CN109003877B - 离子迁移率分析装置及所应用的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供离子迁移率分析装置及分析方法，装置包括：离子源；两组平行电极，之间形成迁移区域，迁移区域具有离子进口及离子出口，离子进口连通离子源；其中，两组平行电极分别处于一平面内且该两个平面相互平行；迁移区域内存在层流；电源装置，在两组平行电极上施加有直流电位，以形成与气流对离子作用方向相反的直流电场，以在气流和直流电场的共同作用下捕获具有不同迁移率的离子；电源装置，扫描直流电场以令迁移区域中具有不同迁移率的离子分离；电源装置，还用于在平行电极上叠加射频电压在垂直于气流方向束缚离子；检测器，连通离子出口，接收并检测离子；本发明的装置具有很高的灵敏度和离子利用率，同时可以准确测量离子的迁移率。

Description

离子迁移率分析装置及所应用的分析方法
技术领域
本发明涉及离子迁移率分析技术领域，尤其是涉及离子迁移率分析装置及所应用的分析方法。
背景技术
测量离子的迁移率有两种方式，一种是测量离子在电场和静止的气体中的速度，第二种是测量离子在垂直的电场和气流中运动的距离。这两种离子迁移谱的分辨率和灵敏度受到扩散的限制。传统的飞行时间离子迁移谱的分辨率可以通过增加迁移管的长度和电场强度提高，同时也可以通过增加径向电场(射频离子漏斗，射频四极场和直流周期静电场)来减弱扩散对分辨率的影响。飞行时间离子迁移谱可以在非常短的时间内完成一张离子迁移谱图。几毫秒就可以得到大于100的分辨率。但是它的主要缺点是分辨率越高占空比越低。
为了进一步提高离子迁移谱的分辨率，Zeleny(Zeleny,J.Philos.Mag.46,120(1898))在他的平行流分析器中提出可以将气流方向与电场方向相反。在他的分析器中包含两个平行的网格，离子在气流和电场两种相反的作用力下平衡。Laiko((Laiko,VictorV.Journal of The American Society for Mass Spectrometry 17.4(2006):500-507)对Zeleny的装置进行了改进，Laiko的分析器包含一方向与气流方向相反的非线性电场，在电场和气流的共同作用下，具有不同迁移率的离子被分离。但是Laiko的装置工作在大气压下，没有用于减弱扩散作用的径向力，实验结果并不理想。除此以外还有许多制作平行流分析器的尝试，包括Loboda提出的存在反向气流的分段四极场(US.Pat.No.6630662B1)，Gillig提出的直流周期性聚焦差分迁移谱(PFDMA)(US.Pat.No.9324552B2)，以及Park提出的平行流离子迁移谱/捕获离子迁移谱(US.Pat.No.7838826B1)。目前只有Loboda和Park的装置以及Gillig的PFDMA在实验上取得了成功。在低压气流中，Loboda和Park的装置均采用射频场在径向束缚离子。Park采用一非线性电场首先根据离子迁移率对离子进行预分离，之后通过缓慢降低电场使具有不同迁移率的离子缓慢依次通过分析器(如图1)。Loboda采用一缓慢增加的均匀电场推动离子克服气流的作用通过分析器。Gillig采用方向垂直于和方向相反于气流的组合电场驱动离子克服气流的作用到达检测器。Park的装置的工作气压高于loboda的装置，获得了较高的分辨率，但是Park的装置有三个缺点：在不使用时具有较长的驻留时间；在一次分析中被捕获的特定迁移率的离子数受限，这使得装置的灵敏度和占空比较低；并且该装置的迁移气体只能是空气，这使得其测量的迁移率不准确。
因此，需要一种高分辨率的离子迁移谱分析器，其具有很高的灵敏度和离子利用率，同时可以准确测量离子的迁移率。
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装置及所应用的分析方法，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装置，用于分离和标记离子分析物，所述离子迁移率分析装置包括：离子源；两组平行电极，之间形成迁移区域，所述迁移区域具有离子进口及离子出口，所述离子进口连通所述离子源；其中，所述两组平行电极分别处于一平面内且该两个平面相互平行；所述迁移区域内存在气流，所述气流为层流；电源装置，用于在所述两组平行电极上施加有直流电位，以形成与所述气流对离子作用方向相反的直流电场，以在所述气流和直流电场的共同作用下捕获具有不同迁移率的离子；所述电源装置，还用于扫描所述直流电场以令迁移区域中具有不同迁移率的离子分离；所述电源装置，还用于在所述平行电极上叠加射频电压在垂直于所述气流方向束缚离子；检测器，连通所述离子出口，用于接收并检测离子；离子的引入和引出均发生在垂直于离子传输的轴向方向。
