CN101855700B - 使用四极或飞行时间质谱仪的化学电离反应或质子转移反应质谱测定 - Google Patents

Abstract

描述用于产生质谱系统中使用的试剂离子和产品离子的系统和方法。还揭示了用于检测痕量浓度的挥发性有机化合物的系统和方法的应用。微波或高频RF能量源使试剂蒸汽的粒子电离以形成试剂离子。试剂离子进入一个腔室，诸如漂移腔室，以与流体样品交互作用。电场引导试剂离子和促进与流体样品的交互作用而形成产品离子。然后试剂离子和产品离子在电场的影响下退出腔室，以供质谱仪模块检测。系统包括：各种控制模块，用于设置系统参数值；以及分析模块，用于在质谱法和系统故障期间检测离子物质的质量和峰值强度值。

Description

使用四极或飞行时间质谱仪的化学电离反应或质子转移反应质谱测定

技术领域

本发明一般涉及质谱仪，尤其涉及使用微波或高频射频等离子体形成试剂离子的质谱测定及其应用。

背景技术

质谱测定一般是指通过使用光谱数据测量其它物理量而对粒子质量值的直接测量或粒子质量值的明确确定。质谱仪经常包括确定电离分子或成分的质荷比。当已知电离粒子的电荷时，可以从质量值谱来确定粒子的质量值。

已知用于执行质谱法的系统为质谱仪。质谱仪系统一般包括离子源、质量过滤器或分离器以及检测器。例如，可以通过在离子源中影响电子来产生离子而使分子或成分的样品电离。例如，通过对离子施加电场或磁场，通过质量分析器把具有不同质量值的离子分离成质量分布或质谱。检测器收集离子，并且可以观看和/或记录质量分布。使用谱中的质量值的相对丰度来确定样品的组成成分以及样品的分子或成分的质量值即身份。

存在许多不同类型的质谱仪，包括称之为离子-分子反应质谱仪(IMR-MS)的一个类别。在该类别中，存在数种技术，包括质子转移反应质谱法(PTR-MS)以及选择离子流动管质谱法(SIFT-MS)。这些类别一般是指通过其产生离子的方法。例如，质子转移反应质谱仪包括产生一般是水合氢离子(H₃O⁺)的试剂离子的离子源，以把电荷转移到样品成分中，例如，通过质子转移。在选择离子流动管质谱仪中，载气沿流动管输送经过滤的离子。在由澳大利亚Innsbruck的Ionicln Analytik GmbH销售的质子转移反应质谱仪中，通过对水蒸汽流施加DC等离子体放电而使用空心阴极管作为离子源来产生试剂离子。

某些质谱测量系统根据所使用的质量分析器来分类。例如，某些质谱测量系统是基于“串联技术”的，其中使用另外的分析技术与质谱测量设备相结合。一个例子是气相色谱质谱法(GC-MS)，其中在使用质谱仪进行分析之前使用气相色谱柱来分离样品的成分。

可以使用质谱法来确定样品中挥发性有机化合物(VOC)的量。VOC的测量已经变得很重要，因为即使在痕量浓度中的VOC的存在也可以作为许多不同应用中的重要的诊断指示器，并且会影响人类的健康。例如，当VOC的浓度升高到某个水平以上时，可能对人类发生有害健康的影响，诸如呼吸状况的影响。此外，在特定样品中的VOC的类型和量可以表示存在爆炸、有害化学剂、燃烧产物、疾病的病原体、腐烂或污染、纵火促进剂或药物的滥用。此外，在诸如生化和药品制造过程之类的工业过程中，监视VOC的存在和量也是有用的。

在一般情况和检测VOC的应用两个方面，现有的质谱系统具有数个固有的缺点。例如，使用气相色谱的质谱系统由于对样品的分析相当慢，所以不适用于对流体样品的连续的、实时的监视。此外，以前的质谱系统经常需要在分析样品之前在基于实验室的环境中从现场收集样品，而不是原位分析。以前的质谱系统对于样品中较低浓度成分相当不灵敏，例如，因为离子源没有产生足够的离子量以产生用于较低浓度成分的可识别的质谱。在这些系统中的较低浓度成分的质谱由于动态范围限制或淹没在来自更高浓度成分的峰值干扰或由电子或机械设备产生的噪声中，经常不能与噪声区分。具有合适的灵敏度水平的质谱系统可以促进VOC的存在的检测，但是可能受到来自其它化合物存在的干扰，因此不能够正面地识别特定的化合物或物质。

发明内容

存在对于结实的质谱测量系统的需求，该系统能够提供连续的、实时的以及原位的分析。此外，存在对于一种系统的需求，该系统能够可靠地确定特定样品中VOC的存在和鉴定，包括VOC的痕量浓度。

实施本发明的一些系统和方法给出了质谱法的特征，所述质谱法使用微波能量或高频射频(RF)能量来产生与流体样品交互作用的试剂离子，例如，水合氢离子。已经发现使用微波能量产生试剂离子(诸如水合氢离子)比其它已报告的电离方法(例如，使用放射源)能产生更多的试剂离子量，同时还能避免与DC放电源相关联的电极腐蚀和不稳定。更多的试剂离子量导致系统灵敏度的增加，促进了个别VOC的定量测量和/或鉴定，甚至在处于痕量浓度的情况下。高频RF能量也展示了与使用微波能量产生试剂离子得到的质谱法的优点中相似的优点。此外，本发明涉及一些系统和方法，这些系统和方法用于在相当高的压力(例如，大于约100毫巴(约10,000帕斯卡))下实时测量VOC。

在一些实施例中，可以使用实施本发明的一些系统和方法来检测其浓度的数量级按体积计算是万亿分之几(pptV)的VOC。在一些实施例中，模块根据所捕获的质谱对检测到的特定VOC进行分析和分类。在本发明的实施例中使用的系统部件适合于便携式质谱法和/或原位应用。可以在使用化学电离反应质谱法(CIRMS)技术或质子转移反应质谱法(PTR-MS)技术的质谱系统中使用这里描述的概念。

在一些实施例中，本发明包括用于处理在系统工作期间捕获的、检测的或收集的数据的分析或控制模块。例如，一些系统包括多变量分析模块，用于根据质谱来促进VOC的检测和鉴定。还可以使用多变量分析模块来监视质谱系统或检测系统中的故障。此外，可以使用控制模块或反馈环路来控制试剂离子和样品离子的产生以及它们在质谱系统中的吞吐量，例如，通过控制系统的各种过程参数。这些参数包括各种电场、压力值、离子和蒸汽流速以及离子能量。本发明还涉及用于影响试剂离子、样品成分以及产品离子通过质谱系统的移动的各种系统部件之间的耦合、连接或接口。

可以根据多种系统参数来改变这里描述的化学电离反应质谱仪和质子转移反应质谱仪的灵敏度。可以根据漂移区域中的试剂离子浓度(例如，水合氢离子浓度)来改变灵敏度。

漂移区域中电场对中性粒子浓度的比值E/N(以Townsends(Td)表示)会影响质谱仪的灵敏度。比值E/N是漂移区域中压力(例如，气体密度)和电场强度的函数。比值E/N影响离子通过漂移区域所需要的时间。

退出漂移区域之后到达质谱仪的离子束强度会影响灵敏度(包括试剂离子和产品离子)。这是转移区域中转移光学器件(例如，电极/透镜孔径几何形状)、电场和压力制度(泵浦)的函数，影响离子束聚焦和离子束传输特性。

可以根据漂移区域中大块样品气体的部分压力和中性试剂物质之间的比值来改变灵敏度。所监视的气体样品物质的质子转移率常数(k)影响灵敏度。漂移区域的长度影响灵敏度，因为较长的漂移区域要求物质以更多的时间来越过漂移区域，因此试剂离子和样品物质反应的机会更多。与灵敏度因子有关的各种质谱仪也会影响灵敏度(例如，离子传输/质量鉴别、检测器/前置放大器增益以及信噪比)。

在一个方面，本发明涉及一个系统。该系统包括微波或高频RF能量源，以用微波或高频RF能量使试剂蒸汽粒子电离而形成一个或多个试剂离子。该系统还包括一个腔室，该腔室包括允许样品进入腔室以与来自微波或高频RF能量源的一个或多个试剂离子交互作用而形成一个或多个产品离子的入口端。在该腔室中产生有电磁场。系统还包括相对于腔室的退出孔设置的四极质谱仪模块，用于收集一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子，来促进产品离子和试剂离子的每一个的峰值强度值和/或质量的确定。

在一些实施例中，微波能量源包括微波等离子体发生器。高频RF能量源可以包括电容性耦合的RF等离子体发生器。在一些实施例中，试剂离子包括水合氢离子、氧离子或氧化亚氮离子。样品可以包括一个或多个挥发性有机化合物(VOC)。

系统的一些实施例的特征为：相对于腔室设置的、用于产生腔室中的电磁场的一组电极。电磁场促进试剂离子和样品之间的交互作用，并且通过腔室的退出孔引导产品离子和试剂离子。可以围绕腔室的轴径向地设置电极组，并且电磁场实质上以轴向引导产品离子和试剂离子。在一些实施例中，控制模块与电极组进行通信。可操作控制模块，以根据系统操作参数来确定腔室中电磁场(或电磁场梯度)的值。

系统可以包括质量流量控制器、毛细管或用于确定进入腔室的样品量的泄漏阀。系统可以包括设置在微波或高频RF能量源和腔室之间的、选择性地允许试剂离子进入腔室中的质量过滤器。合适的质量过滤器的例子包括四极质量过滤器。在一些实施例中，系统包括与系统通信的多变量分析模块，可操作而分析来自四极质量过滤器模块的数据。

微波能量源可以包括微波发生器、谐振部分、设置在谐振部分中并且与腔室通信的管部分以及一个或多个截流口，管通过这些截流口传送而减小试剂蒸汽供给、腔室(或两者)中的微波能量的量。在一些实施例中，系统包括与系统通信的控制模块，可操作而部分地根据系统的操作参数来改变系统的输入参数。这些参数包括样品的成分、腔室的压力、通过腔室的产品离子或试剂离子的速度、样品或试剂离子进入腔室的流速、产品离子或试剂离子的能量、试剂离子、产品离子或样品的化学成分、或它们的任何组合。在一些实施例中，可操作控制模块，部分地根据操作参数来改变产生腔室中电磁场的一组电极的输入参数。

在一些实施例中，系统包括与系统通信的控制模块，用于检测或识别系统操作参数的故障。控制模块还可以部分地根据故障的检测或识别来改变操作参数值。系统可以包括与系统通信的控制模块，用于监视系统。响应于监视，控制模块设置或调节系统的操作参数值，并且控制模块是基于多变量统计分析算法的。在一些实施例中，控制模块包括多变量统计分析模块。可以使用多变量统计分析模块来处理监视和/或检测质谱系统中的故障。可以使用多变量统计分析模块来检测和/或识别故障。在一些实施例中，使用多变量统计分析模块来解译质谱数据(例如，质谱中的数据)，并且用于根据质谱中成分峰值来识别成分。多变量统计分析模块可以与四极质谱仪或飞行时间质谱仪一起使用。在一些实施例中，使用控制模块或多变量统计分析模块两者来检测和/或识别系统中的故障，并且解译和/或分析数据，例如，从质谱仪中的成分峰值来识别成分。

系统还可以包括相对于腔室设置的获取电极。获取电极定义一个孔，试剂离子或产品离子通过该孔传送到四极质谱仪模块。还可操作获取电极来指定通过四极质谱仪模块收集的试剂离子或产品离子的能量值。系统的一些实施例的特征为：相对于腔室设置的透镜组件，用于使试剂离子和产品离子聚焦在获取孔上，该孔向试剂离子和产品离子提供到质谱仪模块的便利通路。

在另一个方面，本发明涉及一种方法，该方法用于产生供质子转移反应质谱仪或化学电离反应质谱仪的一个或多个试剂离子。该方法包括提供试剂蒸汽，以及向试剂蒸汽提供微波能量以产生一个或多个试剂离子。

