CN103460330B - 离子门和离子改变器的结合 - Google Patents

Abstract

一种检测设备，包括离子化区域、包含两个电极的离子门、包含两个电极的离子改变器、漂移腔和集电极。所述离子门和所述离子改变器被结合在一起，以使所述离子门是所述离子改变器的电极中的一者。

Description

离子门和离子改变器的结合

技术领域

本公布涉及检测样本中的物质的检测设备。本公开更具体地但并不仅仅与离子迁移谱仪（IMS）相关。

背景技术

离子迁移谱仪被用于检测通常在大气压下的蒸汽或气体中存在的化学物质。IMS采用一些方法来离子化采样的化学物质，诸如电晕放电或放射源。门被打开以允许分子离子簇进入漂移腔的一端，在漂移腔上施加电压以使离子簇漂移到另一端，在该另一端离子簇被集电极（collector）板收集。分子离子簇还可以包括附加的掺杂物离子。掺杂物（dopant）被引入有助于识别感兴趣的离子。分子离子簇穿过门到达集电极板所需的时间依赖于分子离子簇的数量、大小、形状和电荷。通过测量该时间可得到提供化学物质的性质的指示。

在许多情况下，因为产生的离子簇的飞行时间可能与不同的物质的离子簇的飞行时间很接近，因此要明确地识别感兴趣的物质是困难的。已经提出了改善不同分子离子簇间的区别的各种配置。在US6797943中描述的一个配置整体以引用的方式结合于此，该配置包括使用激光能、热解器等来分裂分子离子。在进入漂移腔之前，离子簇在储存器中累积，在该储存器中离子簇暴露于离子分裂能。关于该配置的一个问题是所有的分子离子簇都要经历分裂，这可能导致频谱上的大量峰值，使分析非常困难。虽然分裂可能是有用的，但是分裂可能增大IMS使用的总能量。

掺杂物被选择以与感兴趣的一种或多种物质相结合，以产生可识别的频谱峰值。对比来源于无掺杂的样本的频谱和来源于相同的掺杂的样本的频谱接着可以在不同位置显示出峰值，并且这可以被用于帮助确定感兴趣的分析物物质或多种物质。掺杂还可被选择以使其不与干扰物质相结合，或以产生与感兴趣的物质不同的容易区别的输出的方式相结合。

在WO2006/114580中，整体以引用的方式结合于此，其中公开了一种用于改变离子的设备和方法。该设备包括用于施加强电场以引起离子的离子改变（诸如分裂）的装置。该场可以是2MHz附近的高强度射频（RF）场，该场能有效地引起处于场中的大量离子发生离子改变。该场的强度可以至少是10,000V/cm，并可具有每厘米好几万伏的级别（order）。为了防止电晕放电，可以连续地或以1μs的级别为间隔突发（burst）地施加该RF场。

这些场使足够的能量能够传递给例子以引起离子的改变。改变的或分裂的离子以与未改变的离子不同的移动性传到设备的集电极板，并因而在输出频谱上产生不同的峰值。因为这些离子改变后的变体（version）通常将不具有相似的移动性，所以这可能使得该设备能够区分两种具有相似移动性的不同的离子之间的区别。

离子改变可能发生在无掺杂和有掺杂的系统中。在掺杂的系统中可能出现两种作用。离子改变过程可以在离子本身不产生任何改变的情况下从离子中移除掺杂加合物。这可能是因为在离子已经通过了改变器中大部分路程时仅从离子中移除了掺杂加合物，而改变器中没有剩余足够的距离使进一步的离子改变发生。如果离子改变器的区域及更大的区域里没有掺杂物，那么未加合的离子可以保持它们的路径，因为，否则将会发生复合。如果在改变器区域内由足够的剩余的时间并且有可用的能量，那么离子本身的离子改变也可能发生。

发明内容

根据本公开，提供了一种检测设备，该检测设备包括离子化区域、包含两个电极的离子门、包含两个电极的离子改变器、漂移腔和集电极，其特征在于，所述离子门和离子改变器被结合，以使得所述离子门是所述离子改变器的电极中的一者。

在实施方式中，所述离子门包含固定电极和移动电极。这些电极可以是平行导线组、金属丝网或平行导线和金属丝网的结合。

本公开还扩展成用于检测设备的结合的离子门和离子改变器，其中所述离子门包含两个电极，电流穿过所述离子门的两个电极来控制离子流进入检测设备，且其中所述离子改变器包含两个通过其施加高频波的电极，其特征在于，所述离子门形成所述离子改变器的电极中的一者。

