CN113496866B - 逆流均匀场离子迁移率谱仪 - Google Patents
逆流均匀场离子迁移率谱仪 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113496866B CN113496866B CN202110356412.9A CN202110356412A CN113496866B CN 113496866 B CN113496866 B CN 113496866B CN 202110356412 A CN202110356412 A CN 202110356412A CN 113496866 B CN113496866 B CN 113496866B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ions
- electrodes
- ion mobility
- electric field
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 74
- 238000011067 equilibration Methods 0.000 claims abstract description 20
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 252
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 28
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 21
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 7
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000037230 mobility Effects 0.000 description 108
- 238000001871 ion mobility spectroscopy Methods 0.000 description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 4
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 4
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 238000004252 FT/ICR mass spectrometry Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000000065 atmospheric pressure chemical ionisation Methods 0.000 description 2
- 238000001360 collision-induced dissociation Methods 0.000 description 2
- 238000001211 electron capture detection Methods 0.000 description 2
- 238000001077 electron transfer detection Methods 0.000 description 2
- 238000000132 electrospray ionisation Methods 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 238000005040 ion trap Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000013055 trapped ion mobility spectrometry Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000000451 chemical ionisation Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005429 filling process Methods 0.000 description 1
- 238000001595 flow curve Methods 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- 238000000165 glow discharge ionisation Methods 0.000 description 1
- 238000004128 high performance liquid chromatography Methods 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000004255 ion exchange chromatography Methods 0.000 description 1
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 description 1
- 238000001819 mass spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
- G01N27/622—Ion mobility spectrometry
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/02—Details
- H01J49/10—Ion sources; Ion guns