该方法还可以包括把一个或多个试剂离子引导到用于与样品的成分交互作用以形成产品离子的一个区域。通过微波等离子体可以产生试剂离子。试剂蒸汽可以包括水蒸汽、氧气或氧化亚氮，并且试剂离子可以是水合氢离子、氧离子或氧化亚氮离子。在一些实施例中，通过频率大于约800MHz的电磁波或辐射提供微波能量。

在另一个方面，本发明涉及一种方法，该方法用于产生供质子转移反应质谱仪或化学电离反应质谱仪的一个或多个试剂离子。该方法包括提供试剂蒸汽，以及向试剂蒸汽提供微波能量以产生一个或多个试剂离子。

在一些实施例中，通过频率在约400kHz和约800MHz之间的电磁波来提供RF能量。可以通过电容性耦合的RF等离子体来产生试剂离子。

在另一个方面，本发明涉及一种方法。该方法包括向等离子体区域提供试剂蒸汽，并且向等离子体区域中的的试剂蒸汽提供微波或高频RF能量以形成一个或多个试剂离子。该方法包括使试剂离子与气体样品交互作用以产生一个或多个产品离子。该方法还包括把产品离子和试剂离子引导到四极质谱仪模块的收集区域，并且通过质谱仪模块确定产品离子和试剂离子的峰值强度和/或质量的值。

本发明的另一个方面涉及一种质谱系统。该质谱系统包括一个装置，该装置用于通过用微波或高频RF能量提供试剂蒸汽而从试剂蒸汽供给产生一个或多个试剂离子。系统还包括一个装置，该装置包括电磁场，用于把产品离子和试剂离子引导到收集区域。该系统还包括与收集区域通信的一个装置，用于确定产品离子和试剂离子中的每一个的峰值强度和/或质量的值。

在一个方面，本发明涉及一种系统。该系统包括微波或高频RF能量源，用微波或高频RF能量使试剂蒸汽的粒子电离以形成一个或多个试剂离子。系统还包括一个腔室，该腔室包括允许样品进入腔室以与来自微波或高频RF能量源的试剂离子交互作用而形成一个或多个产品离子的入口端。系统还包括相对于腔室的退出孔设置的质谱仪模块。质谱仪模块包括飞行区域，产品离子或试剂离子通过飞行区域行进，并且该飞行区域定义了路径长度。质谱仪模块还包括收集区域，用于接收来自飞行区域的产品离子或试剂离子。根据产品离子和试剂离子的每一个越过路径长度的时间量来确定产品离子或试剂离子的质量值。

在一些实施例中，质谱仪模块还包括相对于腔室的退出孔设置的离子束调节器，用于把产品离子和试剂离子的流以脉动方式输送到飞行区域中。质谱仪模块还包括设置在飞行区域中用于增加产品离子和试剂离子行进的路径长度值的光学系统。离子束调节器通过从控制器提供的伪随机二进制序列调制产品离子和试剂离子的流。在一些实施例中，分析模块对从质谱仪模块接收到的数据执行最大似然信号处理算法，以确定产品离子和试剂离子的峰值强度和/或质量的值。分析模块可以对从质谱仪模块接收到的数据进行去卷积，以确定产品离子或试剂离子的峰值强度和/或质量的值。收集区域可以包括以脉冲计数模式工作的、堆叠的微通道板检测器或双极型检测器。在一些实施例中，光学系统包括反射器。系统的特征为：一个透镜，用于使试剂离子和产品离子聚焦到离子束调节器上，而离子束调节器包括离子束斩波器、离子束门、离子束调制器、Bradbury-Nielsen门或这些的任何组合。

在一些实施例中，系统还具有特征：相对于腔室和质谱仪模块设置的光学系统。光学系统包括至少一个四极透镜，以把试剂离子和产品离子流引向离子束调节器。在一些实施例中，质谱仪模块定义通过飞行区域的、实质上线性的轴。实质上线性的轴实质上与通过飞行区域的第二轴平行(例如，Uthoff轨迹)。

在一些实施例中，系统包括相对于微波能量源和腔室设置的、选择性地允许试剂离子的子集进入腔室的质量过滤器。过滤器可以是四极质量过滤器。系统具有特征：分析模块，用于接收来自质谱仪模块的数据以解译包括产品离子和试剂离子的峰值强度和/或质量的值的质谱中的数据。可以使用分析模块来检测和/或识别质谱系统中的故障。分析模块可以基于多变量统计分析。

在一些实施例中，系统具有特征：多变量统计分析模块，用于根据通过质谱仪模块产生的质谱来识别样品的成分。系统可以包括与系统通信的控制模块，可操作而根据系统的操作参数检测或识别系统中的故障。控制模块可以部分地根据故障的检测或识别来改变操作参数值。

系统可以包括与系统通信的控制模块，以根据系统的操作参数来改变系统的输入参数值。在一些实施例中，系统包括相对于腔室设置的电极组，用于产生促进试剂离子和样品之间的交互作用的场，以及引导产品离子和试剂离子通过腔室的退出孔。如此的系统具有特征：与电极组通信的控制模块，用于根据系统的操作参数确定腔室中的场值。系统的操作参数可以包括样品的成分、腔室的压力、产品离子或试剂离子通过腔室的速度、样品或试剂离子到腔室中的流速、产品离子或试剂离子的能量、产品离子、试剂离子或样品的化学成分、或这些的组合。

在另一个方面，本发明涉及一种系统。系统包括微波或高频RF能量源，以用微波或RF能量使试剂蒸汽的粒子电离而形成一个或多个试剂离子。该系统包括一个腔室，该腔室包括允许样品进入腔室以与来自微波或RF能量源的试剂离子交互作用而形成一个或多个产品离子的入口端。系统还包括相对于腔室的退出孔设置的飞行时间质谱仪模块，用于根据产品离子和试剂离子的每一个越过质谱仪的时间量来产生质谱，该质谱包括产品离子和试剂离子的质量值。

在一些实施例中，飞行时间质谱仪模块包括飞行区域，产品离子和试剂离子通过飞行区域而行进。飞行区域定义路径长度。飞行时间质谱仪模块还包括用于调制进入飞行区域的试剂离子或产品离子流的离子束调节器，以及设置在飞行区域中以增加产品离子和试剂离子行进的路径长度的光学系统。质谱仪模块还包括收集器，用于接收来自飞行区域的产品离子和试剂离子。

在另一个方面，本发明涉及一种方法，该方法用于处理飞行时间质谱仪中的信号。信号是基于通过把微波或高频RF能量提供给试剂蒸汽而产生的一个或多个试剂离子的，并且还是基于通过使试剂离子与流体样品在电磁场中交互作用而产生的一个或多个产品离子的。该方法包括建立包含试剂离子和产品离子的第一离子流，以及根据特定的流图案改变第一离子流以产生第二离子流。该方法还包括在检测器处接收第二离子流以及根据最大似然型统计算法从通过检测器传送的数据来确定质谱。质谱包括表示试剂离子和产品离子的质量和/或峰值强度的数据。

在一些实施例中，第二流是脉动式的流。脉动式的流可以基于根据伪随机二进制序列产生的特定的流图案。

在另一个方面，本发明涉及一种方法。该方法包括把试剂蒸汽提供给等离子体区域，并且把微波或高频RF能量提供给等离子体区域中的试剂蒸汽以形成一个或多个试剂离子。该方法还包括使试剂离子与气体样品交互作用以产生一个或多个产品离子。该方法包括沿飞行时间质谱仪模块的飞行区域中的轨迹引导产品离子和试剂离子。该方法还包括通过质谱仪模块确定产品离子和试剂离子的峰值强度和/或质量的值。

本发明的一个方面涉及一种系统，该系统用于测量一个或多个试剂离子和一个或多个产品离子的质量。通过把微波或高频RF能量提供给试剂蒸汽而产生试剂离子。通过使一个或多个试剂离子与流体样品在电磁场中交互作用而产生产品离子。系统包括相对于漂移管组件的离子退出孔设置的四极透镜组，漂移管组件用于接收包括试剂离子和产品离子的第一离子流。透镜组接收通过退出孔的产品离子和试剂离子，并且产生引导到离子束调节器的第二离子流。系统还包括离子束调节器，可操作离子束调节器以选择性地允许第二离子流通过飞行时间质谱仪的飞行区域。

在另一个方面，本发明涉及一种系统，该系统包括一个装置，该装置用于用微波或高频RF能量使试剂蒸汽的粒子电离以形成一个或多个试剂离子。系统还包括一个装置，该装置包括电磁场，用于使样品与试剂离子交互作用以形成一个或多个产品离子。系统还包括一个装置，用于根据产品离子和试剂离子越过特定距离的时间量来确定产品离子和试剂离子的每一个的峰值强度和/或质量的值。

在另一个方面，本发明涉及一种系统，该系统用于测量一个或多个试剂离子和一个或多个产品离子的质量。通过把微波或高频RF能量提供给试剂蒸汽而产生试剂离子。通过使试剂离子与流体样品在电磁场中交互作用而产生产品离子。系统包括一个装置，用于建立包括试剂离子和产品离子的第一离子流。系统还包括一个装置，用于根据特定的中断图案来调制第一离子流以产生第二离子流。系统还包括一个装置，用于从检测装置传送的数据产生质谱。数据对应于第二离子流。

在另一个方面，本发明涉及一种系统，该系统用于测量一个或多个试剂离子和一个或多个产品离子的质量。通过把微波或高频RF能量提供给试剂蒸汽而产生试剂离子。通过使试剂离子与流体样品在电磁场中交互作用而产生产品离子。系统包括一个光学装置，用于接收包括试剂离子和产品离子的第一离子流。光学装置还产生引导到调节装置的第二离子流。系统还包括调节装置，用于选择性地控制到质谱仪的第二离子流。

在另一个方面，本发明涉及一种方法。该方法包括引入样品气体。该方法还包括把试剂蒸汽提供给等离子体区域以及把微波或高频RF能量提供给等离子体区域中的试剂蒸汽以形成一个或多个试剂离子。该方法还包括使一个或多个试剂离子与样品气体交互作用以产生一个或多个产品离子，并且把产品离子和试剂离子引导到四极或飞行时间质谱仪模块。该方法包括通过质谱仪模块确定产品离子和试剂离子的峰值强度或质量的值。

在另一个方面，本发明涉及一种系统。该系统包括微波或高频RF能量源，用微波或高频RF能量使试剂蒸汽电离而形成一个或多个试剂离子。该系统包括促进样品气体的分析的一种供给，样品气体包括至少是痕量浓度的的一个或多个挥发性有机化合物。系统还包括一个腔室，该腔室具有入口端以允许样品气体进入腔室中与来自微波或高频RF能量源的试剂离子交互作用而形成一个或多个产品离子。腔室具有在腔室中产生的电磁场。系统还包括相对于腔室的退出孔设置的四极或飞行时间质谱仪模块，用于收集产品离子和试剂离子以便促进产品离子和试剂离子的峰值强度或质量的值的确定。

在再一个方面，本发明涉及一种质谱系统，该质谱系统包括一个装置，用于引入包括至少是痕量浓度的一个或多个挥发性有机化合物的样品气体。系统包括一个装置，用于从通过提供试剂蒸汽供给与微波或高频RF能量的试剂蒸汽供给产生一个或多个试剂离子。系统包括一个装置，用于使样品气体与试剂离子交互作用以形成一个或多个产品离子。系统还包括一个装置，用于把产品离子和试剂离子引导到质谱仪模块来确定产品离子和试剂离子的峰值强度或质量中的至少一个，或用于识别样品气体中的挥发性有机化合物。

附加的特征涉及上述各个方面。例如，样品气体包括至少是痕量浓度的一个或多个挥发性有机化合物。该痕量浓度按体积计算可以是约万亿分之一到约万万分之一之间。该痕量浓度按体积计算可以是约万万分之一到约百万分之一之间。

该方法还可以包括使气体样品入口端与封闭空间耦合。该方法还可以包括在非封闭空间中使气体样品入口端定位。气体样品入口端可以与容器耦合。在一些实施例中，气体样品入口端与汽车或飞机的排气系统耦合。例如，气体样品入口端可以与食品或饮料产品上方的顶部空间耦合，以确定食品或饮料产品的内容。

