CN109003876B - 离子迁移率分析器及分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种离子迁移率分析器及分析方法，该分析器包括：离子源、设有离子入口的第一迁移/分析区域、设有离子出口的第二迁移/分析区域、连接第一迁移/分析区域和第二迁移/分析区域的第三连接区域、及连接离子出口的检测器，其中，第一迁移/分析区域和第二迁移/分析区域中直流电场和气流对离子的作用方向相反，并且第二气流与第一气流的气流方向一致；第三连接区域包含第三直流电场，第三直流电场使离子从第一迁移/分析区域传输到第二迁移/分析区域，由于第一和第二两个区域的气流方向相同，无论是作为高分辨率的离子迁移率分析器还是作为连续离子束离子迁移率过滤器，本发明在分辨率和灵敏度上都具有很好的稳定性。

Description

离子迁移率分析器及分析方法
技术领域
本发明涉及离子迁移谱和离子分析领域，尤其是涉及离子迁移率分析器及分析方法。
背景技术
离子迁移谱是一种根据离子的迁移率分离离子的技术。根据分离方式的不同可以把离子迁移谱分成在时间上的分离和在距离上的分离两种类型。传统的飞行时间离子迁移谱是在时间上的分离，差分迁移谱分析器是在距离上的分离。与质谱相比，离子迁移谱的分辨率和灵敏度较差，这主要受限于离子的扩散。但离子迁移谱可提供基于分子碰撞截面的附加信息，还可以作为质谱前端的离子预分离装置。对于差分迁移谱的分辨率，可以通过优化装置的几何结构来提高(如倾斜场，交叉气流场和周期聚焦差分迁移谱)。对于飞行时间迁移谱，可以通过加长迁移管的长度、提高包含的电压以及增加径向束缚电场(如射频离子漏斗、射频四极场和直流周期静电场)的方式来提高分辨率。
为了进一步提高分辨率，Zeleny(Zeleny,J.Philos.Mag.46,120(1898))提出在平行流分析器中采用方向相反的气流与电场的方式。Zeleny的装置包含两个平行的网格，具有特定迁移率的离子在两种相反的作用力(气流和电场)作用下平衡。其后出现了多种制作平行流分析器的尝试，包括斜网格法、存在气流的离子阱、垂直引出离子迁移谱、Loboda反向气流分段四极场和Park提出的平行流离子迁移谱/后来离子捕获迁移谱。实验上，只有Loboda和Park的装置获得比较好的结果。他们均采用射频四极场在径向束缚离子。在美国专利6630662B1中，Loboda采用一均匀的电场，随着电场的缓慢升高，离子在电场的作用下克服气流的作用被逐出。在美国专利7838826B1中，Park采用非均匀的电场首先将具有不同迁移率的离子分离，之后缓慢降低电场使离子在气流的作用下被逐出分析器。Parks采用比较高的气压获得了比Loboda更高的分辨率。但是他的装置存在分析时间长和单次分析离子数受限的问题。
要分离连续的离子束，可以使用离子迁移率过滤器。差分迁移谱可将具有不同迁移率的离子在垂直气流的方向进行分离。另外还可以通过设置高低通迁移率过滤器来分离连续的离子束。在美国专利7718960B2中，Hashimoto等人公开了这样一种装置。该装置有两个迁移区域，区域内存在方向相反的电场和气流，并且两个迁移区域内的气流方向相反。该装置气体由两个区域中的连接区域垂直引入。该装置示意图如图1A所示。在美国专利9281170B2中，Parks同样采用垂直引入气流的方式，但是该装置采用射频四极场在径向束缚离子。该装置结构示意图如图1B所示。Hashimoto和Parks的高低通过滤装置都存在一个问题，就是在气流引入区域气流方向是不固定的，存在明显的乱流现象，这种乱流会极大的影响装置的分辨率和离子通过率。
因此，离子迁移谱在分辨率和灵敏度上还需要进一步提高。同时还需要一种迁移谱装置，该装置既可以在大的离子容量下具有很高的分辨率，也可以在保持高的分辨率和灵敏度下作为一个连续离子束离子迁移率过滤器。