于本发明的一实施例中，每组平行电极包括一系列平行的条状电极，所述条状电极的延伸方向与所述气流方向垂直，在相邻条状电极上施加不同相位的射频电压，在垂直于所述气流方向形成束缚离子的多极场。
于本发明的一实施例中，每组平行电极包括一系列平行的条状电极，所述条状电极的方向与所述气流方向平行，在相邻的条状电极上施加不同相位的射频电压，在平行于气流方向形成束缚离子的多极场。
于本发明的一实施例中，在靠近所述迁移区域的离子出口的一预设长度段上设有一系列电极，在所述预设长度段上的一系列电极上施加射频电压以形成聚焦电场以将离子束缚聚焦传输至检测器。
于本发明的一实施例中，所述离子源及检测器分别位于所述气流的上游及下游。
于本发明的一实施例中，所述离子源及检测器分别位于所述气流的下游及上游。
于本发明的一实施例中，所述离子源和检测器同位于所述气流中一特定位置两侧。
于本发明的一实施例中，所述迁移区域的前级和/或后级包含质谱分析器以与所述离子迁移率分析装置组成迁移率质荷比组合分析器。
于本发明的一实施例中，所述电源装置，用于在所述迁移区域靠近离子进口的部分电极形成一对离子作用方向与所述气流相反的非线性电场，以在所述离子源附近富集离子。
于本发明的一实施例中，所述迁移区域内的所述直流电场包括非线性直流电场，以将具有不同迁移率的离子捕获；所述电源装置，用于随时间扫描所述非线性直流电场，使所捕获的不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
于本发明的一实施例中，所述迁移区域内的所述直流电场包括非线性直流电场，以将所有离子从离子进口传输到迁移区域的一端，并在该端富集；所述电源装置，用于随时间扫描所述非线性直流电场，使在该端富集的具有不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
于本发明的一实施例中，所述直流电场的类型包括非线性直流电场，以将所有离子束缚在垂直于气流方向的由离子源到检测器的轴向方向上；所述电源装置，用于在所述两组平行电极中的至少部分上施加垂直于气流方向的直流电场，使离子垂直于气流方向从离子进口到达离子出口。
于本发明的一实施例中，所述迁移区域内的气流的速度随时间扫描，使具有不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于分离和标记离子分析物的分析方法，包括：提供离子源；提供两组平行电极，之间形成迁移区域，所述迁移区域具有离子进口及离子出口，所述离子进口连通所述离子源；其中，所述两组平行电极分别处于一平面内且该两个平面相互平行；所述迁移区域内存在气流，所述气流为层流；提供电源装置，在所述两组平行电极上施加有直流电位，以形成与所述气流对离子作用方向相反的直流电场，以在所述气流和直流电场的共同作用下捕获具有不同迁移率的离子；所述电源装置，还用于扫描所述直流电场以令迁移区域中具有不同迁移率的离子分离；所述电源装置，还用于在所述平行电极上叠加射频电压在垂直于所述气流方向束缚离子；提供检测器，连通所述离子出口，以接收并检测离子；离子的引入和引出均发生在垂直于离子传输的轴向方向。
于本发明的一实施例中，所述迁移区域内的所述直流电场包括非线性直流电场；所述方法包括：利用所述非线性直流电场，将具有不同迁移率的离子捕获；随时间扫描所述非线性直流电场，使所捕获的不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
于本发明的一实施例中，所述迁移区域内的所述直流电场包括非线性直流电场，所述方法包括：利用所述非线性直流电场，将所有离子从离子进口传输到迁移区域的一端，并在该端富集；随时间扫描所述非线性直流电场，使在该端富集的具有不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
于本发明的一实施例中，所述直流电场的类型包括非线性直流电场；所述方法包括：将所有离子束缚在垂直于气流方向的由离子源到检测器的轴向方向上；在所述两组平行电极中的至少部分上施加垂直于气流方向的直流电场，使离子垂直于气流方向从离子进口到达离子出口。
于本发明的一实施例中，所述的分析方法，包括：对迁移区域内的气流的速度随时间扫描，使具有不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
