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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer und ein Erfassungsverfahren, das dasselbe verwendet.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Das U.S.-Patent
US 7 259 369 B2 offenbart ein Verfahren zum Verwenden eines elektrischen Quadrupolfelds, um die positiven und die negativen Ionen gleichzeitig zu halten, wobei die positiven und die negativen Ionen in einer Speicherregion angeordnet sind. Es gibt jedoch Bedarf an einer Verbesserung des Ionenbeweglichkeitsspektrometers.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 11 2009 001 895 T5 ist ein Ionengatter eines Ionenmobilitätsspektrometers bekannt, das eine Ionenquelle und mehrere Gatterelektroden, die auf beiden Seiten der Ionenquelle angeordnet sind, aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In einem breiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer vorgesehen, das in der Lage ist, positive und negative Ionen gleichzeitig zu erfassen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer vorgesehen, das folgende Merkmale umfasst: eine Elektrode, an der eine Ionisierungsquelle angeordnet ist; zwei Speicherelektroden, die jeweils an zwei gegenüberliegenden Seiten der Elektrode angeordnet sind, wobei Ionen von einem Zwischenteil zwischen den zwei Speicherelektroden in einem inneren Raum jeder Speicherelektrode gespeichert werden und die gespeicherten Ionen von den Speicherelektroden freigegeben werden durch Ändern elektrischer Potentiale der zwei Speicherelektroden, und zwei Herausführungselektroden, die jeweils in der Nähe der zwei Speicherelektroden an den der Elektrode zugewandten Seiten der zwei Speicherelektroden angeordnet sind, wobei die Ionen von dem Zwischenteil zwischen den zwei Speicherelektroden zu den Speicherelektroden geführt werden durch elektrische Potentialdifferenzen zwischen den Herausführungselektroden und der Elektrode.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Elektrode ein ringförmiges Bauglied und die Ionisierungsquelle ist in dem ringförmigen Bauglied angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung haben die Herausführungselektroden jeweils einen inneren Raum, und die Ionen werden durch die inneren Räume der Herausführungselektroden zu den Speicherelektroden geführt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen die Speicherelektroden jeweils ein ringförmiges Bauglied, das den inneren Raum bildet, und ein leitfähiges maschenartiges Bauglied, das an einer Seite des ringförmigen Bauglieds angeordnet ist, die dem Zwischenteil abgewandt ist und mit dem ringförmigen Bauglied elektrisch verbunden ist.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist jede der Herausführungselektroden ein ringförmiges Bauglied, das den inneren Raum bildet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung verringert sich die Querschnittsfläche des inneren Raums, der durch das ringförmige Bauglied von jeder der Speicherelektroden gebildet wird, allmählich zu dem Zwischenteil hin.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung verringert sich die Querschnittsfläche des inneren Raums, der durch das ringförmige Bauglied von jeder der Herausführungselektroden gebildet wird, allmählich zu dem Zwischenteil hin.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat der innere Raum, der durch das ringförmige Bauglied von jeder der Speicherelektroden gebildet wird, die Form eines Kegelstumpfs oder eines Teils einer Kugel.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat der innere Raum, der durch das ringförmige Bauglied von jeder der Herausführungselektroden gebildet wird, die Form eines Kegelstumpfs oder eines Teils einer Kugel.