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供离子迁移率分析器及分析方法，解决现有技术的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种离子迁移率分析器，包括：离子源；第一迁移/分析区域，设有连接所述离子源的离子入口；所述第一迁移/分析区域包含第一直流电场及第一气流，其中，所述第一直流电场及第一气流令离子沿第一迁移/分析区域的轴线运动，其中，第一直流电场及第一气流对离子的作用方向相反；第二迁移/分析区域，设有离子出口；所述第二迁移/分析区域包含第二直流电场及第二气流，其中，所述第二直流电场及第二气流令离子沿第二迁移/分析区域的轴线运动，其中，第二直流电场及第二气流对离子的作用方向相反；并且所述第二气流与所述第一气流的气流方向一致；所述第二迁移/分析区域的轴线与所述第一迁移/分析区域的轴线不在同一直线上；第三连接区域，位于所述第一迁移/分析区域和第二迁移/分析区域之间，其中，所述第三连接区域包含第三直流电场，所述第三直流电场使离子从所述第一迁移/分析区域传输到所述第二迁移/分析区域；检测器，连接所述离子出口；所述离子入口引入离子的方向垂直于所述第一气流方向；以及/或者，所述离子出口引出离子的方向垂直于所述第二气流方向。
于本发明的一实施例中，所述第一气流和第二气流为层流。
于本发明的一实施例中，所述离子源位于第一气流的上游或下游。
于本发明的一实施例中，所述检测器位于第二气流的上游或下游。
于本发明的一实施例中，所述第二迁移/分析区域的轴线与所述第一迁移/分析区域的轴线平行。
于本发明的一实施例中，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域间相互平行地堆叠放置或并排放置。
于本发明的一实施例中，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域分别包含一系列沿轴线排列的电极对，所述电极对所在平面与所述第一气流或第二气流方向垂直，在相邻所述电极对上分别施加相位不同的射频电压，在垂直于所述第一气流或第二气流的方向上形成束缚离子的多极场。
于本发明的一实施例中，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域分别包含一系列沿垂直于轴线排列的电极对，所述电极对所在平面与所述第一气流或第二气流方向平行，在相邻所述电极对上分别施加相位不同的射频电压，在平行于所述第一气流或第二气流的方向上形成束缚离子的多极场。
于本发明的一实施例中，在所述第二迁移/分析区域接近检测器的一段包含多个电极，各所述电极上施加电压以形成令离子在传输过程中被束缚并聚焦至检测器的电场。
于本发明的一实施例中，在所述分析器的前级、后级、或前级和后级设有质量分析器，以组成离子迁移率和质荷比组合分析器。
于本发明的一实施例中，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的前者或后者用作为令高于第一预设迁移率的离子通过的第一离子迁移率过滤器；以及/或者，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的后者或前者用作为令低于第二预设迁移率的离子通过的第二离子迁移率过滤器。
于本发明的一实施例中，所述第一预设迁移率小于所述第二预设迁移率。
于本发明的一实施例中，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的一个作为离子迁移率分析器，其包含的直流电场随时间变化以使具有不同离子迁移率的离子在不同时间通过所述分析区域；所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的另一个作为离子传输和/或富集通道。
于本发明的一实施例中，所述第一迁移/分析区域的第一直流电场随时间扫描以使具有不同离子迁移率的离子在不同时间通过，并通过所述第三连接区域进入第二迁移/分析区域，所述第二迁移/分析区域的第二直流电场使所有离子通过该区域到达检测器。
于本发明的一实施例中，其中所述第一迁移/分析区域的第一直流电场为一非线性直流电场以使离子在该第一迁移/分析区域的至少部分区域富集，所述第一直流电场随时间改变使离子通过该第一迁移/分析区域并经第三连接区域进入所述第二迁移/分析区域，所述第二迁移/分析区域的第二直流电场随时间扫描以使具有不同离子迁移率的离子在不同时间通过该区域到达检测器。
于本发明的一实施例中，所述第一迁移/分析区域的第一直流电场使所有离子通过所述第一迁移/分析区域并经所述第三连接区域进入所述第二迁移/分析区域，所述第二迁移/分析区域的第二直流电场随时间扫描以使具有不同离子迁移率的离子在不同时间通过该第二迁移/分析区域到达检测器。
