專利名稱：離子遷移譜儀與方法
離子遷移i普儀與方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
本申請(qǐng)要求于2007年2月5日遞交的申請(qǐng)?zhí)枮?0/888172的相應(yīng)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的利益和優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容作為參考結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
離子遷移語(yǔ)儀(Ion mobility spectrometers, IMS )被廣泛地用在化學(xué)分析領(lǐng)域。IMS基于離子在給定介質(zhì)(氣體或液體)中的離子遷移率來(lái)對(duì)離子種類進(jìn)行分離。IMS技術(shù)的近期發(fā)展產(chǎn)生了兩種形式的IMS儀器和系統(tǒng)。飛行時(shí)間(Time of Flight, TOF ) IMS基于離子在恒定電場(chǎng)下的穩(wěn)態(tài)離子遷移率來(lái)對(duì)離子進(jìn)行分離。利用IMS的高分析能力已經(jīng)通過(guò)TOF-IMS儀器實(shí)現(xiàn)。另一類裝置基于離子的遷移率在高場(chǎng)條件下的改變而對(duì)離子進(jìn)行分離，i者如非對(duì)稱場(chǎng)離子遷移i普4義(Field asymmetric ion mobilityspectrometer, FAIMS )或差分遷移譜儀(Differential mobility spectrometer,DMS)。這些裝置通過(guò)使用非線性遷移率(其在標(biāo)準(zhǔn)化電場(chǎng)的高值(E/n)處發(fā)生)對(duì)離子進(jìn)行分離。標(biāo)準(zhǔn)化電場(chǎng)是指在空間中的給定位置施加的電場(chǎng)與中性粒子數(shù)目密度的比值。標(biāo)準(zhǔn)化電場(chǎng)是電離化氣體和等離子體中的關(guān)鍵參數(shù)，作為電離化離子的能量，擊穿電壓和保持電壓以及其他關(guān)鍵參數(shù)取決于該比值。FAIMS和/或DMS裝置具有實(shí)際上仍然比線性漂移管更差的敏感性和選擇性。
在很多情況下，在不太理想的操作環(huán)境中(特別地，具有高水分或其他特定場(chǎng)景干擾的環(huán)境)，譜儀(spectrometer)性能被大大限制。這些環(huán)境中的離子遷移譜儀的性能可以通過(guò)增加氣體的溫度而改善。高溫離子遷移譜儀在需要高分辨率分析(諸如，爆炸物檢測(cè))的應(yīng)用中是常見(jiàn)的。不幸的是，IMS裝置中的高溫漂移管的使用導(dǎo)致高功率消耗、便攜性受限以及其他操作缺陷(包括從冷條件開(kāi)始的緩慢啟動(dòng))。另外，在這些譜儀中通常需要干漂移氣體。該單元前面的除濕器已經(jīng)被用于通過(guò)顯著平衡來(lái)解決這些問(wèn)題(作為水吸收器或作為疏水膜)。容量、重量和再生的需要利用了不切實(shí)際的除濕器單元，而疏水膜的使用降低了引入裝置的樣品的容量和數(shù)量，從而降低了其敏感性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總地涉及用于在導(dǎo)致非熱平衡的離子遷移譜儀中向離子傳送額
