CN112292596A - 用于通过离子迁移谱来分析物质的分析装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过离子迁移谱来分析物质的分析装置。分析装置具有如下特征：a)离子迁移谱仪，所述离子迁移谱仪具有反应腔和漂移腔，其中在反应腔和漂移腔之间设置有可开关的离子门，b)离子迁移谱仪的第一场产生装置，所述第一场产生装置设计用于在反应腔中产生电场，以产生可通过离子迁移谱仪区分的分析离子朝向离子门的运动，c)电喷雾装置，所述电喷雾装置具有电喷雾源，其中电喷雾装置设计用于，经由电喷雾源将输送给电喷雾装置的液体以雾化形式喷射到反应腔中，所述液体具有要分析的物质和溶剂，d)蒸发装置，所述蒸发装置设计用于在反应腔之内蒸发包含在喷入的雾中的溶剂，其中蒸发装置通过第一场产生装置形成。本发明此外涉及一种用于通过离子迁移谱来分析物质的方法。

Description

用于通过离子迁移谱来分析物质的分析装置和方法

背景技术

本发明涉及通过离子迁移谱来分析物质的领域。这种方法以及气体分析装置从WO2015/091146A1中已知。借助离子迁移谱，快速的和高灵敏度的示踪气体分析是可能的，借助所述示踪气体分析，物质借助于其离子在电场的影响下穿过中性气体的运动可分离和识别。因此，对于这种分开必要的是，在下文中也称作为分析离子的要分离的离子以气相存在。在多种情况下，要分析的物质本来是足够易挥发的或者本来作为气态物质存在。然而，随着要分析的物质的分子大小增大，这表现为越来越限制性的。

发明内容

因此，本发明基于如下目的，也通过离子迁移谱仪分析还未以气态存在的其他物质。

所述目的通过根据权利要求1所述的用于通过离子迁移谱来分析物质的分析装置来实现。分析装置具有如下特征：

a)离子迁移谱仪，所述离子迁移谱仪具有反应腔和漂移腔，其中在反应腔和漂移腔之间设置有可开关的离子门，

b)离子迁移谱仪的第一场产生装置，所述第一场产生装置设计用于在反应腔中产生电场，以产生可通过离子迁移谱区分的分析离子朝向离子门的运动，

c)电喷雾装置，所述电喷雾装置具有电喷雾源，其中电喷雾装置设计用于，经由电喷雾源将输送给电喷雾装置的液体以雾化形式喷射到反应腔中，所述液体具有要分析的物质和溶剂，

d)蒸发装置，所述蒸发装置设计用于仅执行或主要执行在反应腔之内蒸发包含在喷入的雾中的溶剂，其中蒸发装置通过第一场产生装置形成。

与此相应地，可通过离子迁移谱分离的分析离子可以通过电喷雾离子化在反应腔中提供。电喷雾离子化在此提供相对于其他方法，例如热蒸发要分析的物质的优点。热蒸发在多种物质的情况下例如会导致，所述物质在其构成足够的蒸发压力之前分解，使得通过离子迁移谱不再能够进行有意义的分析。

已经存在用于例如在质谱分析的领域中使用电喷雾离子化的应用。这种建议但是不适合于离子迁移谱，例如因为在这种方式中不可实现足够快地蒸发溶剂。溶剂的不完全的蒸发然而造成“不纯的”分析离子，使得通过离子迁移谱的分析引起不充分的结果从而降低分析能力。

而本发明优化用于离子迁移谱的领域的电喷雾离子化。这有利地通过如下方式进行：用于蒸发包含在喷入的雾中的溶剂的蒸发装置通过离子迁移谱仪的第一场产生装置形成。通过所述蒸发装置，仅进行或主要进行在反应腔之内蒸发包含在喷入的雾中的溶剂。以所述方式，能够在反应腔之内进行溶剂的完全的或至少对于有意义的分析足够的蒸发，更确切地说，无需例如通过将加热的气体附加地导入到反应腔中所造成的特殊的附加耗费。第一场产生装置对于离子迁移谱仪的功能本来是需要的。如果所述第一场产生装置以相对高的场强运行，那么已经能够为包含在喷入的雾中的微粒输送足够的能量，更确切地说呈动能的形式的能量，所述能量对于溶剂的提到的蒸发过程而言是足够的。尤其有利的是，第一场产生装置以与微粒密度相比高的场强运行。因此，与包围微粒的气体相比，通过第一场产生装置能够为包含在喷入的雾中的微粒输送较高的平均能量。

