CN110100299A - 具有用于离子捕获和离子压缩的势阱的电离室 - Google Patents

Abstract

一种电离室。该电离室包括容器、电离源、离子门和中环电极。容器限定电离区域。该容器包括与第二端轴向相对设置的第一端。电离源位于第一端并产生离子。离子门位于容器的第二端。中环电极位于电离源和离子门之间。在离子压缩阶段期间，电离源被充电到第一电离源电位，离子门被充电到第一离子门电位，并且中环电极被充电到小于第一电离源电位和第一离子门电位的第一中环电位。第一中环电位被配置为在中环电极附近产生势阱。离子聚集在该势阱处。

Description

具有用于离子捕获和离子压缩的势阱的电离室

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年12月28日提交的名称为“IONIZATION CHAMBER A POTENTIAL-WELL FOR ION TRAPPING AND ION COMPRESSION”的美国临时专利申请第62/439,580号的优先权，其全部内容通过引用包含于此。

技术领域

本公开的领域一般涉及离子迁移谱仪(FMS)系统，并且更具体地，涉及具有用于离子捕获和离子压缩的势阱的电离室。

背景技术

至少其他一些已知的光谱测定检测装置包括离子迁移谱仪(FMS)，诸如，例如离子阱迁移谱仪(ITMS)。许多已知的ITMS检测系统包括收集装置，其从受关注的物体收集颗粒、液体和/或气体样本。将样本引导至电离室，电离室包括电离源，电离源使样本电离以形成正离子、负离子和自由电子。ITMS检测系统中的电离室通常是无场区域。当离子在电离室中产生以增加其中的离子群时，保持网格或门保持在比电离室中的电场稍大的电位，以诱导保持场并降低离子从电离室泄漏的可能性。因此，离子被“捕获”在电离室或电离区域内。然后在电离室上感应出电场，并且根据感应电场的极性，正离子或负离子从电离室脉冲，通过高压“踢出脉冲”，通过保持网格进入漂移区域。相反极性的离子被吸引到电离室的壁上并在那里放电。

在一些ITMS检测系统中，漂移区域包括多个顺序的环形电极。集电极位于漂移区域的与电离室相对的一侧，并保持在接地电位。对于那些使用负离子的系统，环形电极被激励到电离室和集电极之间依次更小负电压的电压，从而引起恒定的正电场。在来自电离室中的初始脉冲的负离子中引起运动，并且离子通过漂移区域引导到集电极。产生代表集电极上的离子群的信号并将其传送到分析系统以确定收集的样本中的成分。

离子群通常以离子盘的形式从电离室脉冲到漂移区域中，该离子盘具有预定的轴向宽度值并且可能具有尾随离子尾部。当离子盘穿过漂移区域时，与低迁移率分析物分离的高迁移率分析物引起离子盘的膨胀和变形。高迁移率分析物形成的盘比由低迁移率分析物形成的盘转移得更快，并且盘在集电极处接收时可能重叠。因此在光谱分析设备上产生的迹线上的峰值失真，分辨率差并且难以分析。而且，在许多ITMS检测系统中，没有精确控制注入漂移区域的离子盘的宽度。基本上，这是由于在电离室中引起的电场的不均匀性，例如，电离室后部的低场区域，导致电离室不一致且有时不完全清除。

发明内容

在一个方面，提供了一种电离室。电离室包括容器、电离源、离子门和中环电极。容器限定电离区域。该容器包括与第二端轴向相对设置的第一端。电离源位于第一端并产生离子。离子门位于容器的第二端。中环电极位于电离源和离子门之间。在离子压缩阶段期间，电离源被充电到第一电离源电位，离子门被充电到第一离子门电位，并且中环电极被充电到小于第一电离源电位和第一离子门电位的第一中环电位。第一中环电位被配置为在中环电极附近产生势阱。离子聚集在势阱处。

可选地，该离子门还被配置为被充电到第一离子门电位，以防止离子穿过该离子门和该容器。

可选地，该电离源还被配置为被充电到第一电离源电位以从该容器的第一端排出离子。

可选地，第一电离源电位等于第一离子门电位。

可选地，在释放阶段期间：该电离源还被配置为充电到大于第一电离源电位的第二电离源电位；该中环电极还被配置为充电到大于第一中环电位的第二中环电位；并且该离子门还被配置为被充电到小于第二中环电位和第二电离源电位的第二离子门电位，其中，第二中环电位和第二离子门电位被配置为协作以将离子的脉冲移动通过该离子门和该容器的该第二端。可选地，在释放阶段期间，第二电离源电位和第二中环电位之间的差小于第二中环电位和第二离子门电位之间的差。

