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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Ionenwanderung und insbesondere ein Asymmetriefeld-Ionenmobilitätsspektrometer.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Asymmetriefeld-Ionenwanderung ist eine neue Art von Ionenwanderungstechnik. Sie nutzt die charakteristische Mobilität (Beweglichkeit) geladener molekularer Cluster, die mit der Intensität eines elektrischen Feldes variieren, unter der Wirkung eines starken elektrischen Feldes, um entsprechende Moleküle zu identifizieren. Typischerweise wird ein Asymmetriefeld-Ionenmobilitätsspektrometer aus zwei parallelen Elektroden und einer Sammelelektrode gebildet. Die parallelen Elektroden weisen jeweils eine Länge von weniger als 10 mm und eine Breite von weniger als 5 mm mit einem Abstand von 0,5 mm zwischen ihnen auf. Die Elektroden werden aus Kupfer gebildet, das auf zwei Glasplatten beschichtet ist. Ionisierte Moleküle treten in die Elektroden unter der Wirkung einer gleichmäßigen Gasströmung ein, und nur die geladenen Moleküle, die eine spezifische Bedingung erfüllen, können die Sammelelektrode durch einen Spalt zwischen den Elektroden erreichen. Eine Elektrode ist geerdet, während an der anderen Elektrode Pulse mit einer Amplitude von bis zu 1000 V und einer Pulsbreite von Dutzenden Nanosekunden angelegt werden und gleichzeitig eine Gleichstrom-Kompensationsspannung angelegt wird. Nur die Ionen, die eine Bedingung K1 × t1 = K2 × t2 erfüllen, können den Spalt passieren, wobei K1 eine Ionenmobilität unter dem starken elektrischen Feld ist, t1 eine Hochspannungspulsbreite ist, K2 eine inhärente Mobilität unter einem schwachen elektrischen Feld ist, und t2 eine schwache elektrisches Feldpulsbreite ist. Das Ziel der Identifikation von Substanzen kann durch Abtasten (Scannen) der verschiedenen Ionen, die durch die Gleichstrom-Kompensationsspannung freigesetzt werden, erreicht werden.
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Jedoch kann das oben beschriebene asymmetrische Feldionenmobilitätsspektrometer mit parallelen Elektrodenplatten nicht genau Peakpositionen (Spitzenpositionen) verschiedener Ionen unterscheiden. Daher besteht ein Bedarf, ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einer neuen Elektrodenstruktur bereitzustellen.
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Des Weiteren ist aus der
US 2006/0097156 A1 ein Ionen-Beweglichkeitsspektrometer nach dem FAIMS-Typ (engl.: high Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometer) bekannt. Die durch diese Lehre erzielte Rauschunterdrückung ist jedoch im Lichte der sich vorliegend stellenden Aufgaben unzureichend.
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Ferner sind aus der
WO 2006/105994 A2 ein sog. FAIMS Apparat, welcher einen Ioneneinlass auf der Apparatachse aufweist, aus der
US 2009/0057546 A1 ein Massenspektrometer, und aus der
US 7,265,347 B2 ein mehrfaches Nanosprühsystem zur Ionenbereitstellung ein einem FAIMS-Apparat bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest einen Aspekt der oben genannten Probleme und Mängel des Standes der Technik zu lösen.
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Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Asymmetriefeld-Ionenmobilitätsspektrometer bereitzustellen, das die Peakpositionen verschiedener Ionen genau identifizieren kann.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Asymmetriefeld-Ionenmobilitätsspektrometer bereitzustellen, das verschiedene Ionen unter der gleichen Kompensationsspannung identifizieren kann.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Asymmetriefeld-Ionenmobilitätsspektrometer bereitzustellen, das die Scan-Zeit der Gleichspannung verringern kann.
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Die genannten Aufgaben und Probleme werden durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben mindestens einen oder mehrere der folgenden Vorteile und Wirkungen: Die Verbesserung der Präzision der Identifizierung von Ionenpeakpositionen, die Verringerung der Abtastzeit der Gleichspannung und Typen der Kompensationsspannung, wodurch die Ionendetektionseffizienz verbessert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese Aspekte und/oder andere Aspekte sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich und ohne weiteres aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden.
