CN104616960B - 光谱法的离子传送改进的大气气压接口和有关系统与方法 - Google Patents

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Abstract

光谱法的离子传送改进的大气气压接口和有关系统与方法。用于谱仪(108；608)的大气气压(AP)接口(100)包括：壁(120)，其用于分离所述谱仪的电离腔室(112)与减压区域；离子入口，其限定从所述电离腔室到所述减压区域的离子路径；通道，其限定从所述电离腔室到所述减压区域外部的气体出口的气体路径。所述通道可以具有比所述离子入口更大的气体传导率，使得多数气体进入所述通道而不进入所述离子入口中。接口设备(124；424；524)被配置用于施加对于将所述电离腔室中的离子优先汇聚到所述离子入口中有效的静态电场。

Description

光谱法的离子传送改进的大气气压接口和有关系统与方法
技术领域
本发明总体上涉及与在大气气压或附近进行的电离结合地执行的光谱法，例如质谱法和离子迁移率光谱法。具体地，本发明涉及将大气气压电离装置与谱仪以接口方式连接。
背景技术
光谱法系统通常包括：电离装置(或离子源)，用于对感兴趣的样本的成分进行电离；分析器，用于基于区别属性而分离离子；离子检测器，用于对所分离的离子进行计数；电子电路，用于根据需要处理来自离子检测器的输出信号，以产生用户可解释的谱信息。谱信息可以用于确定样本的成分的分子结构，由此使得能够定性地和定量地表征样本。在质谱法(MS)系统中，分析器是基于离子的差别质荷比(或m/z比率，或更简单地“质量”)来分离离子的质量分析器。取决于设计，质量分析器可以通过利用电场和/或磁场或飞行时间管来分离离子。质量分析器受限于在非常低的真空的操作。在离子迁移率光谱法(IMS)系统中，分析器是基于离子的不同碰撞截面来分离离子的漂移单元。在存在漂移气体的情况下，DC电压梯度将离子拉动通过漂移单元。不同截面面积的离子具有通过气体环境的不同迁移率。漂移单元可以配置用于在真空或在大气气压操作。IMS可以与MS耦合，以提供关于处于研究的分析物的特有二维信息。此外，在特定“联用”或“混合”系统中，提供给电离装置的样本可以首先经受分析分离的形式。例如，在液相色谱-质谱法(LC-MS)系统或气相色谱-质谱法(GC-MS)系统中，LC或GC柱体的输出可以通过适当的接口硬件传送到电离装置中。
可以结合光谱法利用各种类型的电离装置。一些电离装置在真空级别操作，而其它电离装置在大气气压(AP)操作。每种类型的电离技术具有其优点和缺点。例如，AP电离与LC仪器提供的高吞吐量兼容。AP电离的示例包括但不限于电喷雾电离(ESI)、大气气压化学电离(APCI)大气气压光电电离(APPI)、或大气气压激光电离(APLI)。
需要AP接口以成功地将AP电离装置耦合到在真空操作的谱仪，例如MS或减压IMS。谱分析的低效的主要方面之一与收集来自AP电离装置的离子并且将它们传送到分析器的较低气压级有关。困难根源于这样的事实：AP接口中的离子运动受控于静电场甚者更强地受控于气体动力学。通过使用静电场将离子汇聚到离子传送组件(例如孔口或毛细管)中的任何尝试都被气体动力学所束缚。
用于解决该问题的现有方法必定增加AP接口的气体吞吐量，使得更多气体被放行到谱仪的第一差动泵激级中。该方法同样可以增加所捕获的离子的量。该方法的缺点在于，离子与气体的分离现在必须出现在相对高的气压。已经开发了设备以提供这种分离，例如电动式离子漏斗。这些设备在高达特定气压级别相当合理地工作，但具有其自身的缺点，包括系统的成本和复杂度的增加。例如，通常需要另外的泵以抽空气体。此外，在提升的气压(例如10至30Torr)的气体动力学使得汇聚低迁移率离子是个挑战。
因此，目前需要关于将大气气压电离装置与谱仪以接口方式连接的改进。
发明内容
为了全部或部分解决前述问题和/或本领域技术人员已经观察到的其它问题，本公开提供如在以下所阐述的实现方式中通过示例的方式描述的方法、处理、系统、装置、仪器和/或设备。
根据一个实施例，一种用于谱仪的大气气压(AP)接口包括：电离腔室，其包括壁，用于分离所述电离腔室与所述谱仪的减压区域；接口设备，包括离子入口和气体通道，其中：所述离子入口限定从所述电离腔室到所述减压区域的离子路径；所述气体通道限定从所述电离腔室到所述减压区域外部的气体出口的气体路径；所述气体通道具有比所述离子入口更大的气体传导率，使得流入所述接口设备中的多数气体流入所述气体通道而不流入所述离子入口中；所述接口设备被配置用于施加对于将所述电离腔室中的离子优先汇聚到所述离子入口中有效的静态电场。
根据另一实施例，一种用于谱仪的大气气压(AP)接口包括：电离腔室，其包括壁，用于分离所述电离腔室与所述谱仪的减压区域；导电内导管，其沿着轴通过所述壁从所述电离腔室延伸到所述减压区域；导电外导管，其延伸通过所述壁并且环绕所述内导管以限定它们之间的通道，其中，所述通道在所述减压区域外部并且终止于气体出口处；电压源，其与所述内导管和所述外导管连通，并且被配置用于生成具有朝向所述轴吸引离子的空间方位的静态电场，其中，所述内导管限定从所述电离腔室到所述减压区域的离子路径，所述通道限定从所述电离腔室到所述减压区域外部的所述气体出口的气体路径。
