NL2013000B1

NL2013000B1 - Sluiter voor een ionenmobiliteitsspectrometer.

Info

Publication number: NL2013000B1
Application number: NL2013000A
Authority: NL
Inventors: Vasiljevitsj Mitko Sergej
Original assignee: Eye On Air B V
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2016-07-04
Also published as: EP3155635B1; RU2016149817A3; PL3155635T3; CN106716122A; RU2687233C2; CA2952412C; AU2015278346B2; ES2748280T3; RU2016149817A; EP3155635A1; JP6605510B2; CA2952412A1; JP2017519991A; CN106716122B; WO2015194943A1; AU2015278346A1; US9772307B2; US20170138903A1

Abstract

De uitvinding betreft een sluiter voor een ionenmobiliteitsspectrometer, welke sluiter omvat: - een eerste electrode vlak met een aantal in het eerste vlak en op afstand van elkaar aangebrachte eerste electrode elementen; - een tweede electrode vlak parallel en op afstand aangebracht van het eerste electrode vlak, met een aantal in het tweede vlak en op afstand van elkaar aangebrachte tweede electrode elementen; - middelen voor het aanbrengen van een potentiaal verschil tussen de eerste electrode elementen en de tweede electrode elementen, en - een derde electrode vlak met een aantal in het derde vlak en op afstand van elkaar aangebrachte derde elektrode elementen, waarbij het derde electrode vlak parallel en op afstand is aangebracht van het eerste electrode vlak en waarbij het derde electrode vlak ten opzichte van het tweede electrode vlak is aangebracht aan de tegenoverliggende zijde van het eerste elektrode vlak.

Description

Sluiter voor een ionenmobiliteitsspectrometer

De uitvinding betreft een sluiter voor een ionenmobiliteitsspectrometer, welke sluiter omvat: - een eerste electrode vlak met een aantal in het eerste vlak en op afstand van elkaar aangebrachte eerste electrode elementen; - een tweede electrode vlak parallel en op afstand aangebracht van het eerste electrode vlak, met een aantal in het tweede vlak en op afstand van elkaar aangebrachte tweede electrode elementen; - middelen voor het aanbrengen van een potentiaal verschil tussen de eerste electrode elementen en de tweede electrode elementen.

Een dergelijke sluiter is bekend als een zogenaamde

Tyndall-Powell sluiter.

Bij ionenmobiliteitsspectrometrie worden te analyseren moleculen geïoniseerd en vervolgens door een algemeen potentiaal verschil in de spectrometer naar een sluiter gebracht. Door een aan het algemene potentiaal verschil tegengesteld potentiaal verschil tussen de eerste electrode elementen en de tweede electrode elementen aan te brengen, kunnen de ionen geblokkeerd worden om de sluiter te passeren. Door nu vervolgens dit potentiaal verschil over de eerste en tweede electrode elementen om te draaien kunnen de ionen passeren en hun weg verder vervolgen richting een collector plaat.

Wanneer het potentiaal verschil over de eerste en tweede electrode elementen kortstondig omgedraaid wordt, kunnen zo korte salvo's ionen richting de collector plaat worden gestuurd door de zogenaamde drift ruimte.

Over deze drift ruimte tussen de sluiter en de collector plaat is een electrisch veld of drift potentiaal aangebracht, waardoor de ionen zich richting de collector plaat zullen verplaatsen. Aangezien verschillende typen ionen binnen het drift potentiaal een verschillende verplaatsingssnelheid hebben, hetgeen ionen mobiliteit wordt genoemd, zal een zwerm van het ene type ionen eerder aankomen bij de collector plaat, dan een zwerm van een ander type.

Op basis van de tijd, die een zwerm ionen er over doet om van de sluiter bij de collector plaat te komen, ook wel drift tijd genoemd, kan bepaald worden om welk type ionen en daarmee welke moleculen het gaat.