- H01J49/16—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission
- H01J49/165—Electrospray ionisation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
- G01N27/622—Ion mobility spectrometry
- G01N27/623—Ion mobility spectrometry combined with mass spectrometry
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/004—Combinations of spectrometers, tandem spectrometers, e.g. MS/MS, MSn
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
一种离子迁移率装置包含多个电极和电源。所述多个电极沿着从第一端延伸到第二端的轴线布置。所述多个电极被配置成在所述第二端处接收气体流动，并且提供从所述第二端到所述第一端的气体流动的扩展，使得所述第二端处的第一气体速度大于所述第一端处的第二气体速度。所述电源被配置成：在俘获和平衡时间段期间向所述多个电极施加第一电势以产生第一电场；并且在喷射时间段内向所述电极施加第二电势以产生第二电场，所述第二电场大于所述第一电场。
Description
技术领域
本公开总体上涉及离子色谱领域，其包含逆流均匀场离子迁移率谱仪。
背景技术
离子迁移率谱(IMS)是用于基于其在载流子缓冲气体中的迁移率分离和标识气相中的电离分子的分析技术。IMS仪器可以是非常敏感的独立装置，但通常与质谱、气相色谱或高效液相色谱结合使用，以实现多维分离。
IMS可以用于现代质谱仪的源区，以基于离子形状和尺寸(碰撞横截面，CCS)提供另外分离维度。在与俘获质谱(MS)仪器一起使用时，IMS仪器可以通过束型仪器的标准操作模式或选择性累积模式几乎与任何质量分析仪联接。
发明内容
在第一方面，一种离子迁移率装置可以包含多个电极和电源。所述多个电极可以沿着轴线布置。所述轴线可以从第一端延伸到第二端。所述多个电极可以被配置成在所述第二端附近接收气体流动，并且提供从所述第二端到所述第一端的气体流动的扩展，使得所述第二端处的第一气体速度大于所述第一端处的第二气体速度。所述电源可以被配置成在俘获和平衡时间段期间向所述多个电极施加第一电势以产生第一电场，并且在喷射时间段期间向所述电极施加第二电势以产生第二电场。所述第一电场沿着所述轴线的长度可以是均匀的，并且所述第二电场沿着从所述第一端到所述第二端的所述轴线的长度可以是均匀的。所述第二电场可以大于所述第一电场。在所述俘获和平衡时间段期间，离子可以基于其离子迁移率沿着所述轴线分离到平衡位置，在所述平衡位置中，由所述电场施加的力与由所述气体流动施加的拖曳力平衡，并且在所述喷射时间段期间，离子可以被所述第二电场驱动穿过所述第二端，使得维持了在所述俘获和平衡时间段期间实现的所述分离。
在第一方面的各个实施例中，所述气体流动在所述俘获和平衡时间段以及所述喷射时间段期间可以是恒定的。
在第一方面的各个实施例中，所述多个电极可以形成通道，所述通道的横截面从所述第二端到所述第一端增大。
在第一方面的各个实施例中，所述多个电极可以形成具有均匀横截面的通道。在特定实施例中，所述多个电极的至少一个子集创建用于所述气体流动的远离所述通道的流动路径。
在第一方面的各个实施例中，所述多个电极的至少一个子集可以具有在从所述第二端到所述第一端的方向上延伸的减小的长度或直径。
在第二方面，一种方法可以包含将离子提供到离子迁移率装置的第一端。所述离子迁移率装置可以包含多个电极，所述多个电极沿着从第一端延伸到第二端的轴线布置。所述方法还可以包含在所述离子迁移率装置的所述第二端附近提供气体流动。所述多个电极可以被配置成提供从所述第二端到所述第一端的所述气体流动的扩展，使得气体流动速度从所述第二端到所述第一端减小。所述方法可以进一步包含：在与所述气体流动相反的方向上以第一量级施加电场，所述电场沿着所述轴线是均匀的；以及基于分离的离子迁移率沿着所述轴线将所述离子分离到平衡位置，所述平衡位置是由所述电场施加的力与由所述气体流动施加的拖曳力平衡的位置。所述方法可以进一步包含通过将所述电场增加到第二量级来通过所述第二端喷射离子。
在第二方面的各个实施例中，所述方法可以进一步包含对样品进行电离以产生所述离子。
在第二方面的各个实施例中，所述方法进一步包含在所述离子被喷射之后对所述离子进行分析。
在第二方面的各个实施例中，所述气体流动可以是均匀的。
在第二方面的各个实施例中，所述多个电极可以形成具有可变横截面的通道。
在第二方面的各个实施例中，所述多个电极可以形成具有均匀横截面的通道。在特定实施例中，所述多个电极的至少一个子集可以创建用于所述气体流动的远离所述通道的流动路径。
在第二方面的各个实施例中，所述多个电极的至少一个子集可以具有在从所述第二端到所述第一端的方向上延伸的减小的长度或直径。
在第三方面，一种质谱仪可以包含：离子源，所述离子源被配置成对样品进行电离以产生离子；离子迁移率装置；以及质量分析仪，所述质量分析仪被配置成分析所述离子。
所述离子迁移率装置可以包含：多个电极，所述多个电极沿着轴线布置；以及电源。所述轴线可以从第一端延伸到第二端。所述多个电极可以被配置成在所述第二端附近接收气体流动，并且提供从所述第二端到所述第一端的气体流动的扩展，使得所述第二端处的第一气体速度大于所述第一端处的第二气体速度。所述电源可以被配置成在俘获和平衡时间段期间向所述多个电极施加第一电势以产生第一电场，并且在喷射时间段期间向所述电极施加第二电势以产生第二电场。所述第一电场沿着所述轴线的长度可以是均匀的。所述第二电场沿着从所述第一端到所述第二端的所述轴线的长度可以是均匀的，并且所述第二电场可以大于所述第一电场。