根据另一实施例，一种分析分离系统包括：根据在此所公开的任何实施例的AP接口；谱仪，其中，所述谱仪包括减压区域以及处于减压区域中的或与减压区域连通的分析分离仪器。
根据另一实施例，一种分析分离系统包括：大气气压离子源；大气气压离子迁移率谱仪(IMS)漂移单元，其包括与所述离子源连通的单元入口以及距所述单元入口下游的大气气压(AP)接口，所述AP接口包括：离子入口，其限定从所述漂移单元到减压区域的离子路径；气体通道，其限定从所述漂移单元到所述减压区域外部的位置的气体路径。
根据另一实施例，一种用于将离子传送到谱仪的方法包括：在大约大气气压或更大气压操作含有离子和气体的电离腔室，所述电离腔室经由离子入口与所述谱仪的减压区域连通；将所述电离腔室中的气体通过通道引导到所述减压区域外部的气体出口，其中，所述气体根据所述电离腔室与所述气体出口之间的气压差值而流动；将所述离子引导通过所述离子入口并且进入所述减压区域中，其中，所述气体优先流动到所述通道中，所述离子优先流动到所述内导管中。
在审阅以下附图和具体实施方式时，本发明的其它设备、装置、系统、方法、特征以及优点对于本领域技术人员将会或将变得明显。旨在所有这些另外的系统、方法、特征和优点包括于该描述内、处于本发明的范围内，并且受所附权利要求保护。
附图说明
本发明可以通过参照以下附图得到更好地理解。附图中的组件并不一定成比例，而是重点放于说明本发明的原理。在附图中，相同的附图标记贯穿不同附图指定对应部分。
图1是根据一些实施例的大气气压(AP)接口的示例的示意图。
图2是根据一些实施例的AP接口的接口设备的示意图。
图3是说明接口设备的结构和操作所建立的静态电场的示例的接口设备的示意图。
图4是根据另一实施例的接口设备的示例的示意图。
图5是根据另一实施例的接口设备的示例的示意图。
图6是根据另一实施例的分析分离系统的示例的示意图。
具体实施方式
在本公开的上下文中，术语“大气气压”不限于大气气压的确切值，例如在海平面处的1大气压(760Torr)。而是，术语“大气气压”通常还涵盖基本上处于(即大约、近似或接近)大气气压的任何气压。相应地，“大气气压”通常涵盖从大约720Torr到大约800Torr的气压的范围。
图1是根据一些实施例的大气气压(AP)接口100的示例的示意图。通常，AP接口100被配置用于高效地将离子从处于大气气压(或之上)的区域传送到处于低大气气压的区域。AP接口100也可以被配置用于以改进对于亚大气区域的离子传送的效率并且促进亚大气区域中的气体与离子的分离的方式从大气气压区域移除气体。低大气气压可以是真空气压，例如处于从30Torr或更小或从1到30Torr的范围中，或者在另一示例中，处于从20Torr或更小或从1到20Torr的范围中。作为非限制的示例，图1示出分析分离系统104，其中，AP接口100可操作地与谱仪108集成。相应地，在该实施例中，处于大气气压(或之上)的区域是电离腔室112，处于低大气气压的区域是谱仪108的减压腔室116(例如第一真空级)。AP接口100包括至少一个壁120，其在电离腔室112与减压腔室116之间提供结构边界。AP接口100包括接口设备124，其建立从电离腔室112到减压腔室116的离子路径，并且建立从电离腔室112到分析分离系统104的外部的分离气体路径，如以下进一步详细描述的那样。
电离腔室112是包括电离设备128的AP离子源的一部分。离子源128可以被配置用于任何类型的AP电离，诸如例如电喷雾电离(ESI)、大气气压化学电离(APCI)大气气压光电电离(APPI)或大气气压激光电离(APLI)。样本源132将样本材料的流提供给电离腔室112。在一些实施例中，样本源132可以是分析分离设备，诸如例如液相色谱仪(LC)的柱体。取决于所提供的电离设备128的类型，样本源132可以将样本材料提供给电离设备128，电离的或部分电离的样本材料从电离设备128发射到电离腔室112中，或样本源132可以经由分离的样本入口(未示出)将样本材料提供给电离腔室112，用于与接口设备124前面的电离区域中的电离设备128输出的能量的相互作用。在一些实施例中，样本源132可以与诸如例如在美国专利申请公开No.2007/0221839或美国专利No.5,658,413中公开的微流控或纳流控芯片关联，其完整内容通过引用合并到此。该芯片可以被配置为发射低流量电喷雾或纳电喷雾(“纳喷雾”)。
接口设备124被配置用于建立(限定)从电离腔室112到减压腔室116的离子路径以及从电离腔室112到减压腔室116外部的气体出口的气体路径。在一些实施例中，接口设备124包括导电内导管(内电极)136和导电外导管(外电极)138，两者均沿着离子采样(或离子传送)轴延伸通过壁120。导管136和138通常可以是具有圆形或多边形截面的管子形状。在一些实施例中，导管136和138沿着公共轴定位，外导管138环绕内导管136的至少一部分。通过这种配置，将通过壁120的气体排出通道140限定在内导管136与外导管138之间。气体排出通道140可以具有环绕内导管136的相连开孔或环绕内导管136的多个端口。在其它实施例中，内导管136和/或外导管138可以没有明显的轴向长度，而是可以被配置得更像孔口。
