TWI484172B - 將氣體作識別的方法與裝置 - Google Patents

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Description

將氣體作識別的方法與裝置
本發明關於申請專利範圍第1項的引文的一種將氣體作識別的方法以及申請專利範圍第11項的引文的一種用於實施此方法的裝置。這種用於將氣體作檢出及識別的方法及相關裝置用於將很低濃度的要檢驗的物料或物料化合物(特別是爆炸及/或有害健康者)的氣體作檢出及識別。
要檢驗出爆炸性及/或有毒的化學化合物，需要之測量方法的檢出限度在ppt~ppb範圍。因此，要檢出及證實這些化合物往往使用分佈譜儀(Spektrometer)。在此宜使用離子活動力譜儀(IMS)(它們亦稱電漿色層圖)，因為它們不同於其他譜儀(例如質譜儀)，不需真空泵以產生真空以檢出該化學物質或化合物。因此IMS比起其他譜儀來，其構造類型小而節省成本。
IMS的使用領域很大。它從醫藥範圍(例如在研究病人呼出的空氣)經過用於生產監視的應用(例如在咖啡烘焙坊的品管)到軍事領域(例如在檢驗毒氣，有關IMS的概論及其應用例如見如：G.A. Eiceman與Z.Karpas“Ion Mobility Spectornetry”(第2版，CRC,Boca Raton，2005)。
IMS的構造及功能方式在許多刊物提到。
舉例而言，US 3621240顯示一種傳統之飛行時間IMS，其中在大氣壓力下利用離子的不同之可運動性，為此，連續地在一離子源中利用放射性輻射線、光離子化、或電暈(Korona)放電將目標化合物離子化。放射性源很常被用於將空氣分子直接離子化。這些離子化的空氣分子再加水分子反應且和水分子一起形成所謂的「反應物離子」(Reaktant-Ion)。這些反應物離子利用質子轉移、電子轉移或質子抽離(Protonenabtraktion)的反應與相關化合物反應並形成所謂的「產物離子」。這些產物離子在很短的時間範圍(約200微秒)利用一電柵放入一漂移管(Driftrohre，英：drift tube)中，該漂移管有一電場，且將離子在一漂移氣體(一般為過濾的空氣)在周圍壓力下加速。藉著將漂移路徑的電場的極性改變，可在一正操作模式中檢驗正離子。而在一負操作模式中檢驗負離子，利用該電將放入的產物離子一直加速，並藉著與漂移氣體內的中性分子撞擊而一直剎止。利用此電場，對於具同電荷的離子有相同之拉力。然而由於產物離子有不同的直徑和形狀，因此這些產物離子有不同漂移速度。在漂移管末端，該產物離子以這種不同的漂移速度跑到一檢出器上。由產物離子經過漂移管的不同飛行時間(典型在5~30毫秒範圍)可追溯到所研究的化合物。
電柵的切換程序用於當作起始脈波，以測量傳統飛行時間IMS中的漂移速度，該電柵只能讓一部分離子進入漂移室，藉著與周圍空氣的分子撞擊，使放入的離子呈擴散式的蔓延。因此在檢出器上測量的信號呈一高斯型的鐘形曲線，由在鐘型曲線最大值中所測之飛行時間或漂移時間以及漂移路徑之已知長度可測定漂移速度，其中造成之分佈譜可使用來識別該化學物質或化合物。
產物離子經過漂移管的飛行時間和漂移速度(產物離子以此漂移速度跑到檢出器上)成比例。此漂移速度(它係在電場中加速以及離子與漂移氣體的中性分子碰撞造成之剎止作用的結果)又與離子質量或離子大小及離子形狀有關。此產物離子的漂移速度Vd 在電場強度E小的時候(例如E=200伏特/公分)，則和電場強度呈線性相依。在這種小的電場強度時，產物離子的可運動性(Beweglichkeit，英：movability)或活動力(Mobilitt英：mobility)以和場強度無關，且可如下式表示：
K=v d /E.
由於離子的漂移速度也和漂移管中的溫度和壓力有關，因此要檢出及檢驗該化合物，該產物離子的可運動性或活動力往往係為標準狀況(S.T.P.)時者，即標準溫度To=273°K，標準壓力Po=1013hPa。產物離子之減少或標準化的可運動性或活動力可如下表示：
K 0 =K‧(T 0 /T)‧(p/p 0 )=K‧(273°K/T)‧(p/1013hPa).