外能量的系統(tǒng)和方法。該設(shè)備被稱為提升能量的離子遷移譜儀(ElevatedEnergy Ion Mobility Spectrometer, EE-IMS )。在EE-IMS中，離子能量通過(guò)離子遷移譜儀的電離區(qū)、離子化學(xué)互相作用(反應(yīng))區(qū)、和/或分離區(qū)可以以非熱方式增加。在一個(gè)方面中，提升后的離子能量水平防止了離子與譜儀內(nèi)的中性分子團(tuán)簇(clustering)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在飛行時(shí)間類型的離子遷移譜儀(Time ofFlight Type Ion Mobility Spectrometer, TOFIMS )中，額外的電場(chǎng)成分4吏得離子僅在垂直于正常漂移方向的方向上移動(dòng)，從而譜儀可以保持它的正常性能(例如，分辨率)，同時(shí)避免了來(lái)自水和其他中性分子的干擾。在這個(gè)實(shí)施例中，與EE-IMS和其他離子遷移譜儀和非對(duì)稱場(chǎng)離子遷移譜儀結(jié)合的根本差別在于(a)本發(fā)明不導(dǎo)致利用AC場(chǎng)的分析目的的離子分離；AC電場(chǎng)成分通?？梢允菍?duì)稱波形或者可以導(dǎo)致離子停留在提升后的能量水平的任何波形。波形的頻率可以在寬RF范圍內(nèi)，例如，在0.1-lOMHz范圍內(nèi)乃至在微波范圍內(nèi)；(b )與離子部分時(shí)間停留在低能量水平的FAIMS或DMS相比，EE-IMS中的離子基本停留在高能量水平。(c)氣體流不對(duì)離子分離的氣體流有影響；TOFIMS中的傳統(tǒng)計(jì)數(shù)器的反向氣流僅被用于漂移管清潔。其不能被用作離子載氣或?yàn)殡x子分離用的平衡力；以及(d)分析目的離子分離僅基于漂移軸方向上離子的穩(wěn)態(tài)遷移率。在該申請(qǐng)中，
術(shù)語(yǔ)AC和RF可以纟皮交換使用。
本發(fā)明描述了一種在導(dǎo)致離子和背景氣體分子之間的非熱平衡的分布離子遷移分離器中向離子供應(yīng)能量的設(shè)備和方 。在一個(gè)非限制性的實(shí)例中，漂移管保護(hù)環(huán)(guardring)由多個(gè)電極組成，以施加垂直于離子漂移方向的波形，并且被稱為分段保護(hù)電極。當(dāng)在所施加的DC電場(chǎng)的影響下
IMS中的離子沿著漂移管的軸飛行時(shí)，AC電場(chǎng)被施加在垂直于離子漂移方 向的第二方向上。第二個(gè)場(chǎng)下的高速運(yùn)動(dòng)使得離子在IMS中漂移的同時(shí)保 持在較高能量水平。結(jié)果，在提升后的能量水平下的離子不再與譜儀中的 中性分子團(tuán)簇，或者使它們團(tuán)簇的傾向降低。AC電場(chǎng)還可以被施加在電離 區(qū)、離子化學(xué)反應(yīng)區(qū)以及離子分離(漂移)區(qū)中。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，向離子供應(yīng)非熱能的能量源是無(wú)線電頻率 (RF)電場(chǎng)。所以，EE-IMS使用RF電場(chǎng)以非熱方式加熱離子。非熱意味 著離子能量不與背景氣體平衡。增加的離子能量提供了修改線性漂移的方 式，以最小化與TOFIMS有關(guān)的問(wèn)題。本發(fā)明的EE-IMS使用高RF電場(chǎng)以 增加離子的有效溫度，在一個(gè)方面最小化由于環(huán)境中的濕度或其他干擾而 導(dǎo)致的離子的不利的化學(xué)或物理表現(xiàn)。還可以使用DC場(chǎng)和RF場(chǎng)的結(jié)合， 從而使得使用DC場(chǎng)執(zhí)行離子分離，但是RF場(chǎng)被用于改變化學(xué)并防止與目 前裝置相關(guān)聯(lián)的一些問(wèn)題。