在一些实施例中，该方法包括使气体样品入口端定位于人嘴附近以向端口引入呼出的气息。该方法可以包括使气体样品入口端定位于发射出气体或蒸汽的固体样品材料附近。在一些实施例中，气体样品入口端与气体供给耦合。

四极或飞行时间质谱仪模块可以促进气体样品中挥发性有机化合物的峰值强度或质量中至少一个的确定，或识别挥发性有机化合物。包括在痕量浓度中的、可以测量、检测和/或识别的挥发性有机化合物包括二噁英基化合物、呋喃基化合物、氯酚、萘、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、非甲烷有机化合物、二次有机气溶胶、同量异位化合物、化学战剂、战场气体、助燃剂、通过体液或通过真菌物种的动作排出的VOC物质(例如，真菌毒素)、或这些的任何组合。在一些实施例中，挥发性有机化合物包括人为或生物挥发性有机化合物。在一些实施例中，样品气体包括无机气体或蒸汽物质(例如，硫化氢)。

在下面的附图和说明书中阐明了一个或多个例子的详细说明。从说明书、附图和权利要求书，本发明的进一步的特征、方面和优点会变得显而易见。

附图说明

图1是平面图，示出实施本发明的系统的部件。

图2是一个质谱系统的试剂蒸汽供给组件的横截面图。

图3是用于产生试剂离子的方法的流程图。

图4是描绘实施本发明的质谱方法的流程图。

图5是实施本发明的四极质谱系统的横截面图。

图6是图5中描绘的漂移腔室组件的放大图。

图7是实施本发明的飞行时间质谱仪模块的平面图。

具体实施方式

图1是平面图，示出实施本发明的系统100的部件。系统100包括试剂蒸汽供给104以及等离子体发生器108。微波/RF等离子体发生器108可以使用微波能量(微波等离子体)或高频RF能量(RF等离子体)来产生等离子体。可以通过电容性耦合的高频RF能量源(未示出)提供RF能量。来自试剂蒸汽供给104的试剂蒸汽(未示出)与等离子体区域112中的等离子体交互作用以形成所要求的或特定的试剂离子，这可以是多个物质中的一个或多个，取决于系统100的特定应用。在一些实施例中，在玻璃管中设置等离子体区域112。

等离子体区域112与安装在法兰116中的电绝缘孔板电极120进行流体传送。在法兰116和孔板电极120之间设置了绝缘器(未示出)，以提供其间的电绝缘。把电位施加于孔板电极120以增加等离子体的电位，从而引导一个或多个试剂离子通过由法兰116和孔板电极120定义的孔径122而进入漂移外腔室124中的化学电离/漂移区域136。使化学电离/漂移区域136保持在比孔板电极120低的电位处。样品供给128与化学电离/漂移区域136进行流体传送，向系统100提供样品流体(例如，样品气体)。样品气体流入入口端(未示出)，以通过漂移外腔室124的表面(未示出)而进入化学电离/漂移区域136。入口端位于孔板电极120的下游，位于法兰116中的中心处，允许试剂离子与化学电离/漂移区域136中的样品气体的成分混合。存在把试剂离子和样品气体引入到化学电离/漂移区域136中的其它配置，并且这些都在本发明的范围内。例如，入口端可以直接与法兰116耦合，在样品气体流过在径向上位于孔径122周围的流体通路(未示出)时，产生“淋浴头”效应。

漂移组件126包括化学电离/漂移区域136和泵浦的漂移外腔室124。泵浦的漂移外腔室124有效地容纳了化学电离/漂移区域136。可以通过每个都具有通过其设置在中心处的通路的一系列的电极和绝缘板来定义化学电离/漂移区域136(具有紧密的O形环密封(未示出))。相对于图5和6对化学电离/漂移区域136进行更详细的讨论。化学电离/漂移区域136促进样品和试剂离子之间的交互作用(例如，化学反应)。样品和试剂离子之间的交互作用形成一个或多个产品离子。一般，试剂离子大大地多于样品气体成分，在产生产品离子之后，可以在产品离子流中监视试剂离子。化学电离/漂移区域136一般包括电磁场(未示出)，用于当样品和试剂离子在化学电离/漂移区域136中混合时促进样品和试剂离子之间的交互作用。在化学电离/漂移区域136中的电磁场也把试剂离子和产品离子引向退出孔138。

使通过退出孔138经过化学电离/漂移区域136的离子聚焦到由法兰140限定的退出孔144中。退出孔144允许离子退出漂移外腔室124。通过透镜组件142使离子聚焦到退出孔144中。在一些实施例中，透镜组件142包括焦点孔径。一些实施例使用三元件单透镜作为透镜组件142。例如，根据特定的流参数(诸如，离子的流量，速度，动能)，透镜组件142把离子引向质谱仪模块148。可以使用透镜组件142使通过退出孔144的离子数量最优化。在一些实施例中，系统100不包括透镜组件。

例如，质谱仪模块148通过收集离子而确定试剂离子和产品离子的质量和数量。质谱仪模块148产生和/或分析所产生的质谱，该质谱表示通过退出孔144的试剂离子和产品离子。可以使用与产品离子相关联的质谱来确定由样品供给128提供的样品成分的存在、数量、体积、浓度或标识。使用试剂离子的测量对系统100进行校正和/或误差检查。质谱仪模块148可以是四极质谱仪或飞行时间质谱仪。

系统100还包括控制模块152。控制模块152接收关于系统100的操作条件或参数的数据。根据数据，控制模块152可以确定或设置系统部件的输入值或输入操作参数。例如，控制模块152可以接收来自试剂蒸汽供给104、等离子体发生器108、等离子体区域112、孔板电极120、化学电离/漂移区域136、透镜组件142、退出孔电极144或质谱仪模块148的数据。例如，当启动系统100或响应于接收到的关于操作参数的数据时，控制模块152可以响应于所收集的数据来设置这些部件的每一个的输入值。

在一些实施例中，控制模块152响应于接收到的关于操作参数的数据而自动地更新操作参数的输入值。例如，如果与化学电离/漂移区域136中的压力或电磁场有关的操作参数偏离这些参数的规定的或要求的值，则控制模块152可以调节样品供给128(设置化学电离/漂移区域136中压力)或产生电磁场的电极(未示出)，直到参数与这些参数的输入值或正确值对应。其它操作参数包括系统100中试剂离子或产品离子的速度或能量、流体样品到化学电离/漂移区域136中的流速、试剂离子到化学电离/漂移区域136中的流速、样品的成分、样品和试剂离子的相对浓度或试剂离子和产品离子的相对浓度。在一些实施例中，控制模块152监视系统100的多个操作参数。

在一些实施例中，控制模块152为了接收和/或更新系统100的参数而使用等离子体计量过程。等离子体计量过程可以监视，例如，来自等离子体区域112的光发射谱。根据光发射谱，控制模块152确定等离子体区域112中的操作参数值(例如，“等离子体参数”)，例如，特定发射波长的强度，如果参数偏离规定的或要求的值，则控制模块152可以调节等离子体参数直到这些参数与这些参数的最优值对应。如果控制模块152不能够得到最优情况或参数，则可以检测和/或记录故障情况。

在一些实施例中，可以使质量过滤器(未示出)位于微波/RF等离子体区域112和化学电离/漂移区域136之间。可以使用质量过滤器来选择性地允许试剂离子进入化学电离/漂移区域136。在一些实施例中，质量过滤器是四极质量过滤器。

系统100包括与一个或多个用于建立整个系统100中的压力值的泵(未示出)耦合的一个或多个端口(未示出)。例如，通过一个或多个泵来保持微波/RF等离子体区域112、化学电离/漂移区域136、泵浦的漂移外腔室124以及质谱仪模块148中的压力值。

图2是一个质谱系统(例如，图1的系统100)的试剂蒸汽供给组件200的横截面图。配置组件200，以把蒸汽的始终如一的和稳定的通量或流提供给能量源，例如，图1的等离子体发生器108。组件200提供的蒸汽包括通过微波或RF等离子体电离的一个或多个试剂分子，并且有时称其为试剂蒸汽。组件200包括贮存器202，用于容纳流体供给。可以用不锈钢或其它合适的金属来构造贮存器202。

在一些实施例中，贮存器202容纳水或纯水以产生水蒸气。如所示，贮存器202包括5个端口。端口204可连接到用于把流体引入贮存器的管或通道(例如，用于水或流体供给的顶部关闭)。端口206可连接到用于把试剂蒸汽传送或传递到质谱系统的管或通道。端口208可连接到用于得到关于贮存器202中的流体的测量值的管或通道。例如，端口208可以耦合到用于确定贮存器208中顶部空间压力的电容压力计量具。在一些实施例中，不使用端口208。端口216可连接到用于测量贮存器202中流体量的管或通道(例如，用于连接到水水平指示器)。端口218可连接到用于泄漏或出空流体的贮存器202的管或通道。端口208和216中的每一个是任选的，在一些实施例中，并不包括在组件200中，或是质谱操作不使用的。在一些实施例中，端口204、206、208、216、218中的每一个可连接0.25英寸(约0.635厘米)直径的管。可以把其它尺寸的管或通道连接到这些端口，并且管或通道的尺寸不需要相同。

在一些实施例中，使用包封贮存器202的加热器盒，使贮存器202加热到规定上升温度。在一些实施例中，使图1的控制模块152耦合到热电偶212上。贮存器202(以及其中的流体)的温度可以响应于质谱系统的操作而通过控制模块152维持、调整和调节的操作参数。控制使用户能够把液体表面210上的顶部空间213中的压力维持在规定的或要求的值。

组件200还包括管道222，耦合该管道而与质量流控制器224进行流体传送。质量流控制器224可以确定流过管道226并且流入等离子体区域230的试剂蒸汽的量，其中通过把微波或RF能量施加到试剂蒸汽而发生了试剂离子的产生。在一些实施例中，质量流控制器224可以是具有独立的电子线路的加热的质量流控制器，这些电子线路位于远离组件200的地方(未示出)。

可以与质量流控制器224一起或代替质量流控制器224而使用其它类型的流控制器。如所示，组件200包括量具或监视器228，用于表示等离子体区域230中的压力值。量具可以是电容压力计量具。在一些实施例中，图1的控制模块152与量具或监视器228耦合，等离子体区域230中的压力是通过控制模块152维持、调整和调节的操作参数。在一些实施例中，组件200中不包括量具或监视器228。

在一些实施例中，由不锈钢制造管道222和管226，并且定义约0.25英寸(约0.635厘米)的外径。管229使组件200的主体与等离子体区域230电绝缘。在一些实施例中，由聚四氟乙烯(“PTFE”)制造管229，并且定义约0.25英寸(约0.635厘米)的外径。在质谱法操作期间，等离子体区域230中的压力约为1-5托尔(约100-700帕斯卡)。通过组件200外部的泵(未示出)维持组件200内的压力。例如，可以使用耦合到图1的漂移外腔室124(并且依次耦合到化学电离/漂移区域136)的泵，用组件200经由与组件200的流体传送来建立压力。可以耦合图1的化学电离区域136来进行经由孔径122和等离子体区域112与组件200的流体传送。

在一些实施例中，在施加微波或RF能量期间，使用端口220使试剂蒸汽与其它气体混合，以提高试剂离子产量。例如，混合气体可以是氩、氮或氩/氮混合物。在一些实施例中，经由端口220引入要在试剂离子产生中使用的气体或气体混合物(例如，NO或O₂)，并且通过阀(未示出)使贮存器202与管道222中的流体隔离。

图3是用于产生试剂离子的方法的流程图300。在步骤305中，提供试剂蒸汽。例如，可以根据图2所示的系统200来提供试剂蒸汽，以致提供相当始终如一的和稳定的试剂蒸汽流。试剂蒸汽可以是纯水蒸汽或与等离子体混合气体(诸如氩或氮或其混合物)混合的水蒸汽。在一些实施例中，试剂蒸汽包括试剂物质(诸如氧化氮(NO)或双原子氧(O₂))。