于本发明的一实施例中，所述第一迁移/分析区域、第二迁移/分析区域、及第三连接区域的直流电场使离子沿垂直于所述第一气流或第二气流方向从所述离子源经第一迁移/分析区域、第三连接区域及第二迁移/分析区域到达检测器。
于本发明的一实施例中，所述第一迁移/分析区域、第二迁移/分析区域、及第三连接区域的直流电场使离子沿平行于所述第一气流方向通过所述第一迁移/分析区域进入第三连接区域，并经所述第三连接区域进入第二迁移/分析区域，沿平行于所述第二气流方向通过第二迁移/分析区域到达检测器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种分离和标识离子分析物的离子迁移率分析方法，包含：提供产生离子的离子源；提供设有连接所述离子源的离子入口的第一迁移/分析区域，所述第一迁移/分析区域包含第一直流电场及第一气流，其中，所述第一直流电场及第一气流令离子沿第一迁移/分析区域的轴线运动，其中，第一直流电场及第一气流对离子的作用方向相反；提供设有离子出口的第二迁移/分析区域，所述第二迁移/分析区域包含第二直流电场及第二气流，其中，所述第二直流电场及第二气流令离子沿第二迁移/分析区域的轴线运动，其中，第二直流电场及第二气流对离子的作用方向相反；并且所述第二气流与所述第一气流的气流方向一致；提供第三连接区域，位于所述第一迁移/分析区域和第二迁移/分析区域之间，其中，所述第三连接区域包含第三直流电场，所述第三直流电场使离子从所述第一迁移/分析区域传输到所述第二迁移/分析区域；提供连接所述离子出口的检测器；令离子垂直于所述第一气流方向从所述离子入口引入；以及/或者，令离子垂直于所述第二气流方向从所述离子出口引出。
于本发明的一实施例中，所述的离子迁移率分析方法，包括：通过控制直流电场，将所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的前者或后者用作为令高于第一预设迁移率的离子通过的第一离子迁移率过滤器；以及/或者，将所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的后者或前者用作为令低于第二预设迁移率的离子通过的第二离子迁移率过滤器。
于本发明的一实施例中，所述的离子迁移率分析方法，包括：令所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的一个的直流电场随时间变化来作为离子迁移率分析器，使具有不同离子迁移率的离子在不同时间通过所述离子迁移率分析器，并令所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的另一个作为离子传输和/或富集通道。
于本发明的一实施例中，所述的离子迁移率分析方法，包括：通过控制所述第一迁移/分析区域、第二迁移/分析区域、及第三连接区域的直流电场，使离子沿垂直于所述第一气流或第二气流方向从所述离子源经第一迁移/分析区域、第三连接区域及第二迁移/分析区域到达检测器。
如上所述，本发明的离子迁移率分析器及分析方法，该分析器包括：设有离子入口的第一迁移/分析区域、设有离子出口的第二迁移/分析区域、连接第一迁移/分析区域和第二迁移/分析区域的第三连接区域、及连接所述离子出口的检测器，其中，所述第一迁移/分析区域和第二迁移/分析区域中直流电场和气流对离子的作用方向相反，并且所述第二气流与所述第一气流的气流方向一致；所述第三连接区域包含第三直流电场，所述第三直流电场使离子从所述第一迁移/分析区域传输到所述第二迁移/分析区域，由于第一和第二两个区域的气流方向相同，避免形成乱流，无论是作为高分辨率的离子迁移率分析器还是作为连续离子束离子迁移率过滤器，本发明在分辨率和灵敏度上都具有很好的稳定性。
附图说明
图1A显示为现有技术中Hashimoto离子迁移率过滤器示意图。
图1B显示为现有技术中Parks迁移率过滤器示意图。
图2A显示为本发明的离子迁移率分析器示意图。
图2B显示为本发明的离子迁移率分析器xy面示意图。
图3显示为本发明的离子迁移率分析器与其先后级真空系统的关系图。
图4A显示为本发明离子迁移率分析器的第一实施例的结构示意图。
图4B显示为本发明离子迁移率分析器的第一实施例中分析过程的电场分布示意图。