另外，在離子運(yùn)輸和基于遷移率的分離過(guò)程中，RF加熱方法可以被用 于FAIMS、 DMS和/或其他演變形式，其中，RF電場(chǎng)被施加在垂直于導(dǎo)致 基于離子遷移率的分離的(非對(duì)稱)電場(chǎng)的方向上。在一些實(shí)施例中，與 EE-IMS和包括TOFIMS和FAIMS以及DMS的傳統(tǒng)IMS的根本不同點(diǎn)在 于(1 )在離子運(yùn)輸和基于遷移率的分離過(guò)程中，EE-IMS中的離子被RF 電場(chǎng)保持在高有效溫度(高能量)條件下。(2) RF電場(chǎng)被用于連續(xù)保持 提升后的離子能量，并且它不能導(dǎo)致分析目的的離子分離RF電場(chǎng)成分可 以是對(duì)稱的，只要其使得離子停留在提升后的能量水平。(3)在EE-IMS 中，漂移氣體流不存在對(duì)于離子分離欄的漂移氣體流的影響TOF-IMS中 的傳統(tǒng)反向氣體流僅用于漂移管清潔。其不能被用作離子載氣或?yàn)橛糜陔x 子分離用的平衡力；基于離子的穩(wěn)態(tài)遷移率，離子僅在DC電場(chǎng)方向被分 離。(4 )在包括EE-FAIMS和/或EE-DMS的EE-IMS中，RF場(chǎng)被施加在 垂直于(或其他角度)在這些裝置中用于過(guò)濾離子的傳統(tǒng)的非對(duì)稱電場(chǎng)的 方向上。


結(jié)合附圖，通過(guò)下面的描述可以更加完全地理解本發(fā)明的前述和其他 方面、實(shí)施例和特征。貫穿各個(gè)附圖，圖中的相同的參考字符通常表示相 同的特征和結(jié)構(gòu)元件。附圖不必須是按比例的，重點(diǎn)在于闡述本發(fā)明的原 理。
圖1示出了 EE-IMS中的離子運(yùn)動(dòng)的實(shí)例，其中，在RF和DC電場(chǎng)二 者的影響下，離子被運(yùn)輸通過(guò)漂移管；
圖2示出了使用利用DC和RF場(chǎng)二者進(jìn)行偏壓后的電極的TOFIMS 中的EE-IMS的示意圖3示出本發(fā)明的一方面的新儀器，示出了利用電感驅(qū)動(dòng)來(lái)生成多個(gè) RF場(chǎng)的示意圖4a和圖4b示出了說(shuō)明使用電感方式的RF加能的示意圖，其中，需 要該RF驅(qū)動(dòng)圖2和圖3中的儀器的保護(hù)電極；
圖5a和圖5b示出本發(fā)明的一方面的新儀器，示出了利用電容驅(qū)動(dòng)來(lái) 生成多個(gè)RF場(chǎng)的實(shí)施例；
圖6a和圖6b示出了具有由4個(gè)分段組成的分段保護(hù)電極的裝置的實(shí) 施例的截面圖；圖6a^^用單個(gè)RF電源，而圖6b ^f吏用多個(gè)RF電源；
圖7a-d示出了具有形成分段保護(hù)電極的分段的不同排列的裝置的實(shí)施 例的四個(gè)截面圖8示出了使用高頻腔模式來(lái)建立本發(fā)明的RF場(chǎng)；
圖9示出了在載氣流和非對(duì)稱無(wú)線電頻率電場(chǎng)波形的同時(shí)影響下， FAIMS或DMS離子過(guò)濾器的上和下平行板電極之間的間隙中的離子的軌 跡；
圖10a到圖10d示出了被用在現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明中的各種RF波形； 圖11示出了用于EE-IMS的波形的一個(gè)實(shí)施例，其中，RF電場(chǎng);故施 加在垂直于具有基本相位偏移的另一個(gè)RF電場(chǎng)的方向的方向中； 圖12a-圖12b示出了使用2對(duì)電極生成旋轉(zhuǎn)RF電場(chǎng)的方式； 圖13示出了使用奇數(shù)組電極生成旋轉(zhuǎn)RF電場(chǎng)的方式； 圖14示出了使用多個(gè)電才及在EE-IMS中生成相對(duì)均勻的RF電場(chǎng)的方式；
