CN103688163A - 具有嵌入的faims单元的离子迁移谱仪设备 - Google Patents

具有嵌入的faims单元的离子迁移谱仪设备 Download PDF

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CN103688163A CN201280020894.XA CN201280020894A CN103688163A CN 103688163 A CN103688163 A CN 103688163A CN 201280020894 A CN201280020894 A CN 201280020894A CN 103688163 A CN103688163 A CN 103688163A
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D·V·伊瓦辛
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Abstract

本发明提供一种使用变频脉冲电离源和两种分离技术即低场迁移（IMS）和高场迁移（FAIMS）的串列仪器。分析级以嵌入在IMS漂移管（1012）内的轴上的场驱动FAIMS单元（1020）为特征。FAIMS单元包括两个平行的与IMS环大约一样直径的栅并可放在沿漂移管的任何地方及根据其在分压器梯子中的位置加偏压以产生一样的IMS电场。栅之间的间隔构成分析间隙，离子在那里除了漂移场之外还遭受FAIMS的不对称弥散场。在不对称波形的高和低电压期间进行的振荡运动根据离子的迁移率的差使离子分离。使用组合的正交技术如低（IMS）和高（FAIMS）场迁移技术，使离子检测和分析技术具有几个优点，包括低成本、无需真空、及产生2-D谱以进行增强的检测和鉴别。两个分析设备可在不同的模式下运行，其通过使联用仪器适应应用需要而提供总灵活性。对于IMS-FAIMS硬件级灵活性，这些仪器可配置和优化成充分利用适合不同目标化合物列表的多种检测情形的不同权衡。

Description

具有嵌入的FAIMS单元的离子迁移谱仪设备
技术领域
本申请涉及化学分析领域，尤其涉及离子迁移谱。
背景技术
在场应用中，不管是室内还是室外环境，化学分析仪器可能面临各种不同的复杂混合物。由于分子干扰物的存在，这些混合物可能导致仪器污染和混淆，分子干扰物产生与感兴趣的化学化合物一样的特征或产生分析仪器因其分辨率有限而不能分辨的特征。干扰物还可通过影响感兴趣的化合物的检测极限而显露其存在。因此，多级分析方法可用于减少干扰并产生足够的分离以进行确定性检测和识别。多级分析可包括单一分离技术如MSn仪器中的质谱（MS）或不同分离技术的组合。这些均称为正交技术，因为，尽管它们可级联运行，但它们通过产生多维谱因而增加检测概率和检测准确度而测量同一分子的不同性质。对于场仪器，这些技术可在物理上及运行上集成在一起以产生补充信息因而在不牺牲速度和灵敏度的情况下提高总选择性。
在痕迹爆炸物检测领域，离子迁移谱通常在机场的乘客检查点使用。该技术依赖于在乘客皮肤、衣服及个人物品上有足够的爆炸物残留（颗粒和/或蒸汽）以发出威胁信号。假定由于其高附着系数，在处理炸弹过程期间很难避免爆炸物颗粒的污染。同样，高附着系数导致极低的汽压，因而使它们的检测很困难。蒸汽和/或颗粒样本的采集可通过在“嫌疑”行李或人的表面挥过而实现，或者在入口的情形下，通过发送压缩空气的脉冲以从人的衣服、皮肤、鞋等上释放颗粒。在两种情形下，样本均引入离子迁移谱仪（IMS）进行分析。
离子迁移谱利用相当低的电场推进离子通过漂移气体室并根据它们的漂移速度分离这些离子。在IMS中，离子漂移速度与低电场(～200V/cm)情形下的场强成正比，因而离子的迁移率(K)独立于所施加的电场。在IMS中，被分析物和背景分子通常使用放射性α或β发射器电离，及离子被注入具有恒定低电场(300V/cm或更低)的漂移管内，离子在漂移管内基于其漂移速度因而基于其迁移率进行分离。迁移率受控于与按相反方向流动的漂移气体分子的离子碰撞。离子-分子碰撞截面取决于大小、形状、电荷、及相对于漂移气体分子质量的离子质量。所得的色谱图与已知图库进行比较以鉴别所收集的物质。由于碰撞截面取决于一个以上离子特性，峰鉴别并不唯一。IMS系统测量目标分子的次要及不太特有的性质—离子化分子在电场下漂移通过充满粘性气体的管所花的时间—分子的身份从强度-时间谱进行推导。由于不同的分子可能具有类似的漂移时间，IMS固有地具有有限的化学特异性，因而易受到干扰分子的影响。
高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)是新出现的检测技术，其可在大气压力下运行以分离和检测离子，最早由Buryakov,I.A.、Krylov,E.V.、Nazarov,E.G.、Rasulev,U.K.在International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes1993,128(3)中143-148页详细描述，其通过引用组合于此。FAIMS通过利用离子在高和低电场下的迁移率差而分离离子。相比于传统的离子迁移，FAIMS在高得多的电场下运行(～10,000V/cm)，其中离子迁移率与所施加的电场有关并由Kh即不恒定高场迁移率术语更好地表示。Kh与低场K相比的变化及依赖于该变化的化合物有助于FAIMS的分离能力。FAIMS利用交流(AC)和直流(DC)电压的组合传送感兴趣的离子并滤除其它离子，因而提高特异性并降低化学干扰。FAIMS可减少假阳性，因为具有同样的低场迁移率的两种不同化合物通常可在高场环境中进行区分。
离子在FAIMS中通过它们在高电场中的迁移率(Kh)和低电场中的迁移率(K)的差进行分离。在恒定气体数量密度N时，高电场中的离子迁移率的非线性相关性可由等式（1）描述：
Kh(E)=K0[1+α(E/N)2+β(Ε/Ν)4+...]    等式1
其中K0为零电场下的离子迁移率系数，及α和β描述在特定漂移气体中在高电场下的离子迁移率相关性。等式1为无穷级数，但在现实场强下，上面的第4阶项变得无意义。FAIMS单元（cell）通常由两个平行的电极组成，一个电极通常保持在接地电势，而另一个电极具有不对称波形施加到其上。常用的不对称波形，在等式2中由V(t)描述，包括高电压分量（也称为V1或离散电压[DV]），其相对于相反极性的低电压分量(V2)的较长持续时间(t2)持续短的一段时间(t1)。大多数FAIMS逐步发展到已采用正弦波，加上其在两倍于频率处的一次谐波，如等式2中所示，其中ω为按弧度每秒计的频率。
V(t)=(0.61)V1sin(ωt)+(0.39)V1sin(2ωt-π/2)...   等式2
构建波形使得施加到电极上的电压-时间的积等于零，如等式3中所示。
V1t1+V2t2=0        等式3