可选地，该中环电极还被配置为在该中环电极的轴向维度上充电至电位梯度。可选地，电位梯度是轴向不对称的。

可选地，该离子门包括设置在电离区域和漂移区域之间的导电网格。

在另一方面，提供了一种压缩离子的方法。该方法包括在电离室内的电离源处产生离子。该方法包括将中环电极充电到第一中环电位以产生相对于第一电离源电位和第一离子门电位的势阱，该势阱被配置为收集离子。该方法包括将离子门充电到第一离子门电位以防止离子穿过离子门并进入漂移区域。

可选地，该方法还包括将电离源充电到第一电离源电位，其中，第一电离源电位和第一离子门电位大于第一中环电位。可选地，该方法还包括：将中环电极充电至大于第一中环电位的第二中环电位；以及将离子门充电到小于第二电离源电位和第二中环电位的第二离子门电位以离子脉冲到漂移区域中。可选地，第二离子门电位等于第一离子门电位。可选地，第二电离源电位和第二中环电位大于第二离子门电位，使得离子的脉冲行进穿过离子门。

可选地，将中环电极充电到第一中环电位包括在电离室的轴向维度上在中环电极的长度上以电位梯度充电中环电极。

在又一方面，提供了一种离子迁移谱仪(IMS)装置。IMS装置包括漂移管和电离室。电离室包括电离源、离子门和中环电极。漂移管在其中限定漂移区域。电离室在其中限定电离区域。电离源位于电离区域的第一端并配置为产生离子。电离源被配置为在离子压缩阶段期间被充电到第一电离源电位。离子门位于漂移管附近并位于电离区域的第二端。离子门被配置为在离子压缩阶段期间被充电到第一离子门电位。中环电极位于电离源和离子门之间。中环电极被配置为在离子压缩阶段期间被充电到小于第一电离源电位和第一离子门电位的第一中环电位。第一中环电位被配置为在中环电极附近产生势阱，其中离子在离子压缩阶段期间收集。

可选地，在释放阶段期间：该电离源还被配置为充电到大于第一电离源电位的第二电离源电位；该中环电极还被配置为充电到大于第一中环电位的第二中环电位；并且该离子门还被配置为充电至小于第二电离源电位和第二中环电位的第二离子门电位，其中，第二电离源电位、第二中环电位和第二离子门电位被配置为协作以使离子的脉冲移动通过该离子门并进入该漂移区域。

可选地，在释放阶段期间，第二电离源电位和第二中环电位之间的差小于第二中环电位和第二离子门电位之间的差。

可选地，该中环电极还被配置为在该中环电极的轴向维度上充电至电位梯度。

可选地，该离子门还被配置为被充电到第一离子门电位，以防止离子行进穿过该离子门并进入该漂移区域。

可选地，该电离源还被配置为被充电到第一电离源电位以从该电离区域的第一端排出离子。

可选地，该离子门包括Bradbury-Nielson门。

本说明书的前述和其他实施例将在下面提供的附图和详细描述中更深入地描述。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，其中，附图中相同的字符在所有附图中表示相同的部件，其中：

图1是示例性离子迁移率光谱仪装置的透视图；

图2是图1中所示的离子迁移率光谱仪装置的横截面图；

图3是在压缩阶段期间图1和图2中所示的电离室的电位图；

图4是在释放阶段期间图1和图2中所示的电离室的电位图；和

图5是图1和图2中所示的电离室中的压缩离子的示例性方法的流程图。

除非另外指出，否则本文提供的附图旨在示出本公开的实施例的特征。相信这些特征适用于包括本公开的一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意味着包括本领域普通技术人员已知的用于实践本文公开的实施例的所有传统特征。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求中，引用了许多具有以下含义的术语。

除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。

“任选的”或“任选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。

在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可用于修改任何可允许变化的定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语，例如“约”、“大约”和“基本上”，修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度。这里和整个说明书和权利要求中，范围限制可组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围。

本说明书涉及多个实施例。提供以下公开内容是为了使本领域普通技术人员能够实施本发明。本说明书中使用的语言不应被解释为对任何一个特定实施例的一般否定，或者用于将权利要求限制在其中使用的术语的含义之外。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本文定义的一般原理可应用于其他实施例和应用。此外，所使用的术语和措辞是出于描述示例性实施例的目的，而不应被认为是限制性的。因此，本发明将被赋予最广泛的范围，包括与所公开的原理和特征一致的许多替换、修改和等同物。为了清楚起见，没有详细描述与本发明相关的技术领域中已知的技术材料有关的细节，以免不必要地模糊本发明。