在所述俘获和平衡时间段期间，离子可以基于其离子迁移率沿着所述轴线分离到平衡位置，在所述平衡位置中，由所述电场施加的力与由所述气体流动施加的拖曳力平衡，并且在所述喷射时间段期间，离子可以被所述第二电场驱动穿过所述第二端，使得维持了在所述俘获和平衡时间段期间实现的所述分离。
在第三方面的各个实施例中，所述气体流动在所述平衡/俘获时间段和所述喷射时间段期间可以是恒定的。
在第三方面的各个实施例中，所述多个电极可以形成通道，所述通道的横截面从所述第二端到所述第一端增大。
在第三方面的各个实施例中，所述多个电极可以形成具有均匀横截面的通道。在特定实施例中，所述多个电极的至少一个子集创建用于所述气体流动的远离所述通道的流动路径。
在第三方面的各个实施例中，所述多个电极的至少一个子集可以具有在从所述第二端到所述第一端的方向上延伸的减小的长度或直径。
附图说明
为了更完整地理解本文所公开的原理和其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中：
图1是根据各个实施例的示例性质谱系统的框图。
图2A和2B展示了现有技术俘获离子迁移率分离器(TIMS)装置的操作。
图3A和3B展示了根据各个实施例的TIMS装置中的离子的分离。
图4展示了根据各个实施例的操作TIMS装置的示例性方法。
图5A和5B展示了根据各个实施例的具有可变横截面的示例性TIMS装置。
图6和7展示了根据各个实施例的具有恒定横截面和可变质量流量的示例性TIMS装置。
应当理解的是，附图不一定按比例绘制，附图中的对象彼此之间的关系也不一定按比例绘制。附图是旨在使本文公开的设备、系统和方法的各个实施例清楚且易于理解的描绘。适当的时候，贯穿附图，将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。而且，应当理解的是，附图不旨在以任何方式限制本发明教导的范围。
具体实施方式
本文描述了用于离子分离的系统和方法的实施例。
本文所使用的章节标题仅仅是出于组织的目的并且不应被解释为以任何方式限制所描述的主题。
在对各个实施例的这种详细描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对所公开的实施例的透彻理解。然而，本领域的技术人员将理解，可以在有或没有这些具体细节的情况下实践这些各个实施例。在其它情况下，结构和装置以框图形式示出。此外，本领域的技术人员可以容易地理解，呈现和执行方法的特定顺序是说明性的，并且设想的是，可以改变所述顺序并且所述顺序仍然保持处于本文所公开的各个实施例的精神和范围内。
本申请中所引用的所有文献和类似材料，包含但不限于专利、专利申请、论文、书籍、专著和互联网网页，出于任何目的通过引用整体明确地并入。除非另外描述，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本文所描述的各个实施例所属领域的普通技术人员通常所理解的含义。
应当理解，在本发明教导中讨论的温度、浓度、时间、压力、流速、横截面积等之前存在隐含的“约”，使得轻微的和非实质性的偏差都处于本发明教导的范围内。在本申请中，除非另外特别说明，否则单数的使用包含复数。而且，“包括(comprise或comprises或comprising)”、“含有(contain或contains或containing)”和“包含(include或includes或including)”的使用不旨在是限制性的。应当理解，上述的总体说明和以下详细说明二者均仅为示例性和解释性的并且不限制本发明教导。
如本文所使用的，“一个/种(a/an)”也可以指“至少一个”或“一个或多个”。而且，“或”的使用是包含性的，使得当“A”为真、“B”为真或“A”和“B”二者均为真时，短语“A或B”为真。此外，除非上下文另外要求，否则单数术语应该包含复数含义，并且复数术语应该包含单数含义。
“系统”阐述了一组真实或抽象的组件，包括整体，其中每个组件与整体内的至少另一个组件交互或相关。
质谱平台
质谱平台100的各个实施例可以包含如图1的框图中所示的组件。在各个实施例中，图1的元件可以合并为质谱平台100。根据各个实施例，质谱仪100可以包含离子源102、离子迁移率分离器104、质量分析仪106、离子检测器108和控制器110。
在各个实施例中，离子源102由样品产生多个离子。离子源可以包含但不限于：基质辅助激光解吸/电离(MALDI)源、电喷雾电离(ESI)源、大气压化学电离(APCI)源、大气压光电离源(APPI)、电感耦合等离子体(ICP)源、电子电离源、化学电离源、光电离源、辉光放电电离源、热喷雾电离源等。
在各个实施例中，离子迁移率分离器104可以基于气体内的离子迁移率来分离所述离子。例如，离子迁移率分离器104可以是漂移管、行波IMS、TIMS、场非对称离子迁移率谱仪(FAIMS)等。在各个实施例中，离子迁移率分离器可以从离子源102接收离子，并在质量分析仪106之前提供分离器的另外的尺寸。
在各个实施例中，质量分析仪106可以基于离子的质荷比来分离所述离子。例如，质量分析仪106可以包含四极滤质器分析仪、四极离子阱分析仪、飞行时间(TOF)分析仪、静电阱(例如，轨道阱)质量分析仪、傅里叶变换离子回旋共振(FT-ICR)质量分析仪等。在各个实施例中，质量分析仪106还可以被配置成使用碰撞诱导解离(CID)、电子转移解离(ETD)、电子捕获解离(ECD)、光诱导解离(PID)、表面诱导解离(SID)等来碎裂离子，并且基于质荷比进一步分离碎片离子。在各个实施例中，质量分析仪106可以是混合系统，所述混合系统并入一个或多个通过离子光学器件和存储装置的各种组合耦合的质量分析仪和质量分离器。例如，混合系统可以是线性离子阱(LIT)、高能碰撞解离装置(HCD)、离子传输系统和TOF。
在各个实施例中，离子检测器108可以检测离子。例如，离子检测器108可以包含电子倍增器、法拉第杯(Faraday cup)等。可以通过离子检测器检测离开质量分析仪的离子。在各个实施例中，离子检测器可以是定量的，使得可以确定离子的精确计数。在各个实施例中，如利用静电阱质量分析仪，质量分析仪检测离子，从而将质量分析仪106和离子检测器108两者的性质组合到一个装置中。