图4C显示为本发明离子迁移率分析器的第一实施例的离子轨迹仿真图。
图5A显示为本发明离子迁移率分析器的第二实施例的结构示意图。
图5B显示为本发明离子迁移率分析器的第二实施例中分析过程的电场分布示意图。
图5C显示为本发明离子迁移率分析器的第二实施例的离子轨迹仿真图。
图6A显示为本发明离子迁移率分析器的第三实施例的结构示意图。
图6B显示为本发明离子迁移率分析器的第三实施例中分析过程的电场分布示意图。
图7A显示为本发明离子迁移率分析器的第四实施例的结构示意图。
图7B显示为本发明离子迁移率分析器第四实施例中分析过程的电场分布示意图。
图7C显示为本发明离子迁移率分析器第四实施例的离子轨迹仿真图
图8A显示为本发明离子迁移率分析器的第五实施例的结构示意图。
图8B显示为本发明离子迁移率分析器第五实施例中分析步骤的电场分布示意图。
图8C显示为本发明离子迁移率分析器第五实施例的离子轨迹仿真图
图9A显示为本发明离子迁移率分析器第六实施例的结构示意图。
图9B显示为本发明离子迁移率分析器第六实施例中分析过程的电场分布示意图。
图9C显示为本发明离子迁移率分析器第六实施例的离子轨迹仿真图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅本发明的说明书附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
图2A为本发明离子迁移率分析器1的结构示意图；本发明由8、9、10、11四组电极组成，每组电极相互平行布置于同一平面内，四组电极所在平面相互平行。电极组8和9之间以及10和11之间存在气流4和5。气流4和5方向相同。电极组8和9以及10和11上施加方向与气流4和5方向相反的直流电场6和7。更具体的如图2B所示。
图2B为本发明离子迁移率分析器1的xy面结构示意图；离子源2设置在离子迁移率分析器1的离子入口外部，检测器3设置在离子迁移率分析器1的出口外部；图示中，两排平行的电极组8和9组成第一迁移/分析区域，两排平行的电极组10和11组成第二迁移/分析区域，每个电极组8、9、10、11包含沿轴线分布的多个电极。
平行电极组8，9，10和11的末端处的电极和电极组12间组成第三连接区域以连接第一和第二迁移/分析区域。
在第一迁移/分析区域，在电极组8和9上可以施加线性或非线性的第一直流电场6E1，图中的E1处的箭头表示第一直流电场对离子的作用方向，并且有第一气流4U1，流过第一迁移/分析区域，其作用于离子的方向与第一直流电场方向相反。
并且，在第二迁移/分析区域，在电极组10和11上施加线性或非线性的直流电场7E2，第二迁移/分析区域内存在第二气流5U2，其作用于离子的方向与直流电场方向相反，同时与第一迁移/分析区域内的第一气流4方向相同。
在第三连接区域，施加有直流电场使离子从第一迁移/分析区域传输到第二迁移/分析区域；并且，在电极组8，9，10和11上叠加射频电压以在垂直于轴线方向的径向上束缚离子。
举例来说，如图2所示，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的多个电极形成沿轴线排列的多个电极对(图示中的A框标识出一个电极对)，每个所述电极对包含位于同一平面的两个电极，所述平面垂直于所述轴线，相邻电极对分别施加相位不同的射频电压，以在垂直于气流的方向上形成束缚离子的四极场或多极场。
以及/或者，在其它实施例中，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的多个电极形成沿轴线排列的多个电极单元对，每个所述电极单元对包含位于同一平面的两个电极单元，所述平面垂直于所述轴线，每个所述电极单元包括沿垂直于所述轴线的径向分布的多个分段电极，相邻分段电极分别施加相位不同的射频电压，以在在平行于气流的方向上形成束缚离子的四极场或多极场。
以及/或者，在所述第二迁移/分析区域接近检测器的一段包含多个电极，各所述电极上施加电压以形成令离子在传输过程中被束缚并聚焦至检测器的电场。
在以上举例中，通过在电极施加射频电压来束缚离子，并可叠加施加直流电压以形成直流电场来实现离子径向偏移或聚焦的结构数量众多，故此处不对其具体实现进行赘述。