但在使用傳說飛行時間IMS時的缺點為：只有一小部分的產物離子被用於檢出及分析所研究的化合物。由於電柵的起始脈波與離子的漂移時間比起來很短，因此只有一小部分的產物離子經過電柵進入漂移管。如果柵關者，則大部分的產物離子跑到柵上且在柵上中和。
因此可藉著將離子通過量提高，配合將離子束用「阻檔柵」變更，而將跑入漂移管中的產物離子的產率最佳化，並因此可提高所研究的化學物質或化合物的檢驗限度。因此舉例而言，在德專利DE 19515270 C2提到將離子流作這種變，因此利用數學層展開式(Entfaltung，例如利用哈達瑪(Hadamard)轉換或傅立葉轉換，可將IMS的跑動時間分佈譜(Laufzeitspektrum)計算。
但這種迄今所呈示的IMS的缺點為：只能測量正離子式負離子，因此「分離管」的極性須更換，這點使測量時間增加。此外，有一些有毒的工業化學品，仃例如苯，不能用一放射性源測量，因為產物離子和反應物離子同時跑到檢出器上。
因此，舉例而言，在美專利US 5420424、US6495823或US 6504149發表了一種微分活動力譜儀(DMS)或場不對稱離子活動力譜儀(FAIMS-Spectrometer)，它由一離子源；電極和檢出器構成，其中在形成離子後，該離子和中性分子一同利用一恆定的氣流通過二個平行的電極。電極可建構成和平面平或呈軸對稱形式。在電極上輪流施高電壓和低電壓。因此該電場和傳統飛行時間IMS不同，係垂直於離子的流動方向。該不對稱的交流電壓選設成使平均電壓，舉例而言，在蘇聯專利SU 066583中提到這種交流電壓。利用高電場強度的影響藉著離子可運動性的不同的改變將離子分開，依E.A.Mason和E.W. McDaniel在”Transport Properties of Ions in Geas”(Wiley,New York,1988)在很高的場強度(例如E>5000V/cm)該活動力不再與場強度無關。
和傳統飛行時間IMS不同者，在DMS的場合，離子藉著利用它們在低電場及高電場時可運動性的不同變化而分開。然後由離子之可運動性K(E小 )及K(E大 )的差異而將離子分開。這種離子之可運動性K(E小 )及K(E大 )的差異對於不同的化合物不同，因此在DMS的場合，離子的可運動性或活動力之與材料有關的表現當作電場強度的函數使用。
在大電場強度時，離子的漂移速度如下表示：v d =K(E)*E. 離子之非恆定的可運動性或活動力K(E)可利用具有多項式係數的數列展表示：K(E)=K+k 1 *E 2 +k 2 *E 4 +....... 或用具函數α(E)者表示：K(E)=K*(1+α(E)) 在此，函數α(E)說明與電場之非線性的關係，這種關係對化合物各不相同。因此函數α(E)可隨電場強度增加而遞增，或隨電場強度增加而減少，或隨電場強度增加首先增加，然後在較大電場強度時再減少，對應於此，化合物可依其和電場強度的關係分別三類，在A類的離子，離子可運動性隨電場強度增加而變大，在C類離子，可運動性，隨電場強度增加而變小，在B類的例子，可運動性先隨電場強度增加而增加然後在較高電場強度時再減少。
離子的可運動隨電場強度增加而減少(亦即在C類的場合)係由於可運動性和溫度有關之故，因為在較高溫度時，碰撞頻率增加。可運動性隨電場強度增加(亦即在A類情形)係於由在高電場時由於離子大小減少之故，一種所要 測量的分子M+ 在周圍壓力時往往被水分子圍住。因此它呈水團(Wassercluster)MH+ (H2 O)n 形式存在。其中典型情形有2~3個水分子繞著該分子配位。但該分子只微弱地結合到該分子離子。因此在高電場強度時，在一些化合物的場合，或由於較大漂移速度而使水分子斷開，因此形狀和值量都變小，所以產物離子可較快運動通過漂移氣體。水分子在電場強度較小時，可再由於碰撞程序而從漂移氣體出來配位到分子上。