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Ionenbeweglichkeitsspektrometer ferner: Driftregioneinlasselektroden, die jeweils an Seiten der Speicherelektroden angeordnet sind, die den Herausführungselektroden abgewandt sind; wobei jede Driftregioneinlasselektrode ein ringförmiges Bauglied, das einen zylindrischen inneren Raum bildet, und ein leitfähiges maschenartiges Bauglied, das an einer der Speicherelektrode zugewandten Seite des ringförmigen Bauglieds der Driftregioneinlasselektrode angeordnet ist und mit dem ringförmigen Bauglied der Driftregioneinlasselektrode elektrisch verbunden ist, umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Herausführungselektroden, die Speicherelektroden und die Elektrode koaxial angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Herausführungselektroden, die Speicherelektroden, die Elektrode und die Driftregioneinlasselektroden koaxial angeordnet.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Löcher des maschenartigen Bauglieds der Speicherelektrode mit Löchern des maschenartigen Bauglieds der Driftregioneinlasselektrode in einer axialen Richtung ausgerichtet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Elektrode auf einem elektrischen Potential von Null.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Erfassungsverfahren vorgesehen, das ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer verwendet. Das Ionenbeweglichkeitsspektrometer umfasst: eine Elektrode, an der eine Ionisierungsquelle angeordnet ist; eine erste Herausführungselektrode, die an einer ersten Seite der Elektrode angeordnet ist, eine erste Speicherelektrode, die an einer Seite der ersten Herausführungselektrode angeordnet ist, die der Elektrode abgewandt ist, eine erste Driftregioneinlasselektrode, die an einer Seite der ersten Speicherelektrode angeordnet ist, die der ersten Herausführungselektrode abgewandt ist, eine zweite Herausführungselektrode, die an einer zweiten Seite der Elektrode angeordnet ist, die der ersten Seite gegenüberliegt, eine zweite Speicherelektrode, die an einer Seite der zweiten Herausführungselektrode angeordnet ist, die von der Elektrode abgewandt ist, eine zweite Driftregioneinlasselektrode, die an einer Seite der zweiten Speicherelektrode angeordnet ist, die der zweiten Herausführungselektrode abgewandt ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: einen Schritt des Speicherns negativer Ionen: Speichern der negativen Ionen an der ersten Speicherelektrode, indem ein elektrisches Potential der ersten Speicherelektrode höher gemacht wird als ein elektrisches Potential der ersten Driftregioneinlasselektrode und ein elektrisches Potential der ersten Herausführungselektrode; einen Schritt des Speicherns positiver Ionen: Speichern der positiven Ionen an der zweiten Speicherelektrode, indem ein elektrisches Potential der zweiten Speicherelektrode niedriger gemacht wird als ein elektrisches Potential der zweiten Driftregioneinlasselektrode und ein elektrisches Potential der zweiten Herausführungselektrode; wobei der Schritt des Speicherns negativer Ionen und der Schritt des Speicherns positiver Ionen gleichzeitig durchgeführt werden.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Erfassungsverfahren ferner: einen Schritt des Herausführens negativer Ionen: Herausführen der Ionen von der ersten Speicherelektrode zu einer ersten Driftregion für die Erfassung, indem das elektrische Potential der ersten Herausführungselektrode niedriger gemacht wird als das elektrische Potential der ersten Speicherelektrode, und indem das elektrische Potential der ersten Speicherelektrode niedriger gemacht wird als das elektrische Potential der ersten Driftregioneinlasselektrode; und einen Schritt des Herausführens positiver Ionen: Herausführen der Ionen von der zweiten Speicherelektrode zu einer zweiten Driftregion für die Erfassung, indem das elektrische Potential der zweiten Herausführungselektrode höher gemacht wird als das elektrische Potential der zweiten Speicherelektrode, und indem das elektrische Potential der zweiten Speicherelektrode höher gemacht wird als das elektrische Potential der zweiten Driftregioneinlasselektrode; wobei der Schritt des Herausführens negativer Ionen und der Schritt des Herausführens positiver Ionen gleichzeitig ausgeführt werden.