由图2可见，在三个区域内，离子在电场和气流场的共同作用下呈现U型的离子轨迹，在第一迁移/分析区域是第一直流电场对离子的作用力强于气流场，从而将离子推动到达第三连接区域，而在第二迁移/分析区域是气流场对离子的作用力强于第二直流电场，从而将离子推动到达检测器3处进行检测。
图3为本发明的离子迁移率分析器与其前后级真空系统的关系图。从离子源的大气压到质量分析器的10-6Torr的高真空，一台质谱仪器具有多级真空区域。离子从离子源产生，通过一个毛细管14进入第一级真空区域15，离子在该级真空区域15内被一个射频离子导引装置24聚焦，之后通过一个分液器25进入第二级真空区域16。本发明的离子迁移率分析器1设置在第二级真空区域16，该级真空区域16的真空气压范围为2到4Torr。离子经过离子迁移率分析器1之后进入第三级真空区域17，该级真空区域17内设置第二个离子导引装置27，该级真空区域17之后是质量分析器29所在的第四级真空区域18，该质量分析器29可以是三重四极杆或者是Q-TOF等。每级真空区域之间采用小孔26和28连接。每级真空区域均连接有抽气装置以保持真空。在离子迁移率分析器所在的这一级真空区域16，存在一个气体引入装置23以引入纯的迁移率分析缓冲气。同时在该级真空的入口和出口位置有气流整流装置，以使离子迁移率分析器内的气流为层流。
图4A为本发明离子迁移率分析器第一实施例示意图。在本发明的第一实施例中，第一离子迁移/分析区域作为高分辨率高离子容量的扫描型离子迁移率分析器，第二离子迁移/分析区域用来将离子传输到检测器3。在电极组8和9上可以施加与第一气流4U1方向相反的非线性的第一直流电场6E1使具有不同离子迁移率K1～K5的离子32、33、34、35、及36在第一迁移/分析区域被分离；在电极组10和11上施加与第二气流5U2方向相反的第二直流电场7E2使离子传输到检测器3。
本实施例中所执行的离子分析有三个分析步骤：富集、捕获和流出。
在三个分析步骤中，电场的分布存在差异，如图4B所示。该实施例中，第一迁移/分析区域(1st region)内的电场分布可以分为4个区域：离子注入区41、离子传输区42、电场强度下降沿区43和平坦区44。离子首先被连续的引入到第一迁移/分析区，在高电场的推动下，所有离子通过41和42区进入电场强度下降沿区43。在区域43内，具1有不同迁移率的离子将在不同的电场强度位置与气流平衡。平衡的条件是KE＝U，其中，K是离子迁移率，E是电场强度，U是气流速度；假设气流速度U是常数，则具有高的迁移率的离子将在较低的电场强度位置平衡，即如图中(1)Accumulation阶段所示；如图中(2)Trap阶段所示，经过一定的富集时间后，离子注入区41的电场强度降至所有离子均无法进入第一迁移/分析区。先前进入的离子在电场强度下降沿区43碰撞冷却平衡。一段时间后，电场强度下降沿区41和平坦区44的电场强度从一个初始值E0，以一定的速度β缓慢的升高(电场强度如40～37递增)。如图中(3)Elute阶段所示，随着电场强度的升高，具有较高离子迁移率的离子将首先从第一迁移/分析区域经连接区域和第二迁移/分析区域到达检测器3，该过程中，第二迁移/分析区域(2nd region)的电场E2不变。图4C为该实施例离子轨迹仿真图。
图5A为本发明第二实施例示意图。在该实施例中，第一离子迁移/分析区域用来富集和传输离子，第二离子迁移/分析区域作为高分辨扫描迁移率分析器。在电极组8和9上包含与气流4U1方向相反的直流电场使离子在第一迁移/分析区域内富集并被传输至第三连接区域。在电极组10和11上包含与气流5U2方向相反的非线性直流电场使具有不同迁移率的离子32～36在第二迁移/分析区域内被分离。其中气流4U1和5U2的方向相同。电场强度分布如图5B所示。该实施例分析过程同样有三个步骤：富集、捕获和流出。第一迁移/分析区内的电场分布可以分为两个部分：离子注入区49和离子富集区50。第二迁移/分析区内的电场分布可以分为三部分：离子传输区53、电场强度上升区52、和平台区51。离子首先被连续的引入到第一迁移/分析区，在高电场的推动下，所有离子通过49，50和51区进入电场强度上升区52。在气流和电场的共同作用下，具有不同迁移率的离子在不同的电场强度位置达到平衡。经过一定的富集时间后，离子注入区49的电场强度降至所有离子均无法进入第一迁移/分析区。先前进入的离子在电场强度上升沿区52碰撞冷却平衡。一段时间后，电场强度上升沿区52和平台区51的电场强度从一个初始值E0，以一定的速度β缓慢的下降(电场强度如45～48递减)。随着电场强度的下降，具有较低离子迁移率的离子将首先到达检测器。图5C为该实施例离子轨迹仿真图。