在各个实施例中，控制器110可以与离子源102、离子迁移率分离器104、质量分析仪106和离子检测器108通信。例如，控制器110可以配置离子源102或启用/禁用离子源102。进一步地，控制器110可以配置离子迁移率分离器104以选择特定范围的离子迁移率。另外，控制器110可以配置质量分析仪106以选择将要检测的特定质量范围。进一步地，控制器110可以如通过调整增益调整离子检测器108的灵敏度。另外，控制器110可以基于检测到的所述离子的极性调整离子检测器108的极性。例如，离子检测器108可以被配置成检测正离子或被配置成检测负离子。
俘获离子迁移率谱
俘获离子迁移率谱(TIMS)逆变了经典漂移管离子迁移率的分离原理。进入TIMS装置的离子由于气体流动的拖曳而被定位在电场中。离子被俘获在平衡位置处，在所述平衡位置中，所述电场的力和所述气体流动拖曳的力得以平衡。在TIMS中，离子通过轴向电场梯度(EFG)特性在流动的缓冲气体中保持静止(或俘获)，而射频(rf)电势的施加导致俘获在径向尺寸中。
美国专利第7,838,826B1号(M.A.Park,2008)公开了一种俘获离子迁移率谱仪，其基于在反电场势垒上移动驱动离子的气体。图2A和2B中示意性地展示了所述设备及其操作。图2A示出了封闭的四极装置(11)，所述四极装置被竖直切成薄电极，从而形成围绕所述装置的z轴布置的圆管。电极片通过绝缘材料隔开，从而封闭围绕管的电极之间的间隙以使管变得气密。围绕离子迁移率谱仪的质谱仪(未示出)的差分泵送系统的尺寸被设计成使气体在正x方向上流过所述管。进入漏斗的第一部分(10)的离子与气体一起碰撞地聚焦在管(11)的轴线上，并在气体的驱动下沿管的轴线朝着其出口移动通过有孔隔膜(13)。大部分气体通过漏斗部分(12)的电极之间的间隙逸出。
图2B示出了沿z轴的反电场的不同场势垒Ez＝dP/dz。装置的操作从填充过程开始。离子(27)被气体流动吹向场势垒并由于无法克服场势垒而停止。如由离子点(27)的大小象征性地指示的，具有高迁移率(小横截面)的离子聚集在势垒的底部，具有低迁移率的离子在峰顶附近聚集(大横截面)。然后，对于光谱采集，通过在通过曲线状态(23)到(26)的被称为“扫描”(28)的程序中连续降低电压来平滑地降低电势曲线(22)。在扫描过程中，迁移率越来越高的离子可以越过势垒的递减的峰顶并离开离子迁移率谱仪。
如图2B所示，此仪器的特有特征是电场势垒的长增加部分直到位置(20)，即平台的开始。在势垒的底部与顶部之间的这种长距离上升沿z轴以相当大的体积收集离子(27)，从而大大减少任何空间电荷效应。
离子的漂移速度vd是离子迁移率K和电场强度E的函数，vd＝KE。当总速度降至0时，离子就会被俘获在TIMS装置内，v＝vg+vd＝0。
特定离子的离子迁移率K(m)是TIMS内温度T和压力p的函数，
其中T0和p0是标准温度和压力。TIMS内的离子迁移率K(m)可以简化为压力和温度的函数，K(m)＝K′0(m)*p/T。因此，在E恒定的情况下，当压力随位置p(x)变化时，离子速度可以随位置v(x)而变化，并且当v(x)＝0时，离子可以沿着TIMS装置的长度俘获在某个位置处。
图3A展示了在TIMS装置300中俘获的离子。与美国专利第7,838,826B1号的现有技术装置相比，TIMS装置300具有恒定的电场302和沿负x方向定向的气体流动304。在沿着TIMS装置300的长度的量级Em1的恒定电场302和沿负x方向定向的气体流动304的情况下，低迁移率离子306、中迁移率离子308和高迁移率离子310可以随着离子迁移率在正x方向上增加而分离。
在各个实施例中，通过改变随着位置S(x)变化的横截面，K(m)可以随着TIMS装置内的位置而改变。对于气体的给定质量流量Q，
ρ1vg1S1＝p2vg2S2＝Q，
其中在第一位置处ρ1、vg1和S1分别是密度、速度和横截面，并且在第二位置处ρ2、vg2和S2分别是密度、速度和横截面。因此，在俘获位置x处，vg(x)+vd(x)＝0：
在方程的两部分中消去速度产生关系
K′0(m)＝常数/(E*S(x))
具有特定K′0(m)值的离子将基于此关系占据x位置。
当TIMS装置的横截面较小的区域中的气体速度较高时，可以通过使第一端附近的横截面最大并且在离子接近第二端时减小横截面来实现随着离子迁移率变化的离子分离。
在其它实施例中，通过改变质量流量Q(x)，K(m)可以随着TIMS装置内的位置与恒定横截面S而变化。对于给定横截面，Q(x)＝ρ(x)*vg(x)*S。因此，vd(x)＝K(m)*E＝K0(m)*E/ρ(x)＝K′0(m)*vg(x)*E/Q(x)。假定vd(x)＝-vd(x)，方程减少至K′0(m)＝Q(x)/E/S。当俘获时，具有特定K′0(m)值的离子将基于局部Q(x)值占据x轴上的位置。气体速度可以随着TIMS装置的质量流量而变化。换句话说，气体速度随着TIMS装置内的质量流量的减小而减小。在各个实施例中，通过提供流出TIMS装置的流动路径，气体流动可以沿着气体流动的方向减少。为了根据离子迁移率分离离子，可以在离子出口端附近沿着长度向气体流动供应流出装置的流动路径，使得最低质量流量靠近第一端并且最高质量流量靠近第二端。
一旦离子进入其平衡位置，在气体流动保持相同的情况下，通过将电场增加到第二量级Em2以提高离子速度来从装置中释放离子。只要电场足够高以使得在装置的长度上所有目标离子的速度为正，则所有目标离子都可以离开TIMS装置。
图3B展示了在电场302从Em1增加到Em2后离子离开TIMS装置300。高迁移率离子310可以首先离开TIMS装置，然后是中迁移率离子308，并且然后是低迁移率离子306。