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Empfindlichkeit und Auflösung können effektiv verbessert werden mit einfacher Steuerung durch die obigen Konfigurationen und Verfahren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Ansicht eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Herausführungselektrode des Ionenbeweglichkeitsspektrometers gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine schematische Ansicht der Herausführungselektrode des Ionenbeweglichkeitsspektrometers gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Herausführungselektrode eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Speicherelektrode eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines leitfähigen maschenartigen Bauglieds der Speicherelektrode des Ionenbeweglichkeitsspektrometers gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Driftregioneinlasselektrode eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines leitfähigen maschenartigen Bauglieds der Driftregioneinlasselektrode des Ionenbeweglichkeitsspektrometers gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9 ist ein schematisches Diagramm elektrischer Potentiale von einer Elektrode, Herausführungselektroden, Speicherelektroden, Driftregioneinlasselektroden und verbleibenden Driftregionelektroden eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Achse der Abszisse Positionen der Elektroden darstellt und die Achse der Ordinate elektrische Potentiale darstellt;
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10 ist ein schematisches Diagramm, das die elektrischen Potentiale der Elektrode, der Herausführungselektrode, der Speicherelektrode, der Driftregioneinlasselektrode und der verbleibenden Driftregionelektroden des Ionenbeweglichkeitsspektrometers gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung variierend mit der Zeit darstellt, wobei die Abszissenachse die Zeit darstellt und die Ordinatenachse das elektrische Potential darstellt und das elektrische Potential der Elektroden für positive Ionen angelegt wird;
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11 ist ein schematisches Diagramm, das die elektrischen Potentiale der Elektrode, der Herausführungselektrode, der Speicherelektrode, der Driftregioneinlasselektrode und der verbleibenden Driftregionelektroden des Ionenbeweglichkeitsspektrometers gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung variierend mit der Zeit darstellt, wobei die Abszissenachse die Zeit darstellt und die Ordinatenachse ein elektrisches Potential darstellt und das elektrische Potential der Elektroden für negative Ionen angelegt wird.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Eine weitere Beschreibung der Erfindung wird nachfolgend mit Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen durchgeführt.
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Wie es in 1 dargestellt ist, umfasst ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung: eine Elektrode 1 und zwei Speicherelektroden 5 und 5', die jeweils an gegenüberliegenden Seiten der Elektrode 1 angeordnet sind. Ionen von einem Zwischenteil zwischen den zwei Speicherelektroden 5 und 5' (d. h. zu der Elektrode 1 von 1 hin) können gespeichert werden, und die gespeicherten Ionen können von den Speicherelektroden 5 und 5' freigegeben werden durch Ändern elektrischer Potentiale der zwei Speicherelektroden 5 und 5'.
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Das Ionenbeweglichkeitsspektrometer 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Gehäuse 100, Beweglichkeitsgaseinlässe 15 und 17, die in dem Gehäuse 100 angeordnet sind, einen Trägergas- und Probeneinlass 21 und einen Trägergasauslass 19 umfassen. Alternativ kann eine Ionisierungsquelle 101 außerhalb des Gehäuses 100 vorgesehen sein, und in diesem Fall können der Trägergas- und Probeneinlass 21 und der Trägergasauslass 19 entsprechend in der Ionisierungsquelle 101 vorgesehen sein.
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Das Ionenbeweglichkeitsspektrometer 10 kann ferner Folgendes umfassen: zwei Herausführungselektroden 3 und 3', die an Seiten der zwei Speicherelektroden 5 und 5' benachbart zu der Elektrode 1 und jeweils in einer Nähe der zwei Speicherelektroden 5 und 5' angeordnet sind. Die Ionen von dem Zwischenteil zwischen den zwei Speicherelektroden 5 und 5' werden in die Speicherelektroden 5 und 5' eingebracht durch eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Herausführungselektrode 3 und 3' und der Elektrode 1.
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Die Elektrode 1 kann eine ringförmige Komponente sein. Die Ionisierungsquelle 101 kann in der ringförmigen Komponente angeordnet sein, wie es in 1 dargestellt ist. Die Elektrode 1 kann jede andere geeignete Form aufweisen, beispielsweise eine Form einer Platte.
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Wie es in 1–4 dargestellt ist, haben die Herausführungselektroden 3 und 3' innere Räume 31 bzw. 31', und Ionen werden durch die inneren Räume 31 und 31' in die Speicherelektroden 5 und 5' eingebracht. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Ionenbeweglichkeitsspektrometer 10 alternativ nicht die Herausführungselektroden 3 und 3', aber die Ionen werden durch die elektrische Potentialdifferenzen zwischen den Speicherelektroden 5, 5' und der Elektrode 1 in die Speicherelektroden 5 und 5' eingebracht. Die Ionen werden in den Speicherelektroden 5 und 5' gespeichert durch Einstellen elektrischer Potentiale der Speicherelektroden 5 und 5'.