在步骤310中，把能量提供给试剂蒸汽，在一些实施例中，能量是微波辐射，用它来形成电离的微波等离子体。在一些实施例中，能量是高频RF功率，例如，用它来形成通过电容性耦合RF能量源所产生类型的RF等离子体。微波能量一般是指通过频率值大于约800MHz和小于约300GHz的电磁波产生的能量(例如，辐射能量)。高频RF能量一般是指通过频率值大于约400kHz和小于约800MHz的电磁波产生的能量(例如，辐射能量)。尤其，可以在工业、科学和医药(“ISM”)无线电中心频率波段规定的频率值内提供RF能量。

在步骤310中施加的能量使试剂蒸汽流中的的分子带电或激励以产生试剂离子。通过等离子体使试剂蒸汽流中的分子电离。例如，当使用水蒸气作为试剂蒸汽时，通过多步骤反应产生水合氢离子：

e^-+H₂O→H₂O⁺+2_e ^-反应1

H₂O⁺+H₂O→H₃O⁺+OH  反应2

反应1包括来自电离的等离子体的自由电子(e^-)与水分子(H₂O)之间的交互作用以形成带正电荷的电离的水分子以及第二自由电子。在反应2中，带正电荷的水分子与中性水分子交互作用以形成水合氢离子(H₃O⁺)和羟自由基。水合氢离子可以是试剂离子，用于以后与流体样品成分进行交互作用。

需要微波和高频RF等离子体两者，因为它们提供产生丰富的离子和电子源的有效的装置，这是产生试剂离子物质(例如，水合氢离子)所需要的。此外，微波和高频RF等离子体是相当干净的，只有一点点或没有通常与电极直接接触的空心阴极/辉光放电等离子体源相关联的内部溅射。微波和高频RF等离子体源的“无电极”特性意味着减少了与电极腐蚀相关联的不稳定性和漂移的影响。此外，微波和高频RF等离子体源能够提供相当恒定的、高级的试剂离子。

在一些实施例中，图3的方法包括附加的步骤(未示出)，包括测量微波或高频RF等离子体的压力。等离子体压力的值可以是用于质谱系统的一个控制参数(例如，通过图1的控制模块152可控制)。也可以使用等离子体压力来确定适当的试剂蒸汽的供给(例如，来自组件200)。

图4是描绘实施本发明的质谱方法400的流程图。步骤405包括提供试剂蒸汽，步骤410包括向试剂蒸汽提供微波或高频RF能量以产生试剂离子，例如，如上相对于图3所讨论。然后，通过一个组合把试剂离子引导到化学电离/漂移区域，该组合是从等离子体反应区域和化学电离/漂移区域之间产生的电压降导致的流体流现象以及来自化学电离/漂移区域中的离子获取孔或电极的电磁场梯度的影响的组合。

在步骤415中，流体样品(例如，含一个或多个挥发性有机化合物的分子的气体)与试剂离子交互作用。混合流体样品和试剂离子导致流体样品和试剂离子之间的交互作用。例如，可以经由入口线(它通过漂移外腔室和进入化学电离/漂移区域)向试剂离子流提供流体样品。样品供给和化学电离/漂移区域之间的压力降可以促进流体流把流体样品带到化学电离/漂移区域。化学电离/漂移区域包括促进试剂离子在区域中运动以及促进试剂离子和流体样品成分之间碰撞的电磁场。试剂离子和流体样品成分之间的碰撞导致化学反应，该化学反应使流体样品的粒子电离。包括水合氢离子和具有质子亲和力大于水的质子亲和力的成分分子的样品物质R的化学反应的例子如下所示：

H₃O⁺+R→RH⁺+H₂O    反应3

包含水合氢离子和物质R的化学反应是低能量和/或软电离交互作用。没有大大地改变样品分子的整体性，并且使样品的分子碎片减少或最小化，例如，当与较高能量电离过程(诸如电子影响电离)相比较时。此外，与水合氢原子的碰撞没有使质子亲和力比水的质子亲和力小的样品中的物质电离，因此，在质谱法期间没有检测到。如此的物质的例子包括空气的共同成分，所述空气包括双原子氮、双原子氧、氩、二氧化碳和甲烷。一般，根据相对于痕量浓度的样品中存在的成分，样品中的空气成分为大比例的情况下，这些空气成分在捕获的质谱中产生高密度谱峰值。高密度谱峰值可以使附近的低密度峰值不可见，或会增加区分低密度峰值和高密度峰值的难度。因此，这个化学电离技术的选择性特性由于样品中的低密度/痕量浓度水平物质而可以增强区分谱峰值的能力。

在步骤420中，通过透镜或退出孔组件把试剂离子和产品离子引导出化学电离/漂移区域，并且引向质谱仪的收集区域。在一些实施例中，通过建立在化学电离/漂移区域中的电磁场把试剂离子和产品离子引导出化学电离/漂移区域。试剂离子和产品离子可以通过化学电离/漂移区域末端处的孔传送出来，通过透镜组件，通过离子获取孔，并且进入质谱仪模块。透镜组件可以给出焦点孔径的特征，或给出3元单透镜的特征。在一些实施例中，把离子获取孔设置在法兰中。可以把电位施加于透镜组件和离子获取孔，以致产生引导试剂离子和产品离子通过孔的电场。一般，质谱仪模块工作在相当高的真空下，以保证分子流情况战胜质谱仪及其部件的有效操作。

质谱仪模块可以包括四极质谱仪或飞行时间质谱仪。对于各个质谱仪类型，把试剂离子和产品离子引导到质谱仪的收集区域。离子与收集区域中的检测器碰撞，并且在质谱仪中放大所产生的电流(例如，使用电子乘法器与前置放大器的组合)。根据来自收集器的输入，质谱仪积累关于试剂离子和产品离子的数据，并且产生信号谱，该信号谱表示所收集的离子的质量值(或质荷比)以及数量。

步骤425包括确定试剂离子和产品离子的质量和数量，例如，根据所产生的质谱。可以使用质谱中很好地解得的峰值来确定试剂离子和产品离子两者的确切的质量或质荷比。通过比较从具有已知质量的分子或离子的谱或信号峰值确定的质量值，这些峰值的特定位置还促进流体样品成分的识别。在一些实施例中，可以使用分析模块来显示信号谱和/或确定谱中峰值的存在和位置。

图5是实施本发明的四极质谱系统500的横截面图。系统500包括耦合到化学电离/漂移区域508的试剂离子源504。系统500中的试剂离子源504是基于微波能量源的，该微波能量源包括磁控管512，该磁控管具有通过谐振腔520的孔径516设置的短天线514。在一些实施例中，试剂离子源能量源504可以基于高频能量源，诸如RF能量源。试剂离子源504还包括经由孔径528通过谐振腔520的管524。管524还通过设置在谐振腔520的外表面536上的两个微波截流口532。微波截流口532减少从谐振腔520或管524逃逸的微波能量，并且减少扩展到系统500其它部件的微波能量。管524可以由二氧化硅或诸如石英之类的二氧化硅材料制造。在一些实施例中，管524可以由蓝宝石制造。管524的末端540可以耦合到试剂蒸汽供给(未示出)的相应的末端(未示出)，用于把试剂蒸汽提供给试剂离子源504。例如，末端532可以耦合到图2所示的试剂蒸汽供给系统200的管229。

在一些实施例中，管524具有约6毫米的外径。谐振腔520定义沿y轴的长度l。长度l对应于或约等于谐振腔520的最低阶谐振模式的一个全波长λ。管524位于沿y轴离谐振腔520的顶部544约1/4λ的距离处。更具体地，管524位于谐振腔520的反节点处，以使从谐振腔520传送到管524的谐振能量最大化。

在一些实施例中，磁控管512是具有短天线514的900瓦磁控管，该短天线把微波功率提供给谐振腔520。通过在谐振腔520中的微波谱中具有频率值的电磁波辐射地分配功率，并且传送到管524。作为腔520中谐振能量与管524中试剂蒸汽交互作用的结果，在管524中产生等离子体。试剂蒸汽经由耦合到试剂蒸汽供给的末端540进入管524。由于管524和化学电离/漂移区域508之间的压力降，试剂蒸汽供给提供或引导试剂蒸汽流进入管524，例如，沿着x轴。不断的试剂蒸汽流保证管524中的微波等离子体是持续的，以产生一个或多个试剂离子，例如，如上所述。

在一些实施例中，从具有封闭端(例如，腔520的顶部544和底部548)的镀银的铝挤压件来构造谐振腔520。在一些实施例中，微波截流口532是圆柱形的，具有与x轴平行的、同轴的或共线的中心线(未示出)。微波截流口532可以由不锈钢或铝来制造。在一些实施例中，通道533设置在一个或两个微波截流口532之中。沿y轴的通道533的长度约为1/4l。

管524的第二末端552在保持在法兰560中并且附加到化学电离/漂移区域508的孔板556的面557处终止(见图6)。来自管524的试剂离子通过孔板556进入化学电离/漂移区域508。设置环形电极564使之沿通过漂移外腔室562中心的x轴有间隔关系，而该环形电极564部分地限定化学电离/漂移区域508。把电位施加于环形电极564的每一个以产生电磁场。在一些实施例中，电磁场沿x轴方向具有线性场梯度。施加到每个电极的正电位的值沿x轴的正方向减小，以产生轴向线性场梯度。也可以使用非线性场梯度。环形绝缘部件568设置在各个电极564之间使它们相互电绝缘。电场促进来自试剂离子源504(例如，管524)的试剂离子与在化学电离/漂移区域端口566处引入的样品之间的交互作用。

漂移外腔室562还包括耦合到泵浦系统580的泵浦部分576。漂移外腔室562还包括电馈通端口(未示出)以及端口571，端口571具有用于样品引入线(未示出)以及用于与总压力量具572和第二量具(未示出)进行流体传送的管连接器(未示出)。在一些实施例中，泵浦系统580包括带有隔膜支持泵的涡轮分子泵(未示出)。泵浦系统5801建立漂移外腔室562和化学电离/漂移区域508中需要的压力。通过总压力量具572来监视漂移腔室508中的压力，通过第二量具(未示出)来监视漂移外腔室508中的压力。可以把这些量具提供的数据作为输入提供给控制模块(未示出)，例如，用于系统诊断过程。

化学电离/漂移区域508和漂移外腔室562包括法兰584，法兰584通过双面法兰586耦合到质谱仪592的相应的法兰588。系统500中描绘的质谱仪592是四极质谱仪。质谱仪592包括质谱仪探头594，并且与泵浦系统596耦合而进行流体传送。泵浦系统596建立质谱仪592内的压力，例如，用于促进试剂离子和产品离子的质量测量以及减少由于与质谱仪中空气成分交互作用而引起的离子质量测量时的负面效应。

通过离子获取电极582把从化学电离/漂移区域508到质谱仪592传送的离子引向质谱仪探头594。在一些实施例中，可以与离子获取电极582一起使用离子光学组件(未示出)来增加传送到质谱仪592的试剂离子和产品离子数量。例如，可以使用焦点孔径或3元单透镜。质谱仪探头594可以是加电偏置的四极质量分析器或质量过滤器。四极质量分析器包括4个平行的金属杆，例如，设置而作为正方形的顶点，并且与x轴平行。使相对的杆对进行电气耦合，以产生两个电耦合的偶极。可以把具有正DC电压分量的第一RF能量或电压施加于第一偶极杆，把具有负DC电压分量的第二RF能量或电压施加于第二偶极杆。在一般与杆平行的方向上(例如，与正方形的中心轴平行)，通过质量过滤器在杆之间的稳定轨迹上传送离子。

施加于质谱仪探头594的RF和/或DC能量产生质量-选择振荡场。质量-选择场产生规定几何形状的离子轨迹，诸如一般沿x轴方向的振荡几何形状。规定轨迹，以致质荷比值在规定范围内的离子实质上可以遵循轨迹而到达检测器598，同时，规定范围之外的离子不遵循轨迹而到达检测器598。非选择离子与杆碰撞，并且检测器598不收集这些离子。在一些实施例中，根据施加于四极的能量值(例如，电位、DC能量或RF能量)来改变质量-选择场。可以通过特定场强或通量来选择质量值的带宽。此外，通过改变质量-选择场，质谱仪探头594可以扫描质量范围。