如以下进一步详细描述的那样，在操作中，在内导管136与外导管138之间施加电场。图1示意性描绘分别与内导管136和外导管138进行信号通信的电压源144和146，用于在内导管136与外导管138之间施加DC电压。在操作中，内导管充当进入谱仪108的离子入口，气体排出通道140充当可以在不进入谱仪108的情况下从电离腔室112移除实质气体量的出口。如以下进一步详细描述的那样，构造并且操作内导管136和外导管138，使得最大离子量和最小气体量进入内导管136，而最大气体量和最小离子量进入外导管138。
内导管136包括位于电离腔室112中的入口以及电离腔室112外部的出口。在图1中，内导管136的出口示出为位于减压腔室116中。更一般地，内导管136限定通向到减压腔室116的离子路径的至少一部分。实践中，内导管136可以与完成进入减压腔室116的离子路径的其它结构连通。例如，在一些实施例中，气体传导率限制设备142(例如一个或多个流量限制器(如过滤器板(frit)、孔口板、毛细管等))可以位于内导管136的入口与减压腔室116之间的离子路径中，以控制气体流量和气压。
外导管138包括位于电离腔室112中的入口以及减压腔室116外部的出口。在一些实施例中，分析分离系统104的结构可以包围出口所连通的内部区域150。内部区域150将气体路径延伸到另一出口152。该结构及其内部区域150可以被看作是AP接口100或谱仪108的一部分。与气体排出通道140连通的出口之任一可以被看作从电离腔室112引出的气体出口。在任一情况下，气体出口以及从电离腔室112游走到气体出口的气体路径处于减压腔室116外部。因此，经由气体出口从电离腔室112移除的气体并不进入减压腔室116或离子受处理的谱仪108的任何其它区域。在一些实施例中，出口是对大气的排放口。在一些实施例中，气体排出通道140与泵156以及关联的管件连通。泵156可以位于出口的上游或下游。在一些实施例中，气体传导率限制设备158(例如一个或多个流量限制器(例如过滤器板、孔口板等))可以位于外导管138的入口与泵156之间的气体路径中，以控制气体流量状况。在一些实施例中，仅需要电离腔室112与出口之间的相对小的气压差值，用于充分驱动通过气体排出通道140的气体流量。此外，通过气体排出通道140的方式所移除的气体无需用于任何目的，因此可以被看作废气。此外，由于气体路径完全在谱仪108的离子占据区域的外部，因此通过气体排出通道140的方式所移除的气体并不是污染的源。出于这些原因，泵156可以是相对廉价的泵。
在其它实施例中，在气体路径中可以不利用泵156。代之，在出口处于环境的大气气压左右的同时，可以通过“过度加压”电离腔室112(即，加压到大于大气气压的级别)来创建电离腔室112与出口之间的气压差值。例如，可以通过增加样本喷雾的流量和/或引入干燥气体(下面描述)来对电离腔室112进行过度加压。
在其它实施例中，为谱仪108提供的现有差动泵可以用于驱动通过气体排出通道140的气体流量。在此情况下，构成部分气体路径的分离管件(气体电子线路)将与相比于管件(其与谱仪区域连通，也受现有差动泵服务)具有不同流量状况的现有差动泵连通。
电离腔室112还包括排气端口160，其与泵和关联管件连通，以提供用于从电离腔室112移除中性气体、蒸气和液滴(例如样本基质材料、溶剂等)的流量路径。由于通过该排气端口160的方式所移除的材料可以被看作废材料，因此在一些实施例中，排气端口160和气体排出通道140可以与同一泵156连通。
在一些实施例中，AP接口100另外包括干燥气体入口164，干燥气体的流通过干燥气体入口164从干燥气体源166提供到电离腔室112中。可以通过任何合适的手段对干燥气体进行加热。干燥气体可以是适合于在AP电离中使用的任何化学惰性气体，一些非限制性示例是氮气(N2)、二氧化碳(CO2)和氩气(Ar)。在任何AP电离技术中，理想地，仅分析物离子进入谱仪108，而不是样本喷雾的其它成分(例如中性溶剂化液滴或空气或氧气)。这些其它成分污染谱仪108，并且损伤推导分析物数据的离子，而且降低谱仪108的灵敏度。为了解决该问题，可以引入干燥气体以协助溶剂的蒸发和/或吹扫溶剂远离通向谱仪108的内导管136，以及协助离子从样本喷雾的蒸发和去溶剂化。在随着喷雾接近接口设备124的对喷雾的逆流关系中，可以通过外导管138周围的一个或多个开孔来引入干燥气体。可替代地，干燥气体可以作为在外导管138前面的“幕帘(curtain)”或“刀(knife)”而引入。
谱仪108包括分析分离仪器(离子分析器)170和离子检测器172。谱仪108可以是质谱仪(MS)，在此情况下，分析分离仪器170可以包括与AP电离兼容的任何类型的质量分析器。可替代地，谱仪108可以是离子迁移率谱仪(IMS)，在此情况下，分析分离仪器170可以包括漂移管。可替代地，谱仪108可以是包括多于一种类型的分析分离仪器的混合仪器(例如后随质量分析器的IMS漂移管)。可替代地或另外地，谱仪108可以是串接的仪器，其执行多于一级的分析分离，并且干预离子裂解级(例如离子捕集或三重四元(triple-quad，QQQ)系统)。离子检测器172可以是被配置用于收集并且测量从分析分离仪器170输出的离子的通量(或流)的任何设备。离子检测器172的示例包括但不限于电子乘法器、光子乘法器、法拉第杯和微通道板(MCP)检测器。各种类型的谱仪以及关联组件的结构和操作通常为本领域技术人员所理解，因此这里仅在必须时针对理解当前公开的主题加以简要描述。