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Wie es in 1–4 gezeigt ist, sind die Herausführungselektroden 3 und 3' ringförmige Komponenten, die mit jeweiligen inneren Räumen 31 und 31' gebildet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verringern sich Querschnittsflächen der inneren Räume 31 und 31' der Herausführungselektroden 3 und 3' allmählich zu dem Zwischenteil hin (d. h. zu der Elektrode 1 von 1 hin). Alternativ können die inneren Räume 31 und 31' andere geeignete Formen aufweisen, beispielsweise eine Form eines Zylinders.
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Wie es in 1–4 dargestellt ist, haben die inneren Räume 31 und 31' der Herausführungselektroden 3 und 3' bei einigen Ausführungsbeispielen im Wesentlichen eine Form eines Kegelstumpfs oder eines Teils einer Kugel. Die inneren Räume 31 und 31' der Herausführungselektroden 3 und 3' können in anderen geometrischen Figurationen geformt sein, beispielsweise einem Raum, der durch ein Paraboloid gebildet ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in 1, 5 gezeigt ist, haben die Speicherelektroden 5 und 5' innere Räume 53 bzw. 53', und Ionen sind in den inneren Räumen 53 und 53' gespeichert.
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Mit Bezugnahme auf 1, 5, 6 umfasst die Speicherelektrode 5 bei einigen Ausführungsbeispielen ein ringförmiges Bauglied 51, das den inneren Raum bildet, und ein leitfähiges maschenartiges Bauglied 52, das an einer Seite des ringförmigen Bauglieds 51 angeordnet ist, die dem Zwischenteil abgewandt ist (d. h. abgewandt von der Elektrode 1 von 1), und mit dem ringförmigen Bauglied 51 elektrisch verbunden ist. Gleichartig dazu hat die Speicherelektrode 5' eine gleiche Struktur wie die Speicherelektrode 5. Bei einem Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf 6 kann das maschenartige Bauglied 52 aus einem leitfähigen ringförmigen Bauglied 521 bestehen und einem leitfähigen Netz 522, das elektrisch und mechanisch mit dem ringförmigen Bauglied 521 verbunden ist. Alternativ kann das maschenartige Bauglied 52 nur durch das leitfähige Netz gebildet sein. Querschnittsflächen der inneren Räume 53 und 53', die durch die ringförmigen Bauglieder der Speicherelektroden 5 und 5' gebildet sind, verringern sich allmählich zu dem Zwischenteil hin (d. h. zu der Elektrode 1 von 1 hin). Alternativ können die inneren Räume 53 und 53' jede andere geeignete Form haben, wie z. B. eine Form eines Zylinders. Als ein Beispiel der Speicherelektroden 5 und 5' können die Löcher des maschenartigen Bauglieds 52 verschiedene Löcher umfassen, wie z. B. ein hexagonales Loch, ein rundes Loch oder ein rechteckiges Loch usw. Das ringförmige Bauglied 51 und das maschenartige Bauglied 52 stoßen aneinander an und sind elektrisch miteinander verbunden. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist es erforderlich, dass Fäden des maschenartigen Bauglieds 52 so dünn wie möglich sind, die Größe der Ionenspeicherregionen, die durch die Speicherelektroden gebildet werden, geringer als 5 mm in einer axialen Richtung ist und der innere Raum 53 der Speicherelektrode 5 eine Region bildet, in der kein elektrisches Feld existiert.
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Mit Bezugnahme auf 1 und 5 sowie 4 können bei einigen Ausführungsbeispielen die inneren Räume 53 und 53', die durch die ringförmigen Bauglieder der Speicherelektroden 5 und 5' gebildet sind, im Wesentlichen eine Form eines Kegelstumpfs oder eines Teils einer Kugel haben. Es sollte klar sein, dass die inneren Räume 53 und 53', die durch die ringförmigen Bauglieder der Speicherelektroden 5 und 5' gebildet sind, in jeder anderen geometrischen Figuration geformt sein können. Beispielsweise können die inneren Räume 53 und 53' ein Raum sein, der durch ein Paraboloid oder dergleichen gebildet ist.