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1 ist eine strukturelle schematische Ansicht der Elektrodenstruktur in einem asymmetrischen Feldionenbeweglichkeitsspektrometer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine schematische Darstellung der Elektrodenstruktur in 1 zur Verwendung mit einer Ionisierungsquelle;
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3 ist eine Ansicht eines Simulationsverteilungsergebnisses von drei verschiedenen Ionen A, B und C nach dem Passieren der Elektrodenstruktur der 1;
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4 ist eine Ansicht eines Simulationsverteilungsergebnisses von drei verschiedenen Ionen A, B und C, die auf Elektrodenfilamenten eingefangen werden, wobei sie zur gleichen Zeit emittiert werden; und
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5a, 5b und 5c sind Ansichten von Verteilungsergebnissen von Ionen A, B und C mit Molekulargewichten 127, 227 bzw. 327, die auf die in 1 gezeigte Elektrodenstruktur fallen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die technische Lösung der vorliegenden Erfindung wird weiter im Detail durch die folgenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die 1–5c erläutert werden. In der gesamten Beschreibung werden die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen die gleichen oder ähnliche Komponenten bezeichnen. Die Erklärung zu den Ausführungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung soll das allgemeine erfinderische Konzept der vorliegenden Erfindung auslegen, anstatt die vorliegenden Erfindung zu beschränken.
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Mit Bezug auf die 1 und 2 stellt die vorliegende Erfindung ein Asymmetriefeld-Ionenmobilitätsspektrometer 100 mit einer neuen Elektrodenstruktur bereit. Es enthält eine Ionisationsquelle 10 zum Erzeugen von Ionen und eine Elektrodenplatte 20. Es enthält auch eine Vielzahl von Elektrodenfilamenten (Elektrodenwendeln) 40, die gegenüber der Elektrodenplatte 20 positioniert ist und durch einen Analysespalt d von dieser beabstandet sind. Ein elektrisches Hochspannungsfeld wird zwischen den Elektrodenfilamenten und der Elektrodenplatte angelegt, um einen Ionenwanderungsbereich R zu bilden. Die Elektrodenfilamente 40 werden verwendet, um Ionen zu sammeln, die den Ionenwanderungsbereich R nicht passieren. Es enthält ferner eine Sammelelektrode 60, die an einem hinteren Ende des Ionenwanderungsbereich R angeordnet ist, und zum Sammeln der Ionen, die den Ionenwanderungsbereich R passiert haben.
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In einer Ausführungsform kann die Vielzahl von Elektrodenfilamenten 40 mindestens ein Paar eines Referenzfilaments 40a und eines Signalfilaments 40b enthalten, die benachbart zueinander positioniert sind. Das entsprechende Referenzfilament 40a und Signalfilament 40b in dem Paar sind voneinander mit einem vorbestimmten Abstand (wie gezeigt) voneinander angeordnet. Es gibt eine gewisse Potentialdifferenz zwischen dem entsprechenden Referenzfilament 40a und Signalfilament 40b in jedem Paar. Vorzugsweise sind die jeweiligen Referenzfilamente 40a und Signalfilamente 40b auf eine andere Weise angeordnet und voneinander in einer Ebene beabstandet. Der Fachmann wird wissen, dass die oben beschriebene Elektrodenfilamentstruktur durch ein Verfahren des Festziehens der Filamente, Ätzen der Filamente und so weiter hergestellt werden kann.
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Das entsprechende Referenzfilament 40a und Signalfilament 40b in jedem Paar des Referenzfilaments und Signalfilaments werden jeweils mit zwei Enden auf der gleichen Seite eines induktiven Kopplers 50 über eine Kapazität verbunden, so dass ein Signal über Ionen, die durch jedes Signalfilament 40b gesammelt werden, auf der anderen Seite des induktiven Kopplers 50 abgegriffen/extrahiert werden kann. Weiter kann eine Potentialdifferenz zwischen dem entsprechenden Referenzfilament 40a und Signalfilament 40b in jedem Paar gleich oder weniger als 5 V sein.
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In einer Ausführungsform kann die Potentialdifferenz zwischen dem entsprechenden Referenzfilament 40a und Signalfilament 40b in jedem Paar gleich 5 V sein. Insbesondere kann das Potential der Referenzfilaments 40a 0 V sein, und das des Signalfilaments +5 V oder –5 V sein. Das oben beschriebene Paar des Referenzfilaments 40a und Signalfilaments 40b kann in einer Differentialkupplung ausgebildet werden, um das Signal über Ionen, die von dem Signalfilament 40b (das als ein Sammlungsfilament dient) gesammelt werden, zu extrahieren. Durch einen solchen Vergleich und Sammlung werden Ladungen auf jedem Signalfilament 40b konzentriert, wodurch die Sammeleffizienz verbessert wird. Wie oben beschrieben werden bis zu Tausende elektrische RF-Felder an die Elektrodenplatte angelegt, was zu sehr starken Rauschstörungen führt. Als Ergebnis können nur Ionen mit messbarer Ladungsmenge größer als die Rauschstörung (d. h. die eine bestimmte Anforderung an das Signal-zu-Rauschen erfüllen) identifiziert werden. Aus diesem Grund muss die Sammelelektrode im Stand der Technik hinreichend groß sein (beispielsweise in Form eines Hauptteils) und die Ladungsmenge muss groß genug sein, um ein Signal zu erzeugen. Jedoch hat eine solche Anordnung eine schlechte Auflösung und es ist normalerweise nicht möglich, eine schwache Form wahrzunehmen. Die Elektrodenfilamentstruktur beseitigt die durch ein elektrisches RF-Feld erzeugte, hohe Rauschstörung direkt durch diese Vergleichsmethode. Daher kann die vorliegende Erfindung ein Signal erzeugen, selbst wenn das Signalfilament und die Ladungsmenge beide klein sind, wodurch das Auflösungsvermögen verbessert wird. Es kann aus den Ergebnisansichten der 3 bis 5c ersehen werden, dass die Verteilung der Peakformen gemessen werden kann und das Auflösungsvermögen verbessert wird.