如上所述，本发明提供离子迁移率分析装置及分析方法，装置包括：离子源；两组平行电极，之间形成迁移区域，所述迁移区域具有离子进口及离子出口，所述离子进口连通所述离子源；，其中，所述两组平行电极分别处于一平面内且该两个平面相互平行；所述迁移区域内存在气流，所述气流为层流；电源装置，用于在所述两组平行电极上施加有直流电位，以形成与所述气流对离子作用方向相反的直流电场，以在所述气流和直流电场的共同作用下捕获具有不同迁移率的离子；所述电源装置，还用于扫描所述直流电场以令迁移区域中具有不同迁移率的离子分离；所述电源装置，还用于在所述平行电极上叠加射频电压在垂直于所述气流方向束缚离子；检测器，连通所述离子出口，用于接收并检测离子；本发明的装置具有很高的灵敏度和离子利用率，同时可以准确测量离子的迁移率。
附图说明
图1为现有技术中Park专利的捕获迁移率分析器示意图；
图2A为本发明于一实施例中离子迁移率分析装置的第一种结构示意图；
图2B为本发明于一实施例中离子迁移率分析装置的第二种结构示意图；
图2C为图2A或图2B的离子迁移率分析装置的xy平面截面图；
图3为显示本发明离子迁移率分析装置与其前后级真空装置间关系的结构示意图；
图4A为本发明离子迁移率分析装置在第一实施例的结构示意图；
图4B为本发明离子迁移率分析装置在第一实施例中分析步骤电场分布图；
图4C为本发明离子迁移率分析装置在第一实施例离子轨迹仿真图。其中仿真条件为m/z：720,4Torr N2，起始电场强度为8.5V/mm，扫描速度为1x10-4V/mm·us；
图4D为本发明离子迁移率分析装置第一实施例仿真图谱；
图5A为本发明离子迁移率分析装置第二实施例的结构示意图；
图5B为本发明离子迁移率分析装置第二实施例分析步骤电场分布图；
图5C为本发明离子迁移率分析装置第二实施例离子轨迹仿真图。其中仿真条件为m/z：720,4Torr N2，起始电场强度为9V/mm，扫描速度为1x10-4V/mm·us；
图5D为本发明离子迁移率分析装置第二实施例仿真图谱；
图6A为本发明离子迁移率分析装置第三实施例的结构示意图；
图6B为本发明离子迁移率分析装置第三实施例分析步骤电场分布图；
图6C为本发明离子迁移率分析装置第三实施例离子轨迹仿真图。其中仿真条件为m/z：720,4Torr N2，起始电场强度为8.5V/mm，扫描速度为1x10-4V/mm·us；
图6D为本发明离子迁移率分析装置第三实施例的仿真图谱；
图7A为本发明离子迁移率分析装置第四实施例的结构示意图；
图7B为本发明离子迁移率分析装置第四实施例分析步骤电场分布图；
图7C为本发明离子迁移率分析装置第四实施例离子轨迹仿真图。
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。
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。
本发明提供用于离子、分子和颗粒分离和标记的技术方案。具体的，本发明提供利用在电场和气流对离子的共同作用下基于离子迁移率分离和分析离子的装置和方法。本发明可以通过扫描电场和扫描气流两种方式分离和分析离子；其中，本发明具有的平面结构提供了大的离子容量，使装置具有高分辨率的同时具有高的灵敏度和离子利用率。
图2A为本发明离子迁移率分析装置1一实施例中的结构示意图。所述离子迁移率分析装置1包括两组相互平行的电极组7和8，电极组7和电极组8中分别包含多个条形电极，且电机组7和电极组8中的各条形电极间一一成对设置并沿离子传输的轴向排列，电极组7和电极组8之间形成迁移区域。所述迁移区域内存在气流4，所述气流为层流。平行电极组7和8各自所在平面之间相互平行。
所述平行电极组7和8上通过电源装置施加有直流电位以在前一区域内形成直流电场6，所述直流电场6可以是线性或者非线性的，其对离子的作用方向与气流4方向相反，从图中箭头即可知晓。
同时，所述电源装置还可在电极组7和8上相邻电极上叠加相位不同的射频电压，以在垂直于气流4流动方向上形成束缚离子的四极场或多极场。
图2B为本发明离子迁移率分析装置1'另一种结构示意图。这种结构与图2A所示结构的区别是，两个电极组7'和8'中的各个电极在垂直于离子传输轴的轴向的方向上分段。在相邻电极上施加相位不同的射频电压以在平行于气流4'方向形成束缚离子的四极场或多极场。这种形式的四极场或多极场在离子运动方向不存在射频干扰，不影响装置的分辨率；所述电极组施加直流电压，以形成对离子作用方向和所述气流方向相反的线性或非线性直流电场6'。
图2C为本发明图2A或图2B实施例中的离子迁移率分析装置1”在xy平面的截面图。离子源2位于离子迁移率分析装置入口的外部。两组电极组7”和8”组成迁移区域作为迁移率分析器。迁移区域内存在气流4”，所述气流为层流。电极组7”和8”所在平面平行。在电极组7”和8”上施加直流电压，以形成对离子作用方向与气流4”方向相反的一线性或者非线性的直流电场6”。同时在电极组7”和8”上叠加射频电压以形成射频电场来束缚离子。离子在电场和气流的共同作用下按离子轨迹5通过迁移区域到达检测器3。
