CN105340053A - 双极性火花离子源 - Google Patents

Abstract

本申请提供了用于离子分析的设备和技术，包括离子迁移分离和质谱分析，其使用双极性火花离子源并具有优化具有不同物理和化学性质的宽范围的违禁物质的检测性能所需要的灵活性。在多个不同实施例中，挥发性和电气化学方面可通过在此描述的系统解决，其通过对在正和负极性均可检测的化合物进行实时检测和/或因某些目标化合物的高挥发性因而短停留时间而使得特定极性的谱获得优先。

Description

双极性火花离子源

相关申请

本申请要求2013年6月27日申请的、题为“使用火花电离的双极性离子迁移谱仪”的美国临时申请61/840,050的优先权，其通过引用组合于此。

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

在现场应用中，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。

离子迁移谱(IMS)利用相对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。

其他基于迁移率的分离技术包括高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)，也称为差分迁移谱(DMS)。FAIMS或DMS是可在大气压力下运行以分离和检测离子的检测技术。相比于传统的离子迁移，FAIMS/DMS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。FAIMS/DMS装置可在具有多级的迁移谱仪中结合IMS漂移管装置运行。对于离子检测和化学分析仪器的特征和使用的特定描述，包括结合一个或多个FAIMS/DMS装置使用的IMS漂移管装置及其他元件的特征，参考下述申请或专利：授予Boumsellek等的题为“Real-TimeTraceDetectionbyHighFieldandLowFieldIonMobilityandMassSpectrometry”的美国专利8,173,959Bl、Ivashin等申请的题为“ChemicalAnalysisUsingHyphenatedLowandHighFieldIonMobility”的美国公开专利申请2012/0273669A、及Ivashin等申请的题为“IonMobilitySpectrometerDevicewithEmbeddedFAIMS”的美国公开专利申请2012/0326020Al，这些申请和专利通过引用组合于此。

已知的大气压电离装置，如IMS和DMS设备中使用的大气压电离装置，可使用放射性电离源产生在化学分析和检测过程中使用的离子。然而，其它已知装置可使用非放射性电离技术，包括电晕放电和/或紫外(UV)光和激光引起的电离。上面提及的技术可参考下述文献：授予Bromberg等的题为“CompactPyroelectricSealedElectronBeam”的美国专利8,440,981、授予Doring的题为“IonizationChamberwithElectronSource”的美国专利6,429,426、和授予Budovich等的题为“IonMobilitySpectrometer”的美国专利5,969,349，这些文献通过引用组合于此。

违禁物质尤其是爆炸物和毒品的可现场痕迹检测富有挑战性，主要是因为这些化合物的宽范围的挥发性和电化学性质。在常见的爆炸物由可在负模式下检测(由于它们在环境压力条件下形成稳定的阴离子)的硝基化合物组成的同时，一些新出现的更高挥发性的临时制作的爆炸装置(IED)和自制爆炸物(HME)已知在存在化学改性剂的情形下有时具有加合离子形式的质子亲和力。

因而，希望提供使能使用电离源进行离子分析的技术，其提供优化具有不同物理和化学性质的宽范围的物质的检测性能所需要的灵活性。

发明内容

根据在此描述的系统，离子分析设备包括离子源，该离子源包括火花离子源。控制器控制离子源电极的电压变化的切换频率以推动通过火花放电从离子源产生的阳和阴离子。可提供来自离子源的离子注入于其中的离子迁移设备。离子迁移设备可包括离子迁移谱(IMS)设备、漂移单元和/或差分迁移谱(DMS)设备。可提供真空接口，离子经其从离子源注入到分析部件内。控制器可包括高电压切换电路。离子源可具有点对点电极配置或者点对面电极配置。控制器可根据实时或非实时分析控制离子源的切换频率，和/或控制器可根据计划的占空因数控制离子源的切换频率。切换频率可被控制以从离子源提供脉冲或连续离子流。