在高电场下，应用该波形将导致离子经历朝向电极之一的净漂移。在电极之间通过的离子遭遇该位移，因为在高电压分量期间的离子迁移率(Kh)不同于低电压迁移率(K)。换言之，离子在高电压部分期间将移动不同于低电压部分期间的距离。该离子将继续朝向电极之一迁移及随后丢失，除非施加DC补偿电压(CV)以抵消该漂移。如果离子的Kh/K比不同，抵消不同离子的漂移所需要的CV值将不同。因而，化合物的混合物可通过扫描CV、使每一化合物能在其特有CV下传送、产生CV谱而成功分离。
当较高电场施加到FAIMS电极时，离子迁移率可具有三个可能的变化。类型A离子的迁移率随电场强度的增加而增加，类型C离子的迁移率降低，及类型B离子的迁移率在开始增加随后在更高电场下降低。大多数低质量离子(<m/z300)为类型A离子，而大多数高质量离子为类型C离子。
除了独立使用之外，FAIMS设备还可用于在用质谱（MS）设备和/或漂移管IMS设备分析之前筛选离子，例如2010年8月19日公开的、Tang等人申请的题为“Platform for Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry withIon Propulsion Modes Employing Gas Flow and Electric Field”的美国专利申请2010/0207022Al中所述，其通过引用组合于此。该申请主要讨论了使用FAIMS设备连到随后的设备如IMS或MS设备的多设备仪器级，其中FAIMS设备可被快速开或关以使能使用其它级进行更灵敏的分析。该申请的第[0010]段提出，在前述多设备仪器级中，其它级先于FAIMS设备是可能的；然而，该申请中的论述仍然致力于在混合平台中提供有效、快速及方便地关闭FAIMS分离的方法以使能使用其它级进行更灵敏的分析。
因而，希望提供一种能灵活运行以处理多种检测情形及能增强化学检测和鉴别能力的系统。
发明内容
根据在此所述的系统，化学检测和分析系统可包括具有漂移管的离子迁移谱仪（IMS）设备，漂移管包括具有样本入口的第一端及在第一端下游的第二端。来自经样本入口输入的样本的离子化的离子可被引入漂移管并被沿漂移管轴向推进通过漂移管。高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS）设备可沿IMS设备的漂移管的轴嵌入，其中FAIMS设备使得离子沿漂移管轴向振荡从而导致沿漂移管轴向移动的至少部分离子的速度净变化。FAIMS设备可具有平面几何结构和/或非平面几何结构和/或可以电场驱动。漂移管可包括推进离子沿漂移管轴向通过漂移管及推进离子沿漂移管轴向通过FAIMS单元的电极。可提供分析来自FAIMS设备的感兴趣的离子的集电极（collector），及可提供将感兴趣的离子导向集电极的孔栅（aperture grid）。可提供控制器，其控制FAIMS设备中产生的电场以使离子振荡。FAIMS设备可以是第一FAIMS设备，及本发明系统还可包括沿IMS设备的漂移管的轴嵌入的第二FAIMS设备。
进一步根据在此所述的系统，用于进行化学检测和分析的方法包括在具有漂移管的离子迁移谱仪（IMS）设备中使样本离子化，漂移管包括具有样本入口的第一端及在第一端下游的第二端。来自样本的离子化的离子可被引入漂移管并被沿漂移管轴向推进通过漂移管。沿IMS设备的漂移管的轴嵌入的高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS）设备可被控制。可对FAIMS设备进行控制以使得离子沿漂移管轴向振荡从而导致沿漂移管轴向移动的至少部分离子的速度净变化。FAIMS设备可具有平面几何结构和/或非平面几何结构和/或可以电场驱动。漂移管可包括推进离子沿漂移管轴向通过漂移管及推进离子沿漂移管轴向通过FAIMS单元的电极。本发明方法还可包括将感兴趣的离子导向集电极并在集电极处分析感兴趣的离子。本发明方法还可包括控制FAIMS设备中产生的电场以使离子振荡。FAIMS设备可以是第一FAIMS设备，及本发明方法还可包括控制沿IMS设备的漂移管的轴嵌入的第二FAIMS设备，其中对第二FAIMS设备进行控制以使得离子沿漂移管轴向振荡从而导致沿漂移管轴向移动的至少部分离子的速度净变化。
进一步根据在此所述的系统，一种非短暂计算机可读介质保存用于进行化学检测和分析的软件。该软件可包括控制具有漂移管的离子迁移谱仪（IMS）设备中的样本离子化的可执行代码，漂移管包括具有样本入口的第一端及在第一端下游的第二端，其中来自样本离子化的离子可被引入漂移管并被沿漂移管轴向推进通过漂移管。可提供控制沿IMS设备的漂移管的轴嵌入的高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS）设备的可执行代码，其中可对FAIMS设备进行控制以使得离子沿漂移管轴向振荡从而导致沿漂移管轴向移动的至少部分离子的速度净变化。FAIMS设备可具有平面几何结构和/或非平面几何结构和/或可以电场驱动。漂移管可包括推进离子沿漂移管轴向通过漂移管及推进离子沿漂移管轴向通过FAIMS单元的电极。可提供控制将感兴趣的离子导向集电极并在集电极处分析感兴趣的离子的可执行代码。可提供控制FAIMS设备中产生的电场以使离子振荡的可执行代码。FAIMS设备可以是第一FAIMS设备，及该软件还可包括控制沿IMS设备的漂移管的轴嵌入的第二FAIMS设备的可执行代码，其中对第二FAIMS设备进行控制以使得离子沿漂移管轴向振荡从而导致沿漂移管轴向移动的至少部分离子的速度净变化。
进一步根据在此所述的系统，化学检测和分析系统包括具有漂移管的离子迁移谱仪（IMS）设备，漂移管包括具有样本入口的第一端及在第一端下游的第二端。来自经样本入口输入的样本的离子化的离子被引入漂移管。门栅（gate grid）连接到漂移管的第二端。高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS）设备连接到门栅的下游，其中来自漂移管的离子经控制给门栅的至少一电压脉冲而被有选择地选通以由FAIMS设备进行分析。FAIMS设备可与离子通过IMS设备的漂移管的流向正交地连接。给门栅的至少一电压脉冲的控制可对应于感兴趣的离子的漂移时间。FAIMS设备可包括使用不对称波形如矩形波形驱动FAIMS设备的电路，尽管也可使用其它不对称波形。该系统可以对应于IMS设备和FAIMS设备的运行的至少两种运行模式运行。FAIMS设备可具有平面或非平面几何结构。
进一步根据在此所述的系统，用于进行化学检测和分析的方法包括在具有漂移管的离子迁移谱仪（IMS）设备中使样本离子化，漂移管包括具有样本入口的第一端及在第一端下游的第二端。来自样本离子化的离子被引入漂移管。该方法还包括控制给连接到漂移管的第二端的门栅的至少一电压脉冲以有选择地选通离子进行分析。对选通离子的分析使用连接到门栅下游的高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS）设备进行。FAIMS设备可与离子通过IMS设备的漂移管的流向正交地连接。给门栅的至少一电压脉冲的控制可对应于感兴趣的离子的漂移时间。FAIMS设备可使用不对称波形如矩形波形进行驱动，尽管也可使用其它不对称波形。该方法还可包括控制关于对应于IMS设备和FAIMS设备的运行的至少两种运行模式的运行。样本离子化的特性可根据至少两种运行模式中的特定运行模式进行确定。FAIMS设备可具有平面或非平面几何结构。该方法还可包括使用至少一气流增强FAIMS设备中的离子分离，其中至少一气流至少包括下述之一：空气、不同于空气的气体、或空气和其它气体或物质的混合物。