与此相应地，根据本发明的分析装置能够相对简单地构造。分析装置能够构成为不具有用于加热反应腔中的喷入的雾的单独的加热装置。以所述方式，也能够为了分析具有相对大的分子大小的物质而为离子迁移谱提供成本适宜的且小型构造的分析装置。分析装置因此也能够用于移动式应用。

另一优点是，通过避免附加地加热物质，能够避免在离子迁移谱仪中的不期望的干扰效应。因此，离子迁移率，即在探测器中的分离大小与温度相关。分析离子的原本不期望的热学加热可能引起信号的偏移进而引起分析装置的分析能力减小。

在此，通过借助于反应腔中的电场输送的能量能够实现高于2000K的有效的(假设的)离子温度。这种温度不可通过只加热例如漂移气体实现，不仅由于极其高的能量需求，而且也由于如下事实，即没有适合的材料可供使用，以便针对这样高的温度来设计离子迁移谱仪的对应的部分。

因此，通过本发明，分析装置的小的技术实现耗费能够与相对高的假设的蒸发温度组合，使得能够实现难于蒸发的物质的证明的明显改善，尤其在地点分析学的领域中如此。这种要分析的物质例如能够是较大的生物分子，例如蛋白质、脂肪、糖。作为溶剂例如能够使用甲醇和/或水。电喷雾例如能够是针形源。

根据本发明的一个有利的改进方案，电喷雾源构成为纳米喷雾源，通过所述纳米喷雾源能够将输送的液体以纳米微滴的形式雾化地喷射到反应腔中。由此，呈纳米微滴形式的输送的液体的特别精细的分布是可能的。通过纳米喷雾源的相对小的毛细管直径，此外在真空条件下在电喷雾源之内也不发生溶剂的蒸发，而是仅以期望的方式在反应腔之内发生溶剂的蒸发。纳米喷雾源例如能够构成为具有最大15μm，或者最大1μm的出流直径。

根据本发明的一个有利的改进方案，电喷雾装置具有电压源，借助所述电压源电供应电喷雾源，其中电压源产生直流电压、交流电压或直流电压和交流电压的叠加。以所述方式，电喷雾装置能够借助适合于相应的使用目的的电压运行。

根据本发明的一个有利的改进方案，分析装置具有负压产生装置，所述负压产生装置设计用于至少在反应腔中产生相对于大气压的负压。负压产生装置在此能够直接地或间接地，例如经由离子迁移谱仪的其他腔与反应腔耦联。负压产生装置原则上能够是任意结构方式的，例如呈泵的形式，例如薄膜泵、滑阀泵或其他泵，或者呈风扇或压缩机的形式。要相对于大气压产生的负压在此不必与大气压具有极其大的压差，尤其不必处于通常称作为高真空的压力值的范围内，这例如在质谱仪中是必需的。根据本发明，通过负压产生装置产生在2mbar至100mbar(绝对压力)的范围内的负压。也能够更高地规定负压范围的上限值，例如规定为200mbar、300mbar或400mbar。这具有如下优点，气体分析装置能够用简单的成本适宜的构件实现。尤其地，负压产生装置能够以常规的、畅销的产品实现。

在反应腔中产生负压还有益于输送的液体的喷入以及溶剂在反应腔中的蒸发。通过负压，一方面蒸发温度和另一方面第一场产生装置的所需要的电场强度降低。

第一场产生装置能够在反应腔处或在反应腔中设置，或者至少在反应腔的区域中设置成，使得能够在反应腔中产生期望的电场。第一场产生装置尤其能够设计用于产生如下电场，所述电场具有从反应腔的离子源侧的区域朝向离子门的方向的电势梯度。

气体分析装置和特别是其离子迁移谱仪除了所阐述的变型形式之外能够在其他方面如已知的离子迁移谱仪那样构造。尤其地，气体分析装置或其离子迁移谱仪能够至少具有如下部件：

a)离子源区域，所述离子源区域具有离子源，例如在该情况下电喷雾源，

b)反应腔，所述反应腔与离子源区域耦联，

c)漂移腔，所述漂移腔具有漂移气体输送接口，所述漂移气体输送接口与用于将漂移气体输送到漂移腔中的气体输送线路连接，

d)在反应腔和漂移腔之间的可开关的离子门，

e)在漂移腔的背离离子门的端部处的离子探测器，

f)第二场产生装置，所述第二场产生装置设计用于在漂移腔中产生电场。

第二场产生装置能够在漂移腔处或在漂移腔中设置，或者至少在漂移腔的区域中设置成，使得能够在漂移腔中产生期望的电场。第二场产生装置尤其能够设计用于产生如下电场，所述电场具有从离子门朝向离子探测器的方向的电势梯度。