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Es sollte verstanden werden, dass die Potentialdifferenz zwischen dem Referenzfilament 40a und dem Signalfilament 40b nicht auf den oben beschriebenen Wert beschränkt ist, und sie kann durch den Fachmann nach Bedarf ausgewählt werden.
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Insbesondere mit Bezug auf 2 enthält das asymmetrische Feldionenmobilitätsspektrometer 100 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ferner ein Paar von Einführungselektroden (Einleitungselektroden) 70a und 70b, die an einem vorderen Ende des Ionenwanderungsbereichs R gegenüberliegend angeordnet sind. Insbesondere enthält das Paar von Einführungselektroden eine obere Einführungselektrode 70a und eine untere Einführungselektrode 70b. Die Ionisationsquelle 10 ist in einem Mittelteil der oberen Einführungselektrode 70a eingefügt. In einer Ausführungsform ist die Ionisationsquelle 10 in einem kreisförmigen Loch der oberen Einführungselektrode 70a von deren oberen Seite eingefügt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Analysespalt eine Breite von 0,5 mm aufweisen, und das Elektrodenfilament kann einen Durchmesser in einem Bereich von 0,1–0,3 mm aufweisen und der Abstand zwischen jeweils benachbarten Elektrodenfilamenten kann 0,1–0,5 mm sein. In einer Ausführungsform weist die Elektrodenplatte eine Länge von 15 mm, eine Breite von 2 mm und eine Höhe von 0,5 mm auf. Ferner kann das Elektrodenfilament einen Durchmesser von 0,1 mm aufweisen und der Abstand zwischen den jeweils benachbarten Elektrodenwendeln ist 0,1 mm. Der Wanderungsbereich hat eine Länge von 1,3 mm–11,2 mm. Der Abstand zwischen der oberen Einführungselektrode 70a und der Elektrodenplatte 20 beträgt 0,1 mm
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Die Elektrodenplatte 20 kann eine Kupferbeschichtungsschicht sein, die auf Glas oder Isolatormaterial beschichtet ist, und das Elektrodenfilament 40 kann ein Kupferfilament oder ein auf dem Isolator beschichtetes Kupferfilament sein. Die Ionisationsquelle 10 kann eine radioaktive Quelle, eine Koronaquelle oder eine Laserquelle sein. In einer Ausführungsform ist die Ionisationsquelle 10 ein Koronastift (Koronapin). Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn die Ionisationsquelle 10 eine gepulste Koronaquelle oder ein Laser ist, es nötig ist, ionisierte Cluster mit einer kleinen Impulsbreite zu erzeugen; und wenn die Ionisationsquelle 10 eine radioaktive Quelle ist, es nötig ist, die gepulsten Ionenclustern unter Steuerung einer anderen Elektrode zu erzeugen, während das erzeugte Ionencluster sehr schmal entlang einer Längsrichtung der Elektrodenplatte ist.
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In einer Ausführungsform kann das asymmetrische Feldionenmobilitätsspektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung ferner eine Steuereinheit (nicht gezeigt) umfassen, um asymmetrische RF-Hochspannungswellenformen und eine Gleichstrom-Kompensationsspannung an der Elektrodenplatte 20 und der Vielzahl von Elektrodenfilamenten 40 anzulegen.
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Mit Bezug auf die 3 bis 5c wird das Betriebsprinzip des asymmetrischen Feldionenmobilitätsspektrometers der vorliegenden Erfindung als nächstes beschrieben werden.
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Es ist aus dem obigen bekannt, dass, wenn das Potential des Referenzfilaments 40a 0 V beträgt, falls das Potential des Signalfilaments 40b positiv ist, das vorliegende Ionenmobilitätsspektrometer negative Ionen identifizieren und erkennen kann (negativer Ionen-Arbeitsmodus), und falls das Potenzial des Signalfilaments 40b negativ ist, das vorliegende Ionenmobilitätsspektrometer positive Ionen identifizieren und erkennen kann (positiver Ionen-Arbeitsmodus).