Het nadeel van de bekende sluiter is echter dat bij het kort openen en weer sluiten van de sluiter een relatief langgerekte zwerm ionen uitgestoten wordt richting de collector plaat. Om de drifttijden tussen de verschillende ionen te kunnen meten is het noodzakelijk, dat over de lengte van de drift ruimte, de zwermen van verschillende ionen volledig uit elkaar zijn getrokken als gevolg van de specifieke ionen mobiliteit. Doordat de door de sluiter uitgestoten zwerm ionen langgerekt is, is er aldus een aanzienlijke lengte voor de drift ruimte nodig. Gewoonlijk bedraagt deze lengte ten minste zo'n 4 tot 20 centimeter.

Een bijkomend nadeel van deze lengte van de drift ruimte is dat de behuizing van deze ruimte aan zeer specifieke ontwerpeisen moet voldoen om een gelijkmatig potentieel verschil over de ruimte te verkrijgen.

Een ander nadeel van de bekende sluiter is dat de vorm van de uitgestoten zwerm ionen onregelmatig gevormd is. Deze vorm lijkt enigszins op de vorm van een rog. Hierdoor zal de detectie curve van een zwerm specifieke ionen op de collector plaat grillig gevormd zijn, waardoor het moeilijker is verschillende drifttijden van de verschillende zwermen ionen van elkaar te onderscheiden.

Al deze bovengenoemde nadelen maakt het onmogelijk om bekende ionenmobiliteitsspectrometer kleiner te maken.

Het is dan ook het doel van de uitvinding om de bovengenoemde nadelen te verminderen of zelfs te voorkomen.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt met een sluiter volgens de aanhef, die gekenmerkt wordt door een derde electrode vlak met een aantal in het derde vlak en op afstand van elkaar aangebrachte derde elektrode elementen, waarbij het derde electrode vlak parallel en op afstand is aangebracht van het eerste electrode vlak en waarbij het derde electrode vlak ten opzichte van het tweede electrode vlak is aangebracht aan de tegenoverliggende zijde van het eerste elektrode vlak.

Wanneer de sluiter wordt toegepast in een ionenmobiliteitsspectrometer, zullen de ionen van de geïoniseerde moleculen allereerst bij het derde electrode vlak aankomen. Nadat de ionen het derde electrode vlak zijn gepasseerd, zullen ze bij het eerste en tweede electrode vlak aankomen, dat voor althans de afsluitende stand van de sluiter op dezelfde wijze werkt als een Tyndall-Powell sluiter.

Zodra het potentiaal tussen het eerste en tweede electrode vlak wordt omgedraaid, zoals bij een gebruikelijke Tyndall-Powell sluiter, waarbij het potentiaal van het derde electrode vlak gelijk blijft, zullen de ionen tussen het eerste electrode vlak en het derde electrode vlak naar het derde electrode vlak getrokken worden, terwijl de ionen tussen het eerste en tweede electrode vlak richting de drift ruimte gestuwt worden. Ionen, die zich nog voor het derde electrode vlak bevinden zullen door het omgekeerde potentiaal tussen het eerste en tweede electrode vlak niet verder kunnen.

Het gevolg is dat aldus alleen de ionen, die zich tussen het eerste en tweede electrode vlak bevonden kunnen doorgaan naar de drift ruimte, ook als de sluiter geruime tijd geopend blijft. Een aanvoer van verdere ionen wordt namelijk bij het derde electrode vlak geblokkeerd.

Door het aanbrengen van een derde electrode vlak kan aldus de lengte van een doorgelaten ionen zwerm kort gehouden worden, doordat er geen verdere aanvoer van ionen kan plaatsvinden, zodra de sluiter is geopend.

Nu de lengte van een ionen zwerm kort gehouden kan worden, zullen de zwermen van verschillende typen ionen sneller uit elkaar getrokken worden, waardoor de collector plaat op een kortere afstand tot de sluiter aangebracht kan worden, terwijl een zelfde nauwkeurigheid verkregen kan worden bij het detecteren van de verschillende ionen zwermen.