第一和/或第二场产生装置例如能够具有沿要产生的电场的期望的电势梯度的方向依次设置的电极，例如在反应腔中或在漂移腔中设置的环形电极。第一和/或第二场产生装置也能够形成具有沿期望的电势梯度的方向延伸的单个电极，例如以一致的环形电极的形式形成，所述单个电极由具有相对高的比电阻的材料制造。由于相对高的电阻值，期望的电场也能够沿纵向方向、即沿离子的期望的运动方向产生。因此，这种一致的环形电极例如能够通过由导电玻璃构成的柱体形成。第一和/或第二场产生装置也能够具有之前提到的类型的电极的组合。

离子门用作为用于分析离子的在其从反应腔到漂移腔中的暂时阻挡。离子门例如根据一定的时间模式脉冲地运行，使得所述离子门打开和关闭并且在打开阶段中，分析离子从反应腔进入漂移腔中。由此，能够根据离子门的开关周期来预设气体分析装置的限定的、彼此分开的测量周期。

离子门能够根据已知的离子迁移谱仪中的离子门构成，例如具有两个沿分析离子的运动方向依次设置的电极或在平面中彼此交错地设置的电极。根据本发明的一个有利的改进方案，离子门具有至少三个沿从反应腔到漂移腔的方向依次设置的电极。这种离子门关于阻挡效果是高效的。另一优点是，通过三个依次设置的电极，彼此相邻的电极能够分别成对地借助具有如下场强的电场运行，所述场强对应于相邻的腔中的场强，即在反应腔的一侧上和在漂移腔的另一侧上的场强。这还具有如下优点，通过在截止状态和打开状态之间切换离子门，在反应腔和漂移腔中存在的电场能尽可能不受影响。离子门的电极例如能够构成为环形电极或构成为栅格电极。

根据本发明的一个有利的改进方案，负压产生装置设计用于在漂移腔中产生与漂移方向相反的漂移气体流。这具有如下优点，对于执行离子迁移谱本来需要的漂移气体能够引导穿过漂移腔，而无需附加的构件。更确切地说，负压产生装置为此能够一起使用。通过产生的漂移气体流，持续地输送新鲜的漂移气体并且防止通过不期望的微粒造成的对漂移腔的污染，因为漂移气体流引起对漂移腔的冲洗。漂移气体在此能够通过过滤器清洁和干燥。

负压产生装置原则上能够连接于气体分析装置或离子迁移谱仪的壳体的不同部位。在本发明的一个有利的设计方案中，反应腔能够与漂移腔压力连接，即在反应腔和漂移腔之间进行压力补偿。由此，在反应腔中和在漂移腔中存在的压力是基本上相同的，除了通过流动效应产生的小的压差之外。因此，负压产生装置例如能够连接于气体分析装置的吸出接口。

根据本发明的一个有利的改进方案，负压产生装置具有抽吸接口，所述抽吸接口与气体分析装置的吸出接口连接，所述吸出接口沿离子的漂移方向设置在离子门上游。因此，吸出接口例如能够通入反应腔或离子源区域中。这具有如下优点，漂移气体流也能够完全地或部分地引导穿过反应腔。由此，反应腔也能够清除不期望的微粒。这又有助于气体分析装置的灵敏度和测量精度。

开始提到的目的还通过一种用于通过离子迁移谱来分析物质的方法实现，其中将具有要分析的物质和溶剂的液体借助于电喷雾离子化以雾化形式输送到离子迁移谱仪的反应腔中，并且溶剂在反应腔中蒸发，其中溶剂的蒸发仅通过或主要通过在反应腔中产生的电场进行，通过所述电场为喷入的雾的微滴输送运动能量，从而所述微滴被加热，使得溶剂蒸发。由此也能够实现在上文中阐述的优点。所述方法例如能够借助之前阐述类型的分析装置来实施。