进一步根据在此描述的系统，控制电离处理的方法包括确定离子分析的运行模式。离子源电极的电压变化的切换频率可被确定，离子源包括火花离子源。离子源电极的电压变化可使用控制器在火花电离期间根据确定的切换频率进行控制以推动通过火花放电从离子源产生的阳和阴离子。该方法还可包括将离子源产生的离子注入到离子迁移设备内。离子迁移设备可包括离子迁移谱(IMS)设备、漂移单元和/或差分迁移谱(DMS)设备。该方法还可包括经真空接口将离子源产生的离子注入到分析部件内。控制器可包括高电压切换电路。离子源可具有点对点电极配置或者点对面电极配置。控制器可根据实时或非实时分析控制离子源的切换频率，和/或控制器可根据计划的占空因数控制离子源的切换频率。切换频率可被控制以从离子源提供脉冲或连续离子流。

进一步根据在此描述的系统，非短暂计算机可读介质保存用于控制电离处理的软件。该软件可包括确定离子迁移谱的运行模式的可执行代码。提供确定离子源电极的电压变化的切换频率的可执行代码，离子源包括火花离子源。提供使用控制器控制离子源的切换频率以推动通过火花放电从离子源产生的阳和阴离子的可执行代码。可提供控制离子源产生的离子注入到离子迁移设备内的可执行代码。可提供在注入到离子迁移设备内之后控制离子的选择性过滤的可执行代码。可提供控制通过火花电离产生的离子经真空接口注入到分析部件内的可执行代码。可提供控制在分析部件处从真空接口接收的离子的分析的可执行代码。切换频率可使用高电压切换电路进行控制。离子源的切换频率可根据实时或非实时分析进行控制，和/或可根据计划的占空因数进行控制。切换频率可被控制以从离子源提供脉冲或连续离子流。

附图说明

在此描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1示意性地示出了根据在此描述的系统的实施例的、具有变频火花离子源和离子迁移设备和分析部件的实时双极性离子分析设备。

图2示意性地示出了根据在此描述的系统的实施例的离子分析设备中的火花离子源和离子迁移设备的实施例。

图3示意性地示出了根据在此描述的系统的另一实施例的离子分析设备中的火花离子源和离子迁移设备的实施例。

图4示意性地示出了根据在此描述的系统的包括离子过滤的离子分析设备的实施例。

图5示意性地示出了根据在此描述的系统的包括真空接口的离子分析设备的实施例。

图6为根据在此描述的系统的使用双极性火花电离的离子迁移谱分析处理的流程图。

具体实施方式

根据在此描述的系统，提供了用于离子分析的设备和技术，包括离子迁移分离和质谱分析，其使用双极性火花离子源并具有优化具有不同物理和化学性质的宽范围的违禁物质的检测性能所需要的灵活性。在多个不同实施例中，挥发性和电气化学方面可通过在此描述的系统解决，其通过对在正和负极性均可检测的化合物进行实时检测和/或因某些目标化合物的高挥发性因而短停留时间而使得特定极性的谱获得优先。

图1示意性地示出了根据在此描述的系统的实施例的实时双极性离子分析设备100，具有变频、非放射性火花离子源101、离子迁移设备112如单一漂移区域或室、及分析部件116。在火花离子源101的火花放电期间同时产生的阳和阴离子可顺序注入到离子迁移设备112内以基于它们的迁移率进行分离。火花放电可在多个电极如两个电极之间在大气压力或近大气压力下产生，其通过产生强不均匀场和使用高电压快速切换电路进行。如本说明书别处所述，在火花离子源101的多个可能实施例中，可使用点对面和点对点电极间隙配置。

设备100被示为包括电离区110和/或一个或多个对样本进行分析的样本区，如本说明书别处所述，电离区可包括火花离子源101。来自电离区110的离子被注入到一个或多个离子迁移设备112内，如漂移单元和/或其它IMS或DMS迁移设备。在多个不同实施例中，离子可来自将要分析的样本和/或可以是从进行分析的样本分离的、将用于与样本分子反应从而进行分析的反应离子。离子分析可在分析级115中进行，其具有多种分析部件116中的任意一个或多个并包括过滤部件，如本说明书别处所述。在多个不同实施例中，分析级115的离子迁移部件112和分析部件116可包括IMS设备和/或漂移单元、IMS-DMS组合、具有嵌入的DMS的IMS、经真空接口的MS设备、其后为MS的离子迁移设备中的任何一个或组合、和/或任何其它适当的组合。