图3为一实施例中包含本发明的离子迁移率分析装置1与其前后级真空装置的离子分析系统的示意图。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装置。离子从离子源产生，通过一个毛细管9进入第一级真空装置10，离子在该级真空装置内被一个射频离子导引装置19聚焦，之后通过一个分液器20进入第二级真空装置11。本发明的离子迁移率分析装置1布置在第二级真空装置11，该级真空装置11气压范围为2到4Torr；离子经过离子迁移率分析装置1后进入第三级真空装置12，该级真空装置12内布置第二个离子导引装置22，该级真空装置之后是质量分析器24所在的第四级真空装置13。这里的质量分析器可以是三重四极杆或者是Q-TOF。每级真空装置之间采用小孔17和23连接。每级真空装置均可连接有抽气装置以保持真空。在离子迁移率分析装置所在的这一级真空装置11，存在一个气体引入装置15以引入纯的迁移率分析载气。同时，在该级真空装置,1的装置入口和装置出口位置有气流整流装置25和26，以使离子迁移率分析装置内的气流为层流。从图中可见，由于离子的引入和引出均发生在垂直于整个系统的离子传输的轴向方向(参考19、22、24的离子传输方向)，本发明的离子迁移率分析装置可以引入纯净的载气用于离子迁移率的准确测量；同时，气流的方向和速度可以方便地改变。
请参阅图4A至图4C，展示本发明提供的离子迁移率分析装置在第一实施例中的一系列示意图。
图4A为本发明的离子迁移率分析装置在第一实施例中的结构示意图。在该实施例中，离子源2和检测器3位于迁移区域的同一端，并且是位于气流的上游。离子在气流的作用下从离子源2传输到迁移区域的另一端，具有不同迁移率的离子在电场和气流的共同作用下平衡在不同的位置。经过一定的时间，通过扫描电场使具有不同迁移率的离子反向穿过迁移区域在不同的迁移时间到达检测器。于本实施例中，所述离子迁移率分析装置有三个分析步骤：离子富集(Accumulation)、捕获(Trap)和流出(Elute)，该三个分析步骤的电场强度分布如图4B所示。于本实施例中，迁移区域有三个区域：离子注入和引出区33，离子传输和分析区34和非线性电场梯度捕获区35。离子首先被连续的引入到迁移区域，在电极组7和8上施加较小的或者零电场强度的电场使所有离子在气流的作用下通过离子注入区33和传输区34进入非线性电场梯度捕获区35。电极组7、8上施加直流电压，在迁移区域内形成对离子的作用方向与气流方向相反的非线性直流电场，其作用方向如32所示，使具有不同离子迁移率K1～K5(K1>K2>K3>K4>K5)的离子27～31在该区域不同电场强度位置与气流平衡。平衡的条件是KE＝U。假设气流速度U是常数，具有高的迁移率的离子将在较低的电场强度位置平衡。经过一定的富集时间后，关闭离子源处的离子门，使离子无法进入迁移区域。离子将在非线性电场梯度捕获区35被捕获和碰撞冷却。一段时间后，非线性电场梯度捕获区35和传输区34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39～36递增)。随着电场强度的升高，具有较高迁移率的离子将首先从迁移区域流出到达检测器3。图4C为该实施例的离子轨迹仿真图。图4D为质荷比为720，碰撞截面分别为2.11e-18nm2和2.13e-18nm2的离子的仿真图谱。从图中可以看出，分辨率在150左右，迁移时间在5～7ms。
图5A所示为本发明离子迁移率分析装置第二实施例示意图。该实施例中，离子源2和检测器3分别位于迁移区域的两端。并且离子源2位于气流的上游，检测器3位于气流的下游。离子从离子源2引入迁移区域，在迁移区域根据离子的迁移率在不同的位置被捕获。经过一定的时间，通过扫描电场使具有不同迁移率的离子穿过迁移区域在不同的迁移时间到达检测器。该实施例有三个分析步骤：富集，捕获和流出。三个分析步骤的电场强度分布如图5B所示。在该实施例中，迁移区域有4个区域：离子分析区47、非线性电场捕获区46、离子传输区45和离子注入区44。在富集过程中，离子被连续的引入到迁移区域。在区域45和44存在一较小的或零电场，所有离子被气流驱动通过这两个区域进入捕获区46。在捕获区46，电极组7和8上施加直流电压以形成对离子作用方向与气流方向相反的非线性直流电场，其作用方向如32所示，使具有不同离子迁移率K1～K5(K1>K2>K3>K4>K5)的离子27～31在该区域不同电场强度位置与气流平衡。经过一定的富集时间后，将离子注入区44的电场强度升高使所有离子无法进入迁移区域。离子将在非线性电场捕获区域46被捕获和碰撞冷却。在流出步骤，非线性电场捕获区域46和离子分析区47的电场强度从一个初始值E0，以一定的速度β缓慢的降低(电场强度如51～48递减)。随着电场强度的降低，具有较低迁移率的离子将首先从迁移区域流出到达检测器。图5C为该实施例的离子轨迹仿真图。图5D为质荷比为720，碰撞截面分别为2.11e-18nm2和2.13e-18nm2的离子的仿真图谱。从图中可以看出，分辨率在150左右，迁移时间在10～12ms。