在实施方式中，离子门与离子改变器的第二电极间的距离小于1mm，或者小于0.75mm，例如该距离的范围是0.05至0.5mm，或0.1至0.4mm，或0.15至0.3mm。离子改变器的第二电极邻近离子门可能是非常重要的。

由于离子改变器的第二电极接近离子门，离子改变器电极和离子门基本上同时被激活，例如彼此在1ms之内。

本公布还扩展成检测样本中的物质的方法，其中所述样本被供应给检测设备的离子化区域，样本被电离并穿过结合的离子门和离子改变器，该结合的离子门和离子改变器控制样本的离子流进入漂移腔并使分裂样本中的离子，以及样本中分裂的离子沿着漂移腔漂移至集电极（collector）。

如上所述，所述离子门和离子改变器可以基本上同时被激活，例如彼此在1ms之内。

附图说明

设备的实施方式将参照以下附图进行描述，其中：

图1示意性地显示了包括检测器设备的系统；

图2示意性地显示了根据本公开的检测器设备。

具体实施方式

参照图1，检测器设备包括拉长的管状外壳1，其内部基本上处于大气压下。朝向其左手端的入口端2通向离子化区域3。以传统的方式将待分析的样本气体或蒸汽经由过滤器4供应到端口2。离子化区域3包括电晕放电点5或一些其他用于电离样本的电离装置，诸如放射源。离子门6把离子化区域3与漂移腔7分隔开，该漂移腔7扩展至外壳1的右手端，外壳1的右手端安装了集电极板8。漂移腔7包括沿着漂移腔7的长度方向依次间隔排列成行的电极11到15。

集电极板8、电极11至15、门6和放电点5电连接至处理器控制单元20，该处理器控制单元20将输出提供给显示器或其他表示检测到的物质的利用（utilisation）单元21。

漂移气体可以被供应给在入口30处的外壳1的右手端以沿着漂移腔7从右向左流动，也就是，与离子的流动相反的方向。通过出口端31在其左手端处漂移气体从漂移腔7排出。气体经由气体系统32在出口端31与入口端30之间流动，该气体系统32包括分子筛33和泵34。该分子筛33可以包含掺杂物。

当门6被打开时，在离子化区域3中产生的离子被允许进入漂移腔7的左手端。在电极11至15施加的约250Vcm^-1的相对较低电场的影响下离子沿着漂移腔7从左向右进行漂移。在离子穿过漂移腔7时不同移动性的离子彼此分开，所以，在任何时刻，不同的离子将处在漂移腔7的不同区域。不同移动性的离子因此在不同时刻到达集电极板8并在不同时刻产生提供给处理单元20的输出峰值。

引起离子诸如分裂的离子改变的强电场可以施加于漂移腔7。该场由电极13应用，该电极13包括沿着漂移腔7的主轴间隔开的两个电极13A和13B。在其他实施方式中，这两个电极相互间隔分布在跨越（across）漂移腔7的直径上。仍在进一步的实施方式中，离子改变器电极包括两个沿着漂移腔7的轴相互间隔的网状结构。

虽然在图1中这些电极13A和13B显示于沿着漂移腔7的中部，但它们可位于沿着腔的任意点，诸如邻近离子化区域3，或在离子化区域3之中。这些电极13A和13B被电连接至由处理单元20控制的高压RF单元40。给高压单元40施加引起场中至少一部分离子（如场中相当比例的离子）发生离子改变的高强度RF场是可操作的。可以连续地或突发地施加RF场。在排列在漂移管的相对侧的两组导线之间施加的场是典型的正弦场。

现在参照图2，于此对于与图1相同的特征将使用与图1相同的参考数字。离子改变器现在包括被配置成与用作第二电极的离子门6一起操作的单个电极18。电极18可位于尽可能接近离子门6的位置，并且当门上的电势恰当时，带电离子将穿过门并立刻被改变或被分裂。例如，在电极18与离子门6之间不产生电弧作用的情况下，电极18可位于尽可能接近离子门6的位置。

在一个实施方式中，离子改变器电极18置于离子门的下游。在另一实施方式中，离子改变器的电极18置于离子门的上游。

离子门6典型地由诸如BradburyNeilson遮板（shutter）中的两组交叉的平行导线构成。当两组导线上的电动势达到平衡后，如基本上相等后，离子穿过门。如果它们发生偏移那么会建立垂直于传输方向的场。冲击导线的离子不能通过门被传送。一组导线典型地处于固定的电势，而另一组导线可以是移动的。

图2的设备具有三个电极以形成离子门和离子改变器。在与电极撞击损失的离子较少的情况下，电极数量的下降可能提高设备的灵敏度。进一步地，因为离子改变器邻近离子门，所以基本上所有离子都可能被改变（当离子改变器被激活时）。在本实施方式中，与不具有描述的配置的设备相比，离子的改变基于进入漂移腔而发生以提高设备的灵敏度。