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Mit erneuter Bezugnahme auf 1 kann das Ionenbeweglichkeitsspektrometer ferner Folgendes umfassen: Driftregioneinlasselektroden 7 und 7', die jeweils an Seiten der Speicherelektroden 5 und 5' angeordnet sind, die den Herausführungselektroden 3 und 3' abgewandt sind. Die Driftregioneinlasselektrode 7 umfasst ein ringförmiges Bauglied 71, das einen zylindrischen inneren Raum 73 bildet, und ein leitfähiges maschenartiges Bauglied 72, das an einer Seite des ringförmigen Bauglieds 71 benachbart zu der Speicherelektrode 5 angeordnet ist und mit dem ringförmigen Bauglied 71 der Driftregioneinlasselektrode 7 elektrisch verbunden ist. Die Driftregioneinlasselektrode 7' hat eine gleiche Struktur wie die Driftregioneinlasselektrode 7. Bei einem Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf 8 kann das maschenartige Bauglied 72 aus einem leitfähigen ringförmigen Bauglied 721 und einem leitfähigen Netz 722 bestehen, das elektrisch und mechanisch mit dem ringförmigen Bauglied 721 verbunden ist. Alternativ kann das maschenartige Bauglied 72 nur durch das leitfähige Netz gebildet sein.
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Alternativ können die Driftregioneinlasselektroden 7 und 7' eine andere geeignete Konfiguration aufweisen. Beispielsweise können die Driftregioneinlasselektroden 7 und 7' einen konischen inneren Raum aufweisen oder lediglich ein ringförmiges Bauglied sein. Als ein Beispiel der Driftregioneinlasselektrode 7 umfassen Löcher des maschenartigen Bauglieds 72 verschiedene Löcher, wie z. B. hexagonale Löcher, runde Löcher, rechteckige Löcher usw. Das ringförmige Bauglied 71 und das maschenartige Bauglied 72 stoßen aneinander an und sind elektrisch miteinander verbunden.
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Wie es in 1 dargestellt ist, sind bei einigen Ausführungsbeispielen die Herausführungselektroden 3 und 3', die Speicherelektroden 5 und 5' und die Elektrode 1 koaxial angeordnet. Bei einigen anderen Ausführungsbeispielen, wie es in 1 gezeigt ist, sind die Herausführungselektroden 3 und 3', die Speicherelektroden 5 und 5', die Elektrode 1 und die Driftregioneinlasselektroden 7 und 7' in koaxialer Anordnung.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen, wie es in 1 dargestellt ist, sind die Löcher der maschenartigen Bauglieder der Speicherelektroden 5 und 5' im Wesentlichen ausgerichtet mit den Löchern der maschenartigen Bauglieder der Driftregioneinlasselektroden 7 und 7' in der axialen Richtung (d. h. der horizontalen Richtung in 1). Daher kann sich die Wahrscheinlichkeit der Annihilation der Ionen aufgrund von Kollidieren verringern.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Ionenbeweglichkeitsspektrometer ferner: die verbleibenden Driftregionringelektroden 9 und 9' und Faraday-Platten 10 und 11, wie es in 1 dargestellt ist. Ferner sind die obigen Elektroden getrennt durch Isoliermaterial. Die Ionisierungsquelle kann eine Isotopquelle von 36 Ni sein, eine verwendbare Ionisierungstechnologie kann Corona-Entladung, Laser, Ultraviolettstrahlen, X-Ray-Strahlenquellen usw. umfassen. Die Elektrode 1 kann als eine Abschirmung für die Ionisierungsquelle 101 dienen und kann auf einem konstanten Nullpotential sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Ionenherausführungselektroden und die Speicherelektroden eine Form eines Trompetentrichters haben.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist ein Raum zwischen der Speicherelektrode 5 und der Driftregioneinlasselektrode 7 und ein Raum zwischen der Speicherelektrode 5' und der Driftregioneinlasselektrode 7' geringer als 3 mm, um den Eintritt der Ionen in die Driftregionen von den Driftregioneinlasselektroden zu ermöglichen.
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Wie es in 9 dargestellt ist, bezeichnen Bezugszeichen 101, 103, 105, 107, 109, 103', 105', 107' und 109' die elektrischen Potentiale der Elektrode 1, der Herausführungselektrode 3, der Speicherelektrode 5, der Driftregioneinlasselektrode 7, der verbleibenden Driftregionringelektrode 9, der Herausführungselektrode 3', der Speicherelektrode 5', der Driftregioneinlasselektrode 7' bzw. der verbleibenden Driftregionringelektrode 9'. In 9 stellen die durchgezogenen Linien elektrische Potentiale in einem Speicherzustand dar, in dem Ionen in den Speicherelektroden gespeichert sind, und die gestrichelten Linien stellen elektrische Potentiale dar, bei denen die Ionen für eine Erfassung von den Speicherelektroden zu den Driftregionen geführt werden.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen können die elektrischen Potentiale der Herausführungselektrode 3 und der Speicherelektrode 5 variieren.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen des Ionenbeweglichkeitsspektrometers ist während einer Speicherstufe des Speicherns der Ionen an den Speicherelektroden 5 und 5' das elektrische Potential 105' der Speicherelektrode 5' höher als das elektrische Potential 107' der Driftregioneinlasselektrode 7' und das elektrische Potential 103' der Herausführungselektrode 3' für negative Ionen (mit Bezugnahme auf die linke Seite von 9), und das elektrische Potential 105 der Speicherelektrode 5 ist niedriger als das elektrische Potential 107 der Driftregioneinlasselektrode 7 und das elektrische Potential 103 der Herausführungselektrode 3 für positive Ionen (mit Bezugnahme auf die rechte Seite von 9). Während einer Herausführungsstufe des Herausführens der Ionen von den Speicherelektroden 5 und 5' ist das elektrische Potential 103' der Herausführungselektrode 3' niedriger als das elektrische Potential 105' der Speicherelektrode 5', und das elektrische Potential 105' der Speicherelektrode 5' ist niedriger als das elektrische Potential 107' der Driftregioneinlasselektrode 7' für die negativen Ionen; und das elektrische Potential 103' der Herausführungselektrode 3' ist höher als das elektrische Potential 105' der Speicherelektrode 5' und das elektrische Potential 105' der Speicherelektrode 5' ist höher als das elektrische Potential 107' der Driftregioneinlasselektrode 7' für die positiven Ionen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Elektrode 1 auf einem Potential von Null.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen, wie es in 1 und 9 dargestellt ist, haben die Elektrode 1, die als die Metallabschirmung der Ionisierungsquelle 101 dient, die Herausführungselektrode 3 und die Speicherelektrode 5 unterschiedliche elektrische Potentiale, ein konstantes elektrisches Potential ist an die Driftregioneinlasselektrode 7 angelegt und einheitlich absteigende elektrische Potentiale sind an die jeweiligen verbleibenden Driftregionringelektroden 9 angelegt, um die Driftregion zu bilden. Daher werden die positiven Ionen durch die Faraday-Platte 11 gespeichert, gedriftet und gesammelt. Gleichartig dazu haben die Elektrode 1, die Ionenherausführungselektrode 3' und die Speicherelektrode 5' unterschiedliche elektrische Potentiale, ein konstantes elektrisches Potential ist an die Driftregioneinlasselektrode 7' angelegt und einheitlich aufsteigende elektrische Potentiale sind an die jeweiligen verbleibenden Driftregionringelektroden 9' angelegt, um die Driftregion zu bilden. Die durchgehenden Linien 109 und 109' bezeichnen die elektrischen Potentiale der Ringelektroden 9 bzw. 9'. Die elektrischen Potentiale der Ringelektroden 9 und 9' bleiben stabil und konstant an der Speicherstufe und der Ionenherausführungsstufe.