图2示意性地示出了根据在此描述的系统的实施例的离子分析设备200中的火花离子源210和离子迁移设备220。火花离子源210被示意性地示为具有点对点电极配置的电极211、212。给定火花放电的短持续时间(μβ范围)，火花从其开始的电极211、212的极性可使用控制器215进行控制以影响分解过程、电场强度、击穿电压、和臭氧及一氧化氮产生。所公开的火花离子源210能够跨宽范围的频率工作。在低频率下，火花离子源可在完成所选时间范围的每一谱之后将离子包注入到漂移单元内。在高频率下，火花离子源210可注入连续的离子流以进行引导、与中性离子分离、或随后的在复合级如MS、DMS和/或其它分光计平台中分析，如本说明书别处所述。尽管示出了离子迁移设备220，在此描述的系统可用于将来自火花离子源210的离子注入到任何适当的设备内以进行离子分析。

在实施例中，控制器215可包括计算机控制的高电压(如2500V)快速切换电路，其能够在分析期间产生稳定的电压并在完成所选时间范围的谱之后快速切换极性。极性切换可在可变频率下完成，可变频率可根据计划的占空因数进行选择。

例如，在对应于50％占空因数的运行模式下，相对于离子分析设备的集电极交替引出电压(如从约+2500V到-2500V)分别推动阳和阴离子进入离子迁移设备220，两个离子迁移谱均实时收集。在该运行模式下，电极电压的切换频率可通过迁移谱的时间范围和控制器215的高电压切换电路的速度确定。例如，对于55ms离子迁移谱和20ms极性切换时间，频率约为13.33Hz。

在另一实施例中，非实时50％占空因数可通过在切换到另一极性以获得同样数量的谱之前获得一种极性的几个谱实现。该模式使因电容性耦合由与过度切换相关联的扰动引起的检测器噪声最小化。

其它占空因数运行模式，包括非50％>占空因数运行，可包括在正或负模式下运行足够长的时间段，在采样周期内，在切换极性以获得另一极性的谱之前获得一个极性的几个谱。前述模式的定时可优化以在采样周期期间及早记录短暂挥发性化合物的谱。

图3示意性地示出了根据在此描述的系统的另一实施例的离子分析设备300中的火花离子源310和离子迁移设备320。火花离子源310被示意性地示为具有点对面电极配置的电极311、312。火花离子源310的其它电极配置可结合在此描述的系统使用。尽管示出了离子迁移设备320，但在此描述的系统可用于将来自火花离子源310的离子注入到任何适当的设备内进行离子分析。

在多个不同实施例中，在此描述的系统可结合串置仪器使用，即使用火花电离源和两种分离技术如低和高场迁移技术。应注意，在多个不同实施例中，串置仪器彼此可直交，尤其在低场(IMS)和高场(DMS)迁移设备中离子的流向直交，和/或DMS设备可嵌入在IMS漂移单元中，其中离子的流向可沿IMS和DMS设备共轴。DMS室可包括与IMS环约一样直径的两个平行的格栅(如平和/或不平的格栅)，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偏压以产生一样的IMS场。格栅之间的间隔构成分析间隙，其中离子除遭受漂移场之外还遭受DMS的非对称分散场。在非对称波形的高和低电压期间进行的振荡运动根据它们的迁移率差分离离子。

图4示意性地示出了根据在此描述的系统的包括离子过滤的离子分析设备400。离子分析设备400可包括电离区410中的火花离子源401。在实施例中，电离区410可包括样本分子405的样本区，其与火花离子源401的离子反应以产生感兴趣的离子，该离子注入到具有一个或多个离子迁移设备如漂移单元412的分析级内进行分析。结合所示实施例，设备400的分析级的部件可包括位于电离区410之后的高频过滤器420。根据在此描述的系统的实施例，在通过高频过滤器420之后，感兴趣的离子可行进通过孔格栅440到达检测器/收集器组件450进行分析。