在操作中且离子改变器被激活时，一半（如，基本一半）的正弦波被施加于电极18，而另一半施加于离子门6。可能只是施加于离子门6的电极中的一者，也可能施加于两个电极以防止在离子门的电极的固定栅格与移动栅格之间发生击穿（例如BradburyNeilson遮板）。

设备的更高的灵敏度将在产生更大的裂片离子峰值中实现，这将帮助用更高精确度和确定性的识别样本的特性。这些峰值可以被添加到现有的峰值库里以给终端用户提供特定样本的更加详细的定义。

设备将被布置成在没有离子改变的情况下操作，即，切断电极18。当识别不明确的物质时，处理单元20可以被配置成启动离子改变以解决这种不明确。可替换地，在离子改变场打开的情况下可以运行该设备，并接着将其关闭较短的周期以确认物质的检测。

使离子改变器邻近离子门缩小甚至避免了现有技术的系统中出现的时序（timing）问题。在现有技术中（参照图1），在打开门6后的一个预先计算出的时间离子改变场必须被启动，以使当用离子改变电压激励那些离子时移动性在选择范围内的离子是离子改变场的电极13A和13B。此类操作有助于限定离子改变仅在选择的离子发生，因而避免了在频谱上产生额外的峰值并便于识别。

然而，离子改变场的时序可随着样本变化，如离子的大小和速度、漂移气体、离子改变器相对于离子门的位置、施加的电场、存在的掺杂物。本发明通过使离子改变邻近离子门并将离子门作为改变器中的第二电极减少或者避免了时序问题。离子改变器电极和离子门基本上可以同时被激活，例如彼此间相差在1ms以内。

虽然本公开已经在IMS设备的背景下举例，但结合的离子门和离子改变器还可被用于除IMS设备外的任意检测设备。

Claims (15)

1.一种检测设备，包括离子化区域、包含两个电极的离子门(6)、包含两个电极(6，18)的离子改变器、漂移腔(7)和集电极(8)，其特征在于，所述离子门(6)和离子改变器被结合在一起，以使得所述离子门(6)是所述离子改变器的电极(6，18)中的一者。

2.根据权利要求1所述的检测设备，其中所述离子门(6)包含固定电极和移动电极。

3.根据权利要求2所述的检测设备，其中所述固定电极和所述移动电极是平行导线组。

4.根据权利要求2所述的检测设备，其中所述固定电极和所述移动电极都是金属丝网。

5.根据权利要求2所述的检测设备，其中所述固定电极和所述移动电极是平行导线和金属丝网的结合。

6.根据权利要求3所述的检测设备，其中所述平行导线组互相交叉并被配置为提供BradburyNeilson遮板。

7.根据权利要求1所述的检测设备，其中所述离子门(6)与所述离子改变器的第二电极(18)间的距离小于1mm。

8.根据权利要求7所述的检测设备，其中所述离子门(6)与所述离子改变器的所述第二电极(18)间的距离小于0.75mm。

9.根据以上任意一项权利要求所述的检测设备，其中相对于离子流，所述离子改变器的第二电极(18)置于所述离子门(6)的下游。

10.根据权利要求1-8中任意一项权利要求所述的检测设备，其中所述两个电极包含所述离子改变器的第一电极和所述离子改变器的第二电极，并且相对于离子流，所述离子改变器的所述第二电极(18)置于所述离子门的上游。

11.一种操作包括结合的离子门和离子改变器(6，18)的检测设备的方法，其中所述离子门(6)包含两个电极，该方法包括：

控制所述离子门(6)的所述两个电极的电势以控制离子流进入检测装置，以及

将电压波形供应给所述离子改变器的两个电极(6，18)，其特征在于所述离子门(6)形成所述离子改变器的两个电极中的一者。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述电压波形包括射频RF波形。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述离子改变器的第二电极(18)在激活所述离子门1ms内被激活。

14.根据权利要求11、12或13所述的方法，该方法包括：

将样本供应给所述检测设备的离子化区域(3)，

电离所述样本，以及

使所述样本穿过结合的离子门和离子改变器(6，18)，该结合的离子门和离子改变器(6，18)控制样本离子流进入所述检测装置的漂移腔(7)并分裂所述样本离子，其中所述样本中分裂的离子沿着所述漂移腔漂移至集电极(8)。

15.根据权利要求14所述的方法，该方法包括在未改变的情况下操作所述结合的离子门和离子改变器，并基于不明确物质的识别来确定开启离子改变以分裂样本离子以解决不明确识别。