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen an der Ionenspeicherstufe bewegen sich die positiven Ionen zu einer gebildeten Potentialfalle (potential trap) 105, die zu speichern ist, und die negativen Ionen bewegen sich zu einer gebildeten Potentialfalle 105', die zu speichern ist. Die Potentialfallen mit geeigneter Tiefe können gebildet werden durch Einstellen der elektrischen Potentiale der Elektroden, um eine maximale Speicherkapazität zu erhalten und die Ionen schnell von den Potentialfallen auszustoßen. Die elektrischen Potential der Ionenherausführungselektrode 3 und der Speicherelektrode 5 werden gleichzeitig auf Pegel angehoben, die durch die gestrichelte Linie 103 und 105 angezeigt sind, und die positiven Ionen werden in die Driftregion geführt, um gedriftet und gesammelt zu werden. Dann kehren die elektrischen Potentiale der Ionenherausführungselektrode 3 und der Speicherelektrode 5 zu den elektrischen Potentialen zurück, die in dem Speicherzustand angelegt werden. Gleichartig dazu werden die elektrischen Potentiale der Ionenherausführungselektrode 3' und der Speicherelektrode 5' gleichzeitig auf Pegel angehoben, die angezeigt sind durch die gestrichelte Linie 103' und 105', und die negativen Ionen werden in die Driftregion geleitet, um gedriftet und dann differenziert zu werden. Danach kehren die elektrischen Potentiale der Ionenherausführungselektrode 3' und der Speicherelektrode 5' zu den elektrischen Potentialen zurück, die in dem Speicherzustand angelegt werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Erfassungsverfahren, das das Ionenbeweglichkeitsspektrometer 10 verwendet. Das Ionenbeweglichkeitsspektrometer umfasst: eine Elektrode 1, eine Herausführungselektrode 3', die an einer Seite der Elektrode 1 angeordnet ist, eine Speicherelektrode 5', die an einer Seite der Herausführungselektrode 3' angeordnet ist, die der Elektrode 1 abgewandt ist, eine Driftregioneinlasselektrode 7', die an einer Seite der Speicherelektrode 5' angeordnet ist, die der Herausführungselektrode 3' abgewandt ist, eine Herausführungselektrode 3, die an einer Seite der Elektrode 1 angeordnet ist, die der Herausführungselektrode 3' gegenüberliegt, eine Speicherelektrode 5, die an einer Seite der Herausführungselektrode 3 angeordnet ist, die der Elektrode 1 abgewandt ist, und eine Driftregioneinlasselektrode 7, die an einer Seite der Speicherelektrode 5, die der Herausführungselektrode 3 abgewandt ist, angeordnet ist. Das Verfahren umfasst: einen Schritt des Speicherns negativer Ionen: Speichern der negativen Ionen an der Speicherelektrode 5', indem ein elektrisches Potential der Speicherelektrode 5' höher gemacht wird als elektrische Potentiale der Driftregioneinlasselektrode 7' und der Herausführungselektrode 3'; einen Schritt des Speicherns positiver Ionen: Speichern der positiven Ionen an der Speicherelektrode 5, indem ein elektrisches Potential der Speicherelektrode 5 niedriger gemacht wird als elektrische Potentiale der Driftregioneinlasselektrode 7 und der Herausführungselektrode 3. Der Schritt des Speicherns negativer Ionen und der Schritt des Speicherns positiver Ionen können gleichzeitig ausgeführt werden.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner: einen Schritt des Herausführens negativer Ionen: Herausführen der Ionen von der Speicherelektrode 5' zu einer entsprechenden Driftregion 91' für eine Erfassung, indem das elektrische Potential der Herausführungselektrode 3' niedriger gemacht wird als das elektrische Potential der Speicherelektrode 5', und indem das elektrische Potential der Speicherelektrode 5' niedriger gemacht wird als das elektrische Potential der Driftregioneinlasselektrode 7'; und einen Schritt des Herausführen positiver Ionen: Herausführen der Ionen von der Speicherelektrode 5 zu einer zweiten Driftregion 91 für eine Erfassung, indem das elektrische Potential der Herausführungselektrode 3 höher gemacht wird als das elektrische Potential der Speicherelektrode 5, und indem das elektrische Potential der Speicherelektrode 5 höher gemacht wird als das elektrische Potential der Driftregioneinlasselektrode 7. Der Schritt des Herausführens negativer Ionen und der Schritt des Herausführens positiver Ionen können gleichzeitig ausgeführt werden.