如本说明书别处所述，高频过滤器420可结合电离区410中的火花放电电离使用。高频过滤器420可包括由两个平行的多种不同形状的格栅制成的单元，前述形状包括圆柱形、球形和平面。在实施例中，过滤器可以是FAIMS单元。在该单元内，在平行格栅之间的分析间隙中，应用漂移和高频率非对称轴向场的组合。高频率场在高场和低场之间交替并使离子在该单元内遭受振荡。根据其高场迁移率的性质，离子或被加速或被减速。应用小DC电压可基于低和高场迁移率之间的差滤掉特定离子。在所示实施例中，高频过滤器420被示为在电离区410之后。通过受控于DMS控制器430应用特定DC电压，高频过滤器420可用于控制离子迁移率。应注意，在多个不同实施例中，DMS控制器430可连接到本文别处所述的火花离子源控制器215、315和/或与其集成一体。该方法可用于产生选择的离子用于随后在如离子迁移谱仪和差分迁移谱仪的平台中进行分析。在多个不同实施例中，感兴趣的样本分子在电离区410电离用于直接过滤、收集和分析，而在其它实施例中，可产生反应离子，及随后的电荷转移过程用于产生感兴趣的离子以在样本区进行分析。

在其它实施例中，应注意，高频过滤器420可安装在漂移单元412和/或在从电离源401注入之后提供离子分离的其它离子迁移设备之前或之后，如本说明书别处所述。在其它实施例中，高频过滤器420可安装在沿漂移单元412的长度的任何地方。尤其应注意，其它离子分析技术和配置可结合在此描述的系统使用。

对于包括一个或多个FAIMS/DMS设备并可结合离子检测和化学分析技术使用的仪器的特征和使用的更详细的描述，参考Ivashin等申请的题为“ChemicalAnalysisUsingHyphenatedLowandHighFieldIonMobility”的美国公开专利申请2012/0273669Al和Ivashin等申请的题为“IonMobilitySpectrometerDevicewithEmbeddedFAIMS”的美国公开专利申请2012/0326020Al，这些文献通过引用组合于此。还可参考授予S.Boumsellek等的题为“Real-TimeTraceDetectionbyHighFieldandLowFieldIonMobilityandMassSpectrometry”的美国专利8,173,959，其通过引用组合于此。

图5示意性地示出了根据在此描述的系统的包括真空接口512的离子分析设备500。如图本文别处所述的，包括火花离子设备501和/或样本分子的样本区505的电离区510中产生的离子可经真空接口512注入到分析级515的一个或多个分析部件516内。在多个不同实施例中，分析部件516可包括MS设备、离子迁移设备和/或一个或多个离子迁移设备与MS设备的组合。

图6为根据在此描述的系统的实施例的使用双极性火花电离的离子迁移谱分析处理的流程图600。在步骤602，确定根据在此描述的系统的使用火花电离的离子迁移谱设备的运行模式。确定运行模式可包括确定实时或非实时运行和占空因数(如50％或非50％占空因数)。该模式可基于用于在采样周期期间记录短暂挥发性化合物的谱的优化因子确定。在步骤602之后，在步骤604，可确定火花离子源的电极电压的切换频率，其可根据计划的占空因数进行选择，以推动通过火花放电从离子源产生的阳和阴离子。在低频率下，离子源可在完成每一所选时间范围的谱之后将离子包注入到漂移单元内。在高频率下，离子源可注入连续的离子流以进行引导、与中性离子分离、或随后在串置平台中分析。在实施例中，提供计算机控制的高电压快速切换电路，其能够在分析期间产生稳定的电压并在完成所选时间范围的谱之后的任何时间快速切换极性。例如，对于55ms的离子迁移谱和20ms的极性切换时间，电极的电压切换的频率约为13.33Hz。

在步骤604之后，在步骤606，根据切换频率控制，使用受控双极性火花电离源通过火花电离产生离子。这些离子可以是反应离子，其之后与样本分子反应以产生感兴趣的离子进行分析。在步骤606之后，在步骤608，这些离子被注入到分析级。在多个不同实施例中，分析级可包括离子迁移谱仪的漂移单元，注入到其它类型的离子迁移设备和/或离子可注入到真空接口内以在MS设备中进行分析。在步骤608之后，在步骤610，可针对离子执行离子分离技术，包括使用过滤技术和串置设备复合级如MS、DMS和/或其它分光计平台，如本说明书别处所述。在步骤610之后，在步骤612，进行化学分析以检测具有不同物理和化学性质的物质范围中的想要检测的物质。在步骤612之后，处理结束，然后进行所述处理的迭代。