图6A为本发明第三实施例示意图。在该实施例中，第一迁移/分析区域用来传输离子，离子在靠近连接区域的位置被富集，第二迁移/分析区域作为高分辨扫描迁移率分析器。该实施例的不同在于该实施例分析只有两步：富集/流出和传输/捕获。富集和流出在两个不同的迁移/分析区域同时进行。传输和捕获同样是在两个不同的迁移/分析区域同时进行。电场强度分布如图6B所示。该实施例中，第二迁移/分析区域可以分成三个部分：离子传输区56，电场上升沿区55和平台区54。离子32～36首先在第一迁移/分析区域的末端被富集，富集一段时间之后离子经连接区域传输到第二迁移/分析区域，并在第二迁移/分析区域的电场上升沿区55被捕获达到平衡。一段时间后，电场强度上升沿区55和平台区54的电场强度从一个初始值E0，以一定的速度β缓慢的下降(电场强度如45～48递减)。随着电场强度的下降，具有较低离子迁移率的离子将首先到达检测器。于此同时，第一迁移/分析区域在富集离子。如上所述在该实施例中，富集和流出在两个不同的迁移/分析区域同时进行。传输和捕获同样是在两个不同的迁移/分析区域同时进行。该实施例具有接近100％的占空比。
图7A是本发明第四实施例示意图。在该实施例中，第一迁移/分析区域作为“高通”(即离子迁移率高于第一预设离子迁移率)迁移率过滤器，第二迁移/分析区域作为“低通”(即离子迁移率低于第二预设离子迁移率)迁移率过滤器，连接区域作为离子传输通道。该实施例用来进行目标迁移率分析。在电极组8和9上包含方向与气流4U1方向相反的电场E1使离子迁移率大于U1/E1的离子通过第一迁移/分析区域。在平行电极组10和11上包含方向与气流5U2方向相反的电场E2使迁移率小于U2/E2的离子通过第二迁移/分析区域到达检测器3。其中气流4U1和5U2的方向相同。电场强度分布如图7B所示。第一和第二迁移/分析区域的电场强度分别为57和58。第一迁移/分析区域的电场强度57使迁移率大于K2的离子34，35和36通过。第二迁移/分析区域的电场强度58使迁移率小于K4的离子34通过到达检测器。该实施例的结果是获得具有一定范围迁移率的连续离子束。图7C使本实施例的离子轨迹仿真图。
图8A是本发明第五实施例示意图。在该实施例中，所有离子经过三个区域从离子源2被传输到检测器3。在电极组8和9上包含方向与气流4U1方向相反的高电场E1使所有离子32～36通过第一迁移/分析区域。在电极组10和11上包含方向与气流5U2方向相反的低电场E2使所有离子32～36通过第二迁移/分析区域到达检测器3。该实施例的电场强度分布如图8B所示。图8C是该实施例的离子轨迹仿真图。仿真结果显示离子传输效率接近100％。
图9A是本发明第六实施例示意图。在实施例中，所有离子经过三个区域从离子源2以垂直于气流U1和U2的方向传输到检测器3。在电极组8，9，10和11上包含方向与气流4、5即U1和U2方向相反的非线性直流电场E1和E2使离子以垂直于气流的方向从离子源传输到检测器。该实施例的电场强度分布如图9B所示。图9C使该实施例的离子轨迹仿真图。仿真结果显示离子传输效率接近100％，同时传输时间也非常短(大约100us)。
综上所述，本发明的离子迁移率分析器及分析方法，该分析器包括：设有离子入口的第一迁移/分析区域、设有离子出口的第二迁移/分析区域、连接第一迁移/分析区域和第二迁移/分析区域的第三连接区域、及连接所述离子出口的检测器，其中，所述第一迁移/分析区域和第二迁移/分析区域中直流电场和气流对离子的作用方向相反，并且所述第二气流与所述第一气流的气流方向一致；所述第三连接区域包含第三直流电场，所述第三直流电场使离子从所述第一迁移/分析区域传输到所述第二迁移/分析区域，由于第一和第二两个区域的气流方向相同，避免形成乱流，无论是作为高分辨率的离子迁移率分析器还是作为连续离子束离子迁移率过滤器，本发明在分辨率和灵敏度上都具有很好的稳定性。
本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (22)

1.一种离子迁移率分析器，其特征在于，包括：
离子源；