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Die Bezugszeichen 201, 207, 203 und 205 von 10 sind Signalverläufe der elektrischen Potentiale der Elektrode 1, der Driftregioneinlasselektrode 7, der Herausführungselektrode 3 und der Speicherelektrode 5, die mit der Zeit variieren. An der Speicherstufe ist die Elektrode 1 auf dem elektrischen Potential von Null, was gleich oder höher ist als das elektrische Potential der Herausführungselektrode 3. Sowohl das elektrische Potential der Herausführungselektrode 3 als auch der Driftregioneinlasselektrode 7 sind höher als das elektrische Potential der Speicherelektrode 5. Daher ist die Speicherregion an der Speicherelektrode 5 gebildet. Währenddessen werden die positiven Ionen, die an der Ionisierungsquelle 101 (mit Bezugnahme auf 1) erzeugt werden, an die Speicherregion gesendet, um gespeichert zu werden. Wenn beabsichtigt ist, die positiven Ionen von der Speicherregion zu der Driftregion herauszuführen, werden die elektrischen Potentiale der Ionenherausführungselektrode 3 und der Speicherelektrode 5 gleichzeitig angehoben um eine Größenordnung, um höher zu sein als das elektrische Potential 207 der Driftregioneinlasselektrode 7. Als Folge werden die positiven Ionen zu der Driftregion gedrückt und dann kehren die elektrischen Potentiale der Ionenherausführungselektrode 3 und der Speicherelektrode 5 zu dem Speicherzustand zurück.
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Die Bezugszeichen 201', 207', 203' und 205' von 11 sind Signalverläufe der elektrischen Potentiale der Elektrode 1, der Driftregioneinlasselektrode 7', der Herausführungselektrode 3' und der Speicherelektrode 5', die mit der Zeit variieren. Bei der Speicherstufe ist die Elektrode 1 an dem elektrischen Potential von Null, das gleich ist oder niedriger als das elektrische Potential der Herausführungselektrode 3'. Sowohl das elektrische Potential der Herausführungselektrode 3' als auch der Driftregioneinlasselektrode 7' sind niedriger als das elektrische Potential der Speicherelektrode 5'. Daher ist die Speicherregion an der Speicherelektrode 5' gebildet. Währenddessen werden die negativen Ionen, die an der Ionisierungsquelle 101 (mit Bezugnahme auf 1) erzeugt werden, an die Speicherregion gesendet, um gespeichert zu werden. Wenn beabsichtigt ist, die negativen Ionen von der Speicherregion zu der Driftregion herauszuführen, werden die elektrischen Potentiale der Ionenherausführungselektrode 3' und der Speicherelektrode 5' gleichzeitig abgesenkt um eine Größenordnung, um niedriger zu sein als das elektrische Potential 207' der Driftregioneinlasselektrode 7'. Als Folge werden die negativen Ionen zu der Driftregion gedrückt und dann kehren die elektrischen Potentiale der Ionenherausführungselektrode 3' und der Speicherelektrode 5' zu dem Speicherzustand zurück.
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Wie es von der obigen Beschreibung offensichtlich ist, bilden die Herausführungselektrode, die an den beiden Seiten vorgesehen ist, und die Elektrode, die an dem Zwischenteil vorgesehen ist, bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Feld, das das Herausführen der Ionen ermöglicht und effektiv die Ionen zu der Speicherregion führt. Da die Speicherelektrode so hergestellt sein kann, dass sie dünn ist in einer Richtung, in der die Ionen driften, kann ein Durchmesser der Speicherelektrode hergestellt sein, um groß zu sein, und eine Intensität des inneren elektrischen Felds ist beinahe Null, eine große Menge an Ionen kann gesammelt werden, eine Dicke des Ionenclusters ist gering und eine Richtungsgeschwindigkeit der Ionen ist beinahe Null. Somit verringert sich eine Breite des Ionenmobilitätsspektrums und somit ist die Auflösung erhöht. Außerdem erleichtert die trompetentrichterförmige oder kugelförmige Speicherregion das Herausführen und Fokussieren der Ionen. Während der Ionenherausführungsstufe ist aufgrund der trompetentrichterförmigen Herausführungselektrode der Effekt eines umgekehrten elektrischen Felds, das zwischen der Ionisierungsquelle und der Herausführungselektrode beim Herausführen der Ionen von der Speicherelektrode gebildet wird, stark reduziert. Weil die Ionen bei der Speicherstufe unablässig zu der Speicherregion geführt werden und die Zeit zum Herausführen der Ionen aus der Speicherregion kurz ist, ist die Empfindlichkeit stark erhöht.