在不對稱的交流電壓的場合，一種極性的小電壓對該離子的作用遠比另一極性的高電壓的作用久得多。因此當活動力不受電場強度影響時，離子不偏移，且直接跑到檢出器。然而由於在大多化合物的場合，和電場強度都有關，因此該振盪的離子平均上會作偏移的運動，因此，舉例而言，A類的離子向高電場的方向偏離，為了要在檢出器上能檢驗到這些離子，故將一直流電壓或偏移電壓重疊到具有該交流電壓的電極，因此該離子可到達檢出器。藉著將此直流電壓(亦即補償電壓)均勻改變，只有具有關的α(E)值的特定離子能通過。如果該補償電壓呈鋸齒波電壓的方式施加，則產生一種譜，在這種譜×軸中非漂移時間，而係補償電壓。
和傳統飛行時間IMS不同，並非利用絕對的活動力作分離，因為具不同活動力的化合物如電場強度無相依性[亦即K(E小 )=K(E大 )]，則在不對稱交流電場中不能分離，因為平均上偏轉作用提高，由於在DMS中離子只由氣體流運 送，故正離子和負離子同時通過該分離場，如果在末端將具不同極性的二檢出器建構，則可利用此IMS同時檢出正與負的離子。
當電極造成平行於平時，則電極間的距離(例如只有0.5毫米)則典型情形在頻率1MHz時的近乎長方形交流電壓的情形時，使用的場強度約E大 =20kV/cm，E小 =1kV/cm。在這種構造中，補償電在幾秒內從-15伏特提高到+10伏特。
如果除了補償電壓外，電場強度也改變。例如連E大 的值也改變，則可將離子的分離作用最佳化，其中結果可包含在一所謂的分散畫圖(Dispersions-plot)中。在此結果，補償電壓可呈高電場強度的函數，而檢出器信號的強度用顏色表示。
但在使用DMS的缺點為：在檢出器未知化學品為何時，測量期間太久，因為需要將補償電壓和交流電壓振幅作費時的改變，以調整此分散畫圖。此外在DMS的場合，解析度以及較大離子的分離[例如在有機磷化合物的場合，例如(WO 2005/106450所示)比用傳統飛行時間IMS者較差。
因此在國際專利WO 2005/067582主張將至少一DMS與一傳統飛行時間IMS耦合，因此在一實例中，在一離子源後，將一DMS及一傳統飛行時間IMS平行設置，其中這二個譜儀互相獨立地操作。在另一實施例中，在一DMS系統後設一傳統飛行時間IMS，或者設二個互相平行的傳統飛行時間IMS，其中在後者實施例的情形可同時將先前由 DMS系統通過的正離子與負離子檢出。
但其缺點為，這種由DMS及傳統飛行時間IMS構成的組合在技術上很繁複，因為特別是在後者的實施例中，須將二個傳統飛行時間IMS漂移管和一個DMS建構及組合，此外，在這種由DMS及傳統飛行時間IMS構成的組合，測量期間太長，且所研究的化合物不可能立即檢出，因為作為第一分離系統的DMS至少須經歷該補償電壓，因此需要幾秒到幾分鐘。
本發明的目的在提供一種將氣體作識別的方法，以及一種相關的裝置，它具有簡單的構造，且可把要研究的化學化合物立刻及同時地檢出，且利用因物料而異的運動性以及同時利用此運動性的變化(呈電場強度的函數形式以作識別。
此目的在方法方面係利用申請專利範圍第1項的特徵部分的特點達成，而在該裝置方面係利用申請專利範圍第1項的特徵部分的特點達成。在申請專利範圍附屬第2~第8項1及第10~第18項係有利的進一步特點。
此用於識別氣體的新穎方法及相關裝置可將先前技術的上述缺點消除。在使用此用於識別氣體的新穎方法時，宜使各離子化的分子利用所造成的電場得到一種漂移速度，此漂移速度部分地加大或減小，其中該造成之電場為一種直流電壓場，該直流電壓場被一不對稱的交流場重疊。在此，漂移速度的變化，亦即該部分變大或變小的漂移速度造成的原因係為：通過該造成之電場的各離化的分子做一種恆定的漂移運動(此漂移運動與一振盪運動重疊，是否一離子化分子的漂移速度部分地加大或減少，係因離子而異，且與分子的材料性質有關，此離子化的分子的漂移速度用於代表這些離子化分子的特性及區別它們。為此，由漂移運動測量出離子化分子通過一漂移室的時間並作分析。
如果各離子化的分子作數次加速及剎止，則甚有利。其中在平均上(各依分子的材料性質而定)加速比剎止作用更大或更小。在此，使用的離子化分子可為正離子及/或負離子，它們係屬於該漂移管的操作模式或利用二種以對立極性操作的漂移管。要測量漂移時間，該離子化分子經該造成的電場先變到一恆定的漂移速度，然後將這些分子部分地另外加速及剎止或作數次另外的加速及剎止，其中，在平均上，離子的飛行時間大於或小於無交流場時者，造成的電場為一直流電壓場。它被一不對稱的交流電壓場重疊。利用此不對稱的交場，該漂移運動--不同於傳統飛行時間IMS--與另一種振盪運動重疊，因此離子(它們在傳統飛行時間IMS由於活動力相同而不能分離)可以分離，因為它們在較大場強度時有不同的活動力。
