离区域(3)。平行的栅格状电极(41，42，43)横向穿过离子流路径延伸，并将在多个周期中在场强上变化的相对低场强的交变场和具有能够引起微分迁移率效应的足够高的场强的非对称交变场之间切换的电场施加到离子上。集电极(5)收集穿过的离子并对强场与弱场间隔期间由所收集的穿过的离子产生的分析物的性质进行指示。还公开了一种在电极之间的交变场(基本上是交变的)的应用，所述交变场在超过交变周期的时间内在低值与高值之间变换。

Description

包括用于滤波的间隔电极的离子迁移率光谱仪

技术领域

本发明涉及一种检测设备，该检测设备包括一对间隔的电极、基本上对称的交变场源被连接到所述电极上以在所述电极之间施加交变场。

背景技术

传统的离子迁移率光谱仪(IMS)被用于通过确定处于相对较弱的电场中的分析物的离子的迁移率来指示气体或蒸汽的性质，其中离子迁移率与场强值的变化呈线性关系。另一种被称为场非对称离子迁移率光谱仪(FAIMS)或微分迁移率光谱仪(DMS)的离子迁移率光谱仪利用强得多的场来指示分析物离子的性质，其中利用了某些离子的迁移率在强场区域随着场强的变化会偏离线性关系。IMS和FAIMS光谱仪各有优点和缺点，IMS更适于检测某些物质，而FAIMS更适于检测另一些物质。可以通过在强场和弱场中分别测量离子迁移率来获得关于离子的最大信息量以及从而获得最大选择性。这可以通过将强场和弱场检测器一前一后地连接在一起来实现，但这样造成了各种工程问题。而且，这样结合起来的仪器体积相对较大并且具有相对较高的功率需求。

发明内容

本发明的目的是提供用于检测的可替换的方法和设备，以及可替换的光谱仪。

根据本发明的一个方面，提供了上面所述的特定种类的检测设备，其特征在于，场强值在超过交变周期的一段时间上在低值和高值之间变化，其中最大值小于引起微分离子迁移率效应所需的场强值，以及所述设备包括用于收集穿过场的离子以产生输出信号的集电极和响应于输出信号来提供对检测到的离子的指示的处理器，其中所述输出信号随着具有不同的弱场迁移率的离子穿过电极或在电极之间被捕获而变化。

电极可以与穿过设备的离子流路径横向设置，并且呈开放结构，从而使得离子可以穿过电极。集电极可以被设置成收集那些穿过所述电极中的一者的离子。可替换地，电极可以与穿过设备的离子流路径平行设置，从而使得离子沿电极之间的间隙移动。在可替换的设置中，集电极可以被设置成收集那些沿电极之间的间隙的长度穿过的离子。设备可以被设置成在不施加对称交变场的时侯将强非对称交变场施加到电极，该强场足够引起强场微分迁移率效应，从而使得设备可以被设置成提供对分析物离子的强场迁移率和弱场迁移率的指示。

根据本发明的另一个方面，提供了一种检测设备，该检测设备包括间隔的电极和电压源，其特征在于所述电压源被配置成将弱交变场和强交变场都施加到电极上从而分别产生对检测到的离子的弱场迁移率和强场迁移率的指示，并且所述设备包括处理器，该处理器被配置成使用两个迁移率指示来指示检测的离子的性质。

根据本发明的又一个方面，提供了一种检测离子的方法，该方法包括：在两个电极之间施加用于检测的分析物离子；在不同时刻在电极之间施加两个不同的场，其中一个场是相对较弱的对称交变场，其场强值在超过交变场的周期的时间上不断增大，另一个场是相对较强的非对称场，其足够引起离子的强场微分迁移率效应；在施加两个场的期间收集穿过电极的离子；以及根据在弱场和强场两者期间收集的离子所产生的信号来提供对离子的性质的指示。

根据本发明的第四个方面，提供了一种光谱仪，该光谱仪具有分析物的进口，被配置成产生物质的离子并将这些离子施加到电场区域的电离区域，其特征在于，电场区域可在两个不同的场之间切换，即在多个周期中发生场强变化的相对较弱的交变场和场强足以引起微分迁移率效应的非对称交变场之间切换。