图6A所示为本发明离子迁移率分析装置第三实施例示意图。在该实施例中，气流方向4与第二实施例中的气流方向相反。离子源2位于气流的下游，检测器3位于气流的上游。离子从离子源2引入迁移区域，在迁移区域根据离子的迁移率在不同的位置被捕获。经过一定的时间，通过扫描电场使具有不同迁移率的离子穿过迁移区域在不同的迁移时间到达检测器。该实施例有三个分析步骤：富集、捕获和流出。三个分析步骤的电场强度分布如图6B所示。在该实施例中，迁移区域有4个区域：离子分析区43，非线性电场捕获区42，离子传输区41和离子注入区40。在富集过程中，离子被连续的引入到迁移区域。在区域41和40存在一较高电场使所有离子通过这两个区域进入捕获区42。在捕获区42，电极组7和8上施加直流电压，以形成对离子作用方向与气流方向相反的非线性直流电场，其对离子的作用方向如32所示，使具有不同离子迁移率K1～K5(K1>K2>K3>K4>K5)的离子27～31在该区域不同电场强度位置与气流平衡被捕获。经过一定的富集时间后，将离子注入区域40的电场强度降低使所有离子无法进入迁移区域。离子将在非线性电场捕获区域42被捕获和碰撞冷却。在流出步骤，非线性电场捕获区域42和离子分析区域43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36～39递增)。随着电场强度的升高，具有较高迁移率的离子将首先从迁移区域流出到达检测器。图6C为该实施例的离子轨迹仿真图。图6D为质荷比为720，碰撞截面分别为2.11e-18nm2和2.13e-18nm2的离子的仿真图谱。从图中可以看出，分辨率在150左右，迁移时间在5～7ms。
图7A所示为本发明离子迁移率分析装置第四实施例示意图。在该实施例中，离子源和检测器位于迁移区域的同一端，所有离子垂直于气流方向从离子源传输到检测器。在平行电极组7和8上施加方向与气流方向相反的非线性电场使所有离子27～31被束缚在垂直于气流方向从离子源到检测器的轴线附近。在平行电极组7和8上同时叠加垂直于气流方向的直流梯度，使所有离子垂直于气流方向从离子源传输到检测器。电场分布如图7B所示。图7C为该实施例的离子轨迹仿真图。其中离子的传输效率接近100％，同时传输时间非常短(大约100us)。
综上所述，本发明提供离子迁移率分析装置及分析方法，装置包括：离子源；两组平行电极，之间形成迁移区域，所述迁移区域具有离子进口及离子出口，所述离子进口连通所述离子源；，其中，所述两组平行电极分别处于一平面内且该两个平面相互平行；所述迁移区域内存在气流，所述气流为层流；电源装置，用于在所述两组平行电极上施加有直流电位，以形成与所述气流对离子作用方向相反的直流电场，以在所述气流和直流电场的共同作用下捕获具有不同迁移率的离子；所述电源装置，还用于扫描所述直流电场以令迁移区域中具有不同迁移率的离子分离；所述电源装置，还用于在所述平行电极上叠加射频电压在垂直于所述气流方向束缚离子；检测器，连通所述离子出口，用于接收并检测离子；本发明的装置具有很高的灵敏度和离子利用率，同时可以准确测量离子的迁移率。
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 (18)

1.一种离子迁移率分析装置，用于分离和标记离子分析物；其特征在于，所述离子迁移率分析装置包括：
离子源；
两组平行电极，之间形成迁移区域，所述迁移区域具有离子进口及离子出口，所述离子进口连通所述离子源；其中，所述两组平行电极分别处于一平面内且该两个平面相互平行；所述迁移区域内存在气流，所述气流为层流；
电源装置，用于在所述两组平行电极上施加有直流电位，以形成与所述气流对离子作用方向相反的直流电场，以在所述气流和直流电场的共同作用下捕获具有不同迁移率的离子；所述电源装置，还用于扫描所述直流电场以令迁移区域中具有不同迁移率的离子分离；所述电源装置，还用于在所述平行电极上叠加射频电压在垂直于所述气流方向束缚离子；
检测器，连通所述离子出口，用于接收并检测离子；
离子的引入和引出均发生在垂直于离子传输的轴向方向。
