高場不對(duì)稱波形離子遷移譜中的氣體流動(dòng)控制的制作方法
【專利摘要】一種高場不對(duì)稱波形離子遷移譜裝置，該裝置包括(a)一個(gè)膨脹室，該膨脹室接收來自一個(gè)離子源的離子和來自一個(gè)氣體入口的一個(gè)氣體流動(dòng)；(b)一個(gè)外部電極，該外部電極具有一個(gè)總體上凹形的內(nèi)表面并且包括(i)一個(gè)離子入口孔，該離子入口孔可操作以接收來自一個(gè)離子源的離子和來自該膨脹室的氣體流動(dòng)的一部分，和(ii)一個(gè)離子出口；以及(c)一個(gè)內(nèi)部電極，該內(nèi)部電極具有一個(gè)凸形的外表面，該凸形外表面以相對(duì)于該外部電極的內(nèi)表面間隔開且面對(duì)的安排進(jìn)行布置以在其間限定一個(gè)離子分離區(qū)域，其中該氣體流動(dòng)的部分和這些離子的一部分從該離子入口被接收到該離子分離區(qū)域中，該裝置的特征在于該離子入口孔的壁是在一個(gè)入口端與一個(gè)出口端之間凸形彎曲的。
【專利說明】高場不對(duì)稱波形離子遷移譜中的氣體流動(dòng)控制

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及在一種氣體的存在下引導(dǎo)離子，并且更具體地涉及控制在場不 對(duì)稱離子遷移譜儀和質(zhì)譜儀中的氣體流動(dòng)和離子流動(dòng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在離子遷移譜裝置中，氣相離子的分離是通過利用在由離子遷移率中的差異產(chǎn)生 的在外加電場下離子漂移速度的變化來完成的。一種眾所周知類型的離子遷移譜裝置是高 場不對(duì)稱波形離子遷移譜（FAIMS)單元，也被稱為術(shù)語差分離子遷移譜（DMS)單元，該遷移 譜單元基于在高場強(qiáng)度下離子的遷移率（通常表示為K h)相對(duì)于在低場強(qiáng)度下該離子的遷 移率（通常表示為K)的差異來分離離子。簡要地描述，一個(gè)FAIMS單元包括一對(duì)間隔開的 電極，這對(duì)電極在其間限定一個(gè)分離區(qū)域，一個(gè)離子流被引導(dǎo)通過該分離區(qū)域。施加包括具 有相反極性的一"高電壓分量和一個(gè)較低電壓分量的一個(gè)不對(duì)稱波形，與一個(gè)DC電壓（被 稱為補(bǔ)償電壓、或CV) -起，到這些電極之一上。當(dāng)離子流包含若干種類的離子時(shí)，對(duì)于一 個(gè)給定的不對(duì)稱波形峰值電壓（被稱為分散電壓、或DV)和CV的組合僅一種離子種類被選 擇性傳輸通過該FAMS單元。剩余的離子種類朝向這些電極表面之一漂移并且被中和。該 FAMS單元可以在單離子檢測模式下進(jìn)行操作，其中DV和CV維持在恒定值下，或替代地所 施加的CV可以隨時(shí)間進(jìn)行掃描以順序傳輸具有不同遷移率的離子種類。FAIMS單元可以用 于多種目的，包括提供一個(gè)離子流在進(jìn)入質(zhì)量分析器之前的分離和過濾。
[0003] 圖1示意性地描繪了用于分析離子的一個(gè)第一已知系統(tǒng)100,該系統(tǒng)包括一個(gè) FAIMS裝置155。類似于圖1中示出的FAIMS裝置155的一個(gè)FAIMS裝置的一般結(jié)構(gòu)和操 作由Guevremont和Purves在美國專利號(hào)6, 806, 466中進(jìn)行了描述。電極結(jié)構(gòu)和功能上 的變化由Guevremont等人在美國專利號(hào)6, 713, 758、美國專利號(hào)7, 034, 289和美國專利號(hào) 7,223,967中并且由Belford等人在美國專利號(hào)7,468,511中進(jìn)行了描述。為該FAIMS裝 置155提供用于去溶劑化和載氣的一個(gè)去溶劑化室和多個(gè)分開的氣體入口由Belford和 Dunyach在美國專利號(hào)7, 638, 765中進(jìn)行了描述。穿過該外部電極并且以各種角度和位置 布置的一個(gè)或多個(gè)入口孔的使用由Belford和Dunyach在美國專利號(hào)7, 638, 315中進(jìn)行了 描述。參見圖1，將有待分析的一個(gè)樣品溶液作為液滴噴霧經(jīng)由大氣壓離子源11〇引入一個(gè) 電離室105內(nèi)。電離室105相對(duì)于在離子路徑下游的區(qū)域維持在高壓下，典型地在大氣壓下 或接近大氣壓。大氣壓離子源110可以配置成一個(gè)電噴霧電離（ESI)探針，其中施加一個(gè) 高DC電壓（正的或負(fù)的）到該樣品溶液流動(dòng)通過的毛細(xì)管或"針"上?？梢允褂么鍱SI 的其他合適的電離技術(shù)，包括但不限于此類眾所周知的技術(shù)如大氣壓化學(xué)電離（APCI)、加 熱電噴霧電離（HESI)、和熱噴霧電離。
[0004] 由該離子源產(chǎn)生的離子通過在一個(gè)入口板120中的一個(gè)孔口 117進(jìn)入FAMS單元 155并且然后在穿過一個(gè)膨脹室111之后穿過一個(gè)入口孔150。該膨脹室被提供有一種氣 體，典型地氦氣或其他惰性氣體，該氣體經(jīng)由一個(gè)氣體導(dǎo)管113被引入到膨脹室111內(nèi)。該 氣體的一部分以與這些離子和液滴的反向流動(dòng)通過入口板孔口 117流回到電離室105內(nèi)并 且用于使帶電液滴去溶劑化。該氣體的另一部分與室ln中的分析物離子組合并且充當(dāng)一 種通過FAIMS單元155的載氣。該組合的離子/載氣流動(dòng)然后通過入口孔150進(jìn)入FAIMS 單元155。該載氣流動(dòng)可以仔細(xì)計(jì)量以維持流速在預(yù)定極限內(nèi)，該預(yù)定極限將取決于FAIMS 單元尺寸、電極幾何結(jié)構(gòu)、和操作考慮。在入口板12〇與FAIMS單元155之間維持一個(gè)電勢 差，并且因此，在這些部件之間維持物理分離。因此，一個(gè)非導(dǎo)電密封元件173 (如一個(gè)墊片 或〇形環(huán)）維持在該裝置內(nèi)的FAIMS氣體并且防止這種氣體被外界空氣污染。因?yàn)槔L圖空 間限制，所以這個(gè)密封元件未在附圖的一些中明確展示。
[0005] -般來說，F(xiàn)AIMS單元155包括具有徑向上相對(duì)的表面的內(nèi)部和外部電極165和 170,該內(nèi)部和外部電極在其間限定了一個(gè)環(huán)形分離區(qū)域175 ( -個(gè)"分析間隙"），離子被傳 輸通過該環(huán)形分離區(qū)域。圖1、以及在此其他圖中描繪的FAIMS單元幾何結(jié)構(gòu)可以通常被 稱為一種"橫向（side-to-side)FAIMS單元，，，其中內(nèi)部電極165和外部電極170的縱向軸 線（圓柱表面的軸線，被引導(dǎo)出該頁面）相對(duì)于離子流動(dòng)的總方向橫向地定向。FAMS單元 的設(shè)計(jì)和操作原理已經(jīng)由Guevremont等人在美國專利號(hào)6, 639, 212中并且由Guevremont 和Purves在美國專利號(hào)6, 504, 149中進(jìn)行了廣泛描述。簡而言之，該載體和離子從入口孔 15〇流動(dòng)通過分離區(qū)域175至出口孔185。離子分離在FAMS單元155的分離區(qū)域（分析間 隙）175內(nèi)通過施加一個(gè)不對(duì)稱波形進(jìn)行，該不對(duì)稱波形具有施加到內(nèi)部或外部電極165、 175之一上的一個(gè)峰值電壓（DV)和一個(gè)補(bǔ)償電壓（CV)。CV和DV的值設(shè)置為允許一種選定 的離子種類傳輸通過分離區(qū)域175。具有高場與低場遷移率的不同相對(duì)值的其他離子種類 將遷移至這些電極之一的表面并且被中和。
[0006] 仍參見圖1，選定的離子通過出口孔185從FAIMS單元155出來并且穿過將FAMS 單元1δ5與一個(gè)質(zhì)譜儀157分開的一個(gè)小間隙183。該載氣的大部分通過在大氣壓下的間 隙183排出，而離子通過在質(zhì)譜儀中的一個(gè)孔或通過一個(gè)離子傳遞管163被靜電地引導(dǎo)到 質(zhì)譜儀157的至少一個(gè)減壓室188內(nèi)。該至少一個(gè)減壓室可以通過一個(gè)真空端口 191抽空。 離子傳遞管163的至少一部分可以被一個(gè)熱源（如加熱套167)包圍并且與其良好熱接觸。 加熱套167(可以采取常規(guī)電阻加熱器的形式）可操作來升高離子傳遞管163的溫度以促 進(jìn)進(jìn)入離子傳遞管163的液滴的進(jìn)一步去溶劑化。
[0007] 從該至少一個(gè)減壓室188,離子通過一個(gè)截取錐194的一個(gè)孔193被轉(zhuǎn)移到相對(duì)于 減壓室188維持在低壓下的（典型地約1〇〇毫托）的一個(gè)髙真空室195內(nèi)。高真空室1% 典型地通過渦輪泵或類似的高真空泵經(jīng)由一個(gè)真空端口 197抽空。截取錐194可以從一種 導(dǎo)電材料來制造，并且可以施加一個(gè)偏移電壓到截取錐194上以輔助離子傳輸通過界面區(qū) 域并且到截取錐孔193內(nèi)。穿過穿過截取錐孔193的離子可以被聚焦或引導(dǎo)通過離子光學(xué) 組件198,該離子光學(xué)組件可以包括形成離子透鏡、離子導(dǎo)向器、離子門、四極或八極桿組等 等的各種電極。離子光學(xué)組件198可以用于傳輸離子到一個(gè)用于質(zhì)量分析的分析器199。 分析器199可以作為常規(guī)質(zhì)量分析器中的任一種或組合來實(shí)施，這些常規(guī)質(zhì)量分析器包括 (但不限于）四極質(zhì)譜分析器、離子阱、或飛行時(shí)間分析器。
[0008] 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)表明來自離子源的載有離子的氣體流以高速度進(jìn)入FAIMS 分離區(qū)域175。這種高速度氣體流動(dòng)導(dǎo)致該氣體流（包括很大一部分的離子）在進(jìn)入該分 析間隙之前撞擊到內(nèi)部電極165的直接面向入口孔150的部分上，因此在該內(nèi)部電極上排 出相當(dāng)大百分比的感興趣的離子群體。流出該入口板并且進(jìn)入該源區(qū)域的一個(gè)有角度的 氣體流還可能使該離子束與faims入口偏斜且錯(cuò)位，從而使該離子束部分轉(zhuǎn)向到該入口板 上，導(dǎo)致進(jìn)一步的離子損失。
[0009] 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明從離子源至FAIMS出口的較差的離子傳輸，例如對(duì)于溴氯乙 酸根陰離子[BCA，具有173的質(zhì)荷比（m/z)]約10%的傳輸。例如，圖2示出了在FAIMS 155 內(nèi)的BCA陰離子的離子軌跡的計(jì)算模擬的結(jié)果，其中離子云區(qū)域127指示在其內(nèi)大多數(shù)離 子流動(dòng)的區(qū)域。圖2中示出的模擬（包括在流動(dòng)氣體內(nèi)的離子流動(dòng)的模擬）表明顯著的離 子損失發(fā)生在入口板120處以及內(nèi)部電極165的暴露于FAMS入口 150的一部分上。圖3 的曲線204展示了通過圖2的已知FAMS裝置的BCA陰離子的模擬CV掃描的結(jié)果。這可以 與曲線202進(jìn)行對(duì)比，曲線202呈現(xiàn)了第二模擬的結(jié)果，其中離子被假設(shè)引入在這些FAMS 電極之間，而不遇到該入口板。離子從離子源到出口孔的總體傳輸是僅約1〇%。盡管離子 在FAMS入口附近損失，但很少離子在分析間隙175內(nèi)部損失，因?yàn)?，由于FAMS電極的圓 柱形狀（圖1)，在遠(yuǎn)離入口孔150的分析區(qū)域175內(nèi)的離子經(jīng)歷一個(gè)非均勻電場，該非均勻 電場導(dǎo)致在該間隙中行進(jìn)的離子的空間聚焦。作為擴(kuò)散或該分離場的結(jié)果，這種離子聚焦 導(dǎo)致在傳輸過程中選定的離子種類的僅最小的離子損失。根據(jù)以上考慮，在離子傳輸和分 析的領(lǐng)域中對(duì)于用于控制氣體流動(dòng)對(duì)離子軌跡的影響的改進(jìn)的裝置存在需要。 發(fā)明的披露
[0010] 根據(jù)本傳授內(nèi)容的一個(gè)第一方面，提供了一種高場不對(duì)稱波形離子遷移譜 (FAIMS)裝置，其中該裝置包括：(a) -個(gè)膨脹室，該膨脹室接收來自一個(gè)離子源的離子和 來自一個(gè)氣體入口的一個(gè)氣體流動(dòng)；(b) -個(gè)外部電極，該外部電極具有一個(gè)總體上凹形 的內(nèi)表面并且包括（i) 一個(gè)離子入口孔，該離子入口孔包括一個(gè)孔壁、一個(gè)孔入口端和一 個(gè)孔出口端，該離子入口孔可操作以接收來自一個(gè)離子源的離子和來自該膨脹室的氣體流 動(dòng)的一部分，和（ii) 一個(gè)離子出口；以及（c) 一個(gè)內(nèi)部電極，該內(nèi)部電極具有一個(gè)總體上 凸形的外表面，該凸形外表面以相對(duì)于該外部電極的內(nèi)表面間隔開且面對(duì)的安排進(jìn)行布置 以在其間限定一個(gè)離子分離區(qū)域，其中該氣體流動(dòng)的該部分和這些離子的一部分從該離子 入口被接收到該離子分離區(qū)域中并且從該離子入口行進(jìn)穿過該離子分離區(qū)域至該離子出 口，并且其中該裝置的特征在于，該離子入口孔壁是在該入口端與該出口端之間凸形地彎 曲的。
[0011] 該新穎的孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用了柯安達(dá)（Coanda)效應(yīng)的原理，柯安達(dá)效應(yīng)是流體噴流總 體傾向于被引導(dǎo)朝向并且遵循一個(gè)彎曲固體表面的輪廓。當(dāng)用作一個(gè)FMMS外部電極的 一個(gè)氣體和離子入口時(shí)，該新穎的孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)一個(gè)載氣流動(dòng)的彎曲流線，這樣使得該氣流逐 漸遠(yuǎn)離該內(nèi)部電極而進(jìn)入一個(gè)FAMS間隙，以便總體上平行于該外部電極的內(nèi)壁流動(dòng)。該 孔構(gòu)造為使得該外部電極孔的邊緣是平滑彎曲的，使得該孔的內(nèi)徑朝向該孔的兩個(gè)末端增 加。抵靠這個(gè)曲率流動(dòng)的一個(gè)氣體流將緊密附合該表面并且沿該曲率逐漸流動(dòng)。當(dāng)將這個(gè) 曲率結(jié)合到該電極幾何結(jié)構(gòu)中時(shí)，進(jìn)入該 FAIMS的氣流將緩慢流入該分析間隙內(nèi)，而不是 撞擊該內(nèi)部電極。
[0012] 在不同的實(shí)施例中，該離子入口孔壁的曲率可以包括沿該離子入口孔的不同截面 的不同曲率半徑。在不同的實(shí)施例中，該內(nèi)部電極的一部分可以包括一個(gè)圓筒，使得該氣體 流動(dòng)和該離子的部分沿該圓筒的相對(duì)側(cè)處的兩個(gè)路徑通過該離子分離區(qū)域從該離子入口 行進(jìn)到該離子出口。在不同的實(shí)施例中，該孔壁的一部分可以凸出到該膨脹室內(nèi)以便包括 一個(gè)圍繞該孔的環(huán)。在此類情況下，該裝置可以進(jìn)一步包括一個(gè)入口板，該入口板具有一個(gè) 孔口，通過該孔口將這些離子提供到該離子入口孔，其中該氣體流動(dòng)穿過在該入口板的一 個(gè)平坦表面與該環(huán)之間的一個(gè)間隙。該間隙的寬度優(yōu)選在0. 25mm至0. 75mm的范圍內(nèi)。
[0013] 根據(jù)本傳授內(nèi)容的另一個(gè)方面，提供了一種高場不對(duì)稱波形離子遷移譜（FAMS) 裝置，其中該裝置包括：(a) -個(gè)離子源；(b) -個(gè)膨脹室；(c) 一個(gè)外部電極，該外部電極 具有一個(gè)總體上凹形的內(nèi)表面并且包括（i) 一個(gè)離子入口，該離子入口可操作以接收來自 該離子源的離子并且接收來自該膨脹室的一個(gè)氣體流動(dòng)，和（ii) 一個(gè)離子出口；以及（d) -個(gè)內(nèi)部電極，該內(nèi)部電極具有一個(gè)總體上凸形的外表面，該凸形外表面以相對(duì)于該外部 電極的內(nèi)表面間隔開且面對(duì)的安排進(jìn)行布置以在其間限定一個(gè)離子分離區(qū)域，其中該氣體 流動(dòng)和這些離子的一部分從該離子入口被接收到該離子分離區(qū)域中并且從該離子入口行 進(jìn)穿過該離子分離區(qū)域至該離子出口，并且其中該裝置的特征在于，（e) -個(gè)第一和一個(gè)第 二氣體入口，該第一和第二氣體入口分別提供一個(gè)第一和一個(gè)第二氣體流動(dòng)到該膨脹室， 其中由該離子入口從該膨脹室接收的氣體流動(dòng)包括該第一和第二氣體流動(dòng)的組合部分。
[0014] 提供上述的雙氣體入口以維持在FAIMS裝置內(nèi)的壓力平衡。此種雙氣體入口產(chǎn)生 在該FAIMS間隙內(nèi)以及在一個(gè)相關(guān)聯(lián)的離子源區(qū)域中的對(duì)稱流動(dòng)。在一個(gè)相關(guān)方面中，提 出一種電極組件的新設(shè)計(jì)以有助于該FAIMS入口周圍的輕緩的氣體流動(dòng)。在不同的實(shí)施例 中，該第一和第二氣體入口可以布置在該離子入口的相對(duì)側(cè)處并且在該膨脹室內(nèi)被引導(dǎo)朝 向彼此。在具有第一和第二氣體入口的不同實(shí)施例中，該裝置可以包括一個(gè)通過該外部電 極的孔，該孔具有一個(gè)孔壁、一個(gè)孔入口端和一個(gè)孔出口端，其中該孔壁是在該入口端與該 出口端之間凸形地彎曲的。該孔壁的一部分可以凸出到該膨脹室內(nèi)以便包括一個(gè)圍繞該孔 的環(huán)。該裝置可以進(jìn)一步包括一個(gè)入口板，該入口板具有一個(gè)孔口，通過該孔口這將些離子 提供到此種離子入口孔，其中該氣體流動(dòng)穿過在該入口板的一個(gè)平坦表面與該環(huán)之間的一 個(gè)間隙。該間隙的寬度優(yōu)選在0. 25mm至0· 75mm的范圍內(nèi)。
[0015] 在不同的其他實(shí)施例中，提供一種高場不對(duì)稱波形離子遷移譜（FAIMS)裝置，該 裝置包括：(a) -個(gè)離子源；(b)至少一個(gè)氣體入口； (c) 一個(gè)膨脹室，該膨脹室接收來自 該離子源的離子和來自該至少一個(gè)氣體入口的一個(gè)氣體流動(dòng)；(d) -個(gè)第一電極，該第一 電極具有一個(gè)凸形彎曲的表面；(e) -個(gè)第二電極，該第二電極具有一個(gè)凹形彎曲的表面， 該凹形彎曲的表面以相對(duì)于該第一電極的凸形彎曲的表面間隔開且面對(duì)的安排進(jìn)行布置 以在其間限定一個(gè)離子分離區(qū)域，該離子分離區(qū)域接收這些離子和來自該膨脹室的氣體流 動(dòng)的一部分，其中在進(jìn)入該離子分離區(qū)域時(shí)的平均離子軌跡的偏轉(zhuǎn)大于零度但實(shí)質(zhì)上小于 九十度。 附圖簡要說明