第一迁移/分析区域，设有连接所述离子源的离子入口；所述第一迁移/分析区域包含第一直流电场及第一气流，其中，所述第一直流电场及第一气流令离子沿第一迁移/分析区域的轴线运动，其中，第一直流电场及第一气流对离子的作用方向相反；
第二迁移/分析区域，设有离子出口；所述第二迁移/分析区域包含第二直流电场及第二气流，其中，所述第二直流电场及第二气流令离子沿第二迁移/分析区域的轴线运动，其中，第二直流电场及第二气流对离子的作用方向相反；并且所述第二气流与所述第一气流的气流方向一致；
所述第二迁移/分析区域的轴线与所述第一迁移/分析区域的轴线不在同一直线上；
第三连接区域，位于所述第一迁移/分析区域和第二迁移/分析区域之间，其中，所述第三连接区域包含第三直流电场，所述第三直流电场使离子从所述第一迁移/分析区域传输到所述第二迁移/分析区域；
检测器，连接所述离子出口；
所述离子入口引入离子的方向垂直于所述第一气流方向；以及/或者，所述离子出口引出离子的方向垂直于所述第二气流方向。
2.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一气流和第二气流为层流。
3.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述离子源位于第一气流的上游或下游。
4.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述检测器位于第二气流的上游或下游。
5.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第二迁移/分析区域的轴线与所述第一迁移/分析区域的轴线平行。
6.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域间相互平行地堆叠放置或并排放置。
7.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域分别包含一系列沿轴线排列的电极对，所述电极对所在平面与所述第一气流或第二气流方向垂直，在相邻所述电极对上分别施加相位不同的射频电压，在垂直于所述第一气流或第二气流的方向上形成束缚离子的多极场。
8.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域分别包含一系列沿垂直于轴线排列的电极对，所述电极对所在平面与所述第一气流或第二气流方向平行，在相邻所述电极对上分别施加相位不同的射频电压，在平行于所述第一气流或第二气流的方向上形成束缚离子的多极场。
9.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，在所述第二迁移/分析区域接近检测器的一段包含多个电极，各所述电极上施加电压以形成令离子在传输过程中被束缚并聚焦至检测器的电场。
10.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，在所述分析器的前级、后级、或前级和后级设有质量分析器，以组成离子迁移率和质荷比组合分析器。
11.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的前者或后者用作为令高于第一预设迁移率的离子通过的第一离子迁移率过滤器；以及/或者，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的后者或前者用作为令低于第二预设迁移率的离子通过的第二离子迁移率过滤器。
12.根据权利要求11所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一预设迁移率小于所述第二预设迁移率。
13.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的一个作为离子迁移率分析器，其包含的直流电场随时间变化以使具有不同离子迁移率的离子在不同时间通过所述分析区域；所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的另一个作为离子传输和/或富集通道。