在本申请的说明书和权利要求书中，词语“包含”、“包括”和“具有”中的每一个及其形式不必限于与词语相关联的列表中的成员。在此应该注意，除非另有明确说明，否则与特定实施例相关联描述的任何特征或组件可与任何其他实施例一起使用和实现。

本文描述的IMS系统的实施例提供了具有一个或多个中环电极的电离室。更具体地，将中环电极充电至低电位以在电离室内产生势阱。势阱用于在压缩阶段期间收集离子，使得在释放阶段期间，更高密度的离子脉冲被释放到实施检测的漂移区域中。势阱还被配置为相对于电离源的电位和离子门的电位充电。电离源、中环电极和离子门的电位协作以在压缩和释放期间将离子移离电离源。电离源、中环电极和离子门的电位进一步协作以比在无场电离区域中更高密度地收集离子门附近的离子。中环电极和离子门的电位被配置为在压缩期间增加离子的密度，而不允许离子行进穿过离子门进入漂移区域。离子密度的增加导致离子的高密度脉冲释放到漂移区域中，从而增加离子信号并改善检测性能。

图1是示例性IMS装置100的透视图。IMS装置100包括电离室102，在电离室102内限定电离区域104，电离室102耦合到漂移管106，在漂移管106内限定漂移区域108。电离室102通常包括容器，在该容器内，电离源110位于电离室102的第一端，离子门112位于电离室102的第二端。电离室102包括位于电离源110和离子门112之间的中环电极114。

在压缩阶段期间，电离源110产生离子116，离子116与注入电离室102的样本118混合。在释放阶段期间，离子脉冲120被释放通过离子门112并进入漂移区域108中。

在某些实施例中，离子门112包括作为电极充电的导电网格或网状材料。具有导电网格的这种实施例被称为离子阱迁移率光谱仪(ITMS)装置。在替代实施例中，离子门112包括Bradbury-Nielson门。Bradbury-Nielson门包括两组交替的导线，在释放阶段期间充电至相同的电位。两组交替导线的电位小于电离源110的电位，并且高于释放阶段期间漂移区域104的电位。在离子压缩期间，一组交替导线的电位相对于第二组交替导线的电位偏移。这样的电位通过使离子与交替的导线组碰撞而防止门附近的离子行进穿过离子门112并进入漂移区域104。在离子压缩阶段期间，第一中环电位小于第一电离源电位和第一离子门两个导线的电位。

图2是图1中所示的ITMS装置100的横截面图。图2示出了电离室102和漂移区域108。在压缩阶段期间，离子116由电离源110产生并与电离区域104中的样本118混合。中环电极114被充电到比电离源110和离子门112低的电位，以在电离区域104内产生势阱。离子116收集在离子门112附近的窄带中的势阱中。在释放阶段期间，离子116的脉冲120行进穿过离子门112并进入漂移区域108。

漂移管106包括沿着漂移管106的长度轴向设置的一系列电极202，204，206，208，210和212。电极202，204，206，208，210和212充电到各自的电位以便从离子门112通过漂移区域108产生离子116的脉冲流120。

图3和图4是图1和图2所示的电离室102的电位图。图3是压缩阶段期间的电位图，并且图4是释放阶段期间的电位图。图3和图4的电位图示出了电离源110、离子门112、中环电极114和漂移区域108处的电位。

参考图3，中环电极114被充电到比电离源110和离子门112低的电位。中环电极114的低电位产生势阱302，产生的离子聚集在势阱302中。更具体地，电离源110相对于势阱302的电位导致离子从电离源110移向离子门112。离子门112相对于势阱302的电位导致离子聚集在离子门112附近，但是距离离子门112足够远，离子不会通过离子门112行进或“泄漏”到漂移区域108中。势阱302和电离源110之间的电位差以及势阱302和离子门112之间的电位差取决于具体实施方式，可在十伏到几百伏的范围内。通常，随着势阱302的深度增加，离子浓度也增加。然而，应优化电离源110、离子门112和中环电极114充电的电位，以在势阱302中实现高浓度的离子，同时仍确保离子具有足够的能量来在释放阶段期间“踢出”势阱302。此外，取决于具体实施方式，电离源110相对于离子门112的电位可相等或偏移。在某些实施例中，中环电极114的电位沿着电离区域104的轴向维度保持在电位梯度。在某些实施例中，电位梯度在轴向维度上是对称的，例如，在势阱302的轴向中点处形成电位槽。在其他实施例中，电位梯度在轴向维度上是不对称的，例如，相对于轴向中点形成更靠近离子门112的势阱。势阱302在离子门112附近收集高密度离子群。在这样的实施例中，中环电极114可由半导体材料构成以控制电位梯度。