在一些实施例中，质谱仪探头594包括称之为三重过滤器四极质量分析器的线性、同轴系列的三个四极。在如此的实施例中，三重过滤器的第一和第三单元是相当短的(例如，约1英寸或2.54厘米)。“仅RF”过滤器载有通过第二和主过滤器发送给它们的RF电压单元。这些“仅RF”前置和后置过滤器的功能如同离子透镜，并且把进和出的离子聚焦到质量过滤器组件。这样使用前置和后置过滤器的目的是通过增加所传输的离子数量来提高通过过滤器组件的离子传输，特别是那些较高质量的离子(例如，大于约80原子质量单位)。前置和后置过滤器还提高过滤器的质量分辨率和丰度灵敏度性能。检测器598收集成功地通过三重过滤器组件的离子。在一些实施例中，检测器598是电子乘法器检测器。电子乘法器检测器放大通过离子与检测器的入口或前面(未示出)碰撞而产生的电信号。

图6是图5中描绘的化学电离/漂移区域508的放大图。化学电离/漂移区域508包括可安装在定义获取孔616的离子获取电极612上的化学电离/漂移腔室620。当试剂离子从等离子体区域608移动到化学电离/漂移区域508时，试剂离子通过获取孔616。离子获取电极612可以与能量源(未示出)耦合而进行流体传送。在施加于获取电极612的电位产生的电磁场的影响下，离子通过获取孔616。获取电极612通过具有陶瓷插入物或由另外的绝缘材料制造的插入物的一个或多个螺钉(未示出)与法兰604连接。这些螺钉和插入物通过绝缘(例如，陶瓷或PEEK)套圈614，使获取电极612与法兰604进一步绝缘。在一些实施例中，施加于获取电极612上的电位值影响试剂离子在沿中心线A行进到化学电离/漂移区域508的化学电离/漂移腔室620时的平均能量，中心线A实质上与x轴平行。此外，获取孔616的大小或几何形状确定进入化学电离/漂移腔室620的试剂离子的流量。

通过获取电极612中的获取孔616和进入化学电离/漂移腔室620的离子实质上是沿着中心线A的(例如，对于x轴为轴向或平行的)。通过施加于一个或多个板电极624和漂移末端-板电极625(也称为电极堆)中的每一个的电位，在漂移区域620中产生电磁场。可以由金属或其它导电材料来制造电极。在一些实施例中，板电极624和漂移末端-板电极625的每一个都具有与中心线A对准的中心孔630和633的环形形状。每个板电极的中心孔630的直径约为10毫米。漂移末端-板电极的中心孔633的直径约为1-2毫米。其它直径和几何形状(例如，非圆形)都在本发明的范围内。板电极624和漂移末端-板电极625在物理上是隔开的，并且通过一个或多个绝缘套圈628电绝缘。在一些实施例中，绝缘套圈628具有中心孔631与中心线A对准的环形形状。绝缘套圈628中的中心孔631的直径约为20毫米。其它直径和几何形状都在本发明的范围内。用于绝缘套圈628的合适的材料包括高分子材料，诸如从PEEKTM制造的套圈(由英国Lancashire州的Victrex plc销售)，或诸如

的防静电塑料(由Pennsylvania州Reading市的Quadrant Engineering Plastic Products销售)。O形环(未示出)位于每个绝缘套圈628的每侧的环形凹槽中。O形环促进绝缘套圈和板电极624或漂移末端-板电极625之间紧密气密。在一些实施例中，可以由Delaware州Wilmington市的Du Pont Performance Elastomers销售的

氟橡胶来制造这些O形环。

获取电极612、板电极624、和漂移末端-板电极625协作而产生化学电离/漂移腔室620中的电磁场。在一些实施例中，电磁场沿x轴具有线性场梯度。电磁场梯度也可以是非线性的，例如，基于施加于获取电极612、板电极624的每一个以及漂移末端-板电极625的电位的差异。电磁场引导试剂离子，并且促进试剂离子和样品流体成分之间的交互作用。

在一些实施例中，在沿x轴的增加方向上，把减小的电位沿中心线A的方向施加于板电极624和漂移末端-板电极625中的每一个上，以促进化学电离/漂移腔室620中试剂离子和产品离子的流动。从样品供给(未示出)把样品气体提供给化学电离/漂移腔室620，例如，如图1中讨论，经由漂移外腔室中的端口(例如，图5的端口571)，然后经由绝缘套圈628侧的端口632。在另一个绝缘套圈628侧的相似的端口可以与图5的端口571上的量具572进行流体传送，以促进化学电离/漂移腔室620中的压力测量。在一些实施例中，样品供给包括用于控制进入化学电离/漂移腔室620的样品流体的流动的质量流控制器。在沿x轴增加的方向上，沿中心线A放出样品气体，并且与试剂离子交互作用。使板电极624和漂移末端-板电极625都紧固在获取电极612上，获取电极612支撑化学电离/漂移腔室620中的板电极624和漂移末端-板电极625。

在一些实施例中，使控制模块(未示出)与获取电极612、板电极624的每一个以及漂移末端-板电极625耦合，以把电位提供给电极612、624和625的每一个。控制模块还监视化学电离/漂移腔室620内的其它参数，诸如场梯度、压力或检测到的离子强度。当特定的监视参数值偏离预定阀值时，控制模块可以对用于把电位施加于离子获取电极612、板电极624的每一个以及漂移末端-板电极625的值进行复位或调节。

在一些实施例中，控制模块经由反馈环路响应化学电离/漂移腔室620中的参数变化而自动地改变离子获取电极612、板电极624的每一个以及漂移末端-板电极625的电位。例如，控制模块可以建立作为初始条件或模式的电场梯度和压力(它定义给定样品监视要求的最优e/n(例如，电荷密度)设置)。在一些实施例中，控制模块可以监视化学电离/漂移腔室620的参数以及通过电场梯度和压力的实时调节来维持最优e/n水平。在一些实施例中，控制模块可以改变化学电离/漂移腔室620场梯度和/或压力水平，根据用户引入的e/n水平的调节-例如，当使用不同e/n水平在两个同量异位化合物之间进行鉴别时。在一些实施例中，通过离子获取电极612、板电极624的每一个以及漂移末端-板电极625建立的电场梯度沿x轴(或中心线A)是线性的。在一些实施例中，电场梯度是非线性的。控制模块可以监视的和与化学电离/漂移腔室620中的电场、压力和e/n水平相关联的另一个参数是产品离子对试剂离子的比。

漂移外腔室562结合固定法兰636，把固定法兰636紧固到质谱仪644的对应法兰640上，并在两者之间设置了双面法兰648。把定义获取孔656的离子获取电极652紧固到法兰648上，例如，通过一个或多个绝缘螺钉660。绝缘套圈658(例如，由陶瓷制造)使离子获取电极652与双面法兰648电绝缘。金属板659屏蔽绝缘套圈658，并且减少表面电荷建立，表面电荷建立会干扰化学电离/漂移腔室620和质谱仪644之间的区域657中的离子光学器件。把电位施加于离子获取电极652以产生把试剂离子和产品离子从化学电离/漂移腔室620引导到质谱仪644的场。质谱仪644包括质谱仪探头664，质谱仪探头664具有一个或多个孔668以促进真空泵浦和/或排空质谱仪644和质谱仪探头664。质谱仪探头664实质上与中心线A对准，离子可以沿中心线A通过焦点电极676进入质谱仪探头664。质谱仪探头664耦合到分析模块，该分析模块根据耦合到质谱仪探头664的检测器(未示出)收集到的试剂离子和产品离子产生和/或显示质谱。在一些实施例中，在化学电离/漂移腔室620和质谱仪644之间的区域657中使用另外的离子光学器件(未示出)，例如，使到达质谱仪644的试剂离子和产品离子水平最优化。离子光学器件可以采取焦点孔径或3元单透镜的形式。

图7是实施本发明的飞行时间质谱仪系统700的平面图。系统700包括用于把离子提供给系统700的离子源704。例如，离子源704可以从化学电离/漂移区域508的化学电离/漂移腔室620提供产品离子和试剂离子。离子通过离子流从离子源704传送到飞行时间质谱仪708。离子可以通过离子获取电极(未示出)中的离子获取孔(未示出)进入飞行时间质谱仪708，离子获取电极是与飞行时间质谱仪708电绝缘的。可以把电位施加于离子获取电极以产生用于在飞行时间质谱仪708中引导离子的电磁场。

耦合飞行时间质谱仪708使之与建立飞行腔室708中的压力的泵浦系统712进行流体传送。向包括一组离子透镜720的离子光学组件716引导离子。把一个或多个电位施加于离子透镜720以提供引导和定义离子束几何形状的电磁场。例如，离子透镜720可以限制离子流可能的轨迹，从而使离子流聚焦或增加通过较小体积的离子通量。离子透镜720还可以减少速度谱或离子分布中的变化。在一些实施例中，离子透镜720是静电透镜，诸如具有所施加的一个或多个DC电位的四极透镜。离子透镜720产生与离子流交互作用以使离子流方向上(例如，沿轨迹728)的空间变化最小的聚焦场。光学组件716可以使离子束或流的特性优化，例如，增加离子通量、动能或离子流的速度。离子束特性的这种提高允许提高质谱的分辨率以及提高质谱中峰值的检测。质谱中的峰值表示具有特定质量值的特定离子的标识或量。提高的质谱分辨率和谱峰值允许提高峰值和谱或信号噪声之间的差异。

离子在向离子束调节器724引导的集中流中退出光学组件716。离子束调节器724可以是斩波器组件，该斩波器组件中断或调制沿通过飞行区域732的轨迹728的离子流。在一些实施例中，使离子束调节器724耦合到驱动系统(未示出)，例如，控制离子束调节器724的参数的数字电子控制模块。可以根据特定的中断或流图案来控制参数。这种参数可以包括施加于离子束调节器中另外的导线的正和负电压，这在施加电压时导致离子散射，并且在没有施加电位时导致沿轨迹728的离子流不中断(或脉动)。在一些实施例中，可以调节所施加的正和负电压的量值以获得最佳性能。在一些实施例中，驱动系统根据特定的图案(例如，以特定的时间周期重复地打开和关闭离子束调节器门)控制离子束调节器724的参数。驱动系统还可以根据随机的或不规定的图案来控制离子束调节器724的参数。在一些实施例中，驱动系统是基于可以沿轨迹728产生脉动离子流的伪随机二进制序列的。在一些实施例中，离子束调节器724是可以快速开关以产生脉动离子流的离子门，例如，根据特定的流图案。已知合适的离子门的例子为Bradbury-Nielsen门。

离子沿x轴的减小方向上的轨迹728移动，并且向着第二光学系统736。光学系统736可以是反射器(这里也称之为736)，它通过反射离子来影响和/或改变轨迹728的方向，其中轨迹728a的路径与轨迹728的路径是对称的，对称轴通过反射器736的中心。在一些实施例中，反射器736包括一组静电透镜(未示出)，用于反射和/或沿反射的轨迹728a再引导离子流。在一些实施例中，反射器736包括结合在一起的电阻性玻璃管(resistive glass tube)的两个部分。在反射器736的前面730处设置了栅格(未示出)，并且在两个结合的管部分之间设置了第二栅格738。可以把固定电位施加于前面730处的、两部分管之间的栅格处的、以及反射器736的后面734处的栅格。如此的配置允许在离子反射管中建立电场梯度。在退出光学系统之后，离子遵循反射轨迹728a到达检测器740。

可以使用光学系统736来增加离子在飞行区域732中行进的路径长度l，例如，以增加所捕获的质谱中信号峰值的分辨率。例如，根据轨迹728和反射的轨迹728a中每一个的长度的总和，路径长度l可以是已知的或确定的值。可以使用离子越过路径长度l所需要的时间量来确定试剂离子或产品离子的质量或质荷比。例如，在通过光学系统715产生的电磁场的影响下加速之后，越过路径长度l所需要的时间量表示为离子在飞行腔室708中的速度或动能。可以与Lorentz力定律和牛顿第二定律一起使用离子越过路径长度l所花费的时间来确定质量或质荷比。还可以使用光学系统736来校正试剂离子和产品离子的动能中的变化。具有相对较高的动能的离子比具有相对较低动能的离子更能行进而进入光学系统(沿减小的x轴)。有时把这个现象称为渗透或反射渗透。使检测器740定位于轨迹728或反射轨迹728a的焦点处或附近减少了质谱上能量分布的影响。