如果該造成的電場為一直流電壓場，它局部地被一交流電壓場平行地重疊，則特別有利，如此該離子化分子沿一方向作一漂移運動，而振盪運動平行於此漂移運動重疊。如果該直流電壓場具小的電場強度而不對稱的交流電壓場有大電場強度，則也很有利。利用此不對稱交流電壓場(其中，短期地有很大的電場強度作用)，可確保離子的附加的加速作用或剎止作用具有不同的α(E)相依性。
如果該不對稱的交流電壓的振幅連續地改變，且由此造成之漂移時間的變化當作附加的特徵使用以識別不同的化學物質或化合物，則甚有利。
如果這些測量的漂移時間與已知化合物之先前所求得的漂移時間比較。且/或此所測的漂移時間和化學物質及化合物的已知漂移時間的比較利用數學或統計學的方法(例如利用根據調節的演算法或利用人工神經元網路)達成，則很有利。
如果該離子化的分子的漂移時間依活動力(它和這些離子的場強度有關)的變化而定。則也很有利，因為這些離子在一個由交流電壓電極產生的具有高電場強度電場中通過漂移室的飛行時間和在具低電場強度的電場係不同時。
如果該具有相同活動力的離子化分子在小電場強度時的漂移時間與具有高電場強度之離子化分子在該不對稱交流電壓場(它利用該交流電極產生)切入後的漂移時間比較，且將此測量之漂移時間與先前求得的漂移時間比較以識別這些化合物，則也甚有利。
在使用此用於識別氣體的裝置時，宜將至少一漂移管利用一入口系統限制，另一端利用各一檢出器限制，且在各漂移管內有一開放及關閉柵，將該漂移管分成一反應室及一漂移室，則甚有利。其中在該反應室中設有一離子源而在漂移室中設有一遮蔽柵，且該漂浮管數個設置的直流電壓電極，且繞漂移室有交流電壓電極。
如果另一漂移管一端利用該入口系統限制，另一端另用另一檢出器限制，則甚有利，其中漂移管的極性相反。如此，可同時在一漂移管中測量正離子和負離子。
如果該漂移管繞著漂移室有數個交流電壓電極，它們由金屬絲柵構成，且沿漂移室的長度範圍分佈，且垂直延伸過該漂移室，則很有利。如不採此方式，而係使得漂移管至少有一設在漂移室中的輔助電極，也甚有利，因為利用此輔助電極可產生一附加的補償電壓，它對離子化分子的漂移速度有不同的影響。
如果另一漂移管一端利用該入口系統限制，另一端利用另一檢出器限制，則特別有利，其中漂移管的極性相反。如此，可同時在一標移管中測量正離子和負離子。
此用於識別氣體的新穎方法和相關的裝置可用不同方式實施，它們在此處用一實施例說明。
此用於識別氣體的新穎裝置在圖1的實施例中，由一漂移管(1)構成，它一端利用一入口系統(2)限制(定出界限)，另一端利用一由扁平導電盤構成的檢出器(3)限制。
在漂移管(1)中有一開放及關閉柵(4)，如此，漂移管(1)的內部空間部分成一反應室(5)及漂移室(6)。在此，反應室(5)利用入口系統(2)定出界限，漂移室(6)利用檢出器(3)定出界限。此外，在反應室(5)中在入口系統(2)附近設有一離子 源，而在漂移室(6)中在檢出器(3)前方設有一遮蔽柵(8)，其中該離子源(7)有一放射性鎳63 膜，而遮蔽柵(8)用於作電容式解耦，此開放及關閉柵(4)係一種所謂的布拉伯里-尼爾森(Bradbury-Nielson)柵，且由二個導電金屬櫛(13)[它們設在一平面且垂直通過漂移管(1)]形成，其中金屬櫛(13)互相略錯開且不接觸。
漂移管(1)由交替排列的金屬環(9)和絕緣環(10)構成，其中金屬環(9)各經由電阻接成導電方式且因此設計成直流電壓電極(11)形式，施在直流電壓電極(11)上的電壓選設成使恆定的電場強度可在反應室(5)或漂移室(6)中形成。此外，漂移管(1)有數個交流電壓電極(12)，繞著漂移室(6)，由細金屬絲柵構成，它們設成沿漂移室(6)的長度範圍分佈，且垂直延伸過漂移室(6)。