对于在此描述的系统，在此描述的多个不同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，在此描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。该系统还可包括显示器和/或其他计算机元件，用于提供与用户和/或其他计算机的适当接口。

在此描述的系统的各个方面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易失性存储器和/或非易失性存储器，例如可包括计算机硬驱、ROM、RAM、闪存、便携式计算机存储介质如CD-ROM、DVD-ROM、SD卡、闪驱和/或其它驱动器，例如具有通用串行总线(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。在此描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 (26)

1.一种离子分析设备，包括：

离子源，所述离子源包括火花离子源；及

控制器，其控制所述离子源的电极的电压变化的切换频率以推动通过火花放电从所述离子源产生的阳和阴离子。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括：

来自所述离子源的离子注入于其中的离子迁移设备。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述离子迁移设备至少包括下述之一：离子迁移谱(IMS)设备、漂移单元、或差分迁移谱(DMS)设备。

4.根据权利要求1所述的设备，还包括：

来自所述离子源的离子被接收于其内的真空接口；及

从所述真空接口接收离子的分析部件。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括高电压切换电路。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述离子源具有点对点电极配置或者点对面电极配置。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器根据实时或非实时分析控制所述离子源的切换频率。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器根据计划的占空因数控制所述离子源的切换频率。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器控制切换频率以从所述离子源提供脉冲或连续离子流。

10.一种控制电离处理的方法，包括：

确定离子分析的运行模式；

确定离子源电极的电压变化的切换频率，所述离子源包括火花离子源；及

使用控制器在火花电离期间根据确定的切换频率控制离子源电极的电压变化以推动通过火花放电从离子源产生的阳和阴离子。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：

将离子源产生的离子注入到离子迁移设备内。

12.根据权利要求11所述的方法，其中离子迁移设备至少包括下述之一：离子迁移谱(IMS)设备、漂移单元、或差分迁移谱(DMS)设备。

13.根据权利要求10所述的方法，还包括：

使用真空接口将离子源产生的离子注入到分析部件内。

14.根据权利要求10所述的方法，其中控制器包括高电压切换电路。

15.根据权利要求10所述的方法，其中离子源具有点对点电极配置或者点对面电极配置。

16.根据权利要求10所述的方法，其中控制器根据实时或非实时分析控制离子源的切换频率。

17.根据权利要求10所述的方法，其中控制器根据计划的占空因数控制离子源的切换频率。

18.根据权利要求10所述的方法，其中切换频率被控制以从离子源提供脉冲或连续离子流。

19.一种保存用于控制电离处理的软件的非短暂计算机可读介质，所述软件包括：

确定离子分析的运行模式的可执行代码；

确定离子源电极的电压变化的切换频率的可执行代码，离子源包括火花离子源；及

使用控制器在火花电离期间根据确定的切换频率控制离子源电极的电压变化以推动通过火花放电从离子源产生的阳和阴离子的可执行代码。

20.根据权利要求19所述的非短暂计算机可读介质，其中所述软件还包括：

控制离子源产生的离子注入到离子迁移设备内的可执行代码。

21.根据权利要求20所述的非短暂计算机可读介质，其中所述软件还包括：

在注入到离子迁移设备内之后控制离子的选择性过滤的可执行代码。

22.根据权利要求19所述的非短暂计算机可读介质，其中所述软件还包括：

控制离子源产生的离子经真空接口注入到分析部件内的可执行代码。

23.根据权利要求19所述的非短暂计算机可读介质，其中切换频率使用高电压切换电路进行控制。

24.根据权利要求19所述的非短暂计算机可读介质，其中离子源的切换频率根据实时或非实时分析进行控制。

25.根据权利要求19所述的非短暂计算机可读介质，其中离子源的切换频率根据计划的占空因数进行控制。

26.根据权利要求19所述的非短暂计算机可读介质，其中切换频率被控制以从离子源提供脉冲或连续离子流。