从离子束调节器724的不同的脉冲通过飞行区域732移动的离子可以在飞行区域732中混合，在通过检测器740接收到的信号中或在检测器740产生的质谱中，导致信号卷积。一般在能量焦点处或附近设置检测器740，以致检测器几乎同时收集退出光学系统736的相同质量但是不同能量的离子。在一些实施例中，检测器740是堆叠式微通道板型检测器。检测器740以脉冲计数模式工作。脉冲计数模式允许当各个离子在通过飞行区域732之后到达检测器时收集它们。在一些实施例中，检测器740与信号鉴别器、放大器和/或时间到数字转换器(TDC)一起使用。

当离子束调节器724使用伪随机二进制序列型脉冲时，可以使用信号处理技术(诸如统计信号处理技术)对从通过检测器740收集到的离子捕获的信号进行去卷积。统计信号处理技术根据卷积信号或谱的统计分析提供关于信号或谱的信息。用于对捕获的信号去卷积的合适的信号处理技术的例子是最大似然信号处理。

最大似然信号处理一般根据所测量的事件执行统计计算。例如，对于测量独立变量x_i和因变量y_i(i从1到N)的N个事件的收集，可以从测量到的数据x_i和y_i来确定拟合函数。拟合函数包括m个参数a_i，其中i从1到m。可以对每个事件写出形式为y(x_i)≡y(x_i；a₁，a₂，...，a_m)的拟合函数。对于每个事件，可以把y(x_i)拟合函数转换成归一化的概率密度函数P_i≡P(x_i；a₁，a₂，...，a_m)。可以在x_i的观察值处计算概率密度函数P_i。似然函数L(a₁，a₂，...，a_m)是各个概率密度的积，使得

$L(a_1,a_2,...,a_m)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{P}_i,$

并且可以通过相对于参数使似然函数L(a₁，a₂，...，a_m)最小化而得到各个参数a_i的最大似然值。

在一些实施例中，使用离子束调节器724的伪随机二进制序列脉冲来操作飞行时间质谱仪700以产生卷积的信号或谱。然后使用最大似然信号处理使卷积的信号或谱去卷积。当在这个模式中使用时，离子束调节器724允许离子在约50％的总可用时间中通过，允许总的可用离子中的约50％通过飞行区域732。飞行时间质谱仪的这种“高占空比”操作在增强信噪比、提高灵敏度和较宽的动态范围方面提供了性能优点。在一些实施例中，在单脉冲模式中操作飞行时间质谱仪700，其中在触发离子束调节器的后续脉冲之前，检测器740收集来自离子束调节器724的单个脉冲的所有离子。

除了飞行时间质谱仪700的“高占空比”操作提供的优点之外，最大似然信号处理也提供优于其它信号去卷积方法的额外的性能提高。最大似然信号处理处理信号噪声作为泊松噪声而非高斯噪声。最大似然信号处理还可以参考实际的仪器响应函数(例如，实际的离子束调节器脉冲形状)而非理想的仪器响应函数。这些性能提高促进信号分辨率的提高，以及还增强信噪比和动态范围。

在一些实施例中，通过数据分析模块(未示出)执行最大似然信号处理。还可以使用数据分析模块来识别质谱中的物质，例如，基于查找表或单变量或多变量概率法。在一些实施例中，数据分析模块可以基于多变量统计分析。合适的多变量统计分析的例子包括，但是不局限于，偏最小二乘判别分析(PLS-DA)或使用Hotelling型分析或DmodX型分析的主成分分析。在一些实施例中，使用数据分析模块来解译样品数据以确定样品是否与特定数目相关联。在一些实施例中，数据分析模块监视系统的诊断输出以确定系统(例如，图1的系统100)中是否已发生故障。

这里描述的质谱系统和技术存在许多应用。尤其，可以检测痕量浓度或浓度中的挥发性有机化合物。以实时检测和识别痕量浓度挥发性有机化合物而增加灵敏度和能力提供了这里的系统和和方法的多种应用。特定应用包括气体(例如，环境空气、来自封闭空间的气体、来自气体供给的气体、从固体样品或从容器或在食品或饮料产品上的上部空间发出的气体)的采样。然后把经采样的气体引入气体样品入口端，并与试剂离子交互作用以形成产品离子。挥发性有机化合物的特定应用和检测与如何以及何处放置气体样品入口端有关。

在一些实施例中，气体样品入口端包括按应用需要定制气体样品入口端的应用特定特征。例如，在医疗诊断应用中，可以使气体样品入口端与罩住人的鼻子和嘴的面罩耦合。气体样品入口端或面罩也可以与细菌过滤器结合。在包括来自环境包含粒子的应用中，例如，粒子过滤器可以与样品线或气体样品入口端结合。在样品蒸汽包含会冷凝的物质的应用中，可以把加热器结合到系统(例如，样品线)中，以对样品线加热到特定温度。

样品气体收集器的例子包括容器、罐、或基于真空的产品(该产品含出口端，用于供气体通过而到气体样品入口端)。气体收集器可以收集发现气体的环境中的气体，并且存储气体供以后分析用，在该情况中，收集器是相当能渗透气体的。在一些实施例中，气体收集器包括馈送到气体样品入口端和到漂移腔室以便实时检测和/或监视的出口端。

此后描述的质谱系统和方法的各种应用都在本发明的范围和精神内。所描述的质谱技术的一类应用包括在包含环境空气的空气中的挥发性有机化合物的痕量浓度级浓度的测量。可以从封闭的空间或非封闭的空间对环境空气进行采样(例如，通过使气体样品入口端在环境空气附近定位)。

可以监视市区的挥发性有机化合物，用于检测城市和城镇中和/或工业用地附近的汽车排放和污染物。有时把这些称为人为VOC。例如，工业用地可以包括化工厂、垃圾焚化厂、钢铁和水泥生产设施。工业设施会发出VOC，诸如二噁英替代(以及基于二噁英的化合物)、呋喃(以及基于呋喃的化合物)、氯酚、萘、苯、甲苯、乙烯、氧化乙烯(xyethylene)(统称BTEX)物质。此外，由管理机构(诸如美国的环境保护署、或其它国家的环境部(MfE))，根据特定程序(诸如VOC倡议或非甲烷有机化合物倡议)标识的VOC或市区有害空气污染物。

在一些实施例中，在垃圾焚化厂或烟囱附近设置气体样品入口端是有用的，可以进行实时监视和调节(例如，实时反馈)以减少辐射。这种实时监视对于确认所陈述的洗涤器效率和优化燃烧过程也是有用的。

在一些实施例中，气体样品入口端设置在封闭空间中，用于监视封闭空间的空气中的VOC含量。封闭空间的例子包括建筑物内、汽车内以及飞机客舱内。可以从工作区位置(例如，半导体制造设施或铸造厂的净化室)对气体采样，以确认坚持环保规定(例如，职业安全及健康规则)。还可以使用气体样品入口端以实时监视和检测建筑物中用于环境空气控制的空气处理和过滤系统，用于研究“病态楼宇”综合症，检测建筑物材料的降质(包括建筑物泄漏)，以及测试建筑物内消费产品(例如，涂层和材料辐射的烟雾)。

例如，可以使用这里描述的质谱法监视和检测由在非城市的、乡村或远处位置的森林和/或工厂辐射的VOC。一般，已知这个类型的VOC为“生物”VOC。在一些实施例中，在含泥土样品的容器的顶部空间对气体采样(例如，测试从或围绕污染场址取得的泥土样品中的VOC)。可以使用质谱技术来监视、检测和分析通过垃圾填埋场、禽畜养殖区(包括集中的动物喂养操作)和/或水系统辐射的气体。

在非封闭的空间中，可以把气体样品入口端设置在汽车或飞机引擎排放的下游，以对这些辐射或其它感兴趣的气体(包括二氧化硫(H2S))的VOC含量进行监视和/或定量。通过设置气体样品入口端以捕获大气气体，这里描述的技术还可应用于大气化学和/或大气成分的研究。分析这些气体以研究和评估光氧化过程和/或导致可包括同量异位化合物的二次有机气溶胶的形成的其它机构。

这里描述的技术还可应用于食品和饮料业。例如，食品或饮料产品上方的顶部空间包含可以使用质谱法分析的气体。顶部空间可以在于封闭空间中(例如，在密封的容器中)或在非封闭的空间中。

食品和饮料应用的例子包括对多种食品(诸如，例如，咖啡、橄榄油、乳类产品、肉类产品(包括家禽和猪肉)、鱼类产品、药草和香料、啤酒、酒和其它酒精饮料)中的口味和香气进行监视、识别和分组。可以根据对不同香气有贡献的VOC成分来确定和/或识别气体中的香气。可以使用化学电离反应和/或质子转移反应质谱法来监视食品腐败和/或腐烂，例如，通过作为细菌在食品中活动的结果而产生的VOC的分析。可以使用这里的质谱法来确定食品(例如，面包)的新鲜度，并且提供质量保证和质量控制，以及帮助确定产品稳定性和货架寿命。可以使用质谱技术进行食品生产过程监控(包括混和、混合、烘焙、烹饪)，以及确定特定批的食品是否不适合于分发或消费。

在食品和饮料业内，可以使用质谱法从食品包装来检测食品中的污染(例如，溶剂残留或来自塑料食品包装的污染)。这里的质谱技术可应用于测试在各种食品中使用的水溶性和脂溶性抗氧化剂和/或其它食品添加剂。

化学电离反应和/或质子转移反应质谱仪还可应用于医疗保健领域作为用于诊断或预后的仪器。例如，可以把气体样品入口端设置在人嘴附近，以收集人的气息而提供给质谱系统。气息中的VOC可以表示特定疾病的存在或病人的特殊物理条件。存在包含VOC的气息分析应用的数个例子。例如，通过检测特定烷烃和苯衍生物，可以分析气息来筛选各种类型的癌症(例如，肺癌)。还可以根据病人气息中的VOC物质和量分析其它情况的气息，诸如肺结核、糖尿病、真菌感染(例如，骨髓病人中)、精神分裂症和/或双极紊乱。

还可以使用这里描述的质谱法来监视肾或其它肾功能。当存在细菌感染时，囊性纤维化患者的人类气息可以包括特定的VOC，并且可以诊断感染。在一些实施例中，人类气息包括表示器官移植排斥反应的特定的VOC。人类气息还可以包括可以通过所描述的质谱仪检测的(痕量浓度的)性能增强药物。还可以使用VOC的气息分析和检测来定制运动员和病人的饮食和训练方案。使用这里描述的质谱仪的人类气息的VOC分析，使评估和监视代谢功能和诊断甲状腺问题成为可能。

化学电离反应和/或质子转移反应质谱法可应用于保安、生物安全、以及法医学刑事调查领域。例如，可以使用这里描述的系统和方法来监视和检测爆炸材料、化学战剂(CWA)和/或战场气体、助燃剂(纵火调查时)以及尸体埋葬位置。此外，可以设置气体样品入口端来收集人类气息以筛选对于CWA或战场气体暴露。可以使用质谱法来检测和分析给出不同体液特征的特定的VOC(例如，在犯罪现场收集的证据)。这里描述的概念还可应用于筛选和检测毒品和/或毒品的滥用，或是经由气息分析，或通过把气体样品入口端耦合到怀疑含毒品的容器上。更一般地，可以把气体样品入口端耦合到集装箱或包装上，以检测构成生物安全威胁的、作为材料或物质的特征的VOC(例如，炭疽或孢子)。

还可以使用所描述的技术来监视通过VOC的存在而证明的农作物害虫和病菌污染。例如，可以把气体样品入口端设置在粮食附近以检测粮食中存在真菌毒素(真菌毒素)。还可以使用化学电离反应和/或质子转移反应质谱法来检测作物收获后的真菌或昆虫(例如，在分发给食品和饮料生产公司之前)。