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Beim Ausführen eines Ionenidentifizierungstests wird die Ionenquelle unter der Ionisierungsquelle 10 angeordnet, wie in 3 gezeigt, und die erzeugten Ionencluster werden entlang einer Längsrichtung verteilt, während das Zentrum des Ionenclusters in der Mitte der oberen und in unteren Einführungselektroden 70a und 70b lokalisiert ist, die Gauss-Verteilung mit 0,4 mm von FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) aufweisen. In der in 3 gezeigten Ausführungsform enthält der Ionencluster drei Arten von negativ geladenen Ionen mit Molekulargewichten von 127, 227 bzw. 327. Die Anzahl von jeder Art von negativ geladenen Ionen ist ungefähr 500.
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Wenn der Ionencluster durch den Spalt zwischen der oberen Einführungselektrode 70a und der Elektrodenplatte 20 läuft, wird er unter der Wirkung des elektrischen Feldes fokussiert und tritt dann in den Ionenwanderungsbereich mit dem Analyseabstand oder -breite d von 0,5 mm ein. Die leichtesten Ionen fallen auf das Signalfilament 40b an dem vorderen Ende des Ionenwanderungsbereichs (d. h. die linke Seite von 2, beispielsweise ein Eingang). Die schwereren Ionen fallen auf den mittleren Teil des Ionenwanderungsbereichs und die schwersten Ionen erreichen die Sammelelektrode durch den Ionenwanderungsbereich.
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Wie in 3 gezeigt ist das Ion A das negative Ion mit einem Molekulargewicht von 127; das Ion B ist das negative Ion mit einem Molekulargewicht von 227 und das Ion C ist das negative Ionen mit einem Molekulargewicht von 327. Wenn die obigen drei Arten von Ionen zur gleichen Zeit emittiert werden, würden sie auf verschiedene Signalfilamente 40b fallen, wodurch eine bestimmte Verteilung ausgebildet wird. Verschiedenen Peakpositionen können deutlich aus 4 erkannt werden, wodurch drei Arten von verschiedenen Ionen mit unterschiedlichen Molekulargewichten voneinander unterschieden werden können.
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Wie in den 5a–c gezeigt veranschaulichen sie jeweils die Peakpositionen der drei Arten von Ionen auf dem Signalfilament 40b. Insbesondere, wie in 5a gezeigt, ist die Peakposition der Ionen mit einem Molekulargewicht von 127 (eine Verschiebung entlang dem Elektrodenfilament in einer Längsrichtung) 2,2 mm, das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) davon 1 mm, und die Ionen fallen auf das Signalfilamente am vorderen Ende des Ionenwanderungsbereichs. Wie in 5b gezeigt ist die Peakposition der Ionen mit einem Molekulargewicht von 227 5 mm, FWHM davon ist 4,5 mm, und die Ionen fallen auf das Signalfilamente im mittleren Teil des Ionenwanderungsbereichs. Wie in 5C gezeigt, durchlaufen die Ionen mit einem Molekulargewicht von 327 den Ionenwanderungsbereich und werden von der Sammelelektrode an dem hinteren Ende des Ionenwanderungsbereichs gesammelt.
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Man beachte, dass die 4 und 5 die Ansichten des Verteilungsergebnisses der Ionen A, B, C sind, die auf die Signalfilamente aus 1 unter den gleichen Bedingungen fallen. Der Unterschied der 4 zu 5 liegt in der Anzahl von Ionen A, B und C durch die Signalfilamente (d. h. die Ordinaten der 4 und 5 sind voneinander verschieden), während die anderen Bedingungen identisch sind. Mit anderen Worten ist es aus den 4 und 5 ersichtlich, dass, obwohl die Anzahlen der Ionen A, B und C unterschiedlich sind, beide deutlich die Peakpositionen der Ionen A, B und C identifizieren können. Schließlich können sie das gleiche Identifikationsergebnis erhalten (d. h. die gleichen Peakpositionen für Ionen A, B und C).
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Es sollte verstanden werden, dass die Ansichten der 4 und 5 veranschaulichend sind, und sie sind hauptsächlich dazu bestimmt, die Tatsache zu erläutern, dass das asymmetrische Feldionenmobilitätsspektrometer, wie in 1 gezeigt, in der Lage ist, auch die Peakpositionen von Ionen A, B und C zu identifizieren.
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Durch dieses Verfahren ist es möglich, verschiedene Arten von Molekülen mit einer Kompensationsspannung zu identifizieren, wodurch die Auflösung von Substanzen durch das asymmetrische Feldionenmobilitätsspektrometer effektiv verbessert wird, und der Bereichs der Abtastspannung verringert wird und die Zeit verkürzt wird. Das asymmetrische Feldionenmobilitätsspektrometer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann nicht nur die Ionen sammeln, die den Ionenwanderungsbereich durchlaufen, sondern kann auch die Ionen sammeln und analysieren, die den Ionenwanderungsbereich nicht durchlaufen.