图4示出了操作离子迁移率分离器的方法400。在402处，可以在离子迁移率分离器内产生电场。可以通过沿离子迁移率分离器的长度在电极上施加电(直流(DC))势来产生电场。电场沿离子迁移率分离器的长度可以是恒定的，并且可以在俘获和平衡时间段期间设置为第一量级Em1。
在404处，可以在离子迁移率分离器的第二端附近提供气体流动。在离子迁移率分离器的整个操作过程中，进入离子迁移率分离器的气体流动可以是恒定的。
在406处，可以将来自多种分析物的离子在第一端附近引入到TIMS装置中。离子可以具有一定范围的离子迁移率，如取决于分析物的身份。在408处，可以根据离子迁移率来分离离子。TIMS装置可以被配置成使得离子可以根据离子迁移率在沿着TIMS装置的长度的某个点处达到平衡位置v(x)＝0。在各个实施例中，位置依赖性可以通过沿着离子迁移率分离器的长度的横截面变化来实现，使得第一端附近的横截面比第二端附近的横截面大。可替代地，位置依赖性可以通过改变离子迁移率分离器内的质量流量来实现，如通过提供用于气体的沿着TIMS装置的长度逸出的气体流动路径。可以分离离子，使得低迁移率离子更接近第一端，并且高迁移率离子更接近第二端。
在410处，可以增加电场，并且在412处，可以从TIMS装置中喷射离子。由于高迁移率离子靠近第二端，因此可以先喷射高迁移率离子，然后喷射离子迁移率降低的离子。
在414处，可以如通过使用质谱仪来分析离子。
可变横截面
图5A和5B展示了具有可变横截面的离子迁移率分离器500的实施例。在图5A中，离子迁移率分离器500可以包含沿着轴线504布置的多个电极502，如环形电极。离子迁移率分离器500可以具有第一端508和第二端512。电极502可以被布置成使得通道514形成为具有从第一端到第二端(正X方向)减小的横截面(S)。
可以向电极502施加电势以产生均匀电场。电场可以将离子沿正X方向从第一端508推到第二端512。
可以在第二端处供应气体流动516，并且使所述气体流动在第一端的方向(负X方向)上流动。由于离子迁移率分离器500的几何形状和横截面的变化，气体的速度可能随着气体从第二(窄)端移动到第一(宽)端而降低，从而沿着离子迁移率分离器500产生可变拖曳力，其中在第一端处的拖曳力较低，而在第二端处的拖曳力较高。
在俘获和平衡时间段期间，可以以第一量级Em1设置电场，使得v(x)＝0的目标离子沿着离子迁移率分离器500的长度在某个点上。在离子经受恒定电场力并且横截面从第一端508朝着第二端512减小的情况下，可以根据离子迁移率在所述位置处俘获离子。具有较高迁移率的离子在被俘获之前可以前进到更靠近第二端512。因此，可以将离子从第一端508附近的最低离子迁移率到第二端512附近的最高离子迁移率分离。
在喷射时间段期间，在离子迁移率分离器的所有目标离子中，可以以第二量级Em2设置电场使得v(x)>0。这可以驱动所关注的离子通过第二端512，同时维持基于离子迁移率的分离。在替代性实施例中，电场可以通过第一量级Em1与第二量级Em2之间的差值的至少一部分斜升。在具体实施例中，电场可以从Em1跃迁到略低于与所关注的最高离子迁移率的离子相对应的水平，并且然后通过所关注的离子迁移率范围斜升到Em2。
图5B展示了在较宽系统550的背景下的离子迁移率分离器500。可以通过毛细管552引入样品，并且可以形成离子。可以使用区域0中的电场将离子抽吸到装置中。区域0具有带有恒定横截面的开放几何形状以接受离子。离子然后可以移动到区域A中的离子漏斗以聚焦离子。区域B在进入区域C中的离子迁移率分离器500之前具有恒定横截面。在基于离子的迁移率将离子分离之后，在区域G的第二个离子漏斗中进一步聚焦之前，离子穿过区域D、E和F。在离开区域G后，离子可以前进到质量分析仪以便进一步分析。
可以在区域E中引入气体流动。大部分气体流动可以流过区域D、C、B、A和0，直到通过泵送端口554将其从系统中去除为止。
可变质量流量
图6展示了具有恒定横截面和可变质量流量的离子迁移率分离器600的实施例。离子迁移率分离器600可以包含沿着轴线604布置的多个电极602，如环形电极。离子迁移率分离器600可以具有离子入口608和离子出口610。电极602可以被布置成使得通道614形成为具有恒定横截面(S)。
可以向电极602施加电势以产生均匀电场。电场可以将离子沿正X方向从离子入口606推到离子出口610。
可以在迁移率分离区域620的第二端612附近供应气体流动616，并且使所述气体流动在迁移率分离区域620的第一端608的方向(负X方向)上流动。可以在迁移率分离区域620内(如在电极602之间)提供气体流动路径618，使得气体流动616的一部分可以离开离子迁移率分离器600。在迁移率分离区域620内，电极可以是均匀的并且具有相似的长度或外径以提供相似长度的气体流动路径618。气体流动路径618的相似长度可以对气体流动提供相似限制。由于损失了气体的一部分，在负x方向上的质量流量的减少可能产生沿着离子迁移率分离器600的可变拖曳力，其中在第一端处的拖曳力较小，而在第二端处的拖曳力高。
在俘获和平衡时间段期间，可以以第一量级Em1设置电场，使v(x)＝0的所有目标离子沿着离子迁移率分离器620的长度在某个点上。在离子经受恒定电场力并且质量流量从装置620的第一端608朝着装置620的第二端612增加的情况下，可以根据离子迁移率在所述位置处俘获离子。具有更高迁移率的离子在被俘获之前可以前进到更靠近装置620的第二端612。因此，可以将离子从装置620的第一端608附近的最低离子迁移率到装置620的第二端612附近的最高离子迁移率分离。
在喷射时间段期间，在离子迁移率分离器的所有目标离子中，可以以第二量级Em2设置电场使得v(x)>0。这可以驱动离子通过第二端612，同时维持基于离子迁移率的分离。在替代性实施例中，电场可以通过第一量级Em1与第二量级Em2之间的差值的至少一部分斜升。在具体实施例中，电场可以从Em1跃迁到略低于与所关注的最高离子迁移率的离子相对应的水平，并且然后通过所关注的离子迁移率范围斜升到Em2。
