CN111406209B - 离子迁移过滤器 - Google Patents

Abstract

一种用于过滤气体样本中的离子的离子过滤器(120)。所述离子过滤器(120)具有第一离子通道(132)，其用于从所述气体样本中的目标化学物质中过滤离子。所述离子过滤器(120)具有第二离子通道(134)，其用于从所述气体样本中的所述目标化学物质中过滤离子。所述第二离子通道(134)与所述第一离子通道(132)分离。温度控制区域(136)与所述第一离子通道和第二离子通道热接触，以控制所述第一离子通道(132)和第二离子通道(134)之间的温度差。还提供了从气体样本中的目标化学物质中过滤离子的方法。

Description

离子迁移过滤器

技术领域

本发明涉及离子迁移过滤器，例如但不限于场非对称离子迁移谱过滤器。

背景技术

离子迁移谱仪被用于探测气体(例如空气)中的特定化学物质。差分式离子迁移谱(Differential mobility spectrometry，DMS)，又称场非对称波形离子迁移谱(field-asymmetric waveform ion mobility spectrometry，FAIMS)，被认为是对气相离子进行分离和表征的有力工具。在分析应用中使用DMS时，DMS谱的稳定性和重复性是重要问题，如Krylov等人在《国际质谱学杂志(International Journal of Mass Spectrometry)》第279期(2009年)的第119页至125页中阐释的“差分式离子迁移谱中的温度效应(Temperatureeffects in differential mobility spectrometry)”。已知漂移气体压力和温度对离子迁移的场依赖性、DMS谱中的波峰位置变化有影响，Krylov的论文提出了可用于DMS谱的温度校正的模型。

US2005/0167587A1描述了在不同温度下支持FAIMS操作以提高FAIMS的分离能力的设备。该设备包括FAIMS分析器和温度传感器，所述FAIMS分析器具有用于从接收到的离子中分离出离子子集的分析器区域，所述温度传感器用于感测所述分析器区域内的温度。与所述温度传感器通信的温度控制器响应于来自所述温度传感器的输出信号，可控地影响所述分析器区域内的温度。如US2005/0167587A1中所阐释的，温度的升高导致了CV谱中的波峰因增加的离子分离而加宽。在这种条件下，在室温下分离的两个离子可能无法在100℃分离。类似地，在室温下未能分离的两个离子也可能在10℃分离。FAIMS的温度被保持在期望的工作温度和/或可以被可控制地从第一期望工作温度改变到第二期望工作温度，以用于不同的分离。

申请人还认识到需要用于选择性地区分特定化学物质的可替换的解决方案。

发明内容

根据本发明，提供了如所附权利要求所阐述的设备。本发明的其他特征将从从属权利要求和以下描述中变得明了。

我们描述了一种用于过滤气体样本中的离子的离子过滤器，包括：第一离子通道，其用于从所述气体样本中的目标化学物质中过滤离子；第二离子通道，其用于从所述气体样本中的所述目标化学物质中过滤离子，其中所述第二离子通道与所述第一离子通道分离；温度控制区域，其与所述第一离子通道和所述第二离子通道热接触，在使用时，所述温度控制区域控制所述第一离子通道和所述第二离子通道之间的温度差。

所述离子过滤器可以被用于场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)，因此如下文更详细地解释的，所述离子过滤器可以是包括有驱动信号系统的系统的一部分，该驱动信号系统对离子过滤器施加电场。在使用时，所述驱动信号系统将被称为色散场的振荡电场与直流电压一起施加，该直流电压为离子过滤器提供补偿场，以在气体样本中的离子穿过离子过滤器时控制离子的迁移率。以这种方式，只有特定化学物质或目标化学物质种类的离子通过离子过滤器，而其他化学物质种类的离子接触到离子过滤器，并因此从气体样本中过滤出来。可替换地，所述离子过滤器也可以根据其他已知技术对离子种类进行过滤。因此，所述离子过滤器可以适于通过调整气体样本中的离子的离子迁移率来过滤离子种类。

离子迁移率典型地依赖于温度。所述温度控制区域控制第一离子通道和第二离子通道之间的温度差，从而在使用时，气体样本以第一温度穿过第一离子通道，气体样本以第二温度穿过第二离子通道。第一温度可以低于第二温度，反之亦然。优选地设置第一离子通道和第二离子通道之间的温度差，以使目标种类的离子在穿过第一离子通道和第二离子通道时其离子迁移率中的差异是可探测的。

所述离子过滤器还可包括第三离子通道，该第三离子通道用于从所述气体样本中的所述目标化学物质中过滤离子，其中所述第三离子通道与所述第一离子通道和所述第二离子通道分离，并且所述温度控制区域可以与所述第三离子通道热接触，以控制所述第二与第三离子通道以及所述第一与第三离子通道之间的温度差。可能还有更多的离子通道，每一个离子通道的温度都与其它离子通道不同。

第一和第二离子通道可以位于单个电极层内，该单个电极层可以是单片式的。类似地，第三离子通道和其它离子通道可以位于单片电极层内。使用单片结构可能意味着所有离子通道都可以使用标准MEMS技术来制造。此外，在利用驱动信号系统施加电场时，可以获得较窄的离子通道宽度，从而导致在离子通道内产生大电场。通过在同一层中包含离子通道，以不同的温度同时过滤气体样本，从而增加了将获得正确的化学物质识别的可能性，因为在不同的温度下两种化学物质具有重叠图形的可能性较低。这样，单个离子过滤器可以在成本有效且快速选择性分析中实现单一目标化学物质中的离子的离子迁移率的差异。

所述温度控制区域可以包括位于第一和第二离子通道之间的隔热件。因此，隔热件可以防止热量从第一离子通道传递到第二离子通道，从而将第一离子通道和第二离子通道热隔离，使得两个通道保持在不同的温度。类似地，在具有第三(或后续)通道的离子过滤器中，温度控制区域可包括位于每对相邻通道之间的隔热件，例如在第二和第三离子通道之间的隔热件。

所述离子过滤器可以包括连续的通道，该连续的通道将电极层分成第一电极部分和第二电极部分。所述连续的通道可以包括限定了所述第一离子通道的第一离子通道部分、限定了所述第二离子通道的第二离子通道部分、以及连接所述第一离子通道部分和所述第二离子通道部分的中央通道部分。类似地，在具有第三(或后续)离子通道的离子过滤器中，第三(和后续)离子通道部分也可在连续的通道内予以限定。可替换地，所述离子过滤器可以包括第一电极部分和第二电极部分，所述第一电极部分具有限定了第一离子通道的第一离子通道部分，所述第二电极部分具有限定了第二离子通道的第二离子通道部分。类似地，在具有第三(或后续)离子通道的离子过滤器中，所述离子过滤器可以包括具有第三(和后续)离子通道部分的第三(和后续)电极部分。在所有布置中，第一离子通道部分可以限定多个第一离子通道，第二离子通道部分可以限定多个第二离子通道等等。在每种数量的每一部分中离子通道的数量可能相同或不同。每一个第一离子通道可以有相同的温度。每一个第二离子通道的温度可以相同，但该温度与第一离子通道中的温度不同。类似地，在具有第三(或后续)离子通道的离子过滤器中，每一个第三(或后续)离子通道可以具有相同的温度，但该温度与其他离子通道中的温度不同。

在连续的通道布置中，所述隔热件可以被安装至中央通道部分，并因此与第一和第二离子通道直接热接触。可以设置隔热件的位置而使得在使用时，隔热件阻止离子流过其所在的单片层的部分。在可替换的布置中，所述隔热件可以包括沟槽，所述沟槽将所述电极层分成第一电极部分和第二电极部分。这些布置提供了简化的机械式温度控制。

所述离子过滤器可以被结合到系统中，其中在气体穿过离子过滤器之前，对流入离子过滤器的气体进行加热。根据离子通道的数量，气体可能被加热到许多不同的温度。例如，对于具有第一和第二离子通道的装置，流入一个或多个第一离子通道的气体可以被加热至温度T1，流入一个或多个第一离子通道的气体可以被加热至温度T2。所述离子过滤器可以包括第一漏斗形部分和第二漏斗形部分，所述第一漏斗形部分在使用中将处于温度T1的气流引导至所述第一离子通道部分中，第二漏斗形部分在使用中将处于温度T2的气流引导至所述第二离子通道部分中。类似地，在具有第三(或后续)离子通道的离子过滤器中，离子过滤器可以包括第三(或后续)漏斗形部分，该第三(或后续)漏斗形部分在使用中将处于温度T3的气流引导至第三(或后续)离子通道部分中。所述隔热件可以位于相邻的漏斗形部分之间。

所述温度控制区域可以包括被安装至所述电极层的加热层，所述加热层包括用于控制所述第一和第二离子通道内的温度的至少一个加热元件。加热和电极层的组合可以用与单片层相同的MEMS工艺来制造。加热层可以被直接地安装至电极层，或者通过隔热层(insulating layer)被安装至电极层。

所述至少一个加热元件可以与所述第一离子通道和所述第二离子通道对准，由此所述加热元件被配置成将所述第一离子通道加热至第一温度，并且将所述第二离子通道加热至第二温度。类似地，在具有第三(或后续)离子通道的离子过滤器中，所述至少一个加热元件可与所述第三(或后续)离子通道对准，以将所述第三(或后续)离子通道加热至第三(或后续)温度。所述加热元件可以是嵌入在隔热材料(例如聚合物)中的连续的丝(例如钨)。可替换地，可以有多个加热元件，例如，离子过滤器可以包括在第一和第二离子通道中的每一个的一侧(并且如果需要，在第三和随后的离子通道的一侧)对准的加热元件。

第一离子通道可以被限定在第一电极对之间，第二离子通道可以被限定在第二电极对之间。类似地，第三和后续的离子通道可以被限定在相应的电极对之间。这些电极对可以是交叉指型电极指(interdigitated electrode fingers)的形式。第一加热元件可以与第一电极对中的一个电极对准(例如叠置)，以及第二加热元件可以与第二电极对中的一个电极对准(例如叠置)。可以有与每一个电极对准的加热元件。通过将加热元件与单独的电极对准，可以分别地控制每个单独的离子通道内的温度。

离子过滤器可以在所述电极层的与所述加热层相对的一侧包括第二加热层。所述第二加热层可以与第一加热层相似，因此第二加热层被配置成将第一离子通道加热至第一温度，以及将第二离子通道加热至第二温度。两个加热层都可以被控制，以确保沿着每个离子通道的温度是恒定的。可替换地，所述加热层可以以不同温度工作，以在离子通道内产生热梯度，尽管注意到所获得的频谱很可能更难以分析。通过保持沿着每个通道的温度恒定，存在一定水平的离散度，这意味着很可能更容易执行后续分析。

所述离子过滤器可包括位于所述第一离子通道与所述第二离子通道之间的多个离子通道，其中所述温度控制区域包括第一加热器和第二加热器，所述第一加热器被安装为与所述第一离子通道相邻，以将所述第一离子通道加热至第一温度，所述第二加热器被安装为与所述第二离子通道相邻，以将所述第二离子通道加热至第二温度。因此，第一加热器和第二加热器可以跨越离子过滤器形成热梯度，其中每个离子通道具有不同的温度。以这种方式，多个离子通道温度是可能的，但只需要控制两个温度。第一加热器和第二加热器可以被加入到上述的一个或多个加热层中。

离子过滤器可以包括具有所述第一离子通道的第一电极层以及具有所述第二离子通道的第二电极层，其中所述温度控制区域包括位于所述第一电极层与所述第二电极层之间的隔热件。在使用时，气体首先流过第一离子通道，然后流过第二离子通道。第一和第二离子通道按次序过滤同一离子流。在具有第三或后续离子通道的布置中，离子过滤器可以包括第三或后续离子电极层，其中每个电极层由隔热件隔开。虽然在这种布置中样本不是同时以不同的温度测量的，但是单个离子过滤器仍然允许以简单的方式来测量多个不同的温度。

如上面所描述的，所述离子过滤器可以被结合到谱系统中，因此我们还描述了离子迁移谱系统，该系统包括：如上所述的离子过滤器；电离器，其用于与气体样本产生离子；以及探测器，其用于探测来自所述离子过滤器的输出。所述探测器可以包括用于每个离子通道的探测元件，例如探测器电极对。

所述系统可以包括处理器，该处理器被配置成为每一个离子通道生成图形输出；所述图形输出可以基于信息，例如由探测器探测到的离子电流。通过为每个离子通道生成图形输出，可以在两个不同的温度下生成目标化学物质的输出。这将有助于识别目标化学物质。所述处理器可以被配置以生成在所述探测器处的离子电流的测量值，所述离子电流的测量值是针对每个离子通道所施加的色散场与所施加的补偿场的函数。因此，系统可以包括用于施加色散场和补偿场的驱动信号系统。应当理解的是，通过利用探测器(其包括用于每一个离子通道的单独探测元件)，可以更容易地产生这样的输出，然而所述处理器可以被配置成从不同类型的探测器产生输出。

应当理解的是，上面所描述的离子过滤器也可用于过滤离子。因此，我们还描述了从气体样本中的目标化学物质中过滤离子的方法，所述方法包括：使所述气体样本穿过第一离子通道，以从所述气体样本中的目标化学物质中过滤离子；使所述气体样本穿过第二离子通道，以从所述气体样本中的所述目标化学物质中过滤离子；其中，所述第二离子通道与所述第一离子通道分离，并且所述第二离子通道的温度与所述第一离子通道的温度不同。

气体样本可以同时地穿过所述第一离子通道和所述第二离子通道。可替换地，气体样本可以依次地穿过所述第一离子通道和所述第二离子通道。该方法还可以包含如上所述与离子过滤器相关的特征。

我们还描述了从气体样本中的目标化学物质中探测离子的方法，所述方法包括：电离所述气体样本，以产生所述目标化学物质的离子；如上所述对所述离子进行过滤；以及利用探测器探测从过滤器输出的离子。该方法还可以包含如上所述与系统相关的特征。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且说明可以如何实施本发明的实施例，现在将仅以示例的方式参考所附的示意性的附图，在附图中：

图1a是谱系统的示意图；

图1b是图1a的系统中的离子过滤器内部的通道的示意图；

图1c是图1a的谱系统的可替换的示意图；

图1d是来自图1c的系统的输出的示例；

图2a和图2b分别显示了第一离子过滤器的截面图和平面图；

图2c显示了利用离子过滤器获得的谱；

图3a和图3b分别显示了第二离子过滤器的截面图和平面图；

图3c显示了第二离子过滤器的变体的截面图；

图4a和图4b显示了另一离子过滤器的两种变体的截面图；

图5显示了另一离子过滤器的局部截面图；以及

图6是另一过滤器的平面图。

具体实施方式

图1a至图1d显示了谱系统的示意图，该系统可以是如Wilks等人在《国际离子迁移谱杂志(Int.J.Ion Mobil Spec)》的第15期(2009年)的第199至222页的“微型超高场离子迁移谱的特征(Characterisation of a miniature，ultra-high field，ion mobilityspectrometer)”中所描述的那样的微型装置。如图1a所显示的，气体流入电离器10，然后生成的离子穿过离子过滤器12。离子过滤器将离子分离，因此可以将其称为离子分离器。在所显示的示例中，离子过滤器具有多个离子通道，每个离子通道具有小的间隙宽度(约为30μm(微米)至50μm的间隙宽度g)以及相对短的长度(例如约为300μm的长度L)。所述间隙表面由高导电性硅(或类似的材料)制成，并且通过引线键合而电连接到硅表面上的金属焊盘。从离子分离器出来的离子由离子探测器14探测。已知的是温度和压力能影响结果，因此在系统中还可以包括温度传感器16和/或压力传感器18。这些装置被示意地图示在输出气流上，但是也可以结合到该装置内的其它适当位置。

如图1b所显示的，将振荡电场施加至离子分离器。施加低压脉冲持续时间t(s)、高压脉冲持续时间τ(s)和峰值电压V_D的可变高压不对称波形，以产生V_D/g(kVcm^-1)的可变场。离子分离器内的每个离子的迁移率在低场迁移率K₀与高场迁移率K_E之间振荡，高场迁移率与低场迁移率之间的差被称为ΔK。不同化学物质的离子将具有不同的ΔK值，离子采用净纵向漂移路径长度(d_h-d_t)通过离子过滤器，该长度由它们的高场和低场漂移速度(v_D(h)和v_D(l))以及高场和低场脉冲持续时间所决定。只有处于“平衡”状态的离子，例如图1b中的中间离子，才会从离子分离器中出来并且由离子探测器探测。接触到离子通道两侧的离子将不会被探测到。在所施加的波形的顶部施加偏置直流“调谐电压”(V_c)，以实现对峰值电压V_D的微调，从而对抗特定ΔK的离子所经历的漂移。

如图1c所示意性显示的，如上面所描述的，驱动信号系统130将不对称波形和调谐电压施加至离子过滤器100。来自离子过滤器100的输出离子由探测器110探测。来自探测器110的输出被发送至处理器120，处理器120可以是本地的(即在离子过滤器内部)或远程的(即在单独的计算机/服务器中)。处理器适于提取数值参数，这些数值参数有助于对离子进行化学探测、识别、分类和/或量化。例如，处理器可以被配置以产生如图1d所显示的输出，其中将探测器处的离子电流的测量值绘制成由被称为色散场E_D(kVcm^-1)的非对称波形所得到的施加电场与由被称为补偿场E_C(kVcm^-1)的直流电压所得到的施加电场的函数。该谱输出也可以被可替换地表示为在m补偿场和n色散场设置下的离子电流测量值的m×n矩阵。

图1d显示了丙酮(acetone)、2-丁酮(2-butanone)和甲基膦酸二甲酯(dimethylmethyl phosphonate，DMMP)的单体和二聚体的E_C:E_D峰值轨迹。这些轨迹被用于通过将所得到的图形与先前收集的在相同条件下生成的已知化学物质的图形进行比较，来识别特定化学物质的离子是否存在于气体样本中。但是，如图1d所显示的，一些化学物质的图形是相似的，因此当差异不太明显时，这种识别会更加困难。对于当在室温操作FAIMS时倾向于聚集在一起的相对较大的分子来说，尤其如此。

如背景技术部分中所解释的，温度是影响来自过滤器的输出的因素。在较高的电场(如FAIMS中使用的电场)中，离子从场中获得大量能量，并且离子-中性粒子之间相互作用的频率和强度发生变化。因此，在固定体积气体温度下的迁移率系数K_E如下所示变得依赖于电场：

K_E＝K₀{1+α(E_D)}

其中，K₀是低场条件下的迁移率系数，α(E_D)是表征场迁移率相关性的非维度函数(称为α函数)，E_D是色散场。温度以两种方式，即通过改变气体密度，N，影响离子迁移率。此外，气体温度改变离子和中性粒子的动能分布，并因此改变离子-中性粒子之间碰撞能量的分布和离子迁移率。离子的有效温度T_eff可被定义为：

其中，T为中性气体温度(即无电场时的温度)，ζ为离子-中性粒子之间碰撞效率因子，M为漂移气体的分子量，K₀为低场条件下的迁移率系数，N₀为标准的气体密度，E_D/N为汤生(Townsend)色散场，N为气体密度，k_b为玻尔兹曼(Boltzmann)气体常数。

如上所示，离子的有效温度T_eff是无电场时的温度和电场两者的因数。图2a和图2b是离子过滤器20的示意图，其可被结合至图1a至图1d所显示的系统中。在这种布置中，离子过滤器20包括单片(monolithic)电极层30。连续的通道将离子过滤器分为第一电极部分32和第二电极部分34。所述通道包括由中央通道部分隔开的第一离子通道部分22和第二离子通道部分24。如图2b所更清楚地显示的，第一离子通道部分和第二离子通道部分中的每一个包括离子从其中流过的多个离子通道27。隔热件26在中央通道部分的上方被安装至单片电极层。以这种方式，隔热件26与第一离子通道部分22和第二离子通道部分24均进行热接触。

离子流过第一漏斗形部分36进入第一离子通道部分22，并且流过第二漏斗形部分38进入第二离子通道部分24。漏斗形部分36、38可以被结合到上述系统的电离器中，或者可以位于电离器与离子过滤器之间。流过第一漏斗形部分36的离子被加热至第一温度，例如a＝65°，流过第二漏斗形部分38的离子被加热至不同的第二温度，例如b＝50°。加热器可以被结合至每一个漏斗形部分中，或者加热器可以位于每一个漏斗形部分的下游，以使离子在进入漏斗形部分之前(例如在离开电离器时)被加热。隔热件26位于第一漏斗形部分36与第二漏斗形部分38之间，并且将第一漏斗形部分和第二漏斗形部分彼此热隔离。因此，隔热件26用作温度控制区域，其确保第一离子通道部分中和第二离子通道部分中的气体样本之间的温度差得以保持。

如上文所述的，离子的有效温度依赖于气体温度，因此尽管对两个部分均施加相同的色散场，进入到第一通道部分和第二通道部分的每一个中的离子的离子迁移率也会不同。也可以对两个通道部分均施加相同的补偿场，因为目的是利用两个部分来探测相同的化学物质，因此需要仔细地选择补偿场，以确保尽管温度不同，但待探测的特定化学物质的离子(即正确的离子种类)是“平衡的”，并且从第一离子通道和第二离子通道两者输出。

图2c显示了来自图2a和图2b的过滤器的示例性的输出。将离子电流绘制为针对第一离子通道部分和第二离子通道部分的补偿场与色散场的函数。图2c显示了第一温度a的图形和第二温度b的图形之间的明显差异。然后，这两个图形可以与在相同条件下采集的已知图形进行匹配，以探测并识别特定的化学物质。通过在两个不同的温度下同时测量离子，这就增加了将获得正确的化学物质识别的可能性，这是因为两种化学物质在两个不同温度下具有重叠图形的可能性较低。此外，在两个不同的温度下同时地运行系统比运行两次系统(每个温度运行一次系统)更有效，从而化学物质识别过程的消耗时间较少。

在该图示中，两个离子通道部分均是蛇形的(serpentine)，并且每一个离子通道部分限定了三个交叉指型电极28。可以理解的是，图示的电极28的数量仅仅是示例性的，也可以使用不同数量的电极。同样，也可以理解的是，也可以使用不同形状的离子通道。此外，虽然装置的复杂度会增加，但可以理解的是，也可以使用两个以上的通道部分，只要相邻部分如上所述彼此隔离。通过引入交叉指型电极，离子过滤器具有较高的离子通道密度和较大的电场。

图3a和图3b显示了可以结合到图1a至图1d系统中的离子过滤器的可替换的版本。与图2a和图2b所显示的布置相反，其直接加热离子过滤器，而不是在进入离子过滤器之前加热离子。如图3a和图3b所示，离子过滤器120包括具有连续的通道121的电极层130，该连续的通道121将离子过滤器分成第一电极部分132和第二电极部分134。所述连续的通道包括第一离子通道部分122、第二离子通道部分124和第三离子通道部分126，所述第一离子通道部分122、第二离子通道部分124和第三离子通道部分126分别被第一中间通道部分和第二中间通道部分开。正如在之前的实施例中，所述离子通道部分是蛇形的，并且每一个离子通道限定了三个交叉指型电极128，电极128从第一电极部分或第二电极部分延伸为指部(finger)。在第一、第二和第三离子通道部分中的每一个中具有多个离子通道127，离子以箭头所示意性示出的那样流过这些离子通道。可以理解的是，可以使用任何数量的指部(交叉指型电极)和/或通道。此外，在这种布置中，在每一个部分中电极和通道呈现出相同的数量，但这不是必须的。

至少一个加热层136被安装至电极层130，并且如在该实例中所图示的，加热层136被安装至电极层130的两个面上。在图3b中更清楚地显示了加热层。在该实施例中，加热层包括以钨(或类似物)丝形式的加热元件138，其嵌入到聚合物层中。加热元件138具有与离子通道的形状相匹配的形状，在本例中加热元件138为蛇形。因此，加热元件138位于每一个电极之间的间隙内。每一个加热层136包括隔热件125对；在每对离子通道部分之间具有一个隔热件125。在这种布置中，隔热件125被嵌入到聚合物层中。因此，它们通过一部分聚合物层与每一对离子通道部分进行间接地热接触。

加热元件138将第一离子通道部分122加热至第一温度。第二离子通道部分124被加热至第二温度，第三离子通道部分126被加热至第三温度。所述第一温度低于所述第二温度，而第二温度本身低于所述第三温度，因此温度可以被分别称为低、中、高。通过同时测量处于三种不同温度的离子，这增加了将获得正确的化学物质识别的可能性，这是因为两种化学物质在三种不同温度下具有重叠图形的可能性较低。使用单个加热层应提供每个离子通道部分之间所需的温度差异，并且有可能提供穿过整个通道深度(即从电极层的一个面到另一个面)的一致的温度。然而，在电极层的两个面上都使用加热层应确保离子通道具有穿过整个通道深度(即从电极层的一个面到另一个面)的一致的温度。

作为嵌入式加热元件的可替换的方式，每一个加热层可以包括柔性PCB，该柔性PCB具有带涂层的加热元件，所述带涂层的加热元件与电极和每个离子通道部分之间的一个或多个陶瓷(或类似材料)隔热件对准。图3c示出了这种布置的示意性的表示，其中隔热层325与电极层330相邻，其中可以如上所述形成离子通道和电极。加热元件338被安装在隔热层323上。可替换地，可以将薄膜电阻加热涂层涂覆到与电极叠置的电极层的每一个面上。对于每一个离子通道部分，可以以不同的水平设置每一个涂层。

图4a和图4b显示了离子过滤器的可替换的设计，该离子过滤器包括电极层，该电极层具有多个电极228，在每对电极之间具有离子通道。多个电极228可以如关于图2a至图3b所解释的那样形成，例如交叉指型电极组。电极层被支撑在基板220上，基板220支撑电极并且保持每一个离子通道的间隙宽度。根据需要可以在其它实施例中加入基板。如图所示意性显示的，加热器200a、200b被分别设置在离子过滤器的每一侧。第一加热器200a将离子过滤器的一侧加热至相对低的第一温度，例如50°，以及第二加热器200b将离子过滤器的相对侧加热至相对高的第二温度，例如200°。

两个加热器的存在意味着存在跨越离子过滤器的热梯度，该热梯度从50°增加直到200°。因此，每一个离子通道227具有不同的温度。从而两个加热器与离子过滤器的热特性一起，有效地形成了温度控制器，该温度控制器控制每一个离子通道中的气体样本之间的温度差。所得到的E_C:E_D谱包括每一个温度的峰值轨迹。这可以通过能够正确地识别从每一个离子通道输出的离子电流的单个探测器层来测量。可替换地，如图4b所示，探测器层230可以包括多个探测器，每一个探测器与电极相邻，以探测从每一个离子通道输出的离子电流。

在图2a至图4b的每一个实施例中，离子通道并排布置，以使离子同时流过。图5示出了可替换的布置形式，其中离子通道被串联布置，即离子首先流过第一离子通道327a，然后依次地流过第二离子通道327b。为了简化，仅示出了一对离子通道，但是应当理解的是，可以串联布置多个离子通道，例如，通过层叠两个电极层(例如在其他实施例中所使用的电极层)来串联布置多个离子通道。第一离子通道由第一加热器加热至第一温度T1，第二离子通道由第二加热器加热至第二温度T2。T1可以低于T2，或反之亦然。选择这两个温度以提供所得到的E_C:E_D谱，该谱具有两个的图形，这使得能够通过系统来识别所希望的化学物质。加热器被示意地图示在每一个通道的一侧，但也可以是任何合适的加热形式。隔热件325被设置在通道之间。隔热件与加热器结合形成温度控制器，该温度控制器控制第一离子通道中和第二离子通道中的气体样本之间的温度差。

图6显示了图2a的布置的变体。离子过滤器420包括单片电极层430，该单片电极层430被隔热沟槽426分成两个区间。在这种布置中，连续的通道被两个单独的离子通道部分422、424所取代；电极层的每一区间中有一个离子通道部分。所述通道部分被并排布置，并将离子过滤器分成两个第一和第二电极部分432a、432b和434a、434b。如之前的实施例，每一个单独的通道部分包括多个离子通道，离子从该多个离子通道中流过，其中第一通道部分包括多个第一离子通道，第二通道部分包括多个第二离子通道。电极层430被支撑在基板440上，基板440保持电极区间以及电极部分的固定对准，以确保离子通道宽度得以保持。在图6中，第一通道部分422(以及因此第一离子通道)被加热至第一温度，第二通道部分424(以及第二离子通道)被加热至不同的第二温度。对这两个温度进行选择以提供所得到的E_C:E_D谱，该谱具有两个单独的图形，其使得能够通过系统识别所需的化学物质。

尽管已示出和描述了本发明的一些优选的实施例，但本领域技术人员将明了的是，可以在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。

本说明书中所披露的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)，和/或所披露的任何方法或过程中的所有步骤，均可以任何组合方式进行组合，除了至少其中一些特征和/或步骤是相互排斥的组合之外。

本说明书中所披露的每一个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)，均可以被用于相同、等同或类似目的的其它特征所取代，除非另有明确的说明。因此，除非另有明确的说明，所披露的每一个特征仅是等同或类似特征的通用系列的一个示例。

本发明并不限于上述一个或多个实施例的细节。本发明延伸至本说明书中所披露的特征的任何新颖的特征或任何新颖的组合(包括任何所附权利要求、摘要和附图)，或者延伸至所披露的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的特征或任何新颖的组合。

Claims (22)

1.一种离子过滤器，用于过滤气体样本中的离子，所述离子过滤器包括：

第一离子通道，其用于在第一温度下从所述气体样本中的目标化学物质中过滤离子；

第二离子通道，其用于在第二温度下从所述气体样本中的所述目标化学物质中过滤离子，其中所述第二离子通道与所述第一离子通道分离；

温度控制区域，其与所述第一离子通道和所述第二离子通道热接触，用于控制所述第一离子通道中的所述第一温度和所述第二离子通道中的第二温度之间的温度差；以及

单片电极层，其中每一个所述离子通道位于所述单片电极层中，

其中所述气体样本同时地穿过所述第一离子通道和所述第二离子通道。

2.根据权利要求1所述的离子过滤器，其特征在于，包括第三离子通道，所述第三离子通道用于从所述气体样本中的所述目标化学物质中过滤离子，其中所述第三离子通道与所述第一离子通道和所述第二离子通道分离，并且所述温度控制区域与所述第三离子通道热接触，用于控制所述第一离子通道、所述第二离子通道和所述第三离子通道之间的温度差。

3.根据权利要求1所述的离子过滤器，其特征在于，所述温度控制区域包括位于所述第一离子通道与所述第二离子通道之间的隔热件。

4.根据权利要求3所述的离子过滤器，其特征在于，包括连续的通道，所述连续的通道将所述电极层分成第一电极部分和第二电极部分，所述连续的通道包括：限定了所述第一离子通道的第一离子通道部分、限定了所述第二离子通道的第二离子通道部分、以及连接所述第一离子通道部分和所述第二离子通道部分的中央通道部分。

5.根据权利要求4所述的离子过滤器，其特征在于，所述隔热件被安装至所述中央通道部分。

6.根据权利要求3所述的离子过滤器，其特征在于，所述隔热件包括沟槽，所述沟槽将所述电极层分成第一电极部分和第二电极部分，其中所述第一电极部分具有限定了所述第一离子通道的第一离子通道部分，以及所述第二电极部分具有限定了所述第二离子通道的第二离子通道部分。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的离子过滤器，其特征在于，所述第一离子通道部分包括多个第一离子通道，以及所述第二离子通道部分包括多个第二离子通道。

8.根据权利要求4至6中任一项所述的离子过滤器，其特征在于，包括第一漏斗形部分和第二漏斗形部分，所述第一漏斗形部分被安装至所述电极层，所述第一漏斗形部分被配置成将处于第一温度的气流引导至所述第一离子通道部分中，以及所述第二漏斗形部分被安装至所述电极层，所述第二漏斗形部分被配置成将处于第二温度的气流引导至所述第一离子通道部分中。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的离子过滤器，其特征在于，所述温度控制区域包括加热层，所述加热层被安装至所述电极层，所述加热层包括至少一个加热元件，用于控制所述第一离子通道内和所述第二离子通道内的温度。

10.根据权利要求9所述的离子过滤器，其特征在于，所述至少一个加热元件与所述第一离子通道和所述第二离子通道对准，由此所述加热元件被配置成将所述第一离子通道加热至第一温度，并且将所述第二离子通道加热至第二温度。

11.根据权利要求9所述的离子过滤器，其特征在于，所述至少一个加热元件包括第一加热元件和第二加热元件，所述第一加热元件在所述第一离子通道的一侧对准，所述第二加热元件在所述第二离子通道的一侧对准，由此所述加热元件被配置成将所述第一离子通道加热至第一温度，并且将所述第二离子通道加热至第二温度。

12.根据权利要求11所述的离子过滤器，其特征在于，所述第一离子通道被限定在第一电极对之间，以及所述第二离子通道被限定在第二电极对之间，所述第一加热元件与所述第一电极对中的一个电极对准，所述第二加热元件与所述第二电极对中的一个电极对准。

13.根据权利要求9所述的离子过滤器，其特征在于，所述温度控制区域包括第二加热层，所述第二加热层被安装至所述电极层的与所述加热层相对的面，所述第二加热层包括至少一个加热元件，用于控制所述第一离子通道内和所述第二离子通道内的温度。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的离子过滤器，其特征在于，包括：在所述第一离子通道和所述第二离子通道之间的多个离子通道，其中所述温度控制区域包括第一加热器和第二加热器，所述第一加热器被安装为与所述第一离子通道相邻，以将所述第一离子通道加热至第一温度，所述第二加热器被安装为与所述第二离子通道相邻，以将所述第二离子通道加热至第二温度。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的离子过滤器，其特征在于，包括：具有所述第一离子通道的第一电极层以及具有所述第二离子通道的第二电极层，其中所述温度控制区域包括位于所述第一电极层与所述第二电极层之间的隔热件。

16.根据权利要求15所述的离子过滤器，其特征在于，包括第一加热器和第二加热器，所述第一加热器与所述第一离子通道相邻，以将所述第一离子通道加热至第一温度，所述第二加热器与所述第二离子通道相邻，以将所述第二离子通道加热至第二温度。

17.一种离子迁移谱系统，包括：

离子过滤器，其是根据权利要求1至16中任一项所述的离子过滤器；

电离器，其用于在气体样本中产生离子；以及

探测器，其用于探测来自所述离子过滤器的输出。

18.根据权利要求17所述的离子迁移谱系统，其特征在于，所述探测器包括：用于每一个离子通道的单独的探测元件。

19.根据权利要求17所述的离子迁移谱系统，其特征在于，还包括处理器，所述处理器被配置成为每一个离子通道生成图形输出。

20.根据权利要求19所述的离子迁移谱系统，其特征在于，所述处理器被配置以生成在所述探测器处的离子电流的测量值，所述离子电流的测量值是针对每个离子通道所施加的色散场与所施加的补偿场的函数。

21.一种从气体样本中的目标化学物质中过滤离子的方法，所述方法包括：

在第一温度下使所述气体样本穿过第一离子通道，以从所述气体样本中的目标化学物质中过滤离子；

在第二温度下使所述气体样本穿过第二离子通道，以从所述气体样本中的所述目标化学物质中过滤离子，

通过与所述第一离子通道和所述第二离子通道热接触的温度控制区域控制所述第一温度和所述第二温度之间的温度差；

其中，所述第二离子通道与所述第一离子通道分离，并且所述第二离子通道的温度与所述第一离子通道的温度不同；

其中第一离子通道和所述第二离子通道中的每一个位于单片电极层内；以及

其中所述气体样本同时地穿过所述第一离子通道和所述第二离子通道。

22.一种从气体样本中的目标化学物质中探测离子的方法，所述方法包括：

电离所述气体样本，以产生所述目标化学物质的离子；

以权利要求21所述的方法对所述离子进行过滤；以及

利用探测器探测从过滤器输出的离子。