参照图4，其示出了在释放阶段期间电离室102的电位，电离源110和中环电极114被充电到比离子门112和漂移区域108更高的电位。在某些实施例中，电离源110和中环电极的电位相对于彼此相等或偏移，同时仍然处于比离子门112更高的电位。在某些实施例中，离子门112的电位在压缩阶段和释放阶段期间是相等的。通常，这种电位使得离子脉冲能够从电离室104移动，通过离子门112，并进入漂移区域108。通过降低离子门112的电位，或者在脉冲持续时间内“脉冲”离子门112，能够释放离子的脉冲通过离子门112，之后增加离子门112的电位以恢复电离区域104中的捕获离子。在某些实施例中，电离源110的电位大于中环电极114的电位。在替代实施例中，电离源110和中环电极114被充电到相等的电位或略微偏移。例如，电离源110可相对于中环电极114偏移正负10伏。这种偏移或电离源110和中环电极114之间的电位差小于中环电极114和离子门112之间的电位差。这种电位确保离子在释放阶段期间从电离区域104移动到漂移区域108。

再次参见图3和图4，在压缩阶段期间势阱302中的高密度离子群使得高浓度的离子能够在释放阶段期间脉冲通过离子门112。因此，高密度离子脉冲从离子门112行进并通过漂移区域108，改善了离子信号并进一步改善了检测性能。

图5是压缩如图1和图2所示的离子电离室102的示例性方法500的流程图。方法500在开始步骤510处开始。方法500包括使用电离室102内的电离源110产生520离子116。中环电极114被充电530到第一中环电位以相对于电离源110的第一电离源电位和离子门112的第一离子门电位产生势阱302。势阱302被配置为收集离子116。离子门112被充电540到第一离子门电位以防止离子116行进穿过离子门112并进入漂移区域108。

在某些实施例中，在压缩阶段期间，电离源110被充电到第一电离源电位，其中第一电离源电位和第一离子门电位大于第一中环电位。此外，在某些实施例中，在释放阶段期间，中环电极114被充电到大于第一中环电位的第二中环电位。同样在释放阶段期间，离子门112被充电到小于第一离子门电位的第二离子门电位，以将离子116脉冲到漂移区域108中。方法500终止于结束步骤550处。

本文描述的方法、系统和装置的示例性技术效果包括以下中的至少一个：(a)在脉冲进入漂移区域之前产生离子收集到的势阱；(b)在压缩期间增加势阱区域中的离子密度并且在释放期间增加脉冲中的离子密度；(c)在检测期间改善离子脉冲的离子信号强度；(d)以电位梯度给电离室内的中环电极充电；(e)在压缩期间对电离源、中环电极和离子门充电，以使离子离开电离源；(f)在压缩期间对电离源、中环电极和离子门充电，以将离子移向离子门；和(g)在压缩期间对中环电极和离子门充电，以防止离子行进穿过离子门。

用于双源电离器的方法、系统和装置的示例性实施例不限于本文描述的特定实施例，而是系统的组件和/或方法的步骤可独立地并且与其他组件和/或本文中描述的步骤分开使用。例如，该方法还可与其他非常规离子捕获迁移率光谱仪组合使用，并且不限于仅用本文所述的系统和方法来实践。相反，示例性实施例可结合许多其他应用、设备和系统来实现和使用，这些应用、设备和系统可受益于提高的效率、降低的运营成本和减少的资本支出。

尽管本公开的各种实施例的具体特征可在一些附图中示出而不在其他附图中示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求保护附图的任何特征。

该书面说明书使用实例来公开实施例，包括最佳方式，并且还使本领域技术人员能够实践实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这些其他实例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他实例旨在权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种电离室，包括：

容器，在所述容器内限定电离区域，所述容器包括与第二端轴向相对设置的第一端；

电离源，位于所述容器的第一端并被配置为产生离子，所述电离源被配置成在离子压缩阶段期间被充电到第一电离源电位；

离子门，位于所述第二端并且被配置为在所述离子压缩阶段期间充电至第一离子门电位；和

中环电极，位于所述电离源和所述离子门之间，所述中环电极被配置为在所述离子压缩阶段期间被充电至小于第一源电位和所述第一离子门电位的第一中环电位，所述第一中环电位被配置为在所述中环电极附近产生势阱。

2.根据权利要求1所述的电离室，其中，所述离子门还被配置为被充电到所述第一离子门电位，以防止所述离子行进穿过所述离子门和所述容器。

3.根据权利要求1所述的电离室，其中，所述电离源还被配置为被充电到所述第一电离源电位以从所述容器的所述第一端排出所述离子。

4.根据权利要求1所述的电离室，其中，所述第一电离源电位等于所述第一离子门电位。

5.根据权利要求1所述的电离室，其中，在释放阶段期间：

所述电离源还被配置为充电到大于所述第一电离源电位的第二电离源电位；

所述中环电极还被配置为充电到大于所述第一中环电位的第二中环电位；并且

所述离子门还被配置为被充电至小于所述第二中环电位和所述第二电离源电位的第二离子门电位，其中，所述第二中环电位和所述第二离子门电位被配置为协作以移动所述离子的脉冲通过所述离子门和所述容器的所述第二端。

6.根据权利要求5所述的电离室，其中，在所述释放阶段期间，所述第二电离源电位和所述第二中环电位之间的差小于所述第二中环电位和所述第二离子门电位之间的差。

7.根据权利要求1所述的电离室，其中，所述中环电极还被配置为在所述中环电极的轴向维度上充电至电位梯度。

8.根据权利要求7所述的电离室，其中，所述电位梯度是轴向不对称的。

9.根据权利要求1所述的电离室，其中，所述离子门包括设置在所述电离区域和漂移区域之间的导电网格。

10.一种压缩离子的方法，所述方法包括：

在电离室内的电离源处产生离子；

将中环电极充电到第一中环电位以产生相对于第一电离源电位和第一离子门电位的势阱，所述势阱被配置为收集所述离子；以及

将离子门充电到所述第一离子门电位以防止所述离子穿过所述离子门并进入漂移区域。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述电离源充电到所述第一电离源电位，其中，所述第一电离源电位和所述第一离子门电位大于所述第一中环电位。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

将所述中环电极充电到大于所述第一中环电位的第二中环电位；和

将所述离子门充电到小于第二电离源电位和所述第二中环电位的第二离子门电位以将所述离子脉冲到所述漂移区域中。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二离子门电位等于所述第一离子门电位。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二电离源电位和所述第二中环电位大于所述第二离子门电位，使得所述离子的脉冲行进穿过所述离子门。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述中环电极充电到所述第一中环电位包括在所述电离室的轴向维度中使所述中环电极在所述中环电极的长度上以电位梯度充电。

16.一种离子迁移谱仪(IMS)装置，包括：

漂移管，在所述漂移管中限定漂移区域；和

电离室，在所述电离室中限定电离区域，所述电离室包括：

电离源，位于所述电离区域的第一端并且被配置为产生离子，所述电离源被配置为在离子压缩阶段期间充电至第一电离源电位；

离子门，位于所述漂移管附近并位于所述电离区域的第二端，所述离子门被配置为在所述离子压缩阶段期间被充电至第一离子门电位；和

中环电极，位于所述电离源和所述离子门之间，所述中环电极被配置为在所述离子压缩阶段期间充电到小于所述第一电离源电位和所述第一离子门电位的第一中环电极，所述第一中环电位被配置为在所述中环电极附近产生势阱，其中所述离子在所述离子压缩阶段期间收集。

17.根据权利要求16所述的IMS装置，其中，在释放阶段期间：

所述电离源还被配置为充电到大于所述第一电离源电位的第二电离源电位；

所述中环电极还被配置为充电到大于所述第一中环电位的第二中环电位；并且

所述离子门还被配置为被充电至小于所述第二电离源电位和所述第二中环电位的第二离子门电位，其中，所述第二电离源电位、所述第二中环电位和所述第二离子门电位被配置为协作以使所述离子的脉冲移动通过所述离子门并进入所述漂移区域。

18.根据权利要求17所述的IMS装置，其中，在所述释放阶段期间，所述第二电离源电位与所述第二中环电位之间的差小于所述第二中环电位与所述第二离子门电位之间的差。

19.根据权利要求16所述的IMS装置，其中，所述中环电极还被配置为在所述中环电极的轴向维度上充电至电位梯度。

20.根据权利要求16所述的IMS装置，其中，所述离子门还被配置为被充电到所述第一离子门电位以防止所述离子行进穿过所述离子门并进入所述漂移区域。

21.根据权利要求16所述的IMS装置，其中，所述电离源还被配置为被充电到所述第一电离源电位，以从所述电离区域的所述第一端排出所述离子。

22.根据权利要求16所述的IMS装置，其中，所述离子门包括Bradbury-Nielson门。