图7展示了具有恒定横截面和可变质量流量的离子迁移率分离器700的另一个实施例。离子迁移率分离器700可以包含沿着轴线704布置的多个电极702，如环形电极。离子迁移率分离器700可以具有离子入口706和离子出口710。电极702可以被布置成使得通道714形成为具有恒定横截面(S)。
可以向电极702施加电势以产生均匀电场。电场可以将离子沿正X方向从离子入口706推到离子出口710。
可以在离子迁移率分离区域720的第二端712附近供应气体流动716，并且使所述气体流动在离子迁移率分离区域720的第一端708的方向(负X方向)上流动。可以在离子迁移率分离区域720内(如在电极702之间)提供气体流动路径718，使得气体流动716的一部分可以离开离子迁移率分离器700。在迁移率分离区域720内，电极可以具有可变的长度或外径，以提供不同长度的气体流动路径718。气体流动路径718的不同长度可以对气体流动提供不同的限制。由于损失了气体的一部分，在负x方向上的质量流量的减少可能产生沿着离子迁移率分离器700的可变拖曳力，其中在第一端处的拖曳力较小，而在第二端处的拖曳力高。
与图6中对沿着TIMS装置的长度的流动路径的限制是恒定的相比，图7中对沿着TIMS装置的长度的流动路径的限制是变化的，其中压力越高，第二端712附近的限制就越高。由于通过每个流动路径流出的气体量是压力和限制两者的函数，因此可以通过改变电极的长度/外径来调整质量流量曲线。
在俘获和平衡时间段期间，可以以第一量级Em1设置电场，使v(x)＝0的所有目标离子沿着离子迁移率分离器700的长度在某个点上。在离子经受恒定电场力并且质量流量从第一端708朝着第二端712增加的情况下，可以根据离子迁移率在所述位置处俘获离子。具有较高迁移率的离子在被俘获之前可以前进到更靠近第二端712。因此，离子可以从第一端708附近的最低离子迁移率到第二端712附近的最高离子迁移率分离。
在喷射时间段期间，在离子迁移率分离器的所有目标离子中，可以以第二量级Em2设置电场使得v(x)>0。这可以驱动离子通过第二端712，同时维持基于离子迁移率的分离。在替代性实施例中，电场可以通过第一量级Em1与第二量级Em2之间的差值的至少一部分斜升。在具体实施例中，电场可以从Em1跃迁到略低于与所关注的最高离子迁移率的离子相对应的水平，并且然后通过所关注的离子迁移率范围斜升到Em2。
虽然结合各个实施例对本发明教导进行了描述，但是本发明教导不旨在受限于这种实施例。相反，本发明教导涵盖各种替代方案、修改和等同物，如本领域的技术人员将理解的。
此外，在描述各个实施例时，本说明书可能已经以特定的步骤序列的方式呈现了方法和/或过程。然而，在方法或过程不依赖于本文所阐述的特定步骤顺序的程度上，所述方法或过程不应限于所描述的特定步骤序列。如本领域的普通技术人员将理解的，其它步骤序列也是可能的。因此，本说明书中所阐述的特定步骤顺序不应被解释为对权利要求的限制。另外，针对所述方法和/或过程的权利要求不应限于以所写顺序执行其步骤，并且本领域的技术人员可以容易地理解，可以改变序列并且所述序列仍然保持处于各个实施例的精神和范围内。
Claims (17)
1.一种离子迁移率装置，其包括：
多个电极，所述多个电极沿着轴线布置，所述轴线从第一端延伸到第二端，所述多个电极被配置成在所述第二端附近接收气体流动，并且提供从所述第二端到所述第一端的所述气体流动的扩展，使得所述第二端处的第一气体速度大于所述第一端处的第二气体速度；
电源，所述电源被配置成：
在俘获和平衡时间段期间，向所述多个电极施加第一电势以产生第一电场，所述第一电场沿着所述轴线的长度是均匀的；
在喷射时间段期间，向所述电极施加第二电势以产生第二电场，所述第二电场沿着从所述第一端到所述第二端的所述轴线的长度是均匀的并且大于所述第一电场；
其中在所述俘获和平衡时间段期间，离子基于其离子迁移率沿着所述轴线分离到平衡位置，在所述平衡位置中，由所述电场施加的力与由所述气体流动施加的拖曳力平衡；并且
其中在所述喷射时间段期间，离子被所述第二电场驱出所述第二端，使得维持了在所述俘获和平衡时间段期间实现的所述分离，
其中所述多个电极的至少一个子集具有沿着从所述第二端到所述第一端的方向减小的长度或直径。
2.根据权利要求1所述的离子迁移率装置，其中所述气体流动在所述俘获和平衡时间段以及所述喷射时间段期间是恒定的。
3.根据权利要求1所述的离子迁移率装置，其中所述多个电极形成通道，所述通道的横截面从所述第二端到所述第一端增大。
4.根据权利要求1所述的离子迁移率装置，其中所述多个电极形成具有恒定横截面的通道。
5.根据权利要求4所述的离子迁移率装置，其中所述多个电极的至少一个子集创建用于所述气体流动的远离所述通道的流动路径。
6.一种用于操作离子迁移率装置的方法，所述方法包括：
将离子提供到所述离子迁移率装置的第一端，所述离子迁移率装置包含多个电极，所述多个电极沿着轴线布置，所述轴线从第一端延伸到第二端；
在所述离子迁移率装置的所述第二端附近提供气体流动，所述多个电极被配置成提供从所述第二端到所述第一端的所述气体流动的扩展，使得气体流动速度从所述第二端到所述第一端减小；
在与所述气体流动相反的方向上以第一量级施加电场，所述电场沿着所述轴线是均匀的；
基于离子的离子迁移率沿着所述轴线将所述离子分离到平衡位置，所述平衡位置是由所述电场施加的力与由所述气体流动施加的拖曳力平衡的位置；
通过将所述电场增加到第二量级，从所述第二端喷射离子，
其中所述多个电极的至少一个子集具有沿着从所述第二端到所述第一端的方向减小的长度或直径。
7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括对样品进行电离以产生所述离子。
8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括在所述离子被喷射出来后对所述离子进行分析。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述气体流动是均匀的。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个电极形成具有可变横截面的通道。