[0016] 從下面僅通過非限制性實(shí)例的方式并且參照未按比例繪制的附圖所給出的說明 中，本發(fā)明的以上指出的和各種其他的方面將變得清楚，在附圖中：
[0017] 圖1是描繪用于分析離子的一個(gè)第一已知系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括一個(gè)離子遷 移裝置；
[0018] 圖2示出了從離子源區(qū)域進(jìn)入并且通過類似于圖1中描繪的那個(gè)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置 橫向FAIMS裝置的離子流動(dòng)區(qū)域的模擬；
[0019] 圖3展示了穿過圖2的FAMS裝置的溴氯乙酸根（BCA)陰離子的模擬CV掃描，與 其中離子被假設(shè)引入這些FAIMS電極之間的一個(gè)第二模擬相比較；
[0020]圖4示出了從離子源區(qū)域進(jìn)入并且通過根據(jù)本傳授內(nèi)容的具有新穎的雙氣體入 口的一個(gè)橫向FAIMS裝置的離子流動(dòng)區(qū)域的模擬；
[0021]圖5示出了從離子源區(qū)域進(jìn)入并且通過根據(jù)本傳授內(nèi)容的具有一個(gè)新穎的FAIMS 電極組件的一個(gè)橫向FAIMS裝置的離子流動(dòng)區(qū)域的模擬；
[0022]圖6展示了通過根據(jù)本傳授內(nèi)容的一個(gè)FAIMS裝置的流動(dòng)通道的氣體流動(dòng)流線， 如通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模；
[0023] 一圖7展示了通過一個(gè)FAMS裝置的流動(dòng)通道的氣體流動(dòng)流線，如通過計(jì)算流體動(dòng) 力學(xué)進(jìn)行建模，該FAIMS裝置具有一個(gè)入口電極，該入口電極被修改以便利用柯安達(dá)效應(yīng)； [0024]圖8展示了從離子源區(qū)域進(jìn)入并且通過一個(gè)橫向 FAIMS裝置的離子流動(dòng)區(qū)域的模 擬，該橫向FAIMS裝置被修改以便利用柯安達(dá)效應(yīng)；
[0025]圖9展示了對(duì)應(yīng)于圖2和圖8的FAMS裝置的模擬CV掃描之間的比較；
[0026]圖10A展示了根據(jù)本傳授內(nèi)容的另一個(gè)FAMS裝置的雙剖開透視圖；
[0027]圖10B展示了圖10A的FAMS裝置的入口板和外部電極的一部分的截面圖（上圖 和下圖）并且示意性地展示了在該裝置的氣體膨脹室內(nèi)的流動(dòng)矢量（下圖）；
[0028]圖11展示了在圖1〇的FAIMS裝置內(nèi)計(jì)算的氣體流動(dòng)速度的等值線圖；并且 [0029]圖12展示了在圖10的FAIMS裝置內(nèi)的內(nèi)部氣體體積的視圖，該視圖展示了在用 于產(chǎn)生圖11中示出的數(shù)據(jù)的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算中使用的有限元網(wǎng)格。 實(shí)施本發(fā)明的方式
[0030]以下說明的提出是為了使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且是 在特定的應(yīng)用及其要求的背景下提供的。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對(duì)所描述的實(shí)施例的 各種修改將是顯而易見的，并且在此的一般原則可以應(yīng)用到其他實(shí)施例。因此，本發(fā)明并非 旨在局限于所示出的實(shí)施例和實(shí)例，而是要根據(jù)所示出和所描述的特征和原則而給予可能 的最寬范圍。結(jié)合以下說明，參照附圖1_ 9,本發(fā)明的具體特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。
[0031]圖4示意性地展示了代表圖1_2中示出的裝置的一個(gè)第一修改的FAIMS裝置的一 個(gè)實(shí)施例。與FAIMS裝置I55中使用的單一氣體導(dǎo)管113(圖1)相比，F(xiàn)AIMS裝置101 (圖 4)使用兩個(gè)氣體導(dǎo)管ll：3a、113b，這兩個(gè)氣體導(dǎo)管同時(shí)遞送氣體流動(dòng)到膨脹室ill并且對(duì) 稱地圍繞入口孔150被布置。裝置101內(nèi)的這種對(duì)稱氣體引入消除了在常規(guī)裝置內(nèi)離子 的一部分被來自單一導(dǎo)管113的氣體流動(dòng)推動(dòng)朝向該裝置中線的一側(cè)的趨勢。該組合的 靜電和流體動(dòng)態(tài)建模的結(jié)果（表示為離子云U3)顯示了從源至FAMS入口的離子對(duì)稱 流動(dòng)，而很少有或沒有在入口板120上的損失。在此應(yīng)當(dāng)指出在本文件中參考的所有流 體動(dòng)態(tài)計(jì)算使用從C0MS0L公司（美國加州，洛杉磯Suite 800,威爾夏大道10850號(hào)，郵 編 90024(10850Wilshire Boulevard，Suite 800Los Angeles，CA 90024USA))可商購的 C0MS0L MultiphysiCS?工程模擬軟件來進(jìn)行。電場和帶電顆粒軌跡使用從美國新澤西州靈 哥期1老約克路1〇27號(hào)，〇8551_1〇54的科學(xué)儀器服務(wù)公司（Scientific Instrument Services of 102701d York Rd.Ringoes NJ 0855l_l〇54USA))可商購的SIMIQN?帶電顆粒光學(xué)模 擬軟件進(jìn)行計(jì)算。組合的流體動(dòng)力學(xué)和離子軌跡計(jì)算通過使用COMSOL 軟件 首先計(jì)算本體氣體流動(dòng)并且然后輸入結(jié)果到該SIMTQN?包內(nèi)的一個(gè)碰撞模型中來進(jìn)行。
[0032] 盡管至該入口板的離子損失在裝置101 (圖4)內(nèi)被最小化,但一個(gè)不可忽略部分 的離子仍通過在外部電極170的離子入口孔處并且在內(nèi)部電極1陽的面向該離子入口孔的 一部分處中和而損失。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明在圖4中示出的配置中使用兩個(gè)氣體入口 導(dǎo)管增加了進(jìn)入分析間隙的氣流的速度并且因此使離子加速。過度的離子速度導(dǎo)致與該內(nèi) 部電極的碰撞，產(chǎn)生通過裝置101的低離子傳輸。
[0033] 進(jìn)一步的設(shè)計(jì)修改在圖5中展示以便進(jìn)一步減少在FAIMS入口附近的離子損失。 因此，圖5中示出的FAIMS裝置103代表相對(duì)于圖4的FAIMS裝置101的進(jìn)一步改進(jìn)。在 常規(guī)的橫向FAIMS裝置155(圖1-2)以及裝置101 (圖4)兩者中，通過使用包括一個(gè)具有 圓形截面的圓筒的內(nèi)部電極165指定的圓柱對(duì)稱性導(dǎo)致載氣和感興趣的離子在穿過離子 入口孔150之后發(fā)散至兩個(gè)不同的路徑。該幾何結(jié)構(gòu)這樣使得一個(gè)不可忽略部分的離子針 對(duì)內(nèi)部電極165被中和。圖5中示出的FAIMS裝置103通過分別用一個(gè)第一電極166和一 個(gè)第二電極171替換內(nèi)部電極165和外部電極170部分地克服了這個(gè)問題，其中該第一電 極166具有一個(gè)凸形彎曲的表面11并且該第二電極171具有一個(gè)凹形彎曲的表面13。該 第一和第二電極這樣布置使得表面11、13以間隔開的相面對(duì)的布置進(jìn)行安排以便在這些 表面之間限定一個(gè)環(huán)形通道186。FAMS裝置103保留了如之前描述的兩個(gè)氣體導(dǎo)管113a、 113b。然而，諸位發(fā)明人已經(jīng)確定如果這些氣體導(dǎo)管將氣體流動(dòng)用在與離子流動(dòng)相同方向 上的一個(gè)流動(dòng)分量遞送到膨脹室111內(nèi)，或換句話說，這些氣體管道遞送來自如圖5中示出 的膨脹室的離子源側(cè)的氣體，則性能得以改進(jìn)。
[0034] 當(dāng)施加分散電壓（DV)和補(bǔ)償電壓（CV)到FAMS裝置103的第一和第二電極166、 171之一上時(shí)，那么環(huán)形通道186充當(dāng)一個(gè)分析間隙，如關(guān)于圖1中示出的常規(guī)橫向FAIMS 155以及關(guān)于其他已知FA頂S裝置設(shè)計(jì)眾所周知的。然而，因?yàn)镕AIMS 103不包括圓柱形內(nèi) 部電極并且僅包括一個(gè)單一分析間隙186,如由離子云125指示的氣體和離子流動(dòng)不分開 到發(fā)散路徑中，如對(duì)于常規(guī)橫向FAIMS裝置發(fā)生的。
[0035] FAIMS裝置103的電極表面11、13的幾何結(jié)構(gòu)是這樣，使得在進(jìn)入分析間隙186 時(shí)，離子的平均流動(dòng)在不直接朝向且不垂直于限定通道186的表面11、13中任一個(gè)的方向 上。相反，該幾何結(jié)構(gòu)是這樣，使得到通道186內(nèi)的入口孔150與膨脹室111相交成一個(gè)這 樣的角度，使得離子的平均流動(dòng)方向在它們進(jìn)入該通道時(shí)改變實(shí)質(zhì)上小于九十度。這展示 在圖5的插圖83中，該插圖示出了 FAIMS裝置103的一個(gè)放大部分。在該插圖中，進(jìn)入膨 脹室111朝向這兩個(gè)電極的離子的平均或總體軌跡示出為軌跡85,而在進(jìn)入通道（分析間 隙）185時(shí)的平均離子軌跡示出為軌跡87。因此平均離子軌跡的偏轉(zhuǎn)角大于零度但實(shí)質(zhì)上 小于九十度。其結(jié)果是，該組合的靜電和流體動(dòng)態(tài)模擬顯示了至任一電極的非常少的離子 損失，因此表明圖5中示出的新穎的FAMS設(shè)計(jì)以高效率將離子遞送到FAIMS間隙186中。
[0036] 圖6提供了一種雙氣體入口 FAIMS裝置107的另一個(gè)示意性截面圖，在某種程度 上類似于先前圖4中示出的裝置。在圖6中示出的裝置107與圖4中示出的裝置101之間 的一個(gè)差異是，在FAniS裝置107中，從這些氣體導(dǎo)管113a、113b到膨脹室111內(nèi)的氣體進(jìn) 入是從該膨脹室的入口板側(cè)（或，等價(jià)地，從該離子源側(cè)）而不是從與該入口板相對(duì)一側(cè)被 引導(dǎo)。按圖6中示出的方式引入氣體減少了到離子源區(qū)域內(nèi)的氣體反向流動(dòng)的程度，因此 產(chǎn)生到分析間隙175內(nèi)的更大的載氣流動(dòng)。在圖6中，提供四個(gè)流動(dòng)矢量以便指示在離子 膨脹室111和分析間隙175內(nèi)的計(jì)算的氣體流動(dòng)。這些矢量僅指示氣體流動(dòng)（如從流體動(dòng) 力學(xué)原理計(jì)算的），并且不結(jié)合離子運(yùn)動(dòng)。離子入口孔150在圖6中指示為穿過外部電極 170的一個(gè)簡單的圓柱形鉆孔。圖6中示出的離子入口孔的這種形狀類似于其在常規(guī)橫向 FAIMS裝置155中的形狀（圖1)。所得到的流動(dòng)特征是高速度并且直接對(duì)準(zhǔn)在內(nèi)部電極 165上，在此處這個(gè)電極面向離子入口孔150。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還顯示這種現(xiàn)象處于化學(xué)物質(zhì)在該 內(nèi)部電極上積累的形式。圖6中圖解地示出的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算還表明在離子入口孔150的 任一側(cè)的分析間隙內(nèi)存在某一程度的回流流動(dòng)。此類回流可能導(dǎo)致在內(nèi)部和外部電極兩者 上的不想要的離子中和。
[0037] 圖7示出了到一個(gè)電極組內(nèi)的FAMS氣體流動(dòng)，將該電極組進(jìn)行修改以便減少直 接到內(nèi)部電極上的氣體流動(dòng)的體積和速率。圖7中示意性示出的FAIMS裝置109與圖6中 示出的FAIMS裝置107相同，除了關(guān)于離子入口孔的形狀。圖7的插圖300展示了 FAIMS 109的離子入口孔151的附近區(qū)域的放大視圖。注意如圖7中示出的外部電極的離子入口 孔151的壁如與常規(guī)電極組中的成方形的孔150 (例如，圖6)相比輕微擴(kuò)大并且被修圓。 FAIMS裝置109的離子入口孔151的壁301是在孔入口端302與孔出口端303之間凸形彎 曲的。因此，該離子入口孔的內(nèi)徑在該孔內(nèi)處于一個(gè)最小值。因?yàn)榍?，該?nèi)徑在遠(yuǎn)離最小 直徑區(qū)域的兩個(gè)方向上（即，朝向該孔的兩端）向外平滑增加或張開。離子入口孔151的 修圓壁的附近區(qū)域的氣體流動(dòng)展示了所謂的柯安達(dá)效應(yīng)，柯安達(dá)效應(yīng)是流體噴流總體傾向 于被引導(dǎo)朝向并且遵循一個(gè)彎曲固體表面的輪廓。通過柯安達(dá)效應(yīng)，進(jìn)入FAMS裝置109 的分析間隙175的載體流動(dòng)（圖7)保持得比其他情況下更接近入口孔的曲率。這種行為 允許通過氣體流動(dòng)矢量平滑發(fā)散遠(yuǎn)離中心電極165并且到分析間隙175內(nèi)而將氣流結(jié)合到 該間隙內(nèi)并且遠(yuǎn)離如圖7中所指示的內(nèi)部電極。載氣平滑發(fā)散遠(yuǎn)離中心電極并且到分析間 隙175內(nèi)預(yù)期沿著類似路徑驅(qū)動(dòng)離子，從而減少由于與該中心電極碰撞而損失的離子的比 例。如由流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明的,該平滑發(fā)散還導(dǎo)致在該分析間隙內(nèi)的一個(gè)更大的層流區(qū) 域，具有在該入口孔附近的減少的回流。
[0038] 圖8示出了通過FAIMS裝置109的組合的流體動(dòng)力學(xué)和離子軌跡建模的結(jié)果。圖 9示出了在具有彎曲入口孔151的且在圖8中示出的裝置的傳輸效率（曲線212)與圖1和 2中示出的現(xiàn)有FAIMS裝置的傳輸效率（曲線214)之間的比較。從圖8中的離子云129的 形狀中可以看出，該彎曲的孔設(shè)計(jì)促進(jìn)了比對(duì)于非彎曲孔設(shè)計(jì)所表明的圍繞該中心電極并 且到該分析間隙內(nèi)的更平滑的離子流動(dòng)分岔。該更平滑的流動(dòng)分岔看起來具有減少剛在穿 過入口孔之后與該分析間隙相關(guān)的氣體回流流動(dòng)的作用，從而顯著減少在內(nèi)部和外部電極 兩者處的離子中和（例如，將圖8與圖1進(jìn)行比較）。
[0039] 應(yīng)該指出的是，除了提供一個(gè)彎曲入口孔之外，圖8中示出的FAMS裝置109的設(shè) 計(jì)通過提供在入口板1 2〇中的一個(gè)更寬的孔口 117以及通過入口離子孔151的輕微變寬 (在其最小寬度的點(diǎn)處測量的）進(jìn)一步不同于已知FAIMS裝置（圖1)的設(shè)計(jì)。具體地，入 口板孔口 117的寬度在FAIMS 109中大了約60%并且該離子入口孔的寬度（在其最小直徑 處測量的）比已知FAIMS裝置155(圖1和2)中對(duì)應(yīng)的孔口寬度大了約26%。這些更寬的 孔口例如維持離子云I 29在其穿過新穎的FAIMS 109 (圖8)的離子入口孔的區(qū)域處的寬度 與其在其穿過已知FAMS(圖2)(其中它幾乎完全填充該孔）的離子入口孔的區(qū)域處的寬 度相同。
[0040] 該離子入口孔的截面形狀的簡單重新設(shè)計(jì)-如由圖7與圖6的比較表明的-改進(jìn) 了通過該FAIMS裝置的載氣流動(dòng)的均勻性。這種更平滑的流動(dòng)這樣使得相對(duì)于常規(guī)FAIMS 裝置155 (圖2)，存在直接到這些電極上的載氣（以及夾帶的離子）的大幅度減少的流速。 這種更平滑的流動(dòng)據(jù)信在產(chǎn)生圖9的結(jié)果中具有主要作用，其中通過FAMS 109和通過 FAIMS 155的模擬的CV掃描分別示出為曲線212和214。相對(duì)于常規(guī)的橫向FAIMS，計(jì)算的 約10倍的傳輸上的改進(jìn)是通過總體裝置尺寸或形狀的最小重新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。在一些實(shí)現(xiàn) 方式中，這種現(xiàn)有FAMS設(shè)計(jì)的簡單修改可能比使用不同形式的FAIMS裝置（如圖5的裝 置103)是更令人希望的。
[0041] 圖10A展示了根據(jù)本傳授內(nèi)容的另一個(gè)FAIMS裝置201的透視截面圖（一個(gè)四分 之一截面圖）。這個(gè)圖中的圖解是雙剖開視圖，該雙剖開視圖是在包括FAIMS內(nèi)部電極165 的圓柱軸線177的一個(gè)平面（x- z平面）中剖開的并且還是在垂直于圓柱軸線177的一個(gè) 平面（y-z平面）中剖開的。每個(gè)此類截面將整個(gè)FAIMS裝置201平分，并且因此圖10A中 示出的視圖是一個(gè)四分之一截面圖。圖10B展示了圖10A的FAMS裝置的入口板和外部電 極的一部分的截面圖（圖10B的上圖和下圖兩者）。圖10B還示意性地展示了（僅下圖） 在裝置201的氣體膨脹室111內(nèi)的流動(dòng)矢量。
[0042] FAIMS裝置201的許多元件類似于在此先前所述的其他FAIMS裝置中的對(duì)應(yīng)元件。 然而，F(xiàn)AIMS裝置201關(guān)于離子入口孔152、氣體膨脹室111以及在入口孔152與氣體膨脹 室111之間的關(guān)系的配置不同于先前所述的裝置。如所示出的，裝置201還包括凹陷到入 口板120內(nèi)并且圍繞入口板孔口 117的一個(gè)去溶劑化室115。
[0043] 與在此先前所述的裝置相比，裝置201的膨脹室111按一種方式形成在入口板120 內(nèi)的一個(gè)凹部以便圓周地圍繞離子入口孔152。進(jìn)一步地，這樣提供該膨脹室凹部使得離子 入口孔152的壁的一部分突出到膨脹室111內(nèi)以便形成圓周地圍繞離子入口孔152的一部 分的一個(gè)環(huán)119。在入口板120與該離子入口孔的入口端302之間的空間包括在該入口板 與該離子入口孔的入口端之間的一個(gè)窄間隙I 26。入口板120這樣配置使得入口板的界定 膨脹室111的一個(gè)面的一個(gè)重疊部分128延伸超過該膨脹室以便也面向離子入口孔I 52的 壁的環(huán)部分119。