Daarnaast is gebleken dat de vorm van de via de sluiter volgens de uitvinding uitgestoten zwerm ionen meer uniform is, in het bijzonder meer lijnvormig en parallel aan het collector oppervlak, waardoor ook de tijdsduur waarin een zwerm van een type ionen gedetecteerd wordt korter is.

Hierdoor kan als gevolg makkelijker onderscheidt gemaakt worden tussen de verschillende zwermen.

In een uitvoeringsvorm van de sluiter volgens de uitvinding zijn de eerste, tweede en/of derde electrode elementen langwerpig. Dit kunnen bijvoorbeeld parallelle draden of lijnvormige geleidende lagen zijn.

In een andere uitvoeringsvorm van de sluiter volgens de uitvinding zijn de eerste, tweede en/of derde electrode elementen binnen het respectieve vlak met elkaar verbonden en vormen deze een roostervormige electrode.

Door een lijnvormige of roostervormige electroden te gebruiken kan een uniform electrisch veld gevormd worden, waardoor bij het openen en sluiten van de sluiter volgens de uitvinding een uniforme zwerm ionen met een korte lengte verkregen kan worden.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van de sluiter volgens de uitvinding omvat middelen voor het gelijk houden van het potentiaal van de tweede electrode elementen en de derde electrode elementen.

Door het gelijkhouden van het potentiaal van de tweede electrode elementen en de derde electrode elementen wordt er voor gezorgd, dat bij het openen en sluiten van de sluiter volgens de uitvinding het electrisch veld voor het derde electrode vlak en het electrisch veld in de drift ruimte minimaal beïnvloed wordt. Dit ondanks dat het potentiaal van het eerste electrode vlak tijdens het openen en sluiten gevarieerd wordt.

In weer een andere uitvoeringsvorm van de sluiter volgens de uitvinding is de steekafstand tussen de eerste electrode elementen gelijk aan de steekafstand tussen de tweede electrode elementen.

Door de steekafstand gelijk te houden, ondervinden de ionen minder hinder van de elektroden en kan de zwerm van ionen gemakkelijker uniform gevormd worden.

Bijvoorkeur is de steekafstand minder dan lmm en bijvoorkeur 400pm, terwijl de afstand tussen de electroden minder is dan 500pm, bijvoorkeur 200pm.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de sluiter volgens de uitvinding is de steekafstand tussen de derde electrode elementen 3 tot 10 keer kleiner dan de steekafstand tussen de eerste electrode elementen.

In het geval de steekafstand tussen de eerste electrode elementen 200pm is, ligt de steekafstand tussen de derde electrode elementen tussen de 66pm en 20pm.

Een verdere uitvoeringsvorm van de sluiter volgens de uitvinding omvat verder: - een eerste plaatvormige drager, die voorzien is van een groot aantal openingen; - op een eerste zijde van de plaatvormige drager aangebrachte elektrisch geleidende laag, die de eerste electrode elementen vormt; - op een tegenover de eerste zijde liggende tweede zijde aangebrachte elektrisch geleidende laag, die de tweede electrode elementen vormt; - een tweede plaatvormige drager, die voorzien is van een groot aantal openingen en waarbij beide zijden zijn voorzien van een elektrisch geleidende laag, die de derde electrode elementen vormen; - een afstandhouder aangebracht tussen de eerste plaatvormige drager en de tweede plaatvormige drager.

Door de electroden aan te brengen als een elektrisch geleidende laag op een plaatvormige drager, zoals bijvoorbeeld een glaslaag, kan gemakkelijk een hoge dimensionele nauwkeurigheid verkregen worden. Dit draagt bij aan een uniform electrisch veld en als gevolg de vorming van een uniforme zwerm ionen.