进一步根据在此所述的系统，一种非短暂计算机可读介质保存用于控制化学检测和分析过程的软件。该软件包括以根据化学检测和分析系统的运行模式确定的频率控制样本的离子化的可执行代码。提供确定感兴趣的离子通过离子迁移谱仪（IMS）设备的漂移管的漂移时间的可执行代码。提供控制给连接到IMS设备的漂移管的门栅的至少一电压脉冲的可执行代码，其中控制有选择地选通离子以由连接到门栅下游的高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS）设备进行分析。给门栅的至少一电压脉冲的控制对应于感兴趣的离子的漂移时间。FAIMS设备可使用不对称波形如矩形波形进行驱动，尽管也可使用其它不对称波形。提供控制关于对应于IMS设备和FAIMS设备的运行的至少两种运行模式的运行的可执行代码。
附图说明
在此所述的系统的实施例结合几个附图进行阐述，这些附图简要说明如下。
图1A和1B为根据在此所述的系统的实施例的、包括分界接合的IMS和FAIMS设备的系统的示意性图示。
图2A为根据在此所述的系统的实施例的、偏压门栅位于IMS漂移管的端部处的示意性图示。
图2B为根据在此所述的系统的实施例的、FAIMS和IMS漂移管气流的方向的示意性图示。
图3A和3B为系统的两种运行模式如IMS模式和FAIMS模式的特性的示意性图示。
图4为根据在此所述的系统的实施例的、IMS谱和FAIMS谱的并列的示意性图示。
图5A为用于驱动FAIMS设备的不对称正弦和（sum-of-sine）波形的示意性图示。
图5B为根据在此所述的系统的、可用于驱动FAIMS设备的矩形波形。
图6和7为根据在此所述的系统的各个不同实施例的、可使用的电路的示意性电路图。
图8为根据在此所述的系统的实施例的、输出P和N通道门驱动波形的示意性图示。
图9-11为根据在此所述的系统的实施例的输出结果的示意性图示。
图12A和12B为可用于驱动FAIMS设备的矩形不对称波形连同产生前述高电压所需要的电流的示意性图示。
图13为根据在此所述的系统的实施例的化学分析和检测处理步骤的流程图。
图14为根据在此所述的系统的实施例的化学分析和检测系统的示意性图示，其示出了FAIMS单元通过插入在孔栅/集电极组件的前面而嵌入在IMS漂移管的端部处。
图15A和15B示出了根据在此所述的系统的实施例的、IMS内及朝向集电片通过FAIMS单元的、将要记录的离子轨迹的示例图。
图16A和16B示出了根据在此所述的系统的实施例的FAIMS内的离子轨迹的示例图，包括示出了离子的振荡及示出了在大气压力下的扩散作用。
图17为根据在此所述的系统的实施例的FAIMS单元内的离子速度的示意性图示。
图18为根据在此所述的系统的实施例的、理想不对称波形的参数的曲线图。
图19为可结合在此所述的系统的实施例使用的、沿x轴的漂移时间(ms)和沿y轴的信号振幅(au)的曲线图。
图20为根据在此所述的系统的实施例的、使用嵌入的FAIMS设备的化学分析和检测处理步骤的流程图。
图21为根据在此所述的系统的实施例的化学分析和检测系统的示意性图示，其具有嵌入在IMS漂移管中的多个FAIMS单元并包括具有平面和非平面几何结构的FAIMS单元。
具体实施方式
在此所述的系统使用组合的技术如低（IMS）和高（FAIMS）场迁移率技术以提供几个优点，包括低成本、无需真空、及产生2-D谱以进行增强的检测和鉴别。两个分析设备的运行可提供具有有利的灵活性的系统，其通过使联用仪器适应应用需要而实现。对于IMS-FAIMS硬件级灵活性，这些仪器可配置和优化成发挥适合不同目标化合物列表的多种检测情形的不同权衡。在这里描述的各个不同实施例中，IMS和FAIMS设备可彼此正交，尤其是IMS和FAIMS设备中的离子流向正交。在这里详细描述的其它实施例中，FAIMS设备可嵌入在IMS设备中，其中离子流向可沿IMS和FAIMS设备共轴。
图1A和1B为根据在此所述的系统的实施例的系统100的示意性图示，其包括分界接合的IMS和FAIMS设备。图1A为系统100的示意图，及图1B示出了截面图。系统100可用于产生包括漂移时间色谱和补偿电压谱的二维数据集。系统100可包括电离器/离子源110、包括漂移管的IMS设备120、及以90度角放置在IMS漂移管设备120中的FAIMS设备130（单一设备和/或设备阵列）。电离器/离子源110根据运行模式可提供连续或脉冲离子电流。在实施例中，电离器/离子源110可包括脉冲离子源，如火花离子源，其通过改变频率可发送单个离子包或连续的离子流。另外或作为备选，可使用连续离子源，包括经放在IMS漂移管120的入口处的离子门的DC电晕或放射源。在实施例中，IMS漂移管设备120可由马萨诸塞州Wilmington的Implant Sciences公司制造。IMS设备120和FAIMS设备可独立及它们相应的静电计电路可安装在同一印刷电路板上以进行最佳集成。在该配置中，IMS设备120可用作FAIMS设备130的前端筛选器。这样的配置可实现至少两个目标：（1）目标分析物的预分离；及（2）只有离子被注入FAIMS气流内并由该气流驱入FAIMS设备130的分析间隙内，因而保持其免遭湿气和其它污染物。
图2A为根据在此所述的系统的实施例的、偏压门栅205位于IMS漂移管202的端部处的示意性图示200。脉冲电压施加到门栅205以从IMS模式切换到FAIMS模式，反之亦然。FAIMS设备230可离轴如以90度插入在门栅205和IMS孔栅210及IMS集电极220之间。当门栅205上的电压切换到零时，建立无场区，悬浮的离子使用气流由空气作用以90度角带入FAIMS设备230的单元内（参见图2B）。离子撤离时间确定每采样周期的栅脉冲的数量。IMS孔栅210可在阱空间中建立电场并将离子导向IMS集电极220。
在实施例中，FAIMS设备230可包括五个平行的不锈钢片232（如5mm宽、15mm长和1mm厚），形成用于并行运行的四个FAIMS单元。不锈钢片232可放入一个或多个支撑件234（如8mm宽、18mm长和3mm厚的聚醚醚酮（PEEK）支撑件）的凹处内，该支撑件提供机械稳定性和电绝缘。与FAIMS片平行的是另一组五个较短（如2mm长）的检测器片236，所有检测器片连接在一起以产生单一信号。这些片可通过高温环氧树脂固定到支撑件上。到各个片的电连接经通过支撑件中的孔焊接的线点进行。电极之间的0.5mm间隔可通过绝缘聚合物隔离片保持。之后，顶片和底片通过支撑件和绝缘聚合物用螺钉彼此固定以确保机械稳定性和对准。