在化妆品、卫生用品和消费制药业方面也存在化学电离反应和/或质子转移反应质谱法应用，诸如，例如，在产品开发阶段分析和测试产品。也可以在生产过程期间使用质谱法，以在分发之前检测任何故障或缺陷。

化妆品、卫生用品和消费制药业的应用例子包括根据对特定香味有贡献的VOC成分的识别进行香味研究和开发(例如，香水、止汗剂、和除臭剂)。这里描述的概念还可以应用于卫生用品和消费产品的开发和测试(例如，在测试或实验室环境中的使用期间，监视VOC含量和检测VOC水平)。这些产品包括漱口水、牙膏、肥皂、抗菌药膏、和面霜，除臭剂和止汗剂。还可以使用气息分析来分析和监视口腔卫生产品。像食品和饮料业那样，可以使用化学电离反应和/或质子转移反应质谱法进行用于化妆品、卫生用品、和药品消费产品的一般质量控制和/或质量保证程序，包括估计产品稳定性和/或货架寿命。

存在化学电离反应和/或质子转移反应质谱法的另外的应用。例如，可以在生物制药工业的过程监视和控制中使用所描述的概念，例如，在发酵过程期间监视和识别所产生的VOC。某些监管机构(例如，ASTM国际)已经公布目标以提高生物产品制造的质量、安全和效率。设置气体样品入口端以收集样品在制造过程期间进行在线分析可以进一步达到这些监管目标。

在一些实施例中，可以使用质谱法进行生物研究以检测与植物叶片伤人及防御机制相关联的痕量浓度的VOC。在一些实施例中，设置气体样品入口端以从气体供给(例如，烃羽)收集样品。根据上述方法确定气体供给的VOC含量。烃羽可以表示油和/或气体沉积，并且可以在石油勘探中使用这里的质谱技术。还可以使用化学电离反应和/或质子转移反应质谱进行分析和使汽车工业中的催化剂性能最优化。在这些应用中，设置气体样品入口端以收集前和后气体物质，例如，为了比较的目的。其他应用对于熟悉本领域的技术人员是显而易见的，并且在本发明的范围和精神内。

在一些实施例中，使用结合本发明原理的光谱仪作为电子鼻系统的部件。在一些实施例中，电子鼻系统还包括分析模块，用于分析通过光谱仪输出的信号。可以使用电子鼻系统来分析蒸汽和气体，包括在固体或液体物质上方顶部空间中的那些蒸汽和气体，这包括多个成分。分析模块分析通过光谱仪输出的信号，并且能够识别样品中的特定成分。此外，分析模块执行物质存在的全局指印分析(即，捕获化学签名)，这与以前存储信息中来自其它物质的指印进行比较。

在一些实施例中，分析模块包括计算机处理器，例如，该计算机处理器执行多变量分析算法，图案识别算法或神经网络算法，这些对于处理大量样品参数来定样品的特征和进行比较是特别有用的(例如，许多VOC成分峰值是某些气味和香味的特征)。例如，多变量分析技术对于观察和分析一个以上的统计变量是有用的，并可以减少来自复杂指印的数据，以进行简单的比较。使用这个方法，可以把相似的香味和气味组合成组，并且可以识别和突出离群者。

在分析通过食品和饮料发射的VOC的全局指印时，使用电子鼻系统，食品和饮料通常包括大量成分(例如，多个不同的VOC物质)。例如，气味包括分子，每个分子具有特定的大小和形状。在人类鼻子中，每个分子具有相应大小和形状的接收器。可以使用光谱仪来唯一地作出气味样品中许多不同分子的指印。电子鼻系统的另外的应用包括检测对于医疗诊断的疾病为特定的气味，在环保方面检测污染物和气体泄漏。在一些实施例中，电子鼻系统包括另外的传感器(例如，一个或多个气体传感器，包括金属氧化物半导体(MOS)、导电聚合物(CP)、石英晶体微量天平以及场效应晶体管(MOSFET)传感器)，这些传感器输出由分析模块分析的信号。

在已经参考具体实施例特定地示出和描述本发明的同时，熟悉本领域的技术人员可以理解，可以作出形式上和细节上的各种改变而不偏离由所附的权利要求书定义的本发明的精神和范围。

Claims (77)

1.一种质谱测定方法，包括：

引入非电离的样品气体；

向等离子体腔室提供试剂蒸汽；通过将微波或高频RF能量从一个腔转移到所述等离子体腔室中的试剂蒸汽，来产生微波或RF等离子体，以形成一个或多个试剂离子；

将一个或多个试剂离子引导至漂移腔室；

使一个或多个试剂离子与所述非电离的样品气体中的一种或多种成分交互作用，以在漂移腔室中产生一个或多个产品离子；

把一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子引导到四极或飞行时间质谱仪模块；以及

通过质谱仪模块确定一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的峰值强度或质量中的至少一个的值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非电离的样品气体包括至少是痕量浓度的一个或多个挥发性有机化合物。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，引入包括把样品气体入口端耦合到封闭空间。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，引入包括在非封闭空间中设置样品气体入口端。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，引入包括把样品气体入口端耦合到一容器。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，引入包括把样品气体入口端耦合到汽车或飞机排放的下游。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，引入包括把样品气体入口端耦合到食品或饮料产品上方的顶部空间。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，引入包括把样品气体入口端设置在人嘴附近以收集呼出的气息。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，引入包括把样品气体入口端设置在用于发出气体或蒸汽的固体样品材料的附近。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，引入包括把样品气体入口端耦合到气体供给源。

11.一种质谱测定系统，包括：

微波或高频RF能量源，所述微波或高频RF能量源被置于一个腔中，用微波或RF能量使在等离子体腔室中的试剂蒸汽的粒子电离，以形成一个或多个试剂离子，所述等离子体腔室至少部分地位于所述腔中；

供给源，用于帮助分析非电离的样品气体，所述非电离的样品气体包括至少是痕量浓度的一个或多个挥发性有机化合物；

漂移腔室，所述漂移腔室包括入口端，所述入口端允许非电离的样品气体进入漂移腔室以与从微波或高频RF能量源被引导至所述漂移腔室的一个或多个试剂离子交互作用从而形成一个或多个产品离子，所述腔室中产生电磁场；以及

相对于腔室的退出孔而设置的四极或飞行时间质谱仪模块，用于收集一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子，来帮助确定一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的峰值强度和/或质量中的至少一个的值。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述四极或飞行时间质谱仪模块帮助确定非电离的样品气体中的一个或多个挥发性有机化合物的峰值强度或质量中的至少一个。

13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述四极或飞行时间质谱仪模块帮助确定非电离的样品气体中的一个或多个挥发性有机化合物的身份。

14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述一个或多个挥发性有机化合物包括二英基化合物、呋喃基化合物、氯酚、萘、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、非甲烷有机化合物、二次有机气溶胶、同量异位化合物、化学战剂、战场气体、助燃剂、表征体液和真菌物种和真菌毒素的存在的挥发性有机化合物、或这些的任何组合。

15.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述一个或多个挥发性有机化合物包括人为的或生物的挥发性有机化合物。

16.一种质谱系统，包括：

用于引入非电离的样品气体的装置，所述非电离的样品气体包括至少是痕量浓度的一个或多个挥发性有机化合物；

用于通过将微波或高频RF能量从一个腔转移到等离子体腔室从而从所述等离子体腔室中的试剂蒸汽供给源产生一个或多个试剂离子的装置；

用于将一个或多个试剂离子引导至漂移腔室的装置；

用于使非电离的样品气体与一个或多个试剂离子交互作用以在漂移腔室中形成一个或多个产品离子的装置；

用于把一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子引导到质谱仪的装置，用于确定一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的峰值强度或质量中的至少一个的值，或用于识别一个或多个挥发性有机化合物。

17.一种质谱测定系统，包括：

微波或高频RF能量源，所述微波或高频RF能量源被置于一个腔中，用微波或高频RF能量使在等离子体腔室中的试剂蒸汽的粒子电离，以形成一个或多个试剂离子，所述等离子体腔室至少部分地位于所述腔中；

漂移腔室，所述漂移腔室包括入口端，所述入口端允许非电离的样品气体进入漂移腔室以与从微波或高频RF能量源被引导至漂移腔室的一个或多个试剂离子交互作用从而形成一个或多个产品离子，所述腔室中产生电磁场；以及

相对于漂移腔室的退出孔设置的四极质谱仪模块，用于收集一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子，以帮助确定一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的峰值强度或质量的值。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述微波能量源包括微波等离子体发生器。

19.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述高频RF能量源包括电容性耦合的RF等离子体发生器。

20.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述一个或多个试剂离子包括水合氢离子、氧离子或氧化亚氮离子。

21.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述非电离的样品气体包括一个或多个挥发性有机化合物。

22.如权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括相对于腔室设置的电极组，用于产生电磁场以便促进一个或多个试剂离子和非电离的样品气体之间的交互作用并且引导一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子穿过漂移腔室的退出孔。

23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，围绕所述漂移腔室的轴来径向地设置所述电极组，并且所述场轴向地引导一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子。

24.如权利要求22所述的系统，其特征在于，还包括与所述电极组进行通信的控制模块，可操作地根据系统操作参数来确定漂移腔室中的电磁场的值。

25.如权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括质量流量控制器、毛细管、或泄漏阀以便确定进入漂移腔室的样品的量。

26.如权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括设置在微波或高频RF能量源以及漂移腔室之间的质量过滤器，用于选择性地允许试剂离子进入所述腔室中。

27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述质量过滤器是四极质量过滤器。

28.如权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括与所述系统进行通信的多变量分析模块，可操作用于分析来自四极质谱仪模块的数据。

29.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述微波能量源包括：

微波发生器；

谐振部分，其中

等离子体腔室被设置在谐振部分中并且与漂移腔室相连通；以及

一个或多个截流口，所述等离子体腔室穿过所述截流口以减小试剂蒸汽供给源、漂移腔室、或这两者中的微波能量的量。

30.如权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括与所述系统进行通信的控制模块，可操作用于部分地根据系统的操作参数来改变系统的输入参数。

31.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述系统的操作参数包括非电离的样品气体的成分、漂移腔室的压力、一个或多个产品离子或一个或多个试剂离子穿过漂移腔室的速度、非电离的样品气体或试剂离子进入腔室的流速、一个或多个产品离子或一个或多个试剂离子的能量、试剂离子、产品离子、或它们的任何组合的化学成分中的至少一个。

32.如权利要求30所述的系统，其特征在于，可操作所述控制模块，从而部分地根据操作参数来改变用于在漂移腔室中产生电磁场的电极组的输入参数。

33.如权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括与所述系统进行通信的控制模块，可操作用于检测或识别系统操作参数的故障。

34.如权利要求33所述的系统，其特征在于，可操作所述控制模块，从而部分地根据故障的检测或识别来改变操作参数的值。

35.如权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括与所述系统进行通信的控制模块，用于监视所述系统并且响应于所述监视而可操作地设置或调节所述系统的操作参数的值，其中所述控制模块是基于多变量统计分析算法的。

36.如权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括相对于所述漂移腔室而设置的获取电极，用于定义一个孔，试剂离子或产品离子穿过所述孔到达四极质谱仪模块，可操作用于指定试剂离子或产品离子的能量值以便由四极质谱仪模块进行收集。

37.如权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括相对于所述漂移腔室而设置的透镜组件，用于使试剂离子和产品离子聚焦在获取孔上，所述获取孔帮助试剂离子和产品离子到达质谱仪模块。

38.一种为质子转移反应质谱仪或化学离子反应质谱仪产生一个或多个离子的方法，所述方法包括：

向等离子体腔室提供试剂蒸汽；

通过将微波能量从一个微波腔转移到所述等离子体腔室中的试剂蒸汽，来产生微波等离子体，以产生一个或多个试剂离子；以及

将一个或多个试剂离子引导至漂移区域，以便与非电离的样品气体中的一种或多种成分交互作用从而在漂移区域中形成产品离子。

39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述试剂蒸汽包括水蒸汽、氧气或氧化亚氮，并且一个或多个试剂离子包括水合氢离子、氧离子或氧化亚氮离子。