根据本发明的一个有利的改进方案，液体以雾化形式从电喷雾源中的输出仅通过或主要通过在反应腔中或在电喷雾源上游的附加的区域中产生的电场进行。这具有如下优点，为了输出呈雾化形式的液体，不需要任何附加的装置，如例如压力产生装置，通过所述压力产生装置能够将具有超压的液体从电喷雾源中输出。因此，由此也能减少用于分析装置的实现耗费。液体在此以微滴的形式从电喷雾源输出。在电喷雾源的尖部处已经为微滴输送载流子，使得已经带电的微滴输送到反应腔中，所述微滴关于电场方面如离子那样表现。与此相应地，通过由第一场产生装置产生的足够强的电场，已经能够为喷入的雾的所述离子化的微滴输送提到的高的动能，所述动能用于蒸发溶剂。

根据本发明的一个有利的改进方案，借助至少在反应腔中存在的相对于大气压的负压执行方法。由此也能够实现关于负压产生方面的在上文中阐述的优点。负压附加地需要用于将液体以雾化形式从电喷雾源中输出。

根据本发明的一个有利的改进方案，要借助于离子迁移谱分析的分析离子在反应腔之内不具有溶剂。由此，实现离子迁移谱的高的分析能力。

根据本发明的分析装置能够尤其有利地以如下运行参数使用。根据本发明的方法也能够相应地运行。在此，作为场强给出反应腔中的通过第一场产生装置产生的场强。漂移腔能够以类似的场强运行。借助压力值给出通过负压产生装置在反应腔中产生的绝对压力。有利的是每mbar绝对压力4V/cm直至每mbar绝对压力37.5V/cm的范围内的场强，或者每mbar绝对压力8V/cm直至每mbar绝对压力37.5V/cm的范围内的场强，或者每mbar绝对压力12.5V/cm直至每mbar绝对压力37.5V/cm的范围内的场强。绝对压力在此涉及选择的、由负压产生装置在反应腔中产生的负压。

附图说明

本发明在下文中根据实施例利用附图详细阐述。

附图示出：

图1示出分析装置的原理构造的示意图，和

图2示出根据图1的分析装置的其他设计特征。

具体实施方式

在此，图1在构造和电布线方面示出分析装置，而图2在用于负压产生的压力线路的接口和漂移气体导入线路方面示出相同的对象。尤其地，图1的电布线和在图2中示出的其他特征的组合是有利的。

在图1中示出的分析装置具有离子迁移谱仪2，所述离子迁移谱仪具有例如管形的或筒形的壳体3。壳体3分成离子源区域4、反应腔5、离子门6、漂移腔7以及离子探测器8，这些如在图1中示出的那样以之前提到的顺序依次设置。例如能够构成为法拉利探测器的、例如呈杯形或呈金属板的形式的离子探测器8与连接于离子迁移谱仪2的电接口80的放大器9连接。通过放大器9，经由接口80输送的、通过离子的电荷产生的电流放大，使得在放大器9的输出端处得出谱图10。图1还示出，在反应腔5中和在漂移腔7中设置有第一或第二场产生装置的电极50、70。电极50、70在示出的实施例中构成为环形电极，所述环形电极在反应腔5或漂移腔7内部形成环。

图1还示出反应腔5和漂移腔7的电布线，以产生电场，所述电场具有沿壳体3的纵向方向、即从左向右的电势梯度。例如，示出的环形电极50能够经由由电阻52构成的电压分配器电路与电压源51连接。对应地，电极70能够经由由电阻72构成的电压分配器电路与电压源71连接。与反应腔5相关联的第一场产生装置因此除了电极50之外还具有电压源51和电阻52。与漂移腔7相关联的第二场产生装置除了电极70之外还具有电压源71和电阻72。

离子迁移谱仪2的所示出的区域4、5、6、7、8在此彼此连接，使得分析离子能够自由地或仅通过电场和离子门6控制地运动穿过壳体3。

要分析的物质以液体的形式从容器43输送。液体包含要分析的物质和溶剂。所述液体经由设置在离子源区域4中的电喷雾源40、例如呈纳米喷雾源的形式的针形的电喷雾源，以喷入的雾42的形式输出到反应腔5中或者首先输出到离子源区域4中。为此，电喷雾源40与电压源41连接。电压源41此外与第一场产生装置的最近的电极50连接。雾42包含液体的最细的微滴，所述微滴在电喷雾源40的尖部处加载电荷并且随后如离子那样表现，使得所述微滴通过电场加速。在此，溶剂蒸发。以这种方式进行期望的电喷雾离子化。

因此，通过反应腔5中的第一场产生装置产生相对强的电场，所述电场首先加速雾42的带电的微滴并且引起溶剂的蒸发，然后继续加速其余的分析离子，使得所述分析离子随后以通过离子门6控制的方式能够以高的动能输出到漂移腔7中。

图2示出气体分析装置1的不同的经由中空线路与离子迁移谱仪2的壳体3连接的其他构件。在壳体3处设置在离子源区域4中、但是例如也能够设置在反应腔5的区域中的吸出接口44与负压产生装置11的抽吸接口，例如泵连接。

壳体3还具有漂移气体输送接口74，所述漂移气体输送接口经由中空线路与漂移气体储备连接。作为漂移气体原则上能够使用多种与分析离子化学/物理中性的气体，例如使用氮气或惰性气体。由于环境空气的相对高的氮气含量，所述环境空气也能够直接用作为漂移气体，使得在图2中仅示出与环境空气的连接。在漂移空气输送接口74上游能够连接质量流调节器15，由此漂移气体的输送能够被调节并且保持恒定。此外能够在漂移气体输送接口74上游连接过滤器74，这尤其在将环境空气用作为漂移气体时是有利的，以便对所述漂移气体进行清洁。

离子源区域4、反应腔5、离子门6的区域和漂移腔7能够彼此压力连接，即在壳体3的所述部段之间进行压力补偿。因此，通过负压产生装置11能够产生期望的负压并且能够通过漂移气体输送接口74抽吸漂移气体。所有抽吸的气体经由负压产生装置11随后被吸出并再次引出。

Claims (9)

1.一种用于通过离子迁移谱来分析物质的分析装置，具有：

a)离子迁移谱仪(2)，所述离子迁移谱仪具有反应腔(5)和漂移腔(7)，其中在所述反应腔(5)和所述漂移腔(7)之间设置有可开关的离子门(6)，

b)所述离子迁移谱仪(2)的第一场产生装置(50，51，52)，所述第一场产生装置设计用于在所述反应腔(5)中产生电场，以产生可通过所述离子迁移谱仪区分的分析离子朝向所述离子门(6)的运动，

c)电喷雾装置(40，41)，所述电喷雾装置具有电喷雾源(40)，其中所述电喷雾装置(40，41)设计用于，经由所述电喷雾源(40)将输送给所述电喷雾装置(40，41)的液体以雾化形式喷射到所述反应腔(5)中，所述液体具有要分析的物质和溶剂，

d)蒸发装置，所述蒸发装置设计用于仅执行或主要执行在所述反应腔(5)之内蒸发包含在喷入的雾(42)中的溶剂，其中所述蒸发装置通过所述第一场产生装置(50，51，52)形成。

2.根据上一项权利要求所述的分析装置，

其特征在于，

所述分析装置构成为不具有用于在所述反应腔(5)中加热喷入的雾(42)的单独的加热装置。

3.根据上述权利要求中任一项所述的分析装置，

其特征在于，

所述电喷雾源(40)构成为纳米喷雾源，通过所述纳米喷雾源能够将输送的液体以纳米微滴的形式雾化地喷射到所述反应腔(5)中。

4.根据上述权利要求中任一项所述的分析装置，

其特征在于，

所述电喷雾装置(40，41)具有电压源(41)，借助所述电压源电供应所述电喷雾源(40)，其中所述电压源(41)产生直流电压、交流电压或直流电压和交流电压的叠加。

5.根据上述权利要求中任一项所述的分析装置，

其特征在于，

所述分析装置具有负压产生装置(11)，所述负压产生装置设计用于至少在所述反应腔(5)中产生相对于大气压的负压。

6.一种用于通过离子迁移谱来分析物质的方法，

其中将具有要分析的物质和溶剂的液体借助于电喷雾离子化以雾化的形式输送到离子迁移谱仪(2)的反应腔(5)中，并且将所述溶剂在所述反应腔(5)之内蒸发，其中所述溶剂的蒸发仅通过或主要通过在所述反应腔(5)中产生的电场进行，通过所述电场为喷入的雾(42)的微滴输送运动能量从而加热所述微滴，使得所述溶剂蒸发。

7.根据上一项权利要求所述的方法，

其特征在于，

仅通过或主要通过在所述反应腔(5)中或在所述电喷雾源(40)的上游的附加的区域中产生的电场以雾化的形式从电喷雾源(40)中输出液体。

8.根据权利要求6或7所述的方法，

其特征在于，

借助至少在所述反应腔(5)中存在的相对于大气压的负压来实施所述方法。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，

其特征在于，

要借助于所述离子迁移谱仪分析的分析离子在所述反应腔(5)之内不具有溶剂。

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