11.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个电极形成具有恒定横截面的通道。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个电极的至少一个子集创建用于所述气体流动的远离所述通道的流动路径。
13.一种质谱仪，其包括：
离子源，所述离子源被配置成对样品进行电离以产生离子；
离子迁移率装置，所述离子迁移率装置包括：
多个电极，所述多个电极沿着轴线布置，所述轴线从第一端延伸到第二端，所述多个电极被配置成在所述第二端附近接收气体流动，并且提供从所述第二端到所述第一端的所述气体流动的扩展，使得所述第二端处的第一气体速度大于所述第一端处的第二气体速度；以及
电源，所述电源被配置成：
在俘获和平衡时间段期间，向所述多个电极施加第一电势以产生第一电场，所述第一电场沿着所述轴线的长度是均匀的；并且
在喷射时间段期间，向所述电极施加第二电势以产生第二电场，所述第二电场沿着从所述第一端到所述第二端的所述轴线的长度是均匀的并且大于所述第一电场；
质量分析仪，所述质量分析仪被配置成分析所述离子；
其中在所述俘获和平衡时间段期间，离子基于其离子迁移率沿着所述轴线分离到平衡位置，在所述平衡位置中，由所述电场施加的力与由所述气体流动施加的拖曳力平衡；并且
其中在所述喷射时间段期间，离子被所述第二电场驱动穿过所述第二端，使得维持了在所述俘获和平衡时间段期间实现的所述分离，
其中所述多个电极的至少一个子集具有沿着从所述第二端到所述第一端的方向减小的长度或直径。
14.根据权利要求13所述的质谱仪，其中所述气体流动在所述俘获和平衡时间段以及所述喷射时间段期间是恒定的。
15.根据权利要求13所述的质谱仪，其中所述多个电极形成通道，所述通道的横截面从所述第二端到所述第一端增大。
16.根据权利要求13所述的质谱仪，其中所述多个电极形成具有恒定横截面的通道。
17.根据权利要求16所述的质谱仪，其中所述多个电极的至少一个子集创建用于所述气体流动的远离所述通道的流动路径。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US16/840,044 | 2020-04-03 | ||
| US16/840,044 US11099153B1 (en) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | Counterflow uniform-field ion mobility spectrometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113496866A CN113496866A (zh) | 2021-10-12 |
| CN113496866B true CN113496866B (zh) | 2022-08-16 |
Family
ID=75302299
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110356412.9A Active CN113496866B (zh) | 2020-04-03 | 2021-04-01 | 逆流均匀场离子迁移率谱仪 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11099153B1 (zh) |
| EP (1) | EP3889595B1 (zh) |
| CN (1) | CN113496866B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3924997A4 (en) * | 2019-02-15 | 2022-11-09 | Ohio State Innovation Foundation | SURFACE INDUCED DISSOCIATION DEVICES AND METHODS |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| JP2006523007A (ja) | 2003-04-09 | 2006-10-05 | ブリガム・ヤング・ユニバーシティ | 直交流型イオン移動度分析器 |
| DE102007017055B4 (de) * | 2007-04-11 | 2011-06-22 | Bruker Daltonik GmbH, 28359 | Messung der Mobilität massenselektierter Ionen |
| JP4862738B2 (ja) | 2007-05-08 | 2012-01-25 | 株式会社日立製作所 | イオン移動度分析装置およびイオン移動度分離／質量分析複合装置 |
| US7838826B1 (en) | 2008-08-07 | 2010-11-23 | Bruker Daltonics, Inc. | Apparatus and method for parallel flow ion mobility spectrometry combined with mass spectrometry |
| GB0817433D0 (en) | 2008-09-23 | 2008-10-29 | Thermo Fisher Scient Bremen | Ion trap for cooling ions |
| 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 |
| US8624180B2 (en) * | 2011-04-26 | 2014-01-07 | Bruker Daltonik Gmbh | Resolution enhancement for ion mobility spectrometers |