Daarnaast kan met deze uitvoeringsvorm de sluiter volgens de uitvinding gemakkelijk geproduceerd worden. Het vervaardigen van een plaatvormige drager met openingen en aan weerszijden aangebrachte elektrisch geleidende lagen, is een beproefde techniek. Door verder afstandhouders te gebruiken, die bijvoorbeeld gevormd zijn uit een plaatvormig materiaal, kunnen de plaatvormige dragers met daarop de electrode vlakken gemakkelijk op de juiste afstand en parallel aan elkaar worden aangebracht.

De uitvinding bereft verder een ionenmobiliteitsspectrometer omvattende: - een sluiter volgens de uitvinding; - een collector plaat aangebracht parallel aan en op afstand van het tweede electrode vlak voor het detecteren van de aankomst van een ionen zwerm.

Een uitvoeringsvorm van de ionenmobiliteitsspectrometer volgens de uitvinding waarbij de sluiter is gevormd met plaatvormige dragers voor de electrode vlakken, omvat verder een tweede afstandhouder aangebracht tussen de sluiter en de collector plaat.

Een dergelijke uitvoering van een ionenmobiliteitsspectrometer kan eenvoudig en compact geproduceerd worden. Hiermee is het volgens de uitvinding mogelijk om compacte inrichtingen te maken, waarmee uiteenlopende stoffen zeer nauwkeurig gedetecteerd kunnen worden. Een voorbeeld van een toepassing van een ionenmobiliteitsspectrometer volgens de uitvinding is voor het detecteren van niet toegelaten stoffen, in het bijzonder springstoffen, in de bagage van vliegtuig passagiers.

Deze en andere kenmerken van de uitvinding worden nader toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen.

Figuren IA en 1B tonen schematisch een sluiter volgens de stand van techniek.

Figuren 2A en 2B tonen schematisch een uitvoeringsvorm van de sluiter volgens de uitvinding.

Figuur 3 toont een schematische weergave van een zwerm ionen over een tijdsverloop vanaf het openen van de sluiter volgens figuur 2.

Figuur 4 toont een perspectivisch aanzicht van een uitvoeringsvorm van een ionenmobiliteitsspectrometer volgens de uitvinding met uiteengenomen delen.

Figuur 5 toont een elektrisch diagram van de uitvoeringsvorm volgens figuur 4.

Figuren IA en 1B tonen schematisch een sluiter volgens de stand van techniek, die volgens het hierboven genoemde Tyndall-Powell principe werkt. Deze sluiter 1 volgens de stand van techniek heeft een eerste electrode vlak 2 met een aantal langwerpige, op afstand van elkaar aangebrachte eerste electrode elementen 3. Op afstand van het eerste electrode vlak 2 is het tweede electrode vlak 4 aangebracht. Dit tweede electrode vlak 4 heeft eveneens een aantal langwerpig, op afstand van elkaar aangebrachte tweede electrode elementen 5.

In figuur IA is de sluiter 1 in de gesloten stand, doordat tussen de eerste electrode elementen 3 en de tweede electrode elementen 5 een potentiaal verschil is aangebracht, dat tegengesteld is aan de richting I, waaruit de ionen aangevoerd worden.

In figuur 1B is het potentiaal verschil tussen de eerste electrode elementen 3 en de tweede electrode elementen 5 omgekeerd, waardoor het potentiaal verschil in dezelfde richting als de richting I, waardoor de ionen de sluiter 1 kunnen passeren.Direct na het openen en weer sluiten van de sluiter 1, zal een zwerm ionen gevormd worden, die grillig is, zoals reeds hierboven genoemd is.

Figuren 2A en 2B tonen schematisch een uitvoeringsvorm van de sluiter 10 volgens de uitvinding. De sluiter 10 heeft een eerste electrode vlak 11, een tweede electrode vlak 12 en een derde electrode vlak 13, elk parallel aan elkaar aangebracht.

De electrode elementen 14 van het derde electrode vlak 13 hebben bijvoorkeur een kleinere steekafstand, dan de eerste electrode 15 en tweede electroden 16.