FAIMS设备230在此主要结合平面几何结构设计进行描述，其可提供几个优点，包括容易制造和较好的分辨力。然而，在这里描述的系统的其它实施例中，也可使用其它非平面几何结构设计的FAIMS设备，包括圆柱形、球形和/或其它适当的几何结构（例如参见R.Guevremont,"High-Field AsymmetricWaveform Ion Mobility Spectrometry(FAIMS),"Canadian Journal of AnalyticalSciences and Spectroscopy,Vol.49,No.3,2004,pp.105-113，其通过引用组合于此，用于在FAIMS概念时描述圆柱形几何结构的FAIMS）。
图2B为可结合在此所述的系统的运行使用的FAIMS和IMS漂移管气流的方向的示意性图示250。气流可包括空气、其它气体和/或可使用改性气体室252产生的空气成分及其它气体或物质。图示250示出了FAIMS气流261和IMS漂移管气流262的方向。同样还示出了流入和流出系统的采样气流（采样气体流入263a和采样气体流出263b）。FAIMS气流261，例如其可设定在每分钟2-10升之间，可使用泵256通过一个或多个分子筛254进行循环。如本说明书别处另外描述的，离子以受控方式推进通过IMS漂移管202，并被注入FAIMS气流261内从而被驱入FAIMS设备230的分析间隙内。应注意，在所示实施例中，IMS漂移管气流262可能与推进通过IMS漂移管并注入FAIMS气流262内的离子流反向。
图3A和3B为根据在此所述的系统100的两种运行模式如IMS模式和FAIMS模式的特性的示意性图示，这两种运行模式根据门栅偏压及火花离子源的频率交替。图3A为火花离子源在25Hz下的特性的图示310，及图3B为火花离子源在1kHz下的特性的图示320。每一图中的上部曲线示出IMS检测器响应。在IMS模式下，离子包可以低频率如12Hz注入IMS漂移管内，及在FAIMS模式下，频率可达到1kHz。在这样的高频率下，对于FAIMS，火花为连续的离子源。在更高的火花频率下可获得更大的信号（如乘以系数10）。在FAIMS模式下，更高的信号可通过增加变成离子导管的漂移管中的电场而获得。
图4为根据在此所述的系统的实施例的IMS谱和FAIMS谱的并列的示意性图示400。该方法的低级灵活性导致不同的运行模式充分利用选择性、灵敏度和速度之间的权衡。在采样周期期间的运行情形的例子包括产生传统的IMS色谱图，在检测到峰值时，通过将筛选器调到所检测到的峰值的CV值而自动切换到FAIMS模式。检测到的FAIMS信号将用作图4中并列的C4的IMS和FAIMS谱情形的确认。根据在此所述的系统，也可实现在IMS谱中未分辨出的、对应于一些爆炸物如TNT和干扰物如护手霜的峰值可在FAIMS谱中分辨出。
根据在此所述的系统的IMS-FAIMS方案提供有利的灵活性，及结合在此所述的系统也可使用几个其它模式。例如，门栅210（参见图2）可用作感兴趣的离子的门。换言之，通过在IMS谱中的某一时间向门栅210施加短脉冲，只有具有特定漂移时间的离子将被传入无场区进行FAIMS分析。从而在此所述的系统使能通过控制对应于感兴趣的离子的特定漂移时间的脉冲而控制传给FAIMS设备230的离子进行增强的控制以检测感兴趣的离子。
FAIMS设备的驱动波形的形状为影响FAIMS的分辨、传送和分离的特征之一。由于实际的电路优点，大多数FAIMS已采用通过对两倍频率下的正弦波及其一次谐波求和形成的波形（等式2），从而导致不对称方波的一阶傅里叶近似值。
图5A为用于驱动FAIMS设备的不对称正弦和波形的示意性图示，其为不对称方波的一阶傅里叶近似值。对于离子传送，波形的形状是对实验测量的（随化合物而变的）CV值有贡献的参数。对于所有类型的离子的传送，对称波形（正弦波或方波）应导致CV=0V。波形的不对称是离子分离所需要的并由CV值的差表达。
根据在此所述的系统，已确定矩形驱动波形对FAIMS分析有利。分析研究表明，相较于正弦波形，矩形波形可提高离子分离效率、分辨力和/或灵敏度。遗憾的是，因高频率、具有急剧上升时间的高电压脉冲强加的过度功率负荷已阻碍传送矩形脉冲以基于微分离子迁移率驱动分离的电子设备的发展。
直觉地，对于FAIMS，不对称正方（和/或其它矩形）波形的使用看上去使在电场的高和低场部分期间的差最大化。波形的这些高到低周期允许离子经历不等电压的最大值从而使CV最大化。然而，在先前的研究中，已有离子响应于理想化不对称方波并达到“稳态”或终点漂移速度所花的时间可能足够长从而因瞬变电场引起误差的担心。已表明，对于一阶，如果达到终速的时间相对于总漂移时间小，则其可忽略。由于在瞬变电场下估计达到该速度需要的时间在皮秒范围内，漂移时间在毫秒范围内，因此改因素可被忽略。
图5B示出了根据在此所述的系统的、可结合驱动FAIMS设备使用的矩形波形。在实施例中，在此所述的系统用于产生驱动FAIMS设备的方波。该方法可包括使用高速及合理功率损耗情形下的直接晶体管切换。具有低输出电容的高电压（>1000V）快速晶体管（FET）的选择可能受限。一方面，1500V晶体管非常慢，另一方面，1200V FET具有大输出电容，使得高速下的切换功耗大。在这里描述的系统中，800V晶体管或FET（其快速且具有低输出电容）也可串联使用以承载非常高的电压。在产生与在此所述的系统一起使用的波形时，也可使用其它技术，例如E.V.Krylov,et al.,"Selection and generation ofwaveforms for differential mobility spectrometry,"Review of Scientific Instruments,81,024101(2010),11pp.，其通过引用组合于此。
图6示出了可根据在此所述的系统的各个不同实施例使用的示意性电路图500，及图7示出了辅助电路图501。下面的运行模式可结合上面提及的、根据在此所述的系统的电路提供。
a、V1=+1000V；V2=-500V；工作比2:1
b、V1=+1000V；V2=-250V；工作比4:1
c、V1=+800V；V2=-200V；工作比4:1
可使用两个切换波形，一个驱动正电压，一个用于负电压。这些波形提供调节以说明电路独特性及提供必要的寂静时间从而确保低功率切换。四个变量（V1、V2、T1和T2）中的三个可从计算机设置，第四个可从平衡方程3进行推导。
FAIMS驱动器可包括FET半电桥Q1、Q2，具有由串联连接且均接地的两个EMCO电源+400VDC(U9)和-100VDC(U1)提供的总线（参见文档端部处的电路图）。切换输出经R29（20MOhm）接地。上面的FET Q1为P通道，及下面的FET Q2为N通道。已发现，P和N组合的表现好于2个N通道FET。门驱动由EL7212驱动器(U2,U10)提供。隔离的5.6VDC源由U5-T1电源及R19、D24/R20、D130齐纳二极管产生。U3、U12(ADUM1100)提供HV隔离并从3.3V信号转换为5.6V信号。逻辑驱动信号和3.3V总线可由外面的参考板提供。在所示具有低电流、低电感的电路中，功率损耗的主要根源在于FET本身的输出电容（Coss）的充电和放电。然而，可为低功率应用设计低Coss、高电压FET，封装在TO-92中，其不能处理高于每FET1W的损耗。同样，图6和7中所示电路的各个方面可使用计算机软件模拟。