2.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，每组平行电极包括一系列平行的条状电极，所述条状电极的延伸方向与所述气流方向垂直，在相邻条状电极上施加不同相位的射频电压，在垂直于所述气流方向形成束缚离子的多极场。
3.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，每组平行电极包括一系列平行的条状电极，所述条状电极的方向与所述气流方向平行，在相邻的条状电极上施加不同相位的射频电压，在平行于气流方向形成束缚离子的多极场。
4.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，在靠近所述迁移区域的离子出口的一预设长度段上设有一系列电极，在所述预设长度段上的一系列电极上施加射频电压以形成聚焦电场以将离子束缚聚焦传输至检测器。
5.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，所述离子源及检测器分别位于所述气流的上游及下游。
6.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，所述离子源及检测器分别位于所述气流的下游及上游。
7.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，所述离子源和检测器同位于所述气流中一特定位置两侧。
8.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，所述迁移区域的前级和/或后级包含质谱分析器以与所述离子迁移率分析装置组成迁移率质荷比组合分析器。
9.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，所述电源装置，用于在所述迁移区域靠近离子进口的部分电极形成一对离子作用方向与所述气流相反的非线性电场，以在所述离子源附近富集离子。
10.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，所述迁移区域内的所述直流电场包括非线性直流电场，以将具有不同迁移率的离子捕获；所述电源装置，用于随时间扫描所述非线性直流电场，使所捕获的不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
11.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，所述迁移区域内的所述直流电场包括非线性直流电场，以将所有离子从离子进口传输到迁移区域的一端，并在该端富集；所述电源装置，用于随时间扫描所述非线性直流电场，使在该端富集的具有不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
12.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，所述直流电场的类型包括非线性直流电场，以将所有离子束缚在垂直于气流方向的由离子源到检测器的轴向方向上；所述电源装置，用于在所述两组平行电极中的至少部分上施加垂直于气流方向的直流电场，使离子垂直于气流方向从离子进口到达离子出口。
13.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，所述迁移区域内的气流的速度随时间扫描，使具有不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
14.一种用于分离和标记离子分析物的分析方法，包括：
提供离子源；
提供两组平行电极，之间形成迁移区域，所述迁移区域具有离子进口及离子出口，所述离子进口连通所述离子源；其中，所述两组平行电极分别处于一平面内且该两个平面相互平行；所述迁移区域内存在气流，所述气流为层流；
提供电源装置，在所述两组平行电极上施加有直流电位，以形成与所述气流对离子作用方向相反的直流电场，以在所述气流和直流电场的共同作用下捕获具有不同迁移率的离子；所述电源装置，还用于扫描所述直流电场以令迁移区域中具有不同迁移率的离子分离；所述电源装置，还用于在所述平行电极上叠加射频电压在垂直于所述气流方向束缚离子；
提供检测器，连通所述离子出口，以接收并检测离子；
离子的引入和引出均发生在垂直于离子传输的轴向方向。
15.根据权利要求14所述的分析方法，其特征在于，所述迁移区域内的所述直流电场包括非线性直流电场；所述方法包括：
利用所述非线性直流电场，将具有不同迁移率的离子捕获；