In figuur 2A is de sluiter 10 in gesloten toestand, doordat het potentiaal verschil tussen het eerste electrode vlak 11 en het tweede electrode vlak 12 tegengesteld is aan de toevoer richting I van de ionen.

In figuur 2B is de sluiter in geopende toestand gebracht, waarbij het potentiaal verschil tussen het eerste electrode vlak 11 en het tweede electrode vlak 12 opgekeerd is. Echter het potentiaal van het derde electrode vlak 13 is daarbij constant gebleven, waardoor nu het potentiaal verschil tussen het eerste electrode vlak 11 en het derde electrode vlak 13 tegengesteld is aan de aanvoerrichting I.

Dus ook al staat de sluiter 10 in geopende toestand, dan nog kunnen de ionen vanuit de aanvoerrichting I niet vrij de sluiter 10 passeren. Slechts een deel van de ionen, die zich tussen het eerste electrode vlak 11 en het tweede electrode vlak 12 bevonden kunnen hun weg voortzetten.

In figuur 3 wordt een schematische weergave getoond van een zwerm ionen over een tijdsverloop vanaf het openen van de sluiter 10.

Bij Ops wordt het potentiaal verschil tussen het eerste electrode vlak 11 en het tweede vlak 12 omgekeerd. Doordat nu het potentiaal verschil tussen het eerste electrode vlak 11 en het derde electrode vlak 13 tegengesteld wordt aan de aanvoerrichting I van de ionen, zal de ionen zwerm Z zich grotendeels terugtrekken tot aan het derde electrode vlak 13 (zie lOps en 20ps).

Slechts een klein deel Zs van de ionen zwerm Z zal door het tweede electrode vlak 12 worden afgestoten in de richting I, zodat deze ionen hun weg kunnen vervolgen.

De vorm van de zo gevormde doorgaande ionen zwerm Zs is uniform en min of meer lijn vormig. Bovendien is de lengte in de richting I aanzienlijk beperkter, dan bij de stand van techniek.

In principe kan de sluiter 10 zolang open blijven staan als gewenst. In figuur 3 wordt bij 40ps het potentiaal verschil tussen het eerste electrode vlak 11 en het tweede electrode vlak 12 opnieuw omgekeerd, zodat de sluiter 10 weer terugkeert naar de toestand zoals weergegeven bij Ops.

Figuur 4 toont een perspectivisch aanzicht van een uitvoeringsvorm 20 van een ionenmobiliteitsspectrometer volgens de uitvinding met uiteengenomen delen.

De ionenmobiliteitsspectrometer omvat een sluiter volgens de uitvinding met een eerste electrode vlak 11, een tweede elektrode vlak 12 en een derde electrodevlak 13.

Het eerste en tweede electrode vlak 11, 12 zijn gevormd als electrisch geleidende lagen op een plaatvormige drager, die voorzien is van openingen 21. Ook het derde electrode vlak 13 is op een plaatvormige drager met openingen 22 voorzien.

Tussen de eerste plaatvormige drager met openingen 21 en de tweede plaatvormige drager met openingen 22 is een afstandshouder 23 voorzien, die tevens een aansluiting 24 kan omvatten voor het met een potentiaal voorzien van het eerste electrode vlak 11.

Op de plaatvormige drager met openingen 22 is verder een metalen electrode 25 voorzien om het derde electrode vlak 13 van een potentiaal te voorzien.

Onder het tweede electrode vlak 12 is een tweede afstandshouder 26 voorzien, die de drift ruimte vormt. Onder deze afstandshouder 26 is weer een plaatvormige drager 27 met opening 29 voorzien, die ook wel het collector rooster genoemd wordt, met daaronder de collector 28, die de aankomst van een zwerm ionen kan registreren.