40.如权利要求38所述的方法，其特征在于，通过频率大于800MHz的电磁波来提供微波能量。

41.一种为质子转移反应质谱仪或化学离子反应质谱仪产生一个或多个试剂离子的方法，所述方法包括：

向等离子体腔室提供试剂蒸汽；

通过将高频RF能量从一个高频RF腔转移到所述等离子体腔室中的试剂蒸汽，来产生高频RF等离子体，以产生一个或多个试剂离子；以及

将一个或多个试剂离子引导至漂移区域，以便与非电离的样品气体中的一种或多种成分交互作用从而在漂移区域中形成产品离子。

42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，通过频率在400kHz和800MHz之间的电磁波来提供RF能量。

43.如权利要求41所述的方法，其特征在于，通过电容性耦合的RF等离子体来产生一个或多个试剂离子。

44.一种质谱测定方法，包括：

向等离子体腔室提供试剂蒸汽；

通过将微波或高频RF能量从一个腔转移到所述等离子体腔室中的试剂蒸汽，来产生微波或RF等离子体，以形成一个或多个试剂离子；

将一个或多个试剂离子引导至漂移腔室；

使一个或多个试剂离子与非电离的样品气体中的一种或多种成分交互作用，以在漂移腔室中产生一个或多个产品离子；

把一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子引导到四极质谱仪模块的收集区域；以及

通过质谱仪模块确定一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的峰值强度或质量的值。

45.一种质谱系统，包括：

用于通过将微波或高频RF能量从一个腔转移到等离子体腔室从而从所述等离子体腔室中的试剂蒸汽供给源产生一个或多个试剂离子的装置；

用于将一个或多个试剂离子引导至漂移腔室的装置；

用于使非电离的样品气体与一个或多个试剂离子交互作用以在漂移腔室中形成一个或多个产品离子的装置；

用于包括电磁场以便把一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子引导到收集区域的装置；以及

与收集区域相连通以便确定一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的峰值强度或质量的值的装置。

46.一种质谱测定系统，包括：

微波或高频RF能量源，所述微波或高频RF能量源被置于一个腔中，用微波或高频RF能量使等离子体腔室中的试剂蒸汽的粒子电离，以形成一个或多个试剂离子，所述等离子体腔室至少部分地位于所述腔中；

漂移腔室，所述漂移腔室包括入口端，所述入口端允许非电离的样品气体进入漂移腔室以与从微波或高频RF能量源被引导至漂移腔室的一个或多个试剂离子交互作用从而形成一个或多个产品离子；以及

相对于所述漂移腔室的退出孔而设置的质谱仪模块，所述质谱仪模块包括：

飞行区域，一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子通过所述飞行区域行进，所述飞行区域定义了路径长度；以及

收集区域，用于接收来自飞行区域的一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子，其中根据一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个越过所述路径长度所用的时间量来确定质量的值。

47.如权利要求46所述的系统，其特征在于，所述质谱仪模块还包括：

相对于所述漂移腔室的退出孔而设置的离子束调节器，用于把一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子的流以脉动方式输送到飞行区域中；以及

设置在飞行区域中用于增加一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子行进的路径长度的值的光学系统。

48.如权利要求47所述的系统，其特征在于，所述离子束调节器通过从控制器提供的伪随机二进制序列来调制一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子的流。

49.如权利要求48所述的系统，其特征在于，分析模块对从质谱仪模块接收到的数据执行最大似然信号处理算法，以确定一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的峰值强度或质量的值。

50.如权利要求47所述的系统，其特征在于，所述分析模块对从质谱仪模块接收到的数据进行去卷积，以确定一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的峰值强度或质量的值。

51.如权利要求47所述的系统，其特征在于，所述收集区域包括以脉冲计数模式工作的堆叠式微通道板检测器或双极型检测器。

52.如权利要求47所述的系统，其特征在于，所述光学系统包括反射器。

53.如权利要求47所述的系统，其特征在于，还包括用于使试剂离子和产品离子聚焦到离子束调节器上的透镜，其中离子束调节器包括离子束斩波器、离子束门、离子束调制器、或这些的任何组合。

54.如权利要求46所述的系统，其特征在于，还包括相对于漂移腔室和质谱仪模块而设置的光学系统，所述光学系统包括至少一个四极透镜，以把一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子的流引向离子束调节器。

55.如权利要求46所述的系统，其特征在于，所述质谱仪模块定义穿过飞行区域的线性的轴。

56.如权利要求55所述的系统，其特征在于，所述线性的轴与穿过飞行区域的第二轴相平行。

57.如权利要求46所述的系统，其特征在于，还包括相对于微波能量源和漂移腔室而设置的质量过滤器，用于选择性地允许一个或多个试剂离子的子集进入所述漂移腔室。

58.如权利要求57所述的系统，其特征在于，所述质量过滤器包括四极质量过滤器。

59.如权利要求46所述的系统，其特征在于，还包括分析模块，用于接收来自质谱仪模块的数据，以产生包括一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的峰值强度或质量的值的质谱。

60.如权利要求46所述的系统，其特征在于，还包括多变量统计分析模块，用于根据质谱仪模块所产生的质谱来识别非电离的样品气体的成分。

61.如权利要求46所述的系统，其特征在于，还包括与所述系统进行通信的控制模块，可操作用于根据系统的操作参数来检测或识别系统中的故障。

62.如权利要求61所述的系统，其特征在于，可操作所述控制模块从而部分地根据故障的检测或识别来改变操作参数的值。

63.如权利要求46所述的系统，其特征在于，还包括与所述系统进行通信的控制模块，可操作用于根据系统的操作参数来改变所述系统的输入参数的值。

64.如权利要求46所述的系统，其特征在于，还包括相对于漂移腔室而设置以产生一个场的电极组，所述场用于促进一个或多个试剂离子和非电离的样品气体之间的交互作用，还用于引导一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子通过漂移腔室的退出孔。

65.如权利要求64所述的系统，其特征在于，还包括与所述电极组进行通信的控制模块，可操作用于根据系统的操作参数来确定腔室中的场的值。

66.如权利要求65所述的系统，其特征在于，所述系统的操作参数包括非电离的样品气体的成分、漂移腔室的压力、一个或多个产品离子或一个或多个试剂离子穿过漂移腔室的速度、样品或试剂离子进入漂移腔室的流速、一个或多个产品离子或一个或多个试剂离子的能量、试剂离子或产品离子或这些的任何组合的化学成分中的至少一个。

67.如权利要求65所述的系统，其特征在于，可操作所述控制模块从而部分地根据操作参数来改变电极组的输入参数。

68.一种质谱测定系统，包括：

微波或高频RF能量源，该微波或高频RF能量源被置于一个腔中，用微波或RF能量使等离子体腔室中的试剂蒸汽的粒子电离从而形成一个或多个试剂离子，所述等离子体腔室至少部分地位于所述腔中；

漂移腔室，所述漂移腔室包括入口端，所述入口端允许非电离的样品气体进入漂移腔室以与从微波或RF能量源被引导至漂移腔室的一个或多个试剂离子交互作用从而形成一个或多个产品离子；以及

相对于漂移腔室的退出孔而设置的飞行时间质谱仪模块，用于根据一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个越过质谱仪所用的时间量来产生一质谱，所述质谱包括一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的质量的值。

69.如权利要求68所述的系统，其特征在于，所述飞行时间质谱仪模块包括：

飞行区域，一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子通过所述飞行区域而行进，所述飞行区域定义一路径长度；

离子束调节器，用于调制进入飞行区域的一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子的流；

设置在飞行区域中的光学系统，用于增加一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子所行进的路径长度的值；以及

收集区域，用于接收来自飞行区域的一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子。

70.一种用于处理飞行时间质谱仪中的信号的方法，所述信号基于通过将微波能量从一个微波腔转移到等离子体腔室中的试剂蒸汽来产生微波等离子体从而产生的一个或多个试剂离子且还基于通过将一个或多个试剂离子引导至漂移区域以便在电磁场中与非电离的样品气体中的一种或多种成分交互作用以在漂移区域中形成一个或多个产品离子从而产生的一个或多个产品离子，所述方法包括：

建立包含一个或多个试剂离子和一个或多个产品离子的第一离子流；

根据指定的流图案改变第一离子流以产生第二离子流；

在检测器处接收第二离子流；以及

根据最大似然型统计算法从通过检测器传送的数据中确定一质谱，所述质谱包括用于表示一个或多个试剂离子和一个或多个产品离子的质量或峰值强度的数据。

71.如权利要求70所述的方法，其特征在于，所述第二离子流是脉动的流。

72.如权利要求71所述的方法，其特征在于，所述脉动的流是基于根据伪随机二进制序列产生的指定的流图案。

73.一种质谱测定方法，包括：

把试剂蒸汽提供给等离子体腔室；

通过将微波或高频RF能量从一个腔转移到所述等离子体腔室中的试剂蒸汽，来产生微波或RF等离子体，以形成一个或多个试剂离子；

将一个或多个试剂离子引导至漂移腔室；

使一个或多个试剂离子与非电离的样品气体交互作用，以在漂移腔室中产生一个或多个产品离子；

沿着飞行时间质谱仪模块的飞行区域中的轨迹，引导一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子；以及

通过质谱仪模块确定一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的峰值强度或质量的值。

74.一种用于测量一个或多个试剂离子和一个或多个产品离子的质量的系统，通过将微波能量从一个微波腔转移到等离子体腔室中的试剂蒸汽来产生微波等离子体从而产生一个或多个试剂离子，并且通过将一个或多个试剂离子引导至漂移区域以便在电磁场中与非电离的样品气体中的一种或多种成分交互作用以在漂移区域中形成一个或多个产品离子从而产生一个或多个产品离子，所述系统包括：

相对于漂移管组件的离子退出孔而设置的四极透镜组，用于接收通过退出孔的包括一个或多个试剂离子和一个或多个产品离子的第一离子流，并且产生被引导到离子束调节器的第二离子流；以及

离子束调节器，可操作用于选择性地允许第二离子流通过并到达飞行时间质谱仪的飞行区域。

75.一种质谱测定系统，包括：

用于通过将微波或高频RF能量从一个腔转移到等离子体腔室以使该等离子体腔室中的试剂蒸汽的粒子电离的装置；

用于将一个或多个试剂离子引导至漂移腔室的装置；

用于包括一电磁场以便使非电离的样品气体与一个或多个试剂离子在漂移腔室中交互作用以形成一个或多个产品离子的装置；以及

用于根据一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个越过指定距离所用的时间量来确定一个或多个产品离子和一个或多个试剂离子中的每一个的峰值强度或质量的值的装置。

76.一种用于测量一个或多个试剂离子和一个或多个产品离子的质量的系统，通过将微波能量从一个微波腔转移到等离子体腔室中的试剂蒸汽来产生微波等离子体从而产生一个或多个试剂离子，并且通过将一个或多个试剂离子引导至漂移区域以便在电磁场中与非电离的样品气体中的一种或多种成分交互作用以在漂移区域中形成一个或多个产品离子从而产生一个或多个产品离子，所述系统包括：

用于建立包含一个或多个试剂离子和一个或多个产品离子的第一离子流的装置；

用于根据指定的中断图案来调制第一离子流以产生第二离子流的装置；以及

用于从检测器装置传送的数据中产生一质谱的装置，所述数据对应于第二离子流。

77.一种用于测量一个或多个试剂离子和一个或多个产品离子的质量的系统，通过将微波能量从一个微波腔转移到等离子体腔室中的试剂蒸汽来产生微波等离子体从而产生一个或多个试剂离子，并且通过将一个或多个试剂离子引导至漂移区域以便在电磁场中与非电离的样品气体中的一种或多种成分交互作用以在漂移区域中形成一个或多个产品离子从而产生一个或多个产品离子，所述系统包括：

光学装置，用于接收包括一个或多个试剂离子和一个或多个产品离子的第一离子流，且还用于产生被引导到调节装置的第二离子流；以及

调节装置，用于选择性地控制到质谱仪的第二离子流。

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