[0044] 作為圖10A-10B中示出的配置的結(jié)果，致使通過氣體導(dǎo)管113進(jìn)入膨脹室111的 氣體圍繞環(huán)119的圓周流動(dòng)并且然后流入并且通過間隙 126。裝置201這樣配置使得間隙 126的寬度顯著小于膨脹室111的寬度，其中該間隙的寬度在入口板12〇與離子入口孔152 的入口端302之間進(jìn)行測量，并且室1丨1的寬度在入口板 120與界定該室的外部電極170 的相面對(duì)的表面之間進(jìn)行測量。因?yàn)檫@些不同的寬度，致使當(dāng)氣體流入該間隙內(nèi)時(shí)氣體壓 力和流動(dòng)速度兩者增加。然后該速度增加的氣體流動(dòng)通過圓周地圍繞離子入口孔 152的入 口端的間隙126的全部進(jìn)入離子入口孔152的入口端302。離子穿過在該入口板中的孔口 117并然后跨過間隙126并且進(jìn)入離子入口孔 152中，在該離子入口孔處它們被夾帶在氣體 流動(dòng)中。該入口板的重疊部分128將氣體限制在間隙126內(nèi)并且使得實(shí)現(xiàn)流動(dòng)速度上的增 加。
[0045] 如圖湖中的下圖中示出的，由擠壓氣體流動(dòng)到間隙126內(nèi)產(chǎn)生的增加的氣體流 動(dòng)速度導(dǎo)致針對(duì)離子入口孔I52的凸形彎曲內(nèi)壁形成一個(gè)高速度邊界層，從而導(dǎo)致該尚速 度氣體根據(jù)柯安達(dá)效應(yīng)遵循這些壁的彎曲表面。因此，如先前關(guān)于圖 7-8中示出的裝置109 討論的，該高速度氣體流動(dòng)（以及，結(jié)果，該氣體本身的大部分）轉(zhuǎn)向進(jìn)入分析間隙175內(nèi) 以便避免撞擊內(nèi)部電極165。這些夾帶的離子的大多數(shù)與該氣體一起被運(yùn)載，從而改進(jìn)通過 該FAIMS裝置的離子通過量。
[0046] FAIMS裝置201的離子入口孔152的內(nèi)壁的曲率（圖10A)與FAIMS裝置109的入 口孔151的壁的曲率（圖7_8)的不同之處在于入口孔152的壁包括在不同截面中的不同 曲率半徑。在取為平行于內(nèi)部電極的圓柱軸線177的1 2截面中，該壁的曲率半徑是ri，而 在取向?yàn)榇怪庇谳S線177的y-z截面中，該曲率半徑是1" 2，其中r2>ri。在不同方向上的壁 曲率中的這種差異的原因是，在y-z平面中，在y方向上要求的氣體噴流的偏轉(zhuǎn)大于在 x-z 平面中的X方向上必須的或希望的偏轉(zhuǎn)量。y-ζ平面中要求的更大的偏轉(zhuǎn)程度是環(huán)形分析 間隙175的幾何結(jié)構(gòu)的簡單結(jié)果。例如，考慮在膨脹室111中沿負(fù)y方向接近離子入口孔 152的氣體。為了完全轉(zhuǎn)向進(jìn)入分析間隙175內(nèi)，流動(dòng)方向必須轉(zhuǎn)向以便具有在正y方向 上的一個(gè)分矢量。對(duì)于在膨脹室111中沿例如正X方向接近離子入口孔152的氣體不存在 此類要求。在這后一種情況下，最重要的要求是維持大部分氣體流動(dòng)在靠近從離子入口孔 152到離子出口孔185的一條軸線（未示出）的分析間隙內(nèi)。在y-z截面上的更大半徑r2 允許充分逐漸地完成所要求的氣體噴流的更大角偏轉(zhuǎn)量，這樣使得該邊界層不與該彎曲壁 分離。
[0047] 圖11展示了在圖10的FAMS裝置201的環(huán)形分析間隙175內(nèi)的計(jì)算的氣體流動(dòng) 速度的等值線圖，沿y-z平面示出的。具有逐漸更大的流動(dòng)速度的區(qū)域用逐漸更暗的陰影 示出。這些計(jì)算使用一種利用圖12中示出的有限元網(wǎng)格圖案的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)路線來進(jìn) 行。圖12中的網(wǎng)格圖案疊加在圖10的FAMS裝置內(nèi)的內(nèi)部氣體體積上。注意未在圖12 中示出裝置元件。該網(wǎng)格或格網(wǎng)間距不是均勻的。更緊密間隔的格網(wǎng)用于在這些彎曲孔壁 周圍以及在從該離子入口孔至該離子出口孔的軸線的附近區(qū)域內(nèi)的區(qū)域中，以便準(zhǔn)確地建 模在這些區(qū)域中的氣體流動(dòng)，其中速度和流動(dòng)流線快速改變。在該彎曲壁表面周圍的這些 格網(wǎng)單元的平均品質(zhì)是0. 85。
[0048] 如圖1中所示出的，F(xiàn)AIMS裝置常常與質(zhì)譜儀結(jié)合使用，以便消除在質(zhì)譜分析之前 來自離子流的千擾性背景離子。出于實(shí)際原因，存在對(duì)于以此種方式接合至質(zhì)譜儀的FAIMS 裝置的尺寸限制。從一個(gè)實(shí)際角度來看，該FAIMS裝置的尺寸這樣受限使得內(nèi)部電極的直 徑受限于約20mra或更小，并且分析間隙的寬度受限于約20圓或更小。因此，進(jìn)行附圖中示 出的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算以便建模在這個(gè)尺寸范圍內(nèi)的FAIMS裝置。這些流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明 減少間隙126(圖10B)的寬度產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于在這些彎曲入口孔壁周圍的更好偏轉(zhuǎn)以及更好的 總通過量的更大的氣體射流速度。如果該間隙寬度大于0. 75mm，那么這些流線發(fā)散并且與 該彎曲壁表面分離。然而，出于實(shí)際原因，該間隙的寬度優(yōu)選大于約0.25mm。而且，增加氣 體流動(dòng)速率給出了更高的通過量，其條件是該氣體流動(dòng)不變成湍流的。在該建模的裝置中 的流動(dòng)的雷諾數(shù)對(duì)于0. 5m/s的內(nèi)部流動(dòng)速率是約70并且對(duì)于5. Om/s的內(nèi)部流動(dòng)速率是 約2〇9,因此該流動(dòng)保持為層狀的。然而，通過量需要與隨著流動(dòng)速率增加而減少的FAMS 分析分辨率相平衡。