可以在沿着横穿离子流路径的方向延伸的两个栅格状电极之间或在沿着离子流路径的方向延伸的两个电极之间的间隙中提供所述电场区域。

附图说明

现在参考附图，以示例的方式描述两个不同形式的光谱仪和检测物质的方法，其中：

图1是平行运动光谱仪的示意图；

图2示出了当施加场强不断增加的相对较弱的交变场时高迁移率和低迁移率离子的运动；

图3示出了由弱场产生的时间-离子电流曲线图；

图4示出了微分之后的图3的离子电流输出；

图5示出了在光谱仪中使用的代替弱场的强非对称场；

图6是光谱仪的可替换形式的一部分的示意图；以及

图7示出了当图6的光谱仪在弱场模式中操作时的时间-离子电流曲线图。

具体实施方式

参考图1，示出了光谱仪形式的检测设备，该光谱仪具有外壳1，该外壳1在上端带有用于气体或蒸汽形式的分析物的进口2。该进口2通向电离区域3，在电离区域3中容纳的分析物的分子被电离。产生的离子向下流到光谱仪中，在电场或气流的影响下，流入电场区域4。电场区域由两个或三个沿外壳1横向延伸的平行栅格状电极41、42和43提供，电极的开放特征使得当中性离子穿过电极时基本上不受阻碍。集电极板5位于场区域4下，该集电极板5连接到放大器和处理单元6，该放大器和处理单元6再将输出提供给显示器或其他实用装置7。由数字8一般指示的气流系统连接在光谱仪外壳1的相对两端之间，以按照需要沿着外壳提供清洁干燥气流。

电极41至43连接到电压源振荡器10，该电压源振荡器10可选择性地将两个不同的电场施加到电极上。第一个电场较弱。在该应用中，术语“弱场”用于指示其中离子迁移率按线性方式随着场强值的变化而改变的场。通过向电极41至43施加方波来产生场，所述方波在等值的正负电压之间对称交变。方波的振幅被调制从而使得方波的振幅在等于方波的多个振荡周期的时间上从0线性增加到最大值。这使在电极41至43之间的离子在电极之间来回振荡。具有高迁移率的那些离子具有相对大的运动幅度，而具有低迁移率的那些离子具有低的幅度，如图2中的两条曲线所示，其中虚线表示高迁移率的离子，实线表示低迁移率的离子。电极之间的间距由水平虚线“S”表示，S与垂直位移刻度相对应，可取任意单位。

图3中表示了产生的离子电流，该离子电流被平滑以减少来自高频矩形波形的波动。实际上，大多数为低噪声配置的放大器都会产生这种平滑形式。由此可见，在弱场所有的离子会在电极41至43的范围之间振荡并且没有离子会穿过，所以是零离子电流。随着场进一步增加(在图2和3中的点“A”)，最初，只有高迁移率离子会达到和穿过较低的电极43从而传到用于检测的集电极板5。所以，随着更多高迁移率离子穿过，离子电流稳定地增大。最终(在点“B”)，所有的高迁移率离子穿过较低的电极43，从而电流达到稳定水平(plateau)。进一步增大振荡场的振幅，然后开始驱动低迁移率离子穿过较低电极43(在点“C”)，从而使得离子电流再提高到新的稳定水平(在点“D”)，其中所有的低迁移率离子被驱动穿过较低电极。当场再次下降到0时(在点“E”)，在周期的最后，离子电流也降到0。可以理解，通常，会存在离子迁移率在两个极值之间的一定范围的离子。根据电极41至43之间的间距来选择最大场值。最大场值被设置成使得可能遇到的最低迁移率离子在低于最大场值的某点穿过低电极43。处理器6被设置成识别(identify)图3中所示的曲线的特性，该曲线提供了关于检测的离子的性质的信息。可以以这种形式来使用图3中所示的曲线，或者可以对图3中所示的曲线进行微分(如图4中所示)从而使特性的识别更清楚。

在图2和4中可以看到由振荡场引起的信号变化。为了使该信号变化最小化，需要使调制频率和振荡场的频率之间的比率尽可能最高。调制扫描频率通常在1至10Hz的范围内，每秒给1至10个光谱。振荡波形(不需要是矩形的)的频率通常在kHz的区域。