在一些实施例中，谱仪108可以仅需要一个减压腔室(例如减压腔室116)。例如，在分析分离仪器170是IMS漂移单元的情况下，IMS漂移单元可以位于减压腔室116(未具体示出)中。在其它实施例中并且如图1所示，除了第一减压腔室116之外，谱仪108可以还至少包括第二减压腔室174，其包围分析分离仪器170。在此情况下，分析分离仪器170可以是质量分析器。在分析分离仪器170包括后随质量分析器的IMS漂移单元的其它实施例中，IMS漂移单元可以位于减压腔室116中(未具体示出)，质量分析器可以位于第二减压腔室174中。谱仪108也可以包括第一减压腔室116与第二减压腔室174之间的一个或多个中间减压腔室，如本领域技术人员所理解的那样。
减压腔室116和174包括各自真空端口176和178。谱仪108包括真空系统，其如箭头示意性描绘的那样与真空端口连通，表示一个或多个真空生成泵以及关联管件和本领域技术人员所理解的其它组件。真空系统将减压腔室116和174保持在受控的相继减压级别(在图1中，从左到右)。取决于电离腔室112与第一减压腔室116之间所需的气压差值，作为一个非限制性示例，第一减压腔室116的内部气压可以通常范围处于从30Torr或更小或从1到30Torr的范围，或者在另一示例中，从20Torr或更小或从1到20Torr的范围。取决于所采用的分析分离仪器170的类型，作为一个非限制性示例，第二减压腔室174的内部气压可以通常处于从0.01到1Torr的范围。真空系统也可以从谱仪108移除任何残余的非分析成分(例如中性分子)。提供用于将分析物离子从一个腔室传送到下一腔室的离子出口184的壁182分离相邻的减压腔室。离子出口184可以是被配置用于使得离子能够在最小离子损耗或没有离子损耗的情况下、在非分析成分的最小传送的情况下以及在不破坏真空的情况下传送的任何组件或组件的组合。离子出口184可以例如包括本领域技术人员所理解的以下之中的一个或多个：毛细管、孔口、离子光仪器、分液器(skimmer)板、离子导引、离子漏斗、缝隙等。
图2是示出由接口设备124的结构和操作所建立的离子路径和气体路径的接口设备124的示意图。离子优先受电场吸引到内导管136，如离子轨迹236所描绘的那样。然而，中性气体颗粒不受电场影响。气体流量因此不受干扰地进入到内导管136以及气体排出通道140中，如气体流量线路240所描绘的那样。接口设备124的几何形状、气体路径中提供的任何流量限制器的位置和几何形状、泵(如果提供)的速度可以被配置为使得气体流量是尽可能均匀且稳定的，并且层状或接近层状的(即在湍流和层流之间的过渡区中)，在外导管138内部。以此方式，气体运动将类似地对所有离子起作用，并且协助它们的进入内导管136的收集。小的内导管136以及所提供的任何传导率限制设备142充当气体传导率障碍物，内导管136的截面通流面积与气体排出通道140的截面通流面积相比很小。因此，多数气体流入气体排出通道140而不是内导管136中。换句话说，与传统接口不同，仅随后允许放行进入电离腔室的气体的相对小部分进入谱仪。经由气体排出通道140的下游的气体出口从系统清除其余气体。进入谱仪的第一减压区域的较少气体流量导致在该区域中从气体所收集的离子的较低气压和较容易分离。例如，第一减压区域中的气压可以处于几Torr而不是几十Torr的范围中。在一些实施例中，接口设备124的配置可以消除对于高级接口组件(例如离子漏斗)的需要，或使得能够进行这些接口组件的简化操作和/或设计。接口设备124的配置可以使得能够发送更宽质量范围的离子以及更稳定的离子信号。
在一些实施例中，外导管138可以具有处于例如比内导管136的直径大约大2至10倍的范围中的直径，或作为另一示例，具有比内导管136的直径大约大3至5倍的范围中的直径。在此上下文中，为了方便，术语“直径”涵盖内导管136或外导管138的截面通流面积的大小的尺寸特征—例如，圆形截面的情况下的直径或多边形截面的情况下的最大边的长度。在一些实施例中，构造接口设备124，使得相比于进入内导管136，例如大约3倍或更大倍数的更多气体(气体颗粒的数量)或者在另一示例中3至15倍的更多气体流入气体排出通道140中。作为一个示例，如果内导管直径与外导管直径的比率是大约1：3，则进入内导管136的气体与进入气体排出通道140气体的比率可以仅为大约1:10。
应注意，与对于从离子路径抽空气体的泵的典型需求相比，对于驱动通过气体排出通道140的气体流量的泵激需求远远更简单。这减少了谱仪的内部组成的污染的可能性。此外，通过气体排出通道140的气体传导率可以足够高，使得仅需要小的气压差值来提供通过气体排出通道140的所需气体流量。此外，如上所述，通过对电离腔室过度加压使得气体路径通向仅用作从系统逃逸的气体的排放口的气体出口，可以消除对于气体排出通道140的下游的气体路径中的泵的需要，由此简化设计。