图8为根据在此所述的系统的实施例的输出P和N通道门驱动波形的示意性图示600。图上所示的2-3和4-1间隔为电路寂静时间。负前1打开PFET Q1（Q2关）并导致+400VDC的输出。从1到2，Q1对其自己的Coss（约10pF）放电并通过500V对Q2Coss充电（约8pF）。Q1充电Q2Coss损耗可说明因为传导损耗。正前3打开NFET Q2（Q1关）并导致-100VDC的输出。从3到4，Q2对其自己的Coss放电并对Q1充电。
在放电损耗可计算为P=V2*Coss/2的同时，FET内因Coss消耗引起的电荷损耗未定义。作为一次近似值，充电Coss损耗可假定部分消耗在电源电阻中及部分消耗在反向FET的Rd（开）中。
图9-11为根据在此所述的系统的实施例的输出结果的示意性图示。图9为示出FAIMS驱动器输出的示意性曲线图701。图10为示出在较高分辨力下Vout上升的示意性曲线图702（上升时间为50ns，dv/dt为10V/ns）。图11为示出在较高分辨力下Vout下降的示意性曲线图703（下降时间为10ns，dv/dt为-50V/ns）。输出信号的水平斜率归因于差的仪表-100X探针。Q1、3的门驱动选择为6V以使切换速度最大化并降低Coss损耗。基于具有Aavid5752000B散热器的当前FET即VP0550和VN0550的运行的最大频率应限于低于250KHz以避免破坏性结温。
连同该输出可使用两个切换波形，一个驱动正电压，一个用于负电压。这些波形提供调节以说明电路独特性及提供必要的寂静时间从而确保低功率切换。计算机模拟可用于优化切换方案因而获得总功率仅为0.5瓦特的波形。如果需要，计算机可连续调节该波形的时间部分形状。波形状的电压部分可进行调节，但并不以当前调节时间那样的高速进行。高电压、高时间、低电压和低时间均可被输入，但在运行时计划仅改变低时间T2。测试设置包括设定施加到FAIMS的下部电极的补偿电压的能力，尽管也可使用可调节的低电压时间代替补偿电压。使用该技术将离子保持在通路的中间以不碰撞电极使能消除大量电路。通过向波形增加CV，能量变化为(T1-T2)*CV。通过改变来自由T1*V1=T2*V2给出的标称值的T2，能量变化为T2乘以V2的差。因此，如果想要关联在类似情形下取得的两种类型的数据，可确定等值。变量T2的使用代表相当大地节省电路和功率。
图12A和12B为可用于驱动FAIMS设备的矩形不对称波形连同产生前述高电压所需要的电流的示意性图示。图12A为示出在400伏特时500ns能工作时间的曲线图801。上部曲线为在5ma每div时的电流。图12B为示出30ns上升时间和更快下降时间的曲线图802。
图13为根据在此所述的系统的实施例的化学分析和检测处理步骤的流程图900。在步骤902，将对其进行化学分析和检测的样本气体通过样本入口提供给在此所述的IMS/FAIMS系统。在步骤902之后，处理进行到步骤904，确定系统的运行模式，例如IMS和/或FAIMS运行模式。还应注意，运行模式可在处理期间改变。在步骤904之后，处理进行到步骤906，使用IMS设备进行离子迁移谱处理，其中样本被离子化及离子被推进通过漂移管，及其中离子根据所确定的运行模式按漂移时间进行分离。离子源的频率可通过运行模式确定。在步骤906之后，处理进行到步骤908，根据所确定的运行模式对门栅进行控制。例如，通过在IMS谱中的时间向门栅施加短脉冲使得只有具有特定漂移时间的离子（对应于向门栅施加脉冲）将被传入FAIMS设备的分析间隙内，门栅可用作感兴趣的离子的门。在步骤908之后，处理进行到步骤910，根据在此所述的系统对已分离和引导（选通）的离子进行化学分析。例如，在FAIMS模式下，根据FAIMS技术可使用FAIMS设备以分析选通的感兴趣的离子。在步骤910之后，处理结束。
如本说明书别处描述的，已注意到，对分析仪器进行组合具有增效的益处。所获得的化学信息及测量特性好于各个结果放在一起因而得以改善。各种组合包括在类似或不同时域进行分离及测量将要分析的种类的相同或不同性质的仪器。例子为联用（仪器A/仪器B）平台如气相色谱法（GC）-质谱法（MS）及离子迁移谱法（IMS）-MS，其中仪器B在使用仪器A进行分离期间可产生几种谱。仪器A和B的组合相互受益，因为系统A产生的信息由系统B强化，系统B受益于系统A进行的预分离，因而减少化学干扰。在仪器在类似时域运行的情形下，两个分离可顺序发生，其中仪器A用作预筛选器，仪器B用作确认器（参见S.Boumsellek和T.J.Kuehn于2007年11月17日申请的美国专利申请11/941,939，其通过引用组合于此）。在前述情形下，仪器A的运行模式可优化以最佳地利用总灵敏度和选择性之间的权衡。
可提供联用平台如FAIMS-MS和/或FAIMS-IMS，其中仪器A（FAIMS）可用作向仪器B（MS或IMS）连续馈送所选离子的过滤器和/或预集中器。后一平台的变化即其中仪器A和B颠倒（IMS-FAIMS）已在本说明书别处详细描述，包括门栅的使用，并受益于仪器A的漂移气体，其阻止离子源外的样本化学反应及湿气聚集效应。
在上面提及的A/B平台中，由于分离级并置，化学信噪比得以改善，因为噪声相较于信号减小得更快。在总选择性得以极大改善的同时，灵敏度存在挑战，因为由于每一随后的级之后的传送无效率引起不可避免的样本（或中性或离子形式）损耗。这可由下述事实容易地解释。传统意义的联用仪器需要：（1）在大多数情形下具有不同接收区域的分界接合装置；及（2）每一装置必须具有其自己的检测器。二者均因设计限流器、变流装置等而导致接口的复杂性增加，从而导致宝贵样本的损耗。在串列配置的情形下，仪器B通常因具有等于或大于仪器A的灵敏度。这意味着仪器B通常因具有大于仪器A的固有灵敏度和/或在全离子模式下运行以注入更多的样本中性或离子。
鉴于上面描述的，可进一步提供在此所述的系统的多个不同实施例，其中根据在此所述的系统的实施例的仪器以另外有利的方式组合传统和微分迁移率分离技术。具体地，与通过将仪器A和B并置然后设计接口以使它们分界接合的传统方法相反，根据在此所述的系统的另外的实施例，仪器B可嵌入在仪器A内使得仪器A和B的各个功能均得以保持以产生2-D数据集。在特定实施例中，仪器A可以是离子迁移谱仪（IMS），及嵌入在仪器A内的仪器B可以是高场不对称离子迁移谱仪（FAIMS）。与其中离子径向分散同时轴向移动通过单元的传统FAIMS相反，在根据在此所述的系统的具有嵌入的仪器B的仪器A中，两个运动（如IMS漂移运动和FAIMS振荡）均可沿同一轴（IMS漂移管轴）进行。