依第一實施例，此用於識別氣體的新穎裝置的功能方面，所要研究的化合物(包含周圍空氣)經入口系統(2)導入離子源(7)中。此入口系統(2)可由一小開口構成，或由一矽力康膜構成(以供活動的系統之用)。
在離子源(7)中，利用鎳63(Ni63 )膜的放射線，使空氣分子(主要由周圍空氣構成)離子化。藉著進一步反應以及與水分子配接，形成所謂的反應物離子。然後這些反應物離子轉移反應、電子轉移反應，或質子抽離反應。使所研究之化合物的分子離子化並形成產物離子。這些產物離子經一電場[它利用直流電壓電極(1)]從反應室(5)到開放及關閉柵(4)。
開放與關閉格(4)有二種切換狀態，在第一切換狀態， 該開放與關閉柵(4)係關閉著，在此，開放與關閉柵(4)的金屬櫛(13)在不同電位，其中該金屬櫛(13)間的電位差約100伏特。利用這種電位差形成一高電場強度，它不能使離子穿過去。如此不會有離子從反應室(5)跑入漂移室(6)，在第二切換狀態，該開放與關閉柵(4)開放。為此，該金屬櫛(13)之間的電位差在幾微秒內瓦解。在此，在開放與關閉柵(4)的開放狀態時，該離子被直流電壓電極(11)的電場從反應室(5)向檢出器(3)的方向吸入漂移室(6)。
在朝向檢出器(5)的路徑上，離子須穿過直流電壓電極(11)和交流電壓電極(12)的電場，其中利用這種電場可將相同吸引力作用到所有相同電荷的離子。然而由於該離子一直與中性空氣分子互相碰撞一起。故離子在電場中速度依離子質量或離子大小及離子形狀而定。
利用此直流電壓電極(11)產生小電場強度的電場，具有相同直徑及形狀和相同漂移速度的離子以及具有不同直狀與形狀的離子利用此電場加速到不同漂移速度。但在此，在漂移室(6)的一區域中，利用該交流電壓電極(12)，該具有小電場強度的不對稱交流場(它在相同坐標軸上作用)重疊，因此在交流電壓電極(12)之間有一附加力量作用到離子。如此該離子另外被剎止或加速，因此交流電壓電極(12)之間的離子具有振盪式運動。
因此離子在漂移場室(6)中作恆定之基本運動，它被二交流電壓電極(12)之間的振盪運動重疊，其中利用此振盪運動，具有不同α(E)值的離子被分離。在此，α(E)值說明加 速方向與電場的非線性關係。該加速方向對不同的化合各不同，因此α(E)值可隨電場強度上升而一直增，或隨電場強度上升而減少，或隨電場強度增加最先增加然後在較高電場強度時再減少。對應於此，化合物各依其與電場強度的相依性分成三大類，其中在A類型的離子，離子隨電場強度增加其可運動性增加，而在C類似的離子，可運動性隨電場增加而降低，而在B類型的離子，可運動性先隨電場強度上升而增加，然後在較高電場強度時再減少。因此離子(例子類型A和類型C的離子在漂移室中由於類型A與類型C的離子的不同的運動(由恆定的基本運動和振盪運動造成)而分離，因為離子在不對稱交流場中，在A類型的場合另外被加速，而在C類型則被剎止。
在漂移室(6)的尖端，離子跑到檢出器(3)上，檢出器(3)係一種法拉第捕集器，其中設在檢出器(3)前的遮罩柵用於使檢出器(5)前方不遠處的離子和檢出器(3)之間係電容性解耦。
檢出器(3)的測量信號用一分析單元(圖1中未示)分析，其中由該開放與關閉柵(4)的開放時間以及由離子跑到檢出器(3)上的情形，可求出離子化的分子通過一漂移室(6)的漂移時間，為了分析此所測出的漂移時間，將此測量的漂移時間與已化合物的先前求出的漂移時間比較，其中在相同的漂移時間的場合，也會存在相同離子化的分子以及相同的化合物。
圖2顯示依圖1對於漂移管(1)之一固定時間點的電位 走勢。圖中可看出，在交流電壓電極(12)高度處的電位明顯增加，而在交流電壓電極(12)外的電位則均勻減少。此外可看出，在此例中，交流電壓電極(12)不能在漂移管(1)中任意位置，因為舉例而言，為電位太小時，例如在漂移室(6)前端處，交流場的電場強度太高，因此沒有離子能跑到檢出器。
圖3中顯示依圖1該漂移管(1)的電位走勢，其中電位對於在一固定時間點時，在漂移室(6)中離子的走回路徑x作圖。圖中可看出，交流場相對於圖1所示的具有五個交流電壓電極(12)的漂移管(1)位於第一、第三、第五交流電壓電極上，而第二及第四交流電壓電極(12)在一直流電流。