随时间扫描所述非线性直流电场，使所捕获的不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
16.根据权利要求14所述的分析方法，其特征在于，所述迁移区域内的所述直流电场包括非线性直流电场，所述方法包括：
利用所述非线性直流电场，将所有离子从离子进口传输到迁移区域的一端，并在该端富集；
随时间扫描所述非线性直流电场，使在该端富集的具有不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
17.根据权利要求14所述的分析方法，其特征在于，所述直流电场的类型包括非线性直流电场；所述方法包括：
将所有离子束缚在垂直于气流方向的由离子源到检测器的轴向方向上；
在所述两组平行电极中的至少部分上施加垂直于气流方向的直流电场，使离子垂直于气流方向从离子进口到达离子出口。
18.根据权利要求14所述的分析方法，其特征在于，包括：对迁移区域内的气流的速度随时间扫描，使具有不同迁移率的离子在不同迁移时间穿过迁移区域到达检测器。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020020746A (ja) * 2018-08-03 2020-02-06 株式会社リコー 検出装置
GB2586321B (en) 2019-05-31 2023-12-13 Bruker Daltonics Gmbh & Co Kg Hybrid mass spectrometric system
CA3138502A1 (en) * 2019-06-14 2020-12-17 Yupeng CHENG Systems and methods for single particle analysis
CN111739781B (zh) * 2020-07-03 2023-06-09 山东省分析测试中心 一种差分离子迁移谱-质谱联用装置及应用
US11600480B2 (en) 2020-09-22 2023-03-07 Thermo Finnigan Llc Methods and apparatus for ion transfer by ion bunching
US20220299473A1 (en) * 2021-03-22 2022-09-22 Bruker Scientific Llc Laterally-extended trapped ion mobility spectrometer
CN115223844A (zh) * 2021-04-21 2022-10-21 株式会社岛津制作所 离子迁移率分析装置
GB2606571A (en) * 2021-05-14 2022-11-16 Thermo Fisher Scient Bremen Gmbh Ion mobility analyser
CN116106397A (zh) * 2021-11-10 2023-05-12 立本医疗器械(成都)有限公司 无门式离子迁移谱仪及离子迁移谱-飞行时间质谱联用仪

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU6653296A (en) * 1995-08-11 1997-03-12 Mds Health Group Limited Spectrometer with axial field
US7041967B2 (en) * 2001-05-25 2006-05-09 Mds Inc. Method of mass spectrometry, to enhance separation of ions with different charges
US6630662B1 (en) 2002-04-24 2003-10-07 Mds Inc. Setup for mobility separation of ions implementing an ion guide with an axial field and counterflow of gas
JP2003329646A (ja) * 2002-05-16 2003-11-19 Hitachi Ltd イオンの分離・捕捉方法及び装置並びにこれを利用したイオンの検出方法及び装置
US7459693B2 (en) * 2003-04-04 2008-12-02 Bruker Daltonics, Inc. Ion guide for mass spectrometers
GB0426520D0 (en) * 2004-12-02 2005-01-05 Micromass Ltd Mass spectrometer