在一些情况下，来自弱场模式的信息可以被自身使用，从而识别所检测的离子的性质，诸如通过与已知离子的曲线特性的查找表相关联。可替换地，根据本发明的一个方面，该信息可以与关于强场迁移率的信息结合起来，所述关于强场迁移率的信息使用在强场模式中操作的相同设备来获得，如下所述。

为了获得强场信息，振荡器10被切换到强场模式从而提供图5中所示的那种电压。强场可以由不同的振荡器(未示出)提供，而不必使用相同的振荡器。在该应用中，术语“强场”被用来指示足够高以引起离子中的微分迁移率效应的场。图5中所示的电压是传统的FAIMS非对称电压，该电压包括短的持续高电压正脉冲和长的持续低电压负脉冲。选择正脉冲和负脉冲的持续时间和幅度使得一个周期上的平均电压为0。在该示例中，电压在+4000伏特和-2000伏特之间切换，周期的负部分的持续期间是周期的正部分的持续时间的两倍。这在电极41至43之间给出一个万伏特/厘米的量级的场。当以该模式操作时，没有强场微分迁移率的离子具有净位移为0，从而所述离子会保持在电极41至43之间。然而，在强场的具有不同迁移率的这些离子将根据其电荷逐渐向一个电极或另一个电极移动，最终穿过电极。系统被设置成使得要检测的离子移动穿过低的电极43并从而穿过用于检测的集电极板5。小的直流电压也可以被叠加到电极41、42和43上，从而具有各种微分迁移率的离子可以通过调整所述电压而被选择和识别。可替换地，电极上的直流电压可以被固定，并且离子的微分迁移率可以通过测量其从电极41穿过到电极43的时间来被测量。也可以使用将上述两种方式结合起来的技术。

所以，通过在弱场模式和强场模式中操作光谱仪，能够提取离子的性质的两种不同指示，或者能够识别具有弱场迁移率特性的离子和具有强场迁移率特性的离子。处理器6使用来自两种模式的信息来提供分析物的性质的改进的指示。

也可以使用只利用两个栅格(诸如图1中的栅格41和42，或42和43)的光谱仪来进行类似的测量。

以图1中所示的方式，通过使用沿离子流方向横向布置的开放栅格电极将光谱仪设置成产生平行离子运动并不是本质的。作为替代，光谱仪可以被设置成与传统的FAIMS类似的形式，如图6所示，其中与图1中的组件相对应的组件的参考标记为原来的参考标记加上100。在该设置中，电极141和142被设置成平行于仪器的轴并平行于穿过仪器的气流“G”的方向。如图所示，可以由平行固体平板来提供电极141和142，或者可以由FAIMS仪器中公知的两个共轴管状电极来提供电极141和142。和图1中的设置相同的低电压场被施加在两个电极141和142之间，这可以产生与图2中所示的低迁移率离子和高迁移率离子相同的振荡运动。在弱场中时，电极141和142之间的振荡振幅相对很小，从而离子不接触到电极，这样允许离子沿着电极之间的间隙流动并流出电极的右手端，流到用于检测的集电极板105。在图7中表示离子电流随时间的改变。由于振荡的振幅随着施加的场的增大而增大，所以较高迁移率的离子开始撞击电极141和142并被损失掉，这引起在集电极板105处检测到的离子电流的下降(在点“A”)。离子电流随着场强的增加而下降，直到所有较高迁移率的离子撞击电极141和142并且达到一个稳定水平(在点“B”)。随后(在点“C”)，较低迁移率的离子开始撞击电极141和142并且离子电流再次开始下降(在点“D”)，直到所有较低迁移率的离子撞击电极，并且在离子电流中达到一个稳定水平，直到在点“E”开始下一个周期。

当在强场FAIMS模式中操作时，图5中示出的这种电压代替弱场电压被施加到电极141和142。具有微分强场迁移率的离子向电极141或142的一个或另一个漂移，所以不沿着用于检测的电极之间的间隙穿过。通过将直流电压施加到交变电压上，选择的离子可以在传统的FAIMS仪器方式下穿过用于检测的电极141和142。