圖4中顯示漂移管(1)的二個相鄰的交流電壓電極(12)之間的漂移室(6)中離子的軌跡的例子，其中該漂移室(6)中的離子的經過路徑加入相對於時間t作圖。軌跡(14)顯示具高α(E)值的離子，軌跡(15)顯示具小α(E)值的離子的軌跡(15)。圖示二條離子軌跡的離子在小的電場強度具相同可運動性，換言之具有相同之可運動性K(E小 )值，但在高電壓強度時具不同的可運動性K(E大 )。垂直於場線的偏轉並不存在，但為了說明事實，在草圖中顯示。
在圖4中可看到，藉著利用交流電壓電極(12)將離子偏轉(本來這種偏轉只沿離子飛行方向達成)可使得那些在交流電壓電極(12)前方區域中不能分離的離子受到在交流電壓電極(12)的區域中的高的不對稱的交流電壓影響而飛過不同的路徑長度，因此可以分離。如此也可明顯看出，具 不同α(E)值的離子在高電場強度有不同的活動力，雖然它們在低電場強度時活動力相同，因此這些離子在切換到不對稱的高交流電壓時通過漂移室(6)的跑動時間不同。因此在不同時間達到檢出器(3)。
由離子通過漂移室(6)之所測的跑動時間或該鐘形曲線最大值的漂流時間以及漂移路徑的已知長度，可測定離子的漂移速度。由於跑動時間為幾毫秒，故將各利用數次測量求得的分佈譜(Spektrum，英：spectrum)以秒為周期呈一種高斯鐘形曲線形式顯示。舉例而言，在圖5及圖6中顯示在檢出器(3)上所測量的信號。在此圖5及圖6顯示用檢出器(3)接收的不同的譜，其中在圖5中，舉例而言，該譜在施加在交流電壓電極(12)上的低直流電壓的場合係對應於直流電壓電位，而在圖6中，舉例而言，顯示在施到交流電壓電極(12)的具高電場強度的不對稱交流電壓的場合的分佈譜。
圖5顯示在漂移管(1)的漂移室(6)中在小電場強度的恆定電場的場合具相同活動力的離子的跑動時間(16)(17)。這種跑動時間的分佈時係明顯地重疊者，因此，化合物的離子化分子[它們在小電場強度K(E小 )值時在相同活動力]不能互相分離。
圖6顯示在漂移管(1)的漂移室(6)中在高電場強度的不對稱交流場中在交流電場影響下，在低電場強度時具相同活動力的離子的分佈曲線(16)(17)。這些跑動時間的分佈曲線(16)(17)此時明顯地相鄰。因此化合物的離子化分子(它們在低電場強度時有相同活動力)可互相分開。
藉著改變電極(11)的極性，可利用此漂移管(1)在一正操作模式將正離子在檢出器(3)上記錄，且在負操作模式將負離子在撿出器(1)上記錄。
但也可考慮，將正負離子藉著在很短的時間順序先後將電場極性交替而作測量。在此，在一定的時間區間將施到電極(11)的直流電壓的極性改變，如此，電極(11)之間的電場的方向也可改變。
也可考慮如圖7將二個漂移管(1)組合，其中，第一漂移管(1)的電極(11)之間的電場方向和第二漂流管(1)的電極(11)之間的電場的方向相反。利用這種具相反性的二個漂流管(11)的組合，可在一漂流管(1)同時測正離子與負離子。
在此變更實施例的一特別設計中，也可將交流電壓的振幅改變。如此漂移時間也改變，其中，此漂移時間變化可當作附加之特徵使用，以識別所研究的化合物。在此，可將此測量的漂移時間與已知之化學物質及化合物之先前求得的漂移時間比較，以將測量之漂移時間分析，該漂移時間係在交流電壓振幅有改變無改變的情形得到者。
如不採此方式，也可不用圖1具五個交流電壓電極(12)的漂移管(1)而將交流電壓電極(12)的數目改變及/或將交流壓的施加方式改變。
也可考慮將圓柱形漂移管(1)做成其他適合的構成，例如橫截面做成長方形構成。
此外也可考慮，將漂移管不似上述由交替的金屬環及絕緣環形式，而是使用具小導電性的均勻材料。例如可用導電玻璃、陶瓷或塑膠，但也可為鍍有一導電表面的電絕緣構造。
也可考慮如圖8所示，在漂移管(1)的漂移室(6)中設一輔助電極(18)，藉此產生一附加之補償電壓，如此，可使離子化分子的漂移時間另作改變。這種改變可當作另一種特徵以識別所研究的化學物質或化合物。
也可考慮將離子源(7)中發生的轉換程序利用其他適合的程序變化。因此，離子可不用輻射線，而利用離子化或電暈放電產生。