US7714282B2 (en) * 2005-02-17 2010-05-11 Thermo Finnigan Llc Apparatus and method for forming a gas composition gradient between FAIMS electrodes
US7838826B1 (en) * 2008-08-07 2010-11-23 Bruker Daltonics, Inc. Apparatus and method for parallel flow ion mobility spectrometry combined with mass spectrometry
CN101738429B (zh) * 2008-11-26 2013-04-03 岛津分析技术研发（上海）有限公司 离子分离、富集与检测装置
GB201018184D0 (en) * 2010-10-27 2010-12-08 Micromass Ltd Asymmetric field ion mobility in a linear geometry ion trap
US8581177B2 (en) * 2011-04-11 2013-11-12 Thermo Finnigan Llc High duty cycle ion storage/ion mobility separation mass spectrometer
WO2013090583A1 (en) 2011-12-15 2013-06-20 Academia Sinica Periodic field differential mobility analyzer
GB201122251D0 (en) * 2011-12-23 2012-02-01 Micromass Ltd Multi-pass ion mobility separation device
US10261048B2 (en) * 2012-08-31 2019-04-16 Sensit Ventures, Inc. Spatially alternating asymmetric field ion mobility spectrometer
CN103811266A (zh) * 2012-11-14 2014-05-21 中国科学院大连化学物理研究所 一种可选择性检测正、负离子的平板式差分离子迁移谱
US8809769B2 (en) * 2012-11-29 2014-08-19 Bruker Daltonics, Inc. Apparatus and method for cross-flow ion mobility spectrometry
US9466473B2 (en) * 2013-03-13 2016-10-11 Micromass Uk Limited Coaxial ion guide
US8835839B1 (en) * 2013-04-08 2014-09-16 Battelle Memorial Institute Ion manipulation device
JP6157621B2 (ja) * 2013-07-19 2017-07-05 株式会社日立製作所 イオン移動度分離装置
US9063086B1 (en) * 2014-02-12 2015-06-23 Battelle Memorial Institute Method and apparatus for compressing ions
US9683964B2 (en) * 2015-02-05 2017-06-20 Bruker Daltonik Gmbh Trapping ion mobility spectrometer with parallel accumulation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Sensitive detection of black powder by stand-alone ion mobility spectrometer with chlorinated hydrocarbon modifiers in drift gas;XixiLiang等;《Talanta》;20140430 *

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Publication number Publication date
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