除了已知的IMS和FAIMS谱之外，可记录反映弱和高场迁移率的IMS谱特征漂移时间。在FAIMS单元中，离子可能遭受弱IMS场和FAIMS的不对称波形的高场。通过在FAIMS单元内进行振荡，根据高场迁移率（KH）是较高（类型A）还是较低（类型C），离子被加速或减速。在施加高频电场的基础上，观察随化合物而变的多个不同量的、沿IMS谱的漂移时间轴的漂移，包括用反应离子。这代表另外的分离程度，其将多个种类的迁移率的低和高性质组合到同一谱内。
应注意，根据在此所述的系统，嵌入的FAIMS不需要气流以气动输送离子。因而，嵌入的FAIMS仪器可以是全静电系仪器，因为离子在IMS和FAIMS电场的影响下推进。此外，嵌入的FAIMS可受益于IMS漂移气体，其以与离子行进的方向相反的方向流动，以消除离子聚集和对湿气的敏感。不再需要用于源气体和清洁的过滤后的气体的、单独的流动通路，因而减少了现有技术为保持单独的流动通路而需要的结构。两个仪器可具有同样的接收区域及同样的集电极用于离子检测。
根据在此所述的系统的实施例，串列仪器使用变频火花离子源及两种分离技术，提供低场迁移率（IMS）和高场迁移率（FAIMS）。分析级以嵌入在IMS漂移管内的轴上（共轴）的电场驱动的FAIMS单元为特征。在实施例中，IMS漂移管可以是相等间隔及适当偏压的标准环堆以产生轴向漂移场，同时FAIMS单元由与IMS环电极同样直径的两个平面栅板组成。然而，应注意，在这里描述的系统中，可使用其它结构的IMS漂移管及FAIMS单元的栅板。例如，如本说明书别处另外描述的，可使用非平面FAIMS几何结构。
图14为根据在此所述的系统的实施例的、IMS中嵌入有FAIMS设备的示意性图示1000，其中，在IMS仪器1010的IMS漂移管1012的端部处，FAIMS仪器或单元1020经插入在孔栅1030和检测器/集电极组件1040的前面而嵌入。在所示实施例中，FAIMS单元1020邻近IMS漂移管1012的最后一电极环1014并在孔栅/集电极组件1030上游进行安装。在其它实施例中，FAIMS单元1020可安装在沿漂移管1012的整个长度的任何地方。FAIMS单元1020的栅1021、1022，由可称为分析间隙的间隙（如在各个不同实施例中为0.5或0.355mm）隔开，可具有与IMS漂移管1012的IMS环大约一样的直径并可根据它们在分压器梯子中的位置加偏压以产生一样的IMS场。分散和补偿电压可以同时或个别施加到栅1021、1022中的任一个上。
在传统的FAIMS单元的平行栅板之间，离子遭受两个正交的力：（1）高频不对称场应有的将离子移向任一板的分散力；及（2）将离子从入口移到单元的出口的纵向力。纵向力可以是气动或静电。大多数传统FAIMS设备以通过泵建立的气流为特征，其通过空气作用携载离子通过单元。这样的设备称为流驱动的FAIMS并要求多个另外的考虑。例如，可能需要将运载气体与离子分开的机构，以避免在离子源外面发生另外的化学反应。此外，离子在其传过单元期间获得局部气流速度。这样的速度具有跨间隙的抛物线型分布，意味着间隙中点附近移动的离子比栅板附近移动的离子快。这导致同样种类的滞留时间分布，进而导致有效间隙减小因而损失灵敏度。另外，可能需要泵以将样本介质抽入FAIMS单元内及提供运载气体，其相当大并耗用大量功率。运载气体应与离子一样的方向流动，因而需要将分析间隙与离子源分开的结构。
相反，在场驱动的FAIMS设备中，例如，离子使用分段电极借助于静电推进通过单元。这样的设备可更快速和准确地控制所选离子流以产生样本谱。根据在此所述的系统，在进入FAIMS单元1020后，离子遭受不对称电场的力，使得它们沿漂移管1012的轴振荡。根据高场下的迁移率值与低场下的迁移率值相比（一些离子具有较高迁移率，一些具有较低迁移率），离子将被加速或减速通过FAIMS单元1020，因而使得它们按相应漂移时间漂移，这有利地用于分离和检测所希望的感兴趣的离子。结合在此所述的系统，主要描述具有平行板电极（平面几何结构）的FAIMS单元。然而，应注意，如本说明书别处另外描述的，在此所述的系统也可与具有非平面几何结构的FAIMS单元一起使用。例如，在实施例中，具有非平面新月形平行电极的FAIMS单元可与在此所述的系统一起使用，同样，也可使用本说明书别处描述的其它适当的非平面几何结构。
图15A为根据在此所述的系统的实施例的、离子1001通过IMS1010的IMS漂移管1012及通过嵌入的FAIMS单元1020而朝向孔栅1030以使用检测器/集电极组件1040记录的轨迹的图示1050。在实施例中，嵌入的FAIMS单元1020为场驱动。图15B为图15A中所示的分界区域1052的放大图。在所公开的实施例中，离子1001的连续流或包沿IMS1010的漂移管1012移动并通过嵌入的FAIMS单元1020以由检测器1040进行检测。在实施例中，检测器1040可有利地为单一检测器。
离子轨迹可使用已知技术进行计算。例如，离子轨迹可使用Simion射线跟踪包进行计算。称为统计扩散模拟（SDS）的用户程序由Simion调用以对大气压力下的离子运动进行建模。参考A.D.Appelhans and D.A.Dahl,"SIMION ionoptics simulation at atmospheric pressure,"Int.J.Mass.Spectrom,244(2005),pp.1-14，其通过引用组合于此。SDS代码通过对中性气体中的离子扩散和迁移进行建模而考虑高压力碰撞效应。离子动力学通过组合粘性离子迁移和随机离子跳动（扩散）法进行模拟。空间电荷效应未被包括在SDS包中，其可使用内置在Simion内的库伦排斥特征单独进行处理。
图16A为通过FAIMS单元1020及其后到达孔栅/集电极组件1030/1040的离子轨迹的示意性图示1060。图16B示出了由图16A中所示的区域1062指示的、FAIMS单元1020内部的放大图，其示出了因高频分散场引起的离子振荡及因而发生的离子速度的净变化。在进入FAIMS单元1020后，离子经历因低IMS场引起的迁移及因分散电压的不对称波形的高频引起的振荡。应注意，这些图还示出了离子轻微的径向位移，其由大气压力下的分散效应引起而不是由不对称电场的电力引起，至少对于较靠近主轴的离子是如此，因为在那里弥散场可忽略。
不对称波形的特征在于高电压分量导致离子迁移率随电场变化。因此，离子速度的净变化、所分析离子的特性由高和低电场之间的振荡引起。速度净变化对于不同的离子可以为正或负。根据高场下的离子迁移率相比于低场下的离子迁移率的性质，离子将被加速或减速通过单元（甚至包括被停止），因而导致其按相应漂移时间漂移，从而使能为测量目的进行所希望的离子分离。因此，提供通过在高频下运行离子源获得的离子流，FAIMS单元1020用作根据施加到任一FAIMS栅的DC电压（称为补偿电压）的值筛选离子或多类离子的门。扫描前述DC电压产生谱。如本说明书别处描述的，连同在此所述的系统使用的电离源可以是脉冲电离源，如火花电离源，和/或可以是连续电离源，在该情形下可增加一个或多个在可变频率下运行的离子门。