由於開放及關閉柵(4)的起始脈波(Startpuls)比起子的漂移時間來算極小且因此該離子大部分由於離子化分子在關閉的柵上中種而不能使用，所有可採另種方式使用用習知方法將產率最佳化並因此利用檢驗限度[例如藉著將開放及關閉柵(4)的離子通過量提高]。在此可考慮利用數學展開式將開放及關閉柵(4)的切換時間將離子來變更。例如將由哈達瑪或傅立葉轉換。如此，由檢出器(1)上測得之信號計算跑動時間分佈譜。
也可考慮藉著使用附加的反應氣體，例如，油填料氣體(Dopandgas)將漂移管(1)的選擇性最佳化。利用此反應氣體使化學反應(例如利用在正離子場合質子親合力或在負離子場合的電子負電性控制反應)改變，因此影響程序的選擇性。另外，漂移管(1)的選擇性也可藉反應氣體或其他電中性氣體沈積程序在高電場強度時沈積在離子上而影響。
此外，也可考慮將漂移管與其他感測器(例如檢出器)及/或其他方法組合以提高選擇性，例如利用設在其前方的氣體色層圖。
(1)．．．漂移管
(2)．．．入口系統
(3)．．．檢出器
(4)．．．開放及關閉柵
(5)．．．反應室
(6)．．．漂移室
(7)．．．離子源
(8)．．．遮蔽柵
(9)．．．金屬環
(10)．．．絕緣環
(11)．．．電極
(12)．．．交流電壓電極
(13)．．．金屬櫛
(14)．．．軌跡
(15)．．．軌跡
(16)．．．軌跡分佈曲線
(17)．．．軌跡分佈曲線
(18)．．．輔助電極
圖1係一漂移管的示意圖；
圖2係該漂移管縱剖面中的電位分佈的例子；
圖3係在漂移管中在固定時間點的電位走勢的例子；
圖4係在漂移管中離子的飛行路線的例子；
圖5係無交流電壓的譜；
圖6係具交流電壓的譜；
圖7係二個漂移管的示意圖；
圖8係該漂移管的示意圖，具有輔助電極。
(1)‧‧‧漂移管
(2)‧‧‧入口系統
(3)‧‧‧檢出器
(4)‧‧‧開放及關閉柵
(5)‧‧‧反應室
(6)‧‧‧漂移室
(7)‧‧‧離子源
(8)‧‧‧遮蔽柵
(9)‧‧‧金屬環
(10)‧‧‧絕緣環
(11)‧‧‧電極
(12)‧‧‧交流電壓電極
(13)‧‧‧金屬櫛

Claims (18)

  1. 一種將氣體作識別的方法，其中將要識別的氣體離子化，並將離子化的氣體的漂移經一漂移室(6)的漂移時間測量並將所測的漂移時間分析，其中將離子化的分子利用一造成之電場加速到漂移速度以測量漂移時間，其中所造成的電場為一直流電壓場，將一不對稱之交流電壓場重疊到該直流電壓場，其特徵在：各離子化的分子受到該造成之電壓場得到一恆定漂移速度，此漂移速度部份地變大或變小，其中該造成的電場為一直流電壓場，它與一不對稱的交流電壓場重疊，漂移速度的變化係用以下方式造成：使各離子化的分子利用該造成的電場作一種恆定的與該振盪運動重疊的漂移運動，如此該離子化分子沿一方向作一漂移運動，該振盪運動平行此方向重疊到該漂移運動。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：使用正及/或負離子當作離子化的分子。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：將各離子化分子多次加速及剎止，其中在中央的加速比剎止作用更大或更小，各依分子材料性質而定。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：該直流電壓場具1kV/cm的較小電場強度，而該不對稱的交流電壓場具20kV/cm的較高電場強度。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中：在測量漂移時間將該不對稱的交流電壓場改變。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：將這些測量到的漂移時間與已知化合物的先前求得的漂移時間比較以識別該化合物。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中：利用數學或統計學的方法將所測的漂移時間與化合物之已知漂移的時間比較，特別是利用根據調節的演算法或人工神經元網路達成。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：將在小電場強度時具相同活動力的離子化分子與在該利用交流電壓電極(12)產生的不對稱交流電壓接通後具有高電場強度的這些離子化分子的漂移時間比較，且將此測量的漂移時間與先前求得之漂移時間比較，以識別該化合物。