14.根据权利要求13所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一迁移/分析区域的第一直流电场随时间扫描以使具有不同离子迁移率的离子在不同时间通过，并通过所述第三连接区域进入第二迁移/分析区域，所述第二迁移/分析区域的第二直流电场使所有离子通过该区域到达检测器。
15.根据权利要求13所述的离子迁移率分析器，其特征在于，其中所述第一迁移/分析区域的第一直流电场为一非线性直流电场以使离子在该第一迁移/分析区域的至少部分区域富集，所述第一直流电场随时间改变使离子通过该第一迁移/分析区域并经第三连接区域进入所述第二迁移/分析区域，所述第二迁移/分析区域的第二直流电场随时间扫描以使具有不同离子迁移率的离子在不同时间通过该区域到达检测器。
16.根据权利要求13所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一迁移/分析区域的第一直流电场使所有离子通过所述第一迁移/分析区域并经所述第三连接区域进入所述第二迁移/分析区域，所述第二迁移/分析区域的第二直流电场随时间扫描以使具有不同离子迁移率的离子在不同时间通过该第二迁移/分析区域到达检测器。
17.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一迁移/分析区域、第二迁移/分析区域、及第三连接区域的直流电场使离子沿垂直于所述第一气流或第二气流方向从所述离子源经第一迁移/分析区域、第三连接区域及第二迁移/分析区域到达检测器。
18.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一迁移/分析区域、第二迁移/分析区域、及第三连接区域的直流电场使离子沿平行于所述第一气流方向通过所述第一迁移/分析区域进入第三连接区域，并经所述第三连接区域进入第二迁移/分析区域，沿平行于所述第二气流方向通过第二迁移/分析区域到达检测器。
19.一种分离和标识离子分析物的离子迁移率分析方法，包含：
提供产生离子的离子源；
提供设有连接所述离子源的离子入口的第一迁移/分析区域，所述第一迁移/分析区域包含第一直流电场及第一气流，其中，所述第一直流电场及第一气流令离子沿第一迁移/分析区域的轴线运动，其中，第一直流电场及第一气流对离子的作用方向相反；
提供设有离子出口的第二迁移/分析区域，所述第二迁移/分析区域包含第二直流电场及第二气流，其中，所述第二直流电场及第二气流令离子沿第二迁移/分析区域的轴线运动，其中，第二直流电场及第二气流对离子的作用方向相反；并且所述第二气流与所述第一气流的气流方向一致；
提供第三连接区域，位于所述第一迁移/分析区域和第二迁移/分析区域之间，其中，所述第三连接区域包含第三直流电场，所述第三直流电场使离子从所述第一迁移/分析区域传输到所述第二迁移/分析区域；
提供连接所述离子出口的检测器；
令离子垂直于所述第一气流方向从所述离子入口引入；以及/或者，令离子垂直于所述第二气流方向从所述离子出口引出。
20.根据权利要求19所述的离子迁移率分析方法，其特征在于，包括：通过控制直流电场，将所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的前者或后者用作为令高于第一预设迁移率的离子通过的第一离子迁移率过滤器；以及/或者，将所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的后者或前者用作为令低于第二预设迁移率的离子通过的第二离子迁移率过滤器。
21.根据权利要求19所述的离子迁移率分析方法，其特征在于，包括：令所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的一个的直流电场随时间变化来作为离子迁移率分析器，使具有不同离子迁移率的离子在不同时间通过所述离子迁移率分析器，并令所述第一迁移/分析区域及第二迁移/分析区域中的另一个作为离子传输和/或富集通道。
22.根据权利要求19所述的离子迁移率分析方法，其特征在于，包括：通过控制所述第一迁移/分析区域、第二迁移/分析区域、及第三连接区域的直流电场，使离子沿垂直于所述第一气流或第二气流方向从所述离子源经第一迁移/分析区域、第三连接区域及第二迁移/分析区域到达检测器。
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