图3是示出由接口设备124的结构和操作所建立的静态电场的示例的接口设备124的示意图，如电场线324的分布所描绘的那样。在所示实施例中，内导管136和外导管138是同心圆柱。此外，内导管136的入口从外导管138的入口轴向偏移，使得内导管136凹入在外导管138的内部中。这种几何形状产生具有对于将离子朝向离子采样轴汇聚并且汇聚到内导管136中有效的空间方位的电场，如离子轨迹的一个示例所示。这种情况下的离子的汇聚可以仅由静电场动作完成。内导管136与外导管138之间所施加的电压(电势差)可以处于例如从100V到2000V的范围中。作为示例，大约500V的电压典型地对于大约2mm的电极间距离是必须的。该场将在大约1ms中导致典型地m/z＝800离子的对应5mm漂移。该时间将一般比气体耗费于行进通过接口设备124的内部并且进入内导管136的时间更短。因此，离子将具有足够的时间在它们的轨迹并未不利地受气体流量影响的情况下到达内导管136。在该实施例中，内导管136与外导管138的各个入口之间的轴向偏移可以设置得足够长，使得向离子提供朝着离子采样轴重新汇聚离子的轨迹所需的时间，如所示那样。
应注意，具有不同迁移率值的离子和颗粒对于电场不同地进行响应。接口设备124的实施例可以被配置为通过方便减少小液滴和不完全去溶剂化的离子进入内导管136的渗透来获得这种事实的益处。具体地，较大的颗粒和溶剂化的离子将在电场324中经历明显更低的偏转，并且更有可能跟随气体进入气体排出通道140，由此有助于减少谱仪的内部组成的污染并且减少信噪(S/N)比。
在一些实施例中，AP接口被配置用于使得可以调整通过内导管136的气体流量、或进入内导管136的气体与进入气体排出通道140的气体的比率。可以通过例如调整用于抽空第一减压区域的泵和/或在气体排出通道140的下游的气体路径中工作的泵的泵激速度来完成所述调整。也可以通过改变与气体路径关联的孔口或管的传导率来完成所述调整。
应理解，图1至图3所示的接口设备124的几何形状仅是一个示例。更一般地，接口设备124可以具有适合于以这里公开的方式汇聚离子并且限制进入谱仪108的气体流量的任何几何形状。
图4是根据另一实施例的接口设备424的示例的示意图。场不对称离子迁移率光谱法(FAIMS)设备(或单元)490与接口设备424集成在一起。FAIMS设备490包括位于内导管136中的两个相对的FAIMS电极492和494，使得离子采样轴在FAIMS电极492与494之间穿过。FAIMS电极可以安装到内导管136的内表面。在一些实施例中，FAIMS电极492和494可以成形为平板。内导管136可以在FAIMS电极492和494所处的区域中具有多边形截面。流量限制组件(例如图1中示意性示出的传导率限制设备142)可以位于FAIMS设备490的下游，使得FAIMS设备490在大气气压左右操作。
通常，FAIMS设备490与传统IMS设备有关，但在若干方面是不同的。在IMS中，在固定条件集合下，离子迁移率K可以表示为离子的漂移速度VD与所施加的电场E之间的比例常数，如下：K＝vD/E。离子迁移率K是依赖于化合物的。在所施加的电场E的强度很低的传统IMS设备中，离子迁移率K独立于电场E的强度。对比之下，在FAIMS设备490中，所施加的电场E的强度很高(例如10,000V/cm)，离子迁移率K不再是恒定的，离子漂移速度vD不再直接与所施加的电场E成比例。参见Gueveremont和Purves,“High Field Asymmetric WaveformIon Mobility Spectrometry—Mass Spectrometry:An Investigation of LeucineEnkephalin Ions Produced by Electrospray Ionization,”J Am Soc Mass Spectrom1999,10,492-501。取决于离子的类型(质量、电荷、大小和形状)，一种类型的离子的迁移率可以随着增加电场强度而增加，而另一类型的离子的迁移率可以通过增加电场而降低，而又一类型的离子的迁移率可以随着增加电场强度而增加并且然后随着进一步增加电场强度而降低。另一方面，所有三种前述类型的离子的迁移率值在传统IMS中所施加的低电场强度范围可以是大致相同的。因此，FAIMS可以增强这些离子的选择性。
FAIMS电极492和494与被配置用于在FAIMS电极492与494之间生成电场的电压源(未示出)进行信号通信，由此对于标称离子光轴和气体流量的方向而横向地定向。所施加的电压具有由相反极性的高电压和低电压的振荡时段组成的不对称波形。施加高电压的时间段不同于(典型地短于)施加低电压的时间段。所得到的不对称电场促使离子在施加高电压分量期间依据它们各自的迁移率行为而朝向FAIMS电极492和494之一或另一个而径向漂移。DC补偿电压可以施加到FAIMS电极492和494之一，以抵消离子朝向电极的漂移并且由此防止离子冲击它。在所有其它离子漂移到FAIMS电极492和494并且在FAIMS电极492和494上损失的同时，DC补偿电压可以保持在固定值达到允许所选择的离子穿过FAIMS设备490的时间段。替代地或另外地，DC补偿电压可以变化以提供扫描功能，由此离子可以基于它们的不同迁移率行为而一次一个地通过FAIMS设备490发送。相应地，通过所安装的FAIMS设备490，接口设备424可以用作离子汇聚设备，或用作离子汇聚设备和离子过滤器两者。