再次，通过对仪器在弱场模式和强场模式操作时的输出进行结合，能够从相同的仪器获得更多关于所述离子的信息，从而提高选择性。

本发明的弱场设置避免了对脉冲操作的需要，所述脉冲操作在传统的飞行时间(time-of-flight)仪器中很常见，由于并不是所有的离子都被分析，所以这种仪器的效率相对不高。

设备可以被设置成定期在强场和弱场模式之间切换。可替换地，设备可以以一种模式操作并且可以按照需要手动切换到另一种模式。设备可以在一种模式下操作并且可以只在第一个模式给出不清楚的输出或者表明在更适于替换模式中对存在的物质进行检测时才自动切换到另一种模式。

Claims (11)

1、一种检测设备，该检测设备包括一对间隔的电极(41和43，141和142)、被连接以在所述电极(41和43，141和142)之间施加场的基本上对称的交变场的源(10，110)，其特征在于，场强在超过交变周期的时间内在低值和高值之间变化，最大场强小于引起微分离子迁移率效应所需的场强，并且所述设备包括集电极(5，105)，该集电极(5，105)用于收集穿过所述场以产生输出信号的离子，所述输出信号随着具有不同的弱场迁移率的离子穿过所述电极(41和43，141和142)或在所述电极(41和43，141和142)之间被捕获而变化，所述设备还包括处理器(6，106)，该处理器(6，106)响应于所述输出信号来提供对检测到的离子的指示。

2、根据权利要求1所述的检测设备，其特征在于，所述电极(41和43)与穿过所述设备的离子流路径横向设置，并且所述电极(41和43)是开放结构从而使得离子能穿过所述电极。

3、根据权利要求1或2所述的检测设备，其特征在于，所述集电极(5)被设置成收集穿过一个所述电极(43)的离子。

4、根据权利要求1所述的检测设备，其特征在于，所述电极(141和142)被设置成平行于穿过所述设备的离子流路径，从而使得离子沿所述电极之间的间隙穿过。

5、根据权利要求4所述的检测设备，其特征在于，所述集电极(105)被设置成收集沿所述电极(141和142)之间的间隙的长度穿过的离子。

6、根据上述权利要求中任一项权利要求所述的检测设备，其特征在于，所述设备还被设置成在与施加所述对称交变场的时间不同的时间将强场非对称交变场施加到所述电极，所述强场足够引起强场微分迁移率效应，从而使得所述设备被设置成提供对分析物离子的强场迁移率和弱场迁移率的指示。

7、一种检测设备，该检测设备包括间隔的电极(41、42和43，141和142)和电压源(10，110)，其特征在于，所述电压源(10，110)被配置成将低交变场和高交变场两者施加到所述电极(41、42和43，141和142)上从而产生对检测到的离子的弱场迁移率和强场迁移率的分别指示，所述设备包括处理器(6，106)，该处理器(6，106)被设置成使用两个迁移率指示来提供对所检测到的离子的性质的指示。

8、一种用于检测离子的方法，该方法包括：在两个电极(41和43，141和142)之间提供用于检测的分析物离子；在不同时刻在所述电极之间施加两个不同的场，一个场是相对低的对称交变场，该相对低的对称交变场的场强在超过交变场的周期的时间内不断增加，另一个场是相对高的非对称场，该相对高的非对称场足够引起所述离子的强场微分迁移率效应；在弱场和强场期间收集穿过所述电极(41和43，141和142)的离子；以及根据在弱场和强场期间收集的离子所产生的信号来提供对所述离子的性质的指示。

9、一种光谱仪，该光谱仪具有分析物的进口(2)和被设置成用于产生所述分析物的离子并将这些离子施加到电场区域(4)的电离区域(3)，其特征在于，所述电场区域(4)能在两个不同的场之间切换，即在场强在多个周期中发生变化的相对低场强的交变场和具有能够引起微分迁移率效应的足够高的场强的非对称交变场之间切换。

10、根据权利要求9所述的光谱仪，其特征在于，在沿着横穿所述离子的流动路径的方向延伸的两个栅格状电极(41和43)之间提供所述电场区域(4)。

11、根据权利要求9所述的光谱仪，其特征在于，在沿着所述离子的流动路径的方向延伸的两个栅格状电极(141和142)之间的间隙中提供所述电场区域(4)。

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