| US8941054B2 (en) * | 2011-04-26 | 2015-01-27 | Bruker Daltonik Gmbh | Selective ion mobility spectrometer formed from two consecutive mass selective filters |
| CN103515183B (zh) * | 2012-06-20 | 2017-06-23 | 株式会社岛津制作所 | 离子导引装置和离子导引方法 |
| GB201323004D0 (en) | 2013-12-24 | 2014-02-12 | Micromass Ltd | Travelling wave IMS with counterflow of gas |
| CN105702555A (zh) * | 2014-11-27 | 2016-06-22 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种增强差分离子迁移谱电离效率的方法 |
| US9304106B1 (en) | 2015-02-05 | 2016-04-05 | Bruker Daltonik Gmbh | High duty cycle trapping ion mobility spectrometer |
| CN109003876B (zh) * | 2017-06-06 | 2020-10-16 | 岛津分析技术研发（上海）有限公司 | 离子迁移率分析器及分析方法 |
-
2020
- 2020-04-03 US US16/840,044 patent/US11099153B1/en active Active
-
2021
- 2021-03-30 EP EP21165873.7A patent/EP3889595B1/en active Active
- 2021-04-01 CN CN202110356412.9A patent/CN113496866B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US11099153B1 (en) | 2021-08-24 |
| EP3889595A1 (en) | 2021-10-06 |
| EP3889595B1 (en) | 2024-07-17 |
| CN113496866A (zh) | 2021-10-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2926125B1 (en) | Apparatus and method for cross-flow ion mobility spectrometry | |
| US10714322B2 (en) | IRMS sample introduction system and method | |
| US7482582B2 (en) | Multi-beam ion mobility time-of-flight mass spectrometry with multi-channel data recording | |
| US8148679B2 (en) | Efficient atmospheric pressure interface for mass spectrometers and method | |
| US7982183B2 (en) | Ion transfer tube with spatially alternating DC fields | |
| US9939407B2 (en) | Ion mobility separation device with moving exit aperture | |
| CN107567649B (zh) | 在离子阱中分离离子 | |
| EP1760764B1 (en) | Lens device for introducing a second ion beam into a primary ion path | |
| US20090294662A1 (en) | Ion funnel ion trap and process | |
| CA2860100A1 (en) | Ion mobility separation device | |
| US11270877B2 (en) | Multipole ion guide | |
| CN107667414B (zh) | 具有延长运行寿命的质量过滤器、质谱仪及质量过滤离子的方法 | |
| US11282689B2 (en) | Controlling ion temperature in an ion guide | |
| CN107437491B (zh) | 用于减少从线性离子阱径向射出的离子的动能扩散的系统和方法 | |
| CN113496866B (zh) | 逆流均匀场离子迁移率谱仪 | |
| US11114291B2 (en) | Method of separating different ions having similar mass to charge ratios | |
| US11031232B1 (en) | Injection of ions into an ion storage device | |
| US9881782B2 (en) | Method for separating ions according to a physicochemical property | |
| US20220334080A1 (en) | Ion mobility spectrometry |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |