CN112639436A - 化学分析设备和方法 - Google Patents

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Abstract

用于化学分析的方法和系统。例如，用于样品化学分析的设备包括壳体、入口、泵、多个膜和至少一个检测器。壳体包含设备的内部腔室。壳体上的入口将样品引入内部腔室。泵连接到壳体，以在内部腔室中形成部分真空。多个膜对样品的不同成分具有不同的响应时间。多个膜包括至少第一膜和第二膜。第一膜和第二膜中的至少一个包括管状部分。多个膜对样品的不同成分具有不同的响应时间。检测器用于检测样品与多个膜相互作用后的不同成分。

Description

化学分析设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年5月8日提交的美国临时专利申请序列号No.62/668,493的优先权，其全部内容以引用的方式并入到本文中。
技术领域
本申请总体上涉及例如化学分析仪的分析系统，并且尤其涉及快速响应质量分析技术。
背景技术
传统化学分析设备的一个局限性是它们不容易在现场部署，以便允许快速评估监测区域(例如机场、建筑物等)中可能存在的潜在危险化学物质，因为它们需要固定安装。传统技术的另一个局限性是分析不能快速进行，因为这些技术是在一个整体过程中进行的，需要相当长的时间才能完成。传统技术的另一个局限性涉及这样一个事实，即当例如在质谱下分析时，某些不同的分子具有相同的轮廓图，并且不容易彼此区分，导致在筛选或监测特定目标分子时潜在的假阳性。
发明内容
提出了用于化学分析的方法和设备。在一方面，用于样品化学分析的设备包括壳体、入口、泵、多个膜和至少一个检测器。壳体包含设备的内部腔室。壳体上的入口将样品引入内部腔室。泵连接到壳体，以在内部腔室中形成部分真空。多个膜对样品的不同成分具有不同的响应时间。多个膜包括至少第一膜和第二膜。第一膜和第二膜中的至少一个包括管状部分。多个膜对样品的不同成分具有不同的响应时间。检测器用于检测样品与多个膜相互作用后的不同成分。
在另一方面，提出了一种用于样品化学分析的方法。第一步包括将样品引入至对样品的不同成分具有不同响应时间的多个膜。第二步包括由于多个膜的不同响应时间而分离样品的不同成分。第三步包括在用多个膜分离后检测气体的不同成分。
在再一方面，一种用于样品化学分析的设备包括壳体、入口、泵、多个膜、至少一个检测器和至少一个加热元件。该腔室用于接收样品。多个膜对样品的不同成分具有不同的响应时间。多个膜至少部分地设置在腔室中。检测器设置在腔室中，并用于检测样品与多个膜相互作用后的不同成分。检测器包括质谱仪。至少一个加热元件设置在多个膜中的至少一个附近。至少一个加热元件被配置成加热多个膜中的至少一个，以便于不同成分的不同响应时间。
上述实施例仅是示例性的。其他实施例在所公开主题的范围内。
附图说明
因此，为了理解本发明的特征，可以参考某些实施例对本发明进行详细描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了本发明的某些实施例，而因此不应被认为是对其范围的限制，因为所公开的主题的范围也涵盖其他实施例。附图不一定按比例绘制，重点通常放在说明本发明某些实施例的特征上。在附图中，在各个视图中，相同的附图标记用于指示相同的部件。
图1-2是根据本文阐述的方面的示例性系统的示意图；
图3A-3E是根据本文阐述的方面的用于分析化学物质的示例性方法的流程图；
图4是根据本文阐述的方面的膜组件的图像的图形表示；
图5是根据本文阐述的方面的两个膜组件的图像的图形表示；
图6是根据本文阐述的方面的膜组件的图像的图形表示；
图7是根据本文阐述的方面的化学分析仪的输出曲线图；
图8是根据本文阐述的方面的化学分析仪的输出曲线图；
图9是根据本文阐述的方面的化学分析仪的输出曲线图；
图10A-10B是根据本文阐述的方面的化学分析仪的输出曲线图；和
图11A-11B是根据本文阐述的方面的化学分析仪的输出曲线图。
具体实施方式
所公开主题的实施例提供了用于化学分析的技术。其他实施例在所公开主题的范围内。
本发明部分地提供了用于快速检测空气中以十亿分之几或万亿分之几浓度存在的潜在危险气体或挥发性有机化合物(例如化学武器)的技术和系统。当然，本技术不限于检测化学武器，并且可以用于涉及有毒化学物质的工业和其他应用中。比如YX神经毒气、沙林、光气、芥子气、氯气、氰化物等是可以使用本文描述的技术快速检测的所有候选化学物质。
申请人已经发现，某些膜与不同的分子具有不同的相互作用时间，并且如果化学分析仪被配置为包括一个或多个这样的膜，则不同的分子可以以一定程度的时间分离通过膜。虽然时间分离通常不是完美的，但是膜可以引入充分的分离，使得质谱或其他检测器技术可以用于以快速方式识别低至十亿分之几或万亿分之几的气体的组分。在下面描述的一些示例中，用膜的物理分离可以与分析技术配对。
一般来说，在一个方面，本文提供了一种用于样品化学分析的设备，包括壳体、入口、泵、多个膜和至少一个检测器。壳体包含设备的内部腔室。壳体上的入口将样品引入内部腔室。泵连接到壳体，以在内部腔室中形成部分真空。多个膜对样品的不同成分具有不同的响应时间。多个膜包括至少第一膜和第二膜。第一膜和第二膜中的至少一个包括管状部分。多个膜对样品的不同成分具有不同的响应时间。检测器用于检测样品与多个膜相互作用后的不同成分。在一个实施例中，检测器包括质谱仪。在另一个实施例中，该设备还包括用于将样品引入多个膜的腔室。
在示例性实施方式中，多个膜依序暴露于样品。在另一种实施方式中，多个膜并行地暴露于样品。在又一实施例中，多个膜对具有特定质荷比的多种成分具有不同的响应时间。
在一个实施例中，该设备还包括加热元件，以便于不同成分的不同响应时间。在另一个实施例中，不同的成分包括不同的分子。在另一个实施例中，检测器被配置为在样品与多个膜中的第一个相互作用之后执行样品的第一次检测以确定初步结果，并且如果初步结果指示成果的可能性，则在样品与多个膜中的第二个相互作用之后执行样品的第二次检测以确定最终结果。
在一个具体实施例中，该设备包括例如棒的手持结构，并且棒包括腔室、膜、检测器、加热元件、电池、微控制器等。在这种情况下，棒上的入口允许对样品进行第一次分析(例如，通过在空气中挥动或握住棒来收集)，该第一次分析快速完成。继续这个示例，第一次分析可以排除某些分子例如有毒分子的存在，在这种情况下，分析完成。然而，第一次分析可能指示某种分子的潜在存在，并且然后第二次分析将在入口(或另一个入口)排队，以允许空气与第二个膜相互作用，这在分析之前需要更长的时间量。这种两阶段(或概括地说，n阶段)分析可以便于手持化学分析设备的操作者快速筛选区域或目标。
在另一方面，提出了一种用于样品化学分析的方法。第一步包括将样品引入对样品的不同成分具有不同响应时间的多个膜。第二步包括由于多个膜的不同响应时间而分离样品的不同成分。第三步包括在用多个膜分离后检测气体的不同成分。
在该方法的一个实施例中，分离样品的不同成分包括开始和停止样品的流动。在另一个实施例中，引入样品包括在第一时间将样品引入多个膜中的第一个，并在第一时间之后的第二时间将样品引入多个膜中的第二个。在另一个实施例中，该方法还包括在第一时间将样品引入多个膜中的第一个之后检测初步结果，并且如果初步结果指示成果的可能性，则在第二时间将样品引入多个膜中的第二个之后检测最终结果。举例来说，样品可以同时或依序引入到多个膜。
在另一方面，用于样品化学分析的设备包括壳体、入口、泵、多个膜、至少一个检测器和至少一个加热元件。腔室用于接收样品。多个膜对样品的不同成分具有不同的响应时间。多个膜至少部分地设置在腔室中。检测器设置在腔室中，并用于检测样品与多个膜相互作用后的不同成分。检测器包括质谱仪。至少一个加热元件设置在多个膜中的至少一个附近。至少一个加热元件被配置成加热多个膜中的至少一个，以便于不同成分的不同响应时间。在不同的示例中，多个膜依序或并行地暴露于样品。如所实施的，多个膜可以对具有特定质荷比的多种成分具有不同的响应时间。
图1示意性地示出了一种系统，其中膜组件60位于化学分析仪壳体84的入口处，化学分析仪壳体84包括位于壳体入口侧的离子源82。壳体84的内部可以例如通过泵抽至真空。离子源包括灯丝(未示出)或用于产生电子(e-)流的其他构件，电子流与包括分析物的样品气体83一起注入电离体积或电离腔室中，样品气体83在化学分析仪壳体84的入口30处穿过膜组件60。电子与样品气体83的进入分子的碰撞产生正离子85的形成，正离子85被加速进入质谱仪质量过滤器86，例如四极质量过滤器，其中质量被传感器例如离子检测器81扫描用于检测，该传感器具有电子倍增器或法拉第杯，该电子倍增器或法拉第杯设置在壳体84的与入口30的相对端处。
在各个方面，不同的阀可以设置在膜组件61内或其附近，以允许具有分析物或含有分析物的混合物或组合物的样品气体83施加到膜组件60。气体供应可以包括泵，该泵适于施加正压以将材料推向膜60，或者施加负压以将材料拉过膜60。
在一个示例中，气体83的感兴趣的分析物是非极性分子，其在膜60材料中比本体气体(例如空气)或液体(例如水)更易溶解。因此，气体83具有比原始样品高得多的分析物浓度。
在一示例中，Dow Corning™ Silastic™ Q7-4750生物医学/药物级铂固化硅树脂材料可用作膜。
举例来说，对不同分子具有不同渗透率的不同膜可以单个地使用或组合使用。通过使用多个膜，使用一种材料比使用另一种材料可以实现更好的分离。此外，在本文描述的系统的多个膜实施例中，通过第一膜材料的速率可以与通过第二膜材料的速率进行比较。在这种情况下，通过两个不同膜的相对速率差可以帮助限定分子，并将分子与来自其他化学物质的背景噪声分离。
应当注意，分离的一个目标是阻止新样品向膜流动。停止流动后，存在的气体将以其自身的速率通过一个或多个膜，这可能取决于膜的组成、厚度和物理几何形状。相比之下，如果样品流动不停止，则到达膜的新样品将只是继续流过膜，而不能及时实现分离。
许多方案使用PDMS膜材料；非极性分子快速通过PDMS膜材料，而极性分子则不然。
继续图1，膜60是穿过腔室的管，腔室例如被抽至低压。样品泵通过管抽取载体流体流；载体流体输送分析物。该系统有利地允许在管的进入口处截留许多污染物，因此分析物可以流过管的进入口下游的部分。一些分析物穿过膜60进入真空腔室，并被检测器81检测到。示例性检测器包括但不限于质谱仪(例如，飞行时间、四极质量传感器、离子阱或磁扇区)；光电离检测器；光学检测器(例如，检测荧光、吸光度或拉曼散射)；金属氧化物传感器；和石英晶体微天平。一些感测技术在腔室的壳体中采用真空，而一些不使用。壳体84内的大气组成和压力可以基于待检测的分析物和检测器的操作来选择。在各个方面，MIMS系统被用作连续过程监测器(CPM)中的检测单元。该系统附连到待监测过程中的腔室或设备而不是入口。膜直接暴露于腔室或设备中的流体(例如气体)。
可以部署加热器83来加热膜60。例如，加热器83可以用来自LED或二极管激光器的光子(例如，红外线)照射膜60。这允许通过选择优先被膜吸收的波长，并且以非接触的方式进行，仅加热膜。可以进行快速加热和冷却(没有热质量与膜直接接触)。二极管或其他辐射源可以布置在真空系统或真空腔室内。可以使用任意数量的源，例如，一个较强的源或较弱源的阵列。值得注意的是，作为一个优点，使用多个膜直接减少了假阳性检测事件的数量，而同时减少了扫掠给定区域所需的总检测时间。
接下来转到图2，描述了双膜系统200。如图所描绘，第一薄膜261和第二膜260部署在系统200中。在一个示例中，阀(未示出)可以沿着从膜261到膜260的流动路径部署，使得一次只有一个膜暴露于样品。在其他示例中，两个膜可以同时与样品流体连通。在图2的示例中，可选的第二入口30’用虚线描绘，如果提供的话，将允许样品并行地引入到两个膜260和261。该替代实施例将便于将样品并行地引入两个膜，而不是其中入口首先将样品引入膜260，并且然后接着将样品引入膜261的串联布置。
其他示例可以包括三个、四个、五个或更多不同的膜，它们经由泵和/或阀系统连接。膜可以具有不同的化学组成和厚度，并且可以被设计成帮助分离不同的化学物质。膜可以是顺序的，或者与样品入口平行。膜可以是像膜261一样的平坦薄膜，或者可以是像膜260一样的管状膜。作为操作概述，图1或图2中描述的系统可以部署在便携式测试套件中，具有用于吸入大气的棒。在这种情况下，棒可以包括用于将大气样品递送到膜的进气端口。本领域普通技术人员将容易理解，可以在系统中部署一个或多个阀和/或泵，以允许气体撞击膜中的一个或多个。
图3A-3E是根据本文阐述的方面的用于分析化学物质的示例性方法的流程图。从图3A开始，方法300A使用例如图1中描述的单膜系统。在方法300A开始后，在框304，混合物被连续施加到膜上。混合物可以包括例如用于分离的多种化学组分。接下来，在框306，检测器，例如质谱仪，测量腔室内的分析物。例如，假设没有超过正常的大气化合物的存在，系统可以确定不需要进一步分析，并且在框308不开始分离，在框318确定样品气体中的分析物，并且在框320通过返回到框304继续测量。
在图3A的另一个示例中，在框308，基于在样品气体被连续施加到膜上的同时进行的初步测量，方法300A可以确定需要分离。例如，可以检测到足够的信号来显示一些挥发性有机化合物的存在。在框308处需要分离时，在框310处，例如使用阀停止样品向膜流动。通过在框310停止样品流动，系统和膜中已经存在的任何样品都可以在一秒或多秒的时段内通过膜到达检测器。
在另一个示例中，在框312，方法300A可以决定加热样品是期望的。例如，框306处的初步测量可以指示一些感兴趣的分析物可能存在，这些分析物可以通过加热膜进一步时间分离。接下来，在框314，将热量施加到样品和/或膜。注意，在其他实施例中，框312和314也可以颠倒，在样品流动停止之前施加热量，这取决于膜可以多快被加热以帮助样品中分析物的分离。
继续图3A的方法300A，在框316，检测器可以测量腔室中的分析物。如下文进一步详细解释的，该测量步骤现在具有由膜引起的时间分离的好处(根据情况，可以是加热或不加热)。因此，在框318，分析物的确定可以是可能的和/或可以比没有分离时更准确。
图3B描绘了方法300B，其使用图2的系统200，具有第一(例如，替代)膜261(图2)以及膜260(图2)。在这种情况下，在方法300B的框330，样品混合物被施加到替代膜261。例如，膜261可以是与膜260具有相同组成(或甚至不同组成)的更薄的膜，并因此可以允许混合物更少的总时间分离，但是以更高得多的速度。然后，在框332，测量腔室中的分析物，并且尽管膜261可能没有提供足够的分辨率来以99%的置信度确定气体的化学组成，但是将存在足够的信息来触发膜260的使用。在这种情况下，在框334，该方法将前进到框308，并且该方法将继续经过框310-320，如先前参考图3A所描述。值得注意的是，在快速响应检测模式期间，系统可以使用较薄的膜261连续循环经过框330-334，寻找需要进一步动作的指示。例如，该系统可以部署在棒中，棒发出低音量嘟嘟声，以指示没有任何缺陷。在这种情况下，一旦(在框332)检测到规定化学物质的可能性，棒就可以发出更大的嘟嘟声，向使用者指示棒应该被保持在该点，并且该方法正在触发分离和分析。
接下来转到图3C，方法300C的又一个实施例开始并前进经过如以上关于方法300A(图3A)或方法300B(图3B)所描述的框304-308，但是不同之处在于在框308确定所需的分离。在所描绘的实施例中，方法300则在框340确定在框340使用几个不同的分离膜中的哪一个。然后，使用阀和/或泵，方法300在框342将气体样品混合物施加到所选择或选定的膜。例如，基于在框306执行的初始初步分析，系统可能已经将可能化学组分缩小到更小的子集，并且然后可以将可能子集映射到更适于分离那些化学组分的特定膜，并且可以启用或不启用加热。随后，方法300C如上文关于方法300A(图A)或方法300B(图B)所描述的，前进经过框312-320。
在另一个示例中，图3D公开了方法300D，该方法开始，并且然后在框350将样品气体混合物施加到替代传感器。例如，替代传感器可以是不同的质谱仪，或者可以是离子迁移谱仪，或者用于确定气体或流体中存在的化学物种的任何其他分析传感器。作为解释，如前文所提到的，本文公开的多阶段系统允许初始或初步测试触发后续更准确的检测器。有利的是，不同检测器的组合允许更快速的整体检测。接下来，方法300D在框352分析来自替代传感器的信号，并且前进到框334以触发分离，并且前进经过框304-320，如以上关于方法300B(图3B)所描述。
在自动化化学分析的不同实施方式中，图3E描绘了方法300E，方法300E在框360安排常规分离。例如，方法300E可以周期性地对大气或测试环境进行采样，在框362，每几秒、几分钟或几小时触发一次测试。此后，方法300E前进经过步骤304-320，如关于方法300A(图3A)、方法300B(图3B)、方法300C(图3C)或方法300D(图3D)中的任一个所描述的。
图4是包括凸缘410和管形式膜420的膜组件图像的图形表示。膜420在入口430处穿过凸缘410。贯穿本公开使用的术语“入口”并不限制通过入口430的流动方向；入口430可以将流体接收到膜420中，或者将流体从膜420传出。膜420可以如图所示布置成环，或者直的，或者是另一种配置。
图5是使用不同膜420、520的两个膜组件的图像的图形表示。每个都具有凸缘410、510和入口430、530。
图6是包括凸缘610的膜组件的图像的图形表示。六个入口530穿过凸缘布置，其中一个连接到管，而其中四个被盖住。如图所示，入口530可以具有不同的尺寸。六个入口530可以支撑例如三个不同的膜管(例如，管420、520，图5)。入口530的直径和膜520的直径不必相同。在各个方面，凸缘、膜或者凸缘和一个或多个膜的组件是现场可替换单元(LRU)，即，它们可以在不将系统送回工厂进行修理的情况下被替换。
图7是化学分析仪(例如，图2的系统200)的输出随时间变化的曲线图700，使用具有单一分析物的图2的系统200展示实验结果，以一般性术语解释行为。在图7的示例中，在框710，样品被施加到例如环状膜。接下来，在框720，停止样品的流动。如可以看出的，在框720停止流动后，随着样品从膜中出现，样品信号开始上升，达到峰值并再次下降。接下来，在框730，样品被施加到薄膜261(图2)和环状膜260(图2)上。信号立即上升。随后，在框740停止流动，并且随着信号上升到峰值701，随着分析物从膜上洗脱，以及然后信号衰减，存在延迟反应。
图8是化学分析仪(例如，图2的系统200)的输出随时间变化的曲线图800，其中施加了两种化合物。甲苯用曲线801描绘，并且磷酸三乙酯(TEP)用曲线802描绘。在框810，两者继续施加到系统200。因为甲苯通过膜的速度更快，所以看到尖峰。接下来，在框820，流动停止。现在，在框830，当TEP从膜出现时，TEP信号上升，而甲苯信号下降。
图9是化学分析仪(例如，图2的系统200)的输出随时间变化的曲线图，其中施加了两种化合物。在框910，甲苯(百万分之16.4)和水杨酸甲酯(百万分之1.4)的二元混合物流入系统200。曲线901描绘甲苯信号，以及曲线902描绘水杨酸甲酯信号。如可以看出的，甲苯信号快速上升，并且可能会在框920被检测到。到时间t0时，甲苯信号下降。在框930，样品流动停止。到时间t1，甲苯信号下降，并且在时间t2，水杨酸甲酯信号达到峰值。
接下来，图10A-11B用于示出时间分离可以与分析方案(例如，算法)组合，以实现对混合气体中存在的化学物质的更准确识别。
为了展示通过本文阐述的技术解决的另一个问题，图10A是化学分析仪(例如，图2的系统200)的输出随时间变化的理想化概念曲线图100A，其中施加了三种化合物。在这个概念曲线图100A中，理想化的检测展现出化合物A、B和C分别用信号101、102和103表征。当然，如果正在测量单个信号(例如，压力)，那么这三个单独的信号101-103将不是不同的，而是合并成一个信号。图10B描绘了图10A的示例，其中信号已经全部合并在一起。在曲线图100B中，化合物A、B和C组合以产生单个信号104。本文阐述的技术解决了这个问题，允许图10B的组合信号104去卷积，以展现图10A的单个信号101-103。
继续沿着图10A-10B的脉络，图11A-11B是质谱仪输出的曲线图，示出了在Y轴上的信号强度和在X轴上的以原子质量单位(以amu表示的m/z)表示的每单位电荷的质量。图11A示出了感兴趣的示例化学物质A的轮廓图110A。在这个示例中，化学物质A的特征在于包括30%的线111、12%的线112、25%的线113和10%的线114的读数。
然而，如果化学物质A存在于化学物质A、B和C的混合物中，则在通过图2的系统200发送并使用如上所描述的（多个）膜分离之后，质谱仪的输出可以示出如图11B所示的轮廓图110B。在这种情况下，可以如下部署进一步的分析或算法分离。在轮廓图110B中，除了在轮廓图110A中为化学物质A标注的线111-114之外，还存在线115和线116。此外，不同的线111-116的相对信号强度可能是由于不同的化合物。例如，在图11B中，线115仅指示化学物质C，线111指示化学物质A和C的组合，线112指示化学物质A和B的组合，线116指示化学物质B和C的组合，线113仅指示化学物质A，线114仅指示化学物质C，以及线117仅指示化学物质B。
分离的算法方案如下。从质谱仪收集的数据通常由随时间重复的扫描组成，其中每次扫描都是质量-电荷m/z强度的阵列。当光谱仪暴露于连续变化的分子碎片浓度时，它产生m/z强度值的二维矩阵(例如，如图11A-11B中所描述的)。化合物识别算法检查该矩阵以确定特定目标化学物质的存在或不存在。该任务通常分为两个单独的子任务：提取和搜索。
在第一个子任务中，从数据流中提取相对纯的光谱。当光谱仪中可能同时存在几种不同的分子时，提取(也称为去卷积)是必要的。一些可能以不同的速率增加浓度，而一些正在减少，并且另一些可能是相对稳定的背景的一部分。混合物中的每个分子在其m/z特性中可能有独特的分量，但它们也可能有重叠的m/z分量。提取试图正确识别对应于单独分子的相关m/z强度组。有关AMDIS如何实施提取的细节，请参见[Stein 1999]。其他方案的示例描述在[Liang 1992]，[Hanato 1992]。
在第二子任务中，从原始数据矩阵中提取相对纯的光谱，并将每个未知的提取光谱与一组已知的参考光谱(库)进行比较。提取的光谱通常在参考库中没有精确的匹配，因此计算未知光谱与库中每个候选光谱之间的相似性度量，从而允许参考光谱按照最接近匹配的次序排列。关于NIST如何实施库搜索的细节，参见[Stein 1994]
在本申请中，我们描述了一种提取(或去卷积)的潜在新方案。现有的方案，如AMDIS使用的方案，利用了化合物如何从气相色谱柱洗脱进入质谱仪的一致性。在GC-MS中，离子强度根据峰的形状随时间而变化，峰形状具有可测量的性质例如高度、宽度、面积、拖尾等。然而，在复杂背景存在下通过MIMS系统进入光谱仪的化合物并不遵循这些可预测的峰图案。我们的方案(暂称为mzcc，用于质量/电荷相关聚类)不依赖强度的变化来遵循任何特定的图案。
算法“mzcc”的输入是3次或更多次扫描的序列，其中每次扫描列出一系列m/z比率的强度。超过3次扫描通常会产生更好的结果。这些扫描中的每次扫描必须测量相同的质量，以便可以比较它们随时间变化的相对值。例如，该算法具有三个步骤。
步骤1：“边界选择”选择要分析的时间间隔。在实时检测应用中，这通常是最近可用的扫描，因此算法必须简单地决定在其分析中要考虑在时间上向后多少次的扫描。
步骤2：“相关测量：计算例如选定时间间隔内每个质量和所有其他质量之间的皮尔逊积矩相关系数。这一计算的结果展现了每种离子的强度随时间的变化与所有其他离子的相关性有多强。
步骤3：“聚类：使用无监督的机器学习聚类算法将离子分组到最密切相关的那些簇中。存在可用于此目的的许多不同聚类算法，例如分级聚类。
三个步骤中的每一个都可以通过多种不同的方式进行调节，以优化结果。
在步骤1中，该算法必须考虑相对于背景化合物，目标化合物的存在预计变化的多快。例如渐进因子分析之类的技术可用于识别相对噪声较大或较稳定的区域，以选择分析边界。由于后续步骤依赖于m/z强度同时测量的估计值，因此对随时间收集的数据进行去偏移非常重要。
在步骤2中，可对结果应用阈值，以减少所考虑的质量数。权衡较高质量的相对重要性也可能有所帮助，这要求较低质量之间的相关性比较高质量之间的相关性更紧密。将相关性测量值转换为步骤3中使用的距离度量可能会影响结果。选项包括使用(1- C)或sqrt(1-C)或-log(C)或(1/C)-1。
在步骤3中，选择聚类算法，以及算法的参数，例如最小聚类大小、元件之间的最小距离等，会对结果产生重大影响。在某些情况下，单质量可能存在于多于一种同时出现的化合物中。例如，mz 127存在于六氟化硫和磷酸三乙酯中，但一种化合物的浓度可能在增加，而另一种在减少。在这种情况下，127与其他化合物中的任一化合物中存在的其他质量不会很好的相关。例如“软聚类”(其中每个元件不一定只分配给单个簇)的技术可能会有所帮助。也可以用目标化合物的知识来影响聚类算法。
下面列出的以下参考文献以全文引用的方式并入到本文中：
Stein 1999: An Integrated Method for Spectrum Extraction and CompoundIdentification from GC/MS Data, Stephen E. Stein, Journal of the AmericanSociety for Mass Spectrometry 1999。
Liang 1992: Heuristic evolving latent projections: resolving two-waymulticomponent data, Olav M. Kvalheim and Yi Zeng. Liang, AnalyticalChemistry 1992。
Hanato 1992: Hantao, L.W., Aleme, H.G., Pedroso, M.P., Sabin, G.P.,Poppi, R.J., & Augusto, F. (2012). Multivariate curve resolution combinedwith gas chromatography to enhance analytical separation in complex samples:a review. Analytica chimica acta, 731, 11-23。
就权利要求参考多个元件叙述短语“其中至少一个”而言，这旨在表示所列元件中的至少一个或多个，并且不限于每种元件的至少一个。例如，“元件A、元件B和元件C中的至少一个”旨在表示单独的元件A、或单独的元件B、或单独的元件C，或它们的任意组合。“元件A、元件B和元件C中的至少一个”不旨在限于元件A中的至少一个、元件B中的至少一个和元件C中的至少一个。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳方式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等同结构元件，则这些其他示例旨在包括在权利要求的范围内。
如本领域技术人员将理解的，本发明的方面可以体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明的方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)的形式，或者组合软件和硬件方面的实施例，这些方面在本文中可以统称为“服务”、“电路”、“电路系统”、“模块”和/或“系统”。此外，本发明的各方面可以采取体现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质具有体现在其上的计算机可读程序代码。
可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是，例如但不限于，电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非穷举列表)将包括以下：具有一条或多条电线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或闪速存储器）、光纤、便携式光盘只读存储器（CD-ROM）、光存储设备、磁存储设备或前述的任何合适的组合。在本文献的上下文中，计算机可读存储介质可以是能够包含或存储由指令执行系统、装置或设备使用或结合指令执行系统、装置或设备使用的程序的任何有形介质。
体现在计算机可读介质上的程序代码和/或可执行指令可以使用任何合适的介质来传输，包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等、或前述的任何合适的组合。
用于执行本发明各方面的操作的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言的任意组合来编写，包括面向对象的编程语言，例如Java、Smalltalk、C++等，以及传统的过程编程语言，例如“C”编程语言或类似的编程语言。程序代码可以完全在使用者的计算机(设备)上执行，以及部分在使用者的计算机上执行，作为独立的软件包，部分在使用者的计算机上执行，部分在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到使用者的计算机，包括局域网（LAN）或广域网（WAN），或者可以连接到外部计算机(例如，通过使用因特网服务提供商的因特网)。
本文参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明的各方面。应当理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实施流程图和/或框图的一个框或多个框中规定的功能/动作的手段。
这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，该介质可以指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实施流程图和/或框图的一个框或多个框中规定的功能/动作的指令的制品。
计算机程序指令也可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤，从而产生计算机实施的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实施流程图和/或框图的一个框或多个框中规定的功能/动作的过程。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于样品化学分析的设备，所述设备包括：