根据在此所述的系统的第二运行模式包括暂时禁用IMS电场，同时将补偿电压设定为使得某些种类截留在FAIMS单元1020内的值。在该模式下，补偿电压将称为截留电压。在截留时间期间，随着其它化合物碰撞栅导线或离开FAIMS单元1020，感兴趣的种类被预集中。在该时间之后，IMS电场调回为开并记录强化的感兴趣的种类的信号。当IMS非决定性时，该模式可用于确认目的。实际上，在IMS谱中观察到的干扰可在使用数据库中保存的多个不同种类的截留电压特性触发该模式的基础上进行分辨。
第三运行模式包括使用离子包，其经离子门从连续离子源如β发射器、电晕或电喷雾或直接从在低频下运行的火花离子源注入漂移管内从而记录传统的IMS色谱图。该色谱图特征在于飞行时间，其组合：（1）低场下的传统离子漂移时间；及（2）FAIMS单元内的离子在离开之前进行几个振荡周期所花的时间。根据在高场下的迁移率，一些离子将更快移动通过单元，而其它离子将较慢移动，从而导致传统IMS色谱图中的时间位移。总之，两种分离方法即传统和微分迁移均对新IMS谱中的漂移时间起作用，因而通过分辨干扰而增强仪器选择性。
图17为根据在此所述的系统的实施例的、识别FAIMS单元1020内的离子速度的示意性图示1070。离子通过IMS电极1016推进通过IMS漂移管1012而到达沿IMS漂移管1012的轴嵌入在某一地方的FAIMS单元1020。在FAIMS单元1020内，离子遭受因IMS电场引起的静电力。Vims是因IMS电场引起的离子速度。示出了控制器1025，其控制根据在此所述的系统的高场不对称波形运行的、在FAIMS设备的板之间产生的电场。VFAIMS是因不对称波形引起的离子净速度。VFAIMS可根据等式4进行计算：
VFAIMS=VH-FAIMS-VL-FAIMS=KHEH-KLEL      等式4
其中VH-FAIMS和KH分别为高场EH期间的速度和迁移率，及VL-FAIMS和KL分别为低场EL期间的速度和迁移率。
通过FAIMS单元的飞行时间Tcell受控于IMS电场和因FAIMS电场引起的振荡。Tcell可从下面的等式进行推导：
1/Tcell=1/TIMS+EHTH(KH-KL)/W.(TH+TL)     等式5
TIMS=W/K.EIMS      等式6
其中W为单元的宽度，K为IMS迁移率，TH和TL分别为不对称波形内的高场和低场持续时间，参见图18。
图18为可连同在此所述的系统的实施例使用的不对称波形的参数的曲线图1080。TH和TL示出了不对称波形内的高和低场的持续时间。根据波形的极性及高场和低场迁移率之间的差的极性，Tcell或比TIMS短或比其长。假定负离子的分析和假定正波形（高场段为正，而低场段为负），类型A离子（在较高电场下的迁移率较大）较慢移动通过单元，而类型C离子更快移动通过单元，从而导致IMS谱中几ms的位移，参见图19。影响单元中的传送时间的其它FAIMS参数包括高场EH及不对称波形的工作比TH/(TH+TL)。
图19为可连同在此所述的系统的实施例使用的、沿x轴的漂移时间(ms)和沿y轴的信号振幅(au)的曲线图1090。该曲线图示出了根据在此所述的系统的实施例，当施加高频分散电压后向右约2.75ms的位移。如上所述，通过在FAIMS单元内进行振荡，根据高场迁移率（KH）是较高（类型A）还是较低（类型C），离子被加速或减速。在施加高频电场的基础上，观察随化合物而变的多个不同量的、沿IMS谱的漂移时间轴的漂移，包括用反应离子。这代表另外的分离程度，其将多个种类的迁移率的低和高性质组合到同一谱内。如图所示及所提及的，假定负离子的分析和假定正波形（高场段为正，而低场段为负），类型A离子（在较高电场下的迁移率较大）较慢移动通过单元，而类型C离子更快移动通过单元，从而导致IMS谱中几ms（如图所示，2.75ms）的位移。
图20为根据在此所述的系统的实施例的、使用嵌入的FAIMS设备的、化学分析和检测处理步骤的流程图1100。在步骤1102，将要对其进行化学分析和检测的样本气体通过样本入口提供给在此所述的IMS/FAIMS系统。在步骤1102之后，处理进行到步骤1104，使用IMS设备进行离子迁移谱处理以使样本离子化并推进所得的离子通过漂移管。在步骤1104之后，处理进行到步骤1106，如本说明书别处另外描述的，根据所嵌入的FAIMS设备的运行分离至少部分离子，包括使用离子的振荡，及其中所产生的振荡的方向与所推进通过漂移管的离子的方向共轴。振荡导致沿漂移管轴向移动的至少部分离子的速度净变化。如本说明书别处所述，根据高场下的离子迁移率相比低场下的离子迁移率的性质，离子将被加速或减速通过单元（甚至包括被停止），因而导致它们按其相应漂移时间漂移，从而使能为测量目的进行所希望的离子分离。在步骤1106之后，处理进行到步骤1108，对已根据在此所述的系统分离的离子（感兴趣的离子）进行化学分析。在步骤1108之后，处理结束。
图21为根据在此所述的系统的实施例的化学分析和检测系统的示意性图示1200，其具有多个FAIMS单元1221、1222嵌入在IMS仪器1210的IMS漂移管1212中。如本说明书别处所述，FAIMS单元1221、1222可沿IMS漂移管1212嵌入在任何适当的位置。FAIMS单元1221、1222均经插入在孔栅1230和检测器/集电极组件1240的前面而嵌入。尽管示出了两个FAIMS单元，应注意，连同在此所述的系统也可使用两个以上FAIMS单元。在所示例子中，第一FAIMS单元1221被示为具有非平面几何结构（如新月形电极），及第二FAIMS单元1222被示为具有平面几何结构（如板电极）。通过具有多个FAIMS单元1221、1222，离子移动通过IMS漂移管的时间位移可被增强，从而进一步改善系统的运行以分离和检测所希望的感兴趣的离子。
对于在此所述的系统，在此所述的多个不同的实施例可按适当组合进行相互组合。另外，在一些情形下，只要适当，流程图和/或所述流处理的步骤顺序可进行修改。另外，在此所述的系统的多个不同方面可使用软件、硬件、软件和硬件的组合和/或具有所述特征并执行所述功能的其它计算机实施的模块或装置进行实施。在此所述的系统的软件实施可包括保存在计算机可读介质中并由一个或多个处理器执行的可执行代码。计算机可读介质可包括计算机硬驱、ROM、RAM、闪存、便携式计算机存储介质如CD-ROM、DVD-ROM、闪驱和/或其它驱动器，例如通用串行总线（USB）接口，和/或可执行代码可保存于其上并由处理器执行的任何其它适当的有形或非短暂计算机可读介质。在此所述的系统可结合任何适当的操作系统使用。
通过考虑本说明书或实施在此公开的发明，本发明的其它实施方式对本领域技术人员而言显而易见。这里的说明及例子仅视为示例性的说明和例子，本发明的真实范围和精神由权利要求指明。

Claims (42)

1.一种化学检测和分析系统，包括：
具有漂移管的离子迁移谱仪IMS设备，所述漂移管包括具有样本入口的第一端及在所述第一端下游的第二端，其中来自经样本入口输入的样本的离子化的离子被引入漂移管并被沿漂移管轴向推进通过漂移管；及
高场不对称波形离子迁移谱仪FAIMS设备，所述FAIMS设备沿IMS设备的漂移管的轴嵌入，其中FAIMS设备使得离子沿漂移管轴向振荡从而导致沿漂移管轴向移动的至少部分离子的速度净变化。