  9. 一種將氣體作識別的裝置，由一入口系統(2)及至少一檢出器(3)構成，其特徵在：至少一漂移管(1)一端利用該入口系統(2)限制，另一端利用各一檢出器(3)限制，且在各漂移管(1)中有一開放及關閉柵(4)，該開放及關閉柵(4)將該漂移管(1)分成一反應室(5)及一漂移室(6)，其中在該反應室(5)中設有一離子源(7)，而在該漂移室(6)中設有一遮蔽柵(8)，且該漂移管(1)有數個繞漂移室(6)設置的直流電壓電極(11)和交流電壓電極(12)，其中該交流電壓電極(2)沿該漂移空間(6)的長度範圍分佈，該漂移管包含在漂移空間(6)中的至少三個交流電壓電極(12)且該直流電壓電極(11)和交流電壓電極(12)設成使各離子化 的分子的漂移速度係由該造成之電場引起者，其中漂移速度的變化係用於各離子化分子由於造成之電場而作恆定漂移運動，一種振盪運動重疊到此漂移運動，因此該離子化分子沿一方向作漂移運動，而振盪運動平行於此方向重疊到其上。
  10. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中：另一漂移管(1)一端利用入口系統(2)限制，另一端利用另一檢出器(3)限制，其中該二漂移管(1)的極性相反。
  11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中：該漂移管(1)包含交替排列的金屬環(9)和絕緣環(10)，其中該金屬環(9)以導電方式繞著該漂移空間(6)並形成一直流電壓電極(11)。
  12. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中：該漂移管(1)由交替設置的金屬環(9)及絕緣環(10)構成，其中各金屬環(9)繞漂移室(6)接成導電方式且各形成一直流電壓電極(11)。
  13. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中：該交流電壓電極(12)沿漂移室(6)的長度範圍分佈設置，且由細金屬絲柵構成，該金屬絲柵垂直通過漂移室(6)。
  14. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中：該開放及關閉柵(4)由二個導電的金屬櫛(13)構成，該金屬櫛設在一平面且垂直通過漂移管(1)，其中該金屬櫛(13)互相略交錯且不接觸。
  15. 如申請專利範圍第14項之裝置，其中： 該開放及關閉柵(4)有二種切換狀態，其中：--在一第一切換狀態時，該開放關閉柵(4)係關閉者，因為該金屬櫛(13)在不同的電位且利用此電位差形成一高電場，其中設有離子通過此開放及關閉柵(4)過去，且--在一第二切換狀態時，該開放及關閉柵打開，因為該金屬櫛(13)在相同電位，且不形成電場或形成小電場強度的電場，如此該離子通過該開放及關閉柵(4)過去。
  16. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中：該遮蔽柵(8)設在檢出器(3)前，其中該遮蔽柵(8)用於作電容式解耦。
  17. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中：該漂移管(1)至少有一個設在漂移室(6)中的輔助電極(18)，藉此產生一附加的補償電壓。
  18. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中：該漂移管(1)宜具圓筒形之構成。
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