壳体，其包含所述设备的内部腔室；
所述壳体上的入口，用于将所述样品引入所述内部腔室中；
泵，其连接到所述壳体以在所述内部腔室中形成部分真空；
多个膜，其对所述样品的不同成分具有不同的响应时间，所述多个膜包括第一膜和第二膜，其中所述第一膜和所述第二膜中的至少一个包括管状部分；和
检测器，其用于检测所述样品在与所述多个膜相互作用之后的不同成分，其中所述设备被配置成
将所述样品引入所述多个膜；
一段时间后停止所述样品向所述多个膜的流动，以便于所述样品的分离；和
在所述样品与所述多个膜中的第一个相互作用以确定初步结果之后，以及在所述样品与所述多个膜中的第二个相互作用以确定最终结果之后，连续检测所述内部腔室中的分析物。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述检测器包括质谱仪，并且离子源设置在所述内部腔室内。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜中的至少另一个包括设置在所述入口与所述内部腔室之间的平坦部分。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜包括第三膜。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜依序暴露于所述样品。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜并行地暴露于所述样品。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜对具有特定质荷比的多种成分具有不同的响应时间。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括加热元件，以便于所述不同成分的不同的响应时间。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述不同成分包括不同的分子。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述检测器被配置为在所述样品与所述多个膜中的第一个相互作用之后执行所述样品的第一次检测以确定初步结果，并且如果所述初步结果指示成果的可能性，则在所述样品与所述多个膜中的第二个相互作用之后执行所述样品的第二次检测以确定最终结果。
11.一种用于样品化学分析的方法，所述方法包括：
将样品引入对所述样品的不同成分具有不同的响应时间的多个膜；
由于所述多个膜的不同的响应时间，分离所述样品的不同成分；
检测用所述多个膜分离后的气体的不同成分；
在所述样品与所述多个膜中的第一个相互作用以确定初步结果之后，以及在所述样品与所述多个膜中的第二个相互作用以确定最终结果之后，连续检测所述内部腔室中的分析物。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步地，其中分离所述样品的不同成分包括开始和停止所述样品的流动。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述引入包括在第一时间将所述样品引入所述多个膜中的第一个，并在所述第一时间之后的第二时间将所述样品引入所述多个膜中的第二个。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在所述第一时间将所述样品引入所述多个膜中的第一个之后检测初步结果，并且如果所述初步结果指示成果的可能性，则在所述第二时间将所述样品引入所述多个膜中的第二个之后检测最终结果。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述引入包括同时将所述样品引入所述多个膜。
16.一种用于样品化学分析的设备，所述设备包括：
壳体，其包含所述设备的内部腔室；
所述壳体上的入口，用于将所述样品引入所述内部腔室中；
泵，其连接到所述壳体以在所述内部腔室中形成部分真空；
多个膜，其对所述样品的不同成分具有不同响应时间，所述多个膜包括第一膜和第二膜，其中所述第一膜和第二膜中的至少一个包括管状部分；和
检测器，其用于检测所述样品与所述多个膜相互作用之后的不同成分，所述检测器包括质谱仪；和
至少一个加热元件，其设置在所述多个膜中的至少一个膜附近，其中所述至少一个加热元件被配置为加热所述多个膜中的至少一个膜，以便于所述不同成分的不同的响应时间，其中所述设备被配置为
将所述样品引入所述多个膜；
一段时间后停止所述样品向所述多个膜的流动，以便于所述样品的分离；和
在所述样品与所述多个膜中的第一个相互作用以确定初步结果之后，以及在所述样品与所述多个膜中的第二个相互作用以确定最终结果之后，连续检测所述内部腔室中的分析物。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜依序暴露于所述样品。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜并行地暴露于所述样品。