如上所述，通过内导管136的气体流量是可调整的。当FAIMS设备490集成到内导管136中时，这种可调整性可能是有用的。由于离子分别取决于气体速度是较低还是较高而在分离区域中耗费更多或更少的时间，因此FAIMS的性能取决于通过FAIMS设备490的气体流量。通过将部分(或多数)气体流量引导远离内导管136并且代之进入气体排出通道140，在内导管136中并且随之在FAIMS设备490中聚集离子的同时，FAIMS设备490中的气体流量速度可以保持在适当低的值，以实现所期望程度的分离能力。
接口设备424在FAIMS设备490与谱仪之间提供有效接口。具体地，当谱仪包括质量分析器时，所得到的FAIMS-MS仪器可以提供有用的高灵敏的正交分离技术。
图5是根据另一实施例的接口设备524的示例的示意图。接口设备524包括干燥气体入口564，其配置为将干燥气体的流量引导到电离腔室中，具体地，引导到接口设备524的前面的电离区域。如上所述，干燥气体对于完成离子的去溶剂化和防止液滴进入内导管136是有用的。干燥气体优先连同来自电离腔室的其它气体核素一起流进气体排出通道140中。可以通过各种方式配置干燥气体入口564。在所示实施例中，干燥气体入口564包括干燥气体入口结构568，其环绕外导管138，使得环状干燥气体入口通道形成在其之间。如所示那样，干燥气体入口结构568可以被配置为：以一角度将干燥气体引导到离子采样轴，由此建立有助于朝向离子采样轴汇聚离子的气体速度场。在其它实施例中，可以在相对于离子采样轴更平行的方位中引导干燥气体。在又一些实施例中，代之反向流动布置，可以在更交叉流动布置(例如上述幕帘)中引导干燥气体。
图6是根据另一实施例的分析分离系统604的示例的示意图。分析分离系统604包括样本源632、AP电离装置(离子源)634、AP离子迁移率谱仪(AP-IMS)642、AP接口600以及包括质量分析器670和离子检测器672的质谱仪(MS)608。以上结合图1描述了样本源634、AP电离装置634和MS 608的非限制性示例。MS 608包括第一减压区域616和第二减压区域674，并且可以还包括同样如以上结合图1描述的一个或多个中间减压区域。AP-IMS 642包括：外壳654、接收电离装置634产生的离子的进入外壳654的离子进入口、包围在外壳654中的漂移单元680、将离子传送到MS 608中的离子退出口。离子进入口可以包括离子光仪器(例如光栅)，用于将离子的包封引导到漂移单元680中。漂移单元680典型地包括沿着AP-IMS 642的轴串行定位的多个环形透镜元件682。漂移单元680沿着其长度生成轴向DC电压梯度，以对抗从漂移气体入口664和关联的漂移气体源666提供的漂移气体将离子移动通过漂移单元680，由此离子基于它们的不同截面而变得及时分离，如本领域技术人员理解的那样。DC电压梯度可以通过已知方式生成，例如通过经由阻性分压网络施加电压，使得相继的较低电压沿着漂移单元680的长度而施加到相继的透镜元件682。
AP接口600被配置用于高效地将离子从处于大气气压(或之上)的区域输送到处于低大气气压的区域。AP接口600也可以被配置用于通过改进对于亚大气区域的离子输送的效率并且方便亚大气区域中气体与离子的分离的方式而从大气气压区域移除气体。在分析分离系统604是APIMS-MS系统的所示实施例中，AP接口600为(或定位在)AP-IMS 642的离子退出口。因此，在大气气压(或之上)的区域是AP-IMS 642的内部，而在低大气气压的区域是MS608的第一减压腔室616。可以根据在此公开的任何实施例来配置AP接口600。
在一些实施例中，分析分离系统604包括专用于测量从漂移单元680输出的离子的附加离子检测器(未示出)。在这些实施例中，一些离子到达附加离子检测器处，由此未传送到MS 608中。附加离子检测器可以位于AP接口600的上游或下游。
示例性实施例
根据当前公开的主题所提供的示例性实施例包括但不限于以下：
1.一种用于谱仪的大气气压(AP)接口，所述AP接口包括：电离腔室，其包括壁，用于分离所述电离腔室与所述谱仪的减压区域；接口设备，包括离子入口和气体通道，其中：所述离子入口限定从所述电离腔室到所述减压区域的离子路径；所述气体通道限定从所述电离腔室到所述减压区域外部的气体出口的气体路径；所述气体通道具有比所述离子入口更大的气体传导率，使得流入所述接口设备中的多数气体流入所述气体通道而不流入所述离子入口中；所述接口设备被配置用于施加对于将所述电离腔室中的离子优先汇聚到所述离子入口中有效的静态电场。
2.如实施例1所述的AP接口，其中，所述离子入口包括导电内导管，其沿着轴通过所述壁从所述电离腔室延伸到所述减压区域，所述接口设备还包括导电外导管，其延伸通过所述壁并且环绕所述内导管，以限定它们之间的气体通道，其中，所述通道在所述减压区域外部并且终止于气体出口处。