Figuur 5 toont een elektrisch diagram van de uitvoeringsvorm 20 volgens figuur 4. In dit elektrisch diagram is weergegeven hoe de verschillende electrode vlakken 11, 12, 13 en collector rooster 27 elektrisch met elkaar verbonden zijn, zodat een geschikt potentiaal verloop over de ionenmobiliteitsspectrometer 20 verkregen wordt.

De collector 28 is verbonden met een versterker 30, zodat de aankomst van de zwermen ionen geregistreerd kunnen worden.

In het diagram is het potentiaal verloop V weergegeven langs de lengte z in de richting van de ionen aanvoer I. De doorgetrokken lijn toont het potentiaal verloop V in de gesloten toestand van de sluiter 11, 12, 13, terwijl de gestreepte lijn het potentiaal verloop toont in de geopende toestand van de sluiter 11, 12, 13.

De piek 31 in de gestippelde lijn komt bij voorkeur overeen met een voltage pulse met een amplitude van 300V en meer bij voorkeur van 600V gedurende lOps, meer bij voorkeur 2 Ops .

Claims

1. Sluiter voor een ionenmobiliteitsspectrometer, welke sluiter omvat: - een eerste electrode vlak met een aantal in het eerste vlak en op afstand van elkaar aangebrachte eerste electrode elementen; - een tweede electrode vlak parallel en op afstand aangebracht van het eerste electrode vlak, met een aantal in het tweede vlak en op afstand van elkaar aangebrachte tweede electrode elementen; - middelen voor het aanbrengen van een potentiaal verschil tussen de eerste electrode elementen en de tweede electrode elementen, gekenmerkt door - een derde electrode vlak met een aantal in het derde vlak en op afstand van elkaar aangebrachte derde elektrode elementen, waarbij het derde electrode vlak parallel en op afstand is aangebracht van het eerste electrode vlak en waarbij het derde electrode vlak ten opzichte van het tweede electrode vlak is aangebracht aan de tegenoverliggende zijde van het eerste elektrode vlak.

2. Sluiter volgens conclusie 1, waarbij de eerste, tweede en/of derde electrode elementen langwerpig zijn.

3. Sluiter volgens conclusie 2, waarbij de eerste, tweede en/of derde electrode elementen binnen het respectieve vlak met elkaar verbonden zijn en een roostervormige electrode vormen.

4. Sluiter volgens één van de voorgaande conclusies, omvattende middelen voor het gelijk houden van het potentiaal van de tweede electrode elementen en de derde electrode elementen.

5. Sluiter volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de steekafstand tussen de eerste electrode elementen gelijk is aan de steekafstand tussen de tweede electrode elementen.

6. Sluiter volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de steekafstand tussen de derde electrode elementen 3 tot 10 keer kleiner is dan de steekafstand tussen de eerste electrode elementen.

7. Sluiter volgens één van de voorgaande conclusies, verder omvattende: - een eerste plaatvormige drager, die voorzien is van een groot aantal openingen; - op een eerste zijde van de plaatvormige drager aangebrachte elektrisch geleidende laag, die de eerste electrode elementen vormt; - op een tegenover de eerste zijde liggende tweede zijde aangebrachte elektrisch geleidende laag, die de tweede electrode elementen vormt; - een tweede plaatvormige drager, die voorzien is van een groot aantal openingen en waarbij beide zijden zijn voorzien van een elektrisch geleidende laag, die de derde electrode elementen vormen; - een afstandhouder aangebracht tussen de eerste plaatvormige drager en de tweede plaatvormige drager.

8. Ionenmobiliteitsspectrometer omvattende: - een sluiter volgens één van de voorgaande conclusies; - een collector plaat aangebracht parallel aan en op afstand van het tweede electrode vlak voor het detecteren van de aankomst van een ionen zwerm.

9. Ionenmobiliteitsspectrometer volgens conclusies 8 en een sluiter volgens conclusie 7, omvattende een tweede afstandhouder aangebracht tussen de sluiter en de collector plaat.