19.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜对具有特定质荷比的多种成分具有不同的响应时间。
20.根据权利要求1所述的设备，其中不同成分包括不同的分子。

Claims (20)

1.一种用于样品化学分析的设备，所述设备包括：
壳体，其包含所述设备的内部腔室；
所述壳体上的入口，用于将所述样品引入所述内部腔室中；
泵，其连接到所述壳体以在所述内部腔室中形成部分真空；
多个膜，其对所述样品的不同成分具有不同的响应时间，所述多个膜包括第一膜和第二膜，其中所述第一膜和所述第二膜中的至少一个包括管状部分；和
检测器，其用于检测所述样品在与所述多个膜相互作用之后的不同成分。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述检测器包括质谱仪，并且离子源设置在所述内部腔室内。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜中的至少另一个包括设置在所述入口与所述内部腔室之间的平坦部分。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜包括第三膜。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜依序暴露于所述样品。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜并行地暴露于所述样品。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜对具有特定质荷比的多种成分具有不同的响应时间。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括加热元件，以便于不同成分的不同的响应时间。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述不同成分包括不同的分子。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述检测器被配置为在所述样品与所述多个膜中的第一个相互作用之后执行所述样品的第一次检测以确定初步结果，并且如果所述初步结果指示成果的可能性，则在所述样品与所述多个膜中的第二个相互作用之后执行所述样品的第二次检测以确定最终结果。
11.一种用于样品化学分析的方法，所述方法包括：
将样品引入对所述样品的不同成分具有不同的响应时间的多个膜中；
由于所述多个膜的不同的响应时间，分离所述样品的所述不同成分；以及
检测用所述多个膜分离后的气体的不同成分。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步地，其中分离所述样品的不同成分包括开始和停止所述样品的流动。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述引入包括在第一时间将所述样品引入所述多个膜中的第一个，并在所述第一时间之后的第二时间将所述样品引入所述多个膜中的第二个。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在所述第一时间将所述样品引入所述多个膜中的第一个之后检测初步结果，并且如果所述初步结果指示成果的可能性，则在所述第二时间将所述样品引入所述多个膜中的第二个之后检测最终结果。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述引入包括同时将所述样品引入所述多个膜。
16.一种用于样品化学分析的设备，所述设备包括：
壳体，其包含所述设备的内部腔室；
所述壳体上的入口，用于将所述样品引入所述内部腔室中；
泵，其连接到所述壳体以在所述内部腔室中形成部分真空；
多个膜，其对所述样品的不同成分具有不同响应时间，所述多个膜包括第一膜和第二膜，其中所述第一膜和第二膜中的至少一个包括管状部分；和
检测器，其用于检测所述样品与所述多个膜相互作用之后的所述不同成分，所述检测器包括质谱仪；和
至少一个加热元件，其设置在所述多个膜中的至少一个膜附近，其中所述至少一个加热元件被配置为加热所述多个膜中的至少一个膜，以便于所述不同成分的不同的响应时间。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜依序暴露于所述样品。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜并行地暴露于所述样品。
19.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个膜对具有特定质荷比的多种成分具有不同的响应时间。
20.根据权利要求1所述的设备，其中不同的成分包括不同的分子。
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