3.如实施例2所述的AP接口，包括：电压源，其与所述内导管和所述外导管连通，并且被配置用于生成所述静态电场，其中，所述静态电场具有朝向所述轴吸引离子的空间方位。
4.如实施例2或3所述的AP接口，其中，所述外导管以比所述内导管更大的距离从所述壁延伸到所述电离腔室中。
5.如实施例2至4中的任一项所述的AP接口，其中，所述外导管具有比所述内导管的直径大约更大2至10倍的直径。
6.如实施例1至5中的任一项所述的AP接口，包括：泵，其与所述气体通道连通。
7.如实施例6所述的AP接口，包括：排气端口，其与所述电离腔室连通，其中，所述泵与所述排气端口连通。
8.如实施例6或7所述的AP接口，其中，所述气体通道和泵被配置用于保持通过所述气体通道的层状或接近层状流量。
9.如实施例1至8中的任一项所述的AP接口，包括：传导率限制设备，其与所述离子路径连通。
10.如实施例1至9中的任一项所述的AP接口，包括：传导率限制设备，其与所述气体路径连通。
11.如实施例1至10中的任一项所述的AP接口，其中，所述离子入口包括场不对称离子迁移率谱仪(FAIMS)单元。
12.如实施例1至11中的任一项所述的AP接口，包括：干燥气体入口，其定位为将干燥气体流量引导到所述外导管的前面的电离腔室中。
13.如实施例12所述的AP接口，其中，所述干燥气体入口定位为以相对于所述轴的角度朝向所述轴引导所述干燥气体的流量。
14.一种分析分离系统，包括：如实施例1所述的AP接口；所述谱仪；其中，所述谱仪包括所述减压区域以及处于所述减压区域中的或与所述减压区域连通的分析分离仪器。
15.如实施例14所述的分析分离系统，包括：色谱仪，其与所述电离腔室连通。
16.如实施例14或15所述的分析分离系统，其中，所述离子入口包括场不对称离子迁移率谱仪(FAIMS)单元。
17.如实施例14或15所述的分析分离系统，其中，所述分析分离仪器包括离子迁移率谱仪(IMS)漂移单元、质量分析器或后随质量分析器的IMS漂移单元。
18.一种分析分离系统，包括：大气气压离子源；大气气压离子迁移率谱仪(IMS)漂移单元，其包括：单元入口，其与所述离子源连通；以及大气气压(AP)接口，其处于距所述单元入口的下游，所述AP接口包括：离子入口，其限定从所述漂移单元到减压区域的离子路径；气体通道，其限定从所述漂移单元到所述减压区域外部的位置的气体路径。
19.如实施例18所述的分析分离系统，其中，所述AP接口被配置用于施加对于将所述漂移单元中的离子优先汇聚到所述离子入口中有效的静态电场。
20.一种用于将离子传送到谱仪的方法，所述方法包括：在大约大气气压或更大气压操作含有离子和气体的电离腔室，所述电离腔室经由离子入口与所述谱仪的减压区域连通；将所述电离腔室中的气体中的至少一些通过通道引导到所述减压区域外部的气体出口，其中，所述气体根据所述电离腔室与所述气体出口之间的气压差值流动；将所述离子引导通过所述离子入口并且进入所述减压区域中，其中，所述气体优先流动到所述通道中，所述离子优先流动到所述内导管中。
21.如实施例20所述的方法，其中，所述离子入口包括内导管，所述通道形成在所述内导管与环绕所述内导管的外导管之间，并且引导所述离子包括：在所述内导管与所述外导管之间施加电压，以所述内导管的前面的电离腔室中生成静态电场，使得所述离子吸引到所述内导管。
22.如实施例20或21所述的方法，包括：在大约30Torr或更小的气压操作所述减压区域。
23.如实施例20至22中的任一项所述的方法，包括：使得所述气体在层状或接近层状流量区下流过所述通道。
24.如实施例20至23中的任一项所述的方法，包括：使得比进入所述离子入口多3倍或更多倍的更多气体流入所述通道中。
25.如实施例20至24中的任一项所述的方法，包括：通过操作所述气体出口的下游的泵或通过将所述电离腔室加压到大于大气气压的级别而在所述电离腔室与所述气体出口之间设置所述气压差值。
26.如实施例20至25中的任一项所述的方法，包括：调整进入所述通道的气体与进入所述离子入口的气体的比率。
27.如实施例20至26中的任一项所述的方法，包括：在所述离子入口内部生成横穿所述离子入口的中心轴的电场，其中，所述电场包括对于基于依赖于场的迁移率而分离所述离子入口中的离子有效的不对称波形。
28.如实施例20至27中的任一项所述的方法，包括：将干燥气体流量引导到所述通道的前面的电离腔室中。
29.如实施例28所述的方法，其中，所述离子入口定位在轴周围，并且以相对于所述轴的角度朝向所述轴引导干燥气体的流量。
应理解，在此使用的术语“通过信号通信”表示两个或更多个系统、设备、组件、模块或子模块能够经由在某种类型的信号路径上行进的信号而彼此进行通信。信号可以是通信、功率、数据或能量信号，其可以沿着第一与第二系统、设备、组件、模块或子模块之间的信号路径将信息、功率或能量从第一系统、设备、组件、模块或子模块传送到第二系统、设备、组件、模块或子模块。信号路径可以包括物理、电、磁、电磁、电化学、光、有线或无线连接。信号路径可以在第一与第二系统、设备、组件、模块或子模块之间还包括另外的系统、设备、组件、模块或子模块。