2.根据权利要求1的系统，其中所述FAIMS设备具有平面几何结构。
3.根据权利要求1的系统，其中所述FAIMS设备具有非平面几何结构。
4.根据权利要求1的系统，其中所述FAIMS设备为电场驱动。
5.根据权利要求1的系统，其中所述漂移管包括推进离子按漂移管轴向通过漂移管及推进离子按漂移管轴向通过FAIMS单元的电极。
6.根据权利要求1的系统，还包括：
分析来自FAIMS设备的感兴趣的离子的集电极；
将感兴趣的离子导向集电极的孔栅。
7.根据权利要求1的系统，还包括：
控制器，其控制FAIMS设备中产生的电场以使离子振荡。
8.根据权利要求1的系统，还包括：
使样本离子化并产生引入漂移管内的离子的电离源。
9.根据权利要求1的系统，其中所述FAIMS设备为第一FAIMS设备，及其中所述系统还包括：
沿IMS设备的漂移管的轴嵌入的至少一第二FAIMS设备。
10.用于进行化学检测和分析的方法，包括：
在具有漂移管的离子迁移谱仪IMS设备中使样本离子化，所述漂移管包括具有样本入口的第一端及在第一端下游的第二端，其中来自样本的离子化的离子被引入漂移管并被沿漂移管轴向推进通过漂移管；及
控制沿IMS设备的漂移管的轴嵌入的高场不对称波形离子迁移谱仪FAIMS设备，其中对FAIMS设备进行控制以使得离子沿漂移管轴向振荡从而导致沿漂移管轴向移动的至少部分离子的速度净变化。
11.根据权利要求10的方法，其中所述FAIMS设备为电场驱动。
12.根据权利要求10的方法，其中所述漂移管包括推进离子沿漂移管轴向通过漂移管及推进离子沿漂移管轴向通过FAIMS单元的电极。
13.根据权利要求10的方法，还包括：
将感兴趣的离子导向集电极并在集电极处分析感兴趣的离子。
14.根据权利要求10的方法，还包括：
控制FAIMS设备中产生的电场以使离子振荡。
15.根据权利要求10的方法，其中所述FAIMS设备是第一FAIMS设备，及其中所述方法还包括：
控制沿IMS设备的漂移管的轴嵌入的至少一第二FAIMS设备，其中对第二FAIMS设备进行控制以使得离子沿漂移管轴向振荡从而导致沿漂移管轴向移动的至少部分离子的速度净变化。
16.一种保存用于进行化学检测和分析的软件的非短暂计算机可读介质，所述软件包括：
控制具有漂移管的离子迁移谱仪IMS设备中的样本离子化的可执行代码，所述漂移管包括具有样本入口的第一端及在第一端下游的第二端，其中来自样本离子化的离子被引入漂移管并被沿漂移管轴向推进通过漂移管；及
控制沿IMS设备的漂移管的轴嵌入的高场不对称波形离子迁移谱仪FAIMS设备的可执行代码，其中对FAIMS设备进行控制以使得离子沿漂移管轴向振荡从而导致沿漂移管轴向移动的至少部分离子的速度净变化。
17.根据权利要求16的介质，其中所述漂移管包括推进离子沿漂移管轴向通过漂移管及推进离子沿漂移管轴向通过FAIMS单元的电极。
18.根据权利要求16的介质，其中所述软件还包括：
控制将感兴趣的离子导向集电极并在集电极处分析感兴趣的离子的可执行代码。
19.根据权利要求16的介质，其中所述软件还包括：
控制FAIMS设备中产生的电场以使离子振荡的可执行代码。
20.根据权利要求16的介质，其中所述FAIMS设备是第一FAIMS设备，及其中所述软件还包括：
控制沿IMS设备的漂移管的轴嵌入的第二FAIMS设备的可执行代码，其中对第二FAIMS设备进行控制以使得离子沿漂移管轴向振荡从而导致沿漂移管轴向移动的至少部分离子的速度净变化。
21.一种化学检测和分析系统，包括：
具有漂移管的离子迁移谱仪IMS设备，所述漂移管包括具有样本入口的第一端及在第一端下游的第二端，其中来自经样本入口输入的样本的离子化的离子被引入漂移管；
连接到漂移管的第二端的门栅；及
连接到门栅的下游的高场不对称波形离子迁移谱仪FAIMS设备，其中来自漂移管的离子经控制给门栅的至少一电压脉冲而被有选择地选通以由FAIMS设备进行分析。
22.根据权利要求21的系统，其中FAIMS设备与离子通过IMS设备的漂移管的流向正交地连接。
23.根据权利要求21的系统，其中给门栅的至少一电压脉冲的控制对应于感兴趣的离子的漂移时间。
24.根据权利要求21的系统，其中FAIMS设备使用矩形波形驱动。
25.根据权利要求24的系统，其中所述FAIMS设备包括使用矩形波形驱动FAIMS设备的电路。
26.根据权利要求21的系统，其中所述系统以对应于IMS设备和FAIMS设备的运行的至少两种运行模式运行。
27.根据权利要求21的系统，其中所述FAIMS设备具有平面几何结构。
28.根据权利要求21的系统，其中所述FAIMS设备具有非平面几何结构。
29.用于进行化学检测和分析的方法，包括：
在具有漂移管的离子迁移谱仪IMS设备中使样本离子化，所述漂移管包括具有样本入口的第一端及在第一端下游的第二端，其中来自样本离子化的离子被引入漂移管；
控制给连接到漂移管的第二端的门栅的至少一电压脉冲以有选择地选通离子进行分析；
使用连接到门栅下游的高场不对称波形离子迁移谱仪FAIMS设备对选通的离子进行分析。
30.根据权利要求29的方法，其中FAIMS设备与离子通过IMS设备的漂移管的流向正交地连接。
31.根据权利要求29的方法，其中给门栅的至少一电压脉冲的控制对应于感兴趣的离子的漂移时间。
32.根据权利要求29的方法，其中FAIMS设备使用矩形波形进行驱动。
33.根据权利要求29的方法，还包括：
控制关于对应于IMS设备和FAIMS设备的运行的至少两种运行模式的运行。
34.根据权利要求33的方法，其中样本离子化的特性根据至少两种运行模式中的特定运行模式进行确定。
35.根据权利要求29的方法，其中FAIMS设备具有平面几何结构。
36.根据权利要求29的方法，其中FAIMS设备具有非平面几何结构。
37.根据权利要求29的方法，还包括使用至少一气流增强FAIMS设备中的离子分离。
38.根据权利要求37的方法，其中至少一气流至少包括下述之一：空气、不同于空气的气体、或空气和其它气体或物质的混合物。
39.一种保存用于控制化学检测和分析过程的软件的非短暂计算机可读介质，所述软件包括：
以根据化学检测和分析系统的运行模式确定的频率控制样本的离子化的可执行代码；
确定感兴趣的离子通过离子迁移谱仪IMS设备的漂移管的漂移时间的可执行代码；
控制给连接到IMS设备的漂移管的门栅的至少一电压脉冲的可执行代码，其中控制有选择地选通离子以由连接到门栅下游的高场不对称波形离子迁移谱仪FAIMS设备进行分析。
40.根据权利要求39的介质，其中给门栅的至少一电压脉冲的控制对应于感兴趣的离子的漂移时间。
41.根据权利要求39的介质，其中FAIMS设备使用矩形波形进行驱动。
42.根据权利要求39的介质，其中所述软件还包括：
控制关于对应于IMS设备和FAIMS设备的运行的至少两种运行模式的运行的可执行代码。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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