[0049] 本申請中所包括的論述是旨在用作基本的說明。盡管已經(jīng)根據(jù)所顯示和描述的不 同實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到，可以存在對(duì)這些 實(shí)施例的變更，這些變更在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。作為一個(gè)實(shí)例，圖10展示了一個(gè)FAIMS裝 置，該FAIMS裝置包括一個(gè)離子入口孔152并且還包括多個(gè)氣體入口導(dǎo)管113,該離子入口 孔具有彎曲的壁且突出到一個(gè)氣體膨脹室內(nèi)，該多個(gè)氣體入口導(dǎo)管從相對(duì)的側(cè)提供至該膨 脹室的FAMS浴氣體。盡管這兩個(gè)特征是有益的，但該新穎的離子入口孔配置的益處還可 以使用一個(gè)常規(guī)的單一氣體入口導(dǎo)管來實(shí)現(xiàn)。作為另-個(gè)實(shí)例，盡管該 FAIMS浴氣體示出 為通過"導(dǎo)管"來提供，但任何形式的氣體入口可以是足夠的，如例如，氣體導(dǎo)管"孔口，，。類 似地，盡管該離子入口在此被描述為一個(gè)"孔"，它可以同等地采取或被描述為一個(gè)"孔口"、 或（在一些實(shí)施例中）一個(gè)"導(dǎo)管"的形式。
【權(quán)利要求】
1. 一種高場不對(duì)稱波形離子遷移譜（FAIMS)裝置，包括：(a) -個(gè)膨脹室，該膨脹室接 收來自一個(gè)離子源的離子和來自一個(gè)氣體入口的一個(gè)氣體流動(dòng)；(b) -個(gè)外部電極，該外 部電極具有一個(gè)總體上凹形的內(nèi)表面并且包括（i) 一個(gè)離子入口孔，該離子入口孔包括一 個(gè)孔壁、一個(gè)孔入口端和一個(gè)孔出口端，該離子入口孔可操作以接收來自一個(gè)離子源的離 子和來自該膨脹室的氣體流動(dòng)的一部分，和（ii) 一個(gè)離子出口；以及（c) 一個(gè)內(nèi)部電極，該 內(nèi)部電極具有一個(gè)總體上凸形的外表面，該凸形外表面以相對(duì)于該外部電極的內(nèi)表面間隔 開且面對(duì)的安排進(jìn)行布置以在其間限定一個(gè)離子分離區(qū)域，其中該氣體流動(dòng)的該部分和這 些離子的一部分從該離子入口被接收到該離子分離區(qū)域中并且從該離子入口行進(jìn)穿過該 離子分離區(qū)域至該離子出口，該裝置的特征在于： 該離子入口孔壁是在該入口端與出口端之間凸形彎曲的。
2. 如權(quán)利要求1所述的FAMS裝置，其中該內(nèi)部電極的一部分包括一個(gè)圓筒，這樣使得 該氣體流動(dòng)和該離子的部分沿該圓筒的相對(duì)側(cè)處的兩個(gè)路徑通過該離子分離區(qū)域從該離 子入口行進(jìn)至該離子出口。
3. 如權(quán)利要求1-2中任一項(xiàng)所述的FAIMS裝置，其中該孔壁的一部分突出到該膨脹室 內(nèi)以便包括一個(gè)圍繞該孔的環(huán)。
4. 如權(quán)利要求3所述的FAMS裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)入口板，該入口板具有一個(gè)孔口， 通過該孔口將該離子提供到該離子入口孔，其中該氣體流動(dòng)穿過在該入口板的一個(gè)平坦表 面與該環(huán)之間的一個(gè)間隙。
5. 如權(quán)利要求4所述的FAMS裝置，其中該間隙的寬度是在0. 25mm至0. 75mm的范圍 內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求1-2中任一項(xiàng)所述的FAMS裝置，其中該曲率包括沿該離子入口孔的不 同截面的不同曲率半徑。
7. -種高場不對(duì)稱波形離子遷移譜（FAIMS)裝置，包括：(a) -個(gè)離子源；(b) -個(gè)膨 脹室；（c) 一個(gè)外部電極，該外部電極具有一個(gè)總體上凹形的內(nèi)表面并且包括（i) 一個(gè)離子 入口，該離子入口可操作以接收來自該離子源的離子并且接收來自該膨脹室的一個(gè)氣體流 動(dòng)，和（ii) 一個(gè)離子出口；以及⑷一個(gè)內(nèi)部電極，該內(nèi)部電極具有一個(gè)總體上凸形的外 表面，該凸形外表面以相對(duì)于該外部電極的內(nèi)表面間隔開且面對(duì)的安排進(jìn)行布置以在其間 限定一個(gè)離子分離區(qū)域，其中該氣體流動(dòng)和這些離子的一部分從該離子入口被接收到該離 子分離區(qū)域中并且從該離子入口行進(jìn)穿過該離子分離區(qū)域至該離子出口，該裝置的特征在 于： (e) -個(gè)第一和一個(gè)第二氣體入口，該第一和第二氣體入口分別提供一個(gè)第一和一個(gè) 第二氣體流動(dòng)到該膨脹室，其中由該離子入口從該膨脹室接收的氣體流動(dòng)包括該第一和第 二氣體流動(dòng)的組合部分。
8. 如權(quán)利要求7所述的FAIMS裝置，其中該第一和第二氣體入口布置在該離子入口的 相對(duì)側(cè)處并且在該膨脹室內(nèi)被引導(dǎo)朝向彼此。
9. 如權(quán)利要求7-8中任一項(xiàng)所述的FAIMS裝置，其中該內(nèi)部電極的一部分包括一個(gè)圓 筒，這樣使得該氣體流動(dòng)和這些離子的該部分沿該圓筒的相對(duì)側(cè)處的兩個(gè)路徑通過該離子 分離區(qū)域從該離子入口行進(jìn)至該離子出口。
10. 如權(quán)利要求9所述的FAIMS裝置，其中該離子入口包括一個(gè)通過該外部電極的孔， 該孔具有一個(gè)孔壁、一個(gè)孔入口端和一個(gè)孔出口端，其中該孔壁是在該入口端與該出口端 之間凸形彎曲的。
11. 如權(quán)利要求10中所述的FAIMS裝置，其中該孔壁的一部分突出到該膨脹室內(nèi)以便 包括一個(gè)圍繞該孔的環(huán)。
12. 如權(quán)利要求11所述的FAMS裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)入口板，該入口板具有一個(gè)孔 口，通過該孔口將該離子提供到該離子入口孔，其中該組合的氣體流動(dòng)穿過在該入口板的 一個(gè)平坦表面與該環(huán)的之間的一個(gè)間隙。
13. 如權(quán)利要求12所述的FAMS裝置，其中該間隙的寬度是在0. 25mm至0. 75mm的范 圍內(nèi)。
14. 如權(quán)利要求10所述的FAMS裝置，其中該曲率包括沿該離子入口孔的不同截面的 不同曲率半徑。
【文檔編號(hào)】H01J49/00GK104285274SQ201380024847
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月18日
【發(fā)明者】S·普拉薩德, M·W·貝爾福德, J·J·鄧亞馳 申請人:薩默費(fèi)尼根有限公司