更一般地，诸如“连通”和“与……连通”(如第一组件与第二组件“连通”或“处于连通”)之类的术语在此用于指示两个或更多个组件或要素之间的结构、功能、机械、电、信号、光、磁、电磁、离子或流控关系。故此，认为一个组件与第二组件连通的事实并非旨在排除另外组件可以出现在第一与第二组件之间和/或与第一与第二组件可操作地关联或结合的可能性。
应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变本发明的各个方面或细节。此外，前面的描述仅是为了说明的目的，而并非是限制的目的—本发明由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种用于质谱仪(108；608)的大气气压接口(100)，所述大气气压接口包括：
电离腔室(112)，其包括壁(120)，用于分离所述电离腔室与所述质谱仪的减压区域；
接口设备(124；424；524)，其包括离子入口和气体通道，其中：
所述离子入口限定从所述电离腔室到所述减压区域的离子路径；
所述气体通道限定从所述电离腔室到所述减压区域外部的气体出口的气体路径；
所述气体通道具有比所述离子入口更大的气体传导率，使得流入所述接口设备中的多数气体流入所述气体通道而不流入所述离子入口中；以及
所述接口设备被配置用于施加对于将所述电离腔室中的离子优先汇聚到所述离子入口中有效的静态电场；
其中，所述离子入口包括导电内导管(136)，其沿着离子传送轴通过所述壁从所述电离腔室延伸到所述减压区域，所述接口设备还包括导电外导管(138)，其延伸通过所述壁并且环绕所述内导管，以在外导管和内导管之间限定所述气体通道，其中，所述通道在所述减压区域外部并且终止于气体出口(152)；
所述大气气压接口还包括：电压源(144，146)，其与所述内导管和所述外导管连通，并且被配置用于生成所述静态电场，其中，所述静态电场具有朝向所述轴吸引离子的空间方位。
2.如权利要求1所述的大气气压接口，其中，所述外导管包括以下特征中的至少一个：
所述外导管以比所述内导管更大的距离从所述壁延伸到所述电离腔室中；
所述外导管具有比所述内导管的直径大2至10倍的直径。
3.如权利要求1-2中的任一项所述的大气气压接口，包括以下中的至少一个：
与所述气体通道连通的泵(156)；
与所述气体通道连通的泵(156)以及与所述电离腔室连通的排气端口(160)，其中，所述泵与所述排气端口连通；
与所述气体通道连通的泵(156)，其中，所述气体通道和所述泵被配置用于保持通过所述气体通道的层状或接近层状流量；
与所述离子路径连通的传导率限制设备(142)；
与所述气体路径连通的传导率限制设备(158)。
4.一种分析分离系统(104；604)，包括：
如前述权利要求中的任一项所述的大气气压接口；以及
所述质谱仪，其中，所述质谱仪包括所述减压区域以及处于所述减压区域中的或与所述减压区域连通的分析分离仪器(170；670)。
5.如权利要求4所述的分析分离系统，其中，所述离子入口包括场不对称离子迁移率质谱仪(FAIMS)单元(490)。
6.一种分析分离系统(604)，包括：
大气气压离子源(634)；以及
大气气压离子迁移率质谱仪(IMS)漂移单元(680)，其包括与所述离子源连通的单元入口以及距所述单元入口下游的大气气压接口(600)，所述大气气压接口包括：离子入口，其限定从所述漂移单元到减压区域的离子路径；气体通道，其限定从所述漂移单元到所述减压区域外部的位置的气体路径；
其中所述大气气压接口如权利要求1-5中任一项所定义。
7.一种用于将离子传送到质谱仪(108；608)的方法，所述方法包括：
在大气气压或更大气压操作含有离子和气体的电离腔室(112)，所述电离腔室经由离子入口与所述质谱仪的减压区域连通；
将所述电离腔室中的气体中的至少一些通过通道引导到所述减压区域外部的气体出口(152)，其中，所述气体根据所述电离腔室与所述气体出口之间的气压差值流动；以及
将所述离子引导通过所述离子入口并且进入所述减压区域中，
其中，所述气体优先流动到所述通道中，所述离子优先流动到所述离子入口中；
其中如权利要求1-5中任一项所定义的所述大气气压接口用于所述质谱仪中。
8.如权利要求7所述的方法，包括从组中选择出的步骤，所述组包含：
通过在所述离子入口的内导管(136)与环绕所述内导管的外导管(138)之间施加电压来引导所述离子，以在内导管前面的电离腔室中生成静态电场，使得所述离子吸引至所述内导管；
通过操作所述气体出口的下游的泵(156)或通过将所述电离腔室加压到大气气压之上的级别，在所述电离腔室与所述气体出口之间设置所述气压差值；
在30Torr或更小的气压操作所述减压区域；
使得所述气体在层状或接近层状流量区之下流过所述通道；
使得比进入所述离子入口大3倍或更多倍的更多气体流入到所述通道中；
调整进入所述通道的气体与进入所述离子入口的气体的比率；
在所述离子入口内部生成横穿所述离子入口的中心轴的电场，其中，所述电场包括对于基于依赖于场的迁移率而分离所述离子入口中的离子有效的不对称波形；
将干燥气体的流量引导到所述通道前面的电离腔室中；
以相对于所述离子入口的轴的角度，将干燥气体的流量引导到所述通道前面的电离腔室中；以及
以上中的两个或更多个的组合。
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