圖15示出了使用多個(gè)電極和多個(gè)波形在EE-IMS中生成旋轉(zhuǎn)的、相對(duì) 均勾的RF電場(chǎng)的方式；
圖16示出了使用添加恒定延遲的相位延遲元件生成多個(gè)波形的方式；
以及
圖17示出了使用添加多個(gè)頻率延遲的相位延遲元件生成多個(gè)波形的 方式。
具體實(shí)施例方式
術(shù)語(yǔ)"離子遷移分離器"、"離子遷移譜儀"以及"基于離子遷移率 的譜儀"在本發(fā)明中可以交換使用，并且通常被稱為IMS,包括飛行時(shí)間 (TOF) IMS、差分遷移譜儀(DMS)、非對(duì)稱場(chǎng)離子遷移譜儀(FAIMS) 以及它們的演變形式。從廣泛意義上講，飛行時(shí)間離子遷移譜儀和它們的 演變形式指基于離子飛過(guò)限定距離的時(shí)間來(lái)對(duì)離子進(jìn)行表征的任何基于離 子遷移率的分離設(shè)備。在高數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化電場(chǎng)下，F(xiàn)AIMS、 DMS以及它們 的演變形式基于其離子遷移特性來(lái)對(duì)離子進(jìn)行分離。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以利用"漂移管"。在這里，才艮據(jù)該術(shù)語(yǔ)在離 子遷移譜儀領(lǐng)域中所接受的含義使用術(shù)語(yǔ)"漂移管"。漂移管是一種包括 中性氣體的結(jié)構(gòu)，離子在電場(chǎng)的影響下移動(dòng)通過(guò)該結(jié)構(gòu)。應(yīng)該理解，"漂 移管"不需要是管或圓筒的形式。如本領(lǐng)域中所理解的，"漂移管"不限 于在圓筒中得到的圓形或橢圓形截面，而可以具有包括但不限于正方形、 矩形、圓形、橢圓形、半圓形以及三角形等在內(nèi)的任何截面形狀。在很多 情況下，漂移管還被稱為FAIMS或DMS裝置的離子運(yùn)輸和/或離子過(guò)濾器 部分。
中性氣體通常被稱為載氣、漂移氣體、緩沖氣體等，并且這些術(shù)語(yǔ)在 這里被認(rèn)為是可以交換的。該氣體處于這樣的壓力下所關(guān)心的一個(gè)或多 個(gè)離子的平均自由程小于漂移管的尺寸。即，氣體壓力被選擇用于粘性流。 在通道中的氣體的粘性流的條件下，條件是這樣的平均自由程與通道的 橫向尺寸相比非常小。在這些壓力下，流特性主要由氣體分子之間的碰撞(即氣體的粘性)來(lái)確定。該流可以是層流的或湍流的。優(yōu)選的，漂移管 中的壓力足夠高，以至于離子將飛行相對(duì)于漂移管的縱向長(zhǎng)度而言可忽略 的距離，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)離子遷移。
在這里的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中使用的短語(yǔ)"和/或"應(yīng)該被理解為意思 是如此結(jié)合的元件的"二者之一或二者，，，即，在一些情況中元件是結(jié)合 地出現(xiàn)的，而在其他情況中元件是分別出現(xiàn)的。
除非在本文件中另外指定，否則術(shù)語(yǔ)"粒子"用于指化學(xué)和/或生物的 單個(gè)或多個(gè)亞原子粒子、原子、分子、大或高分子、納米粒子、或其他物 質(zhì)，這些物質(zhì)是追隨流動(dòng)介質(zhì)的蒸氣、液滴、氣霧、液體、固體，其中該 介質(zhì)可以是氣體、液體、超臨界流體和/或其他流體材料。
本發(fā)明總地涉及使用能量源向離子供應(yīng)能量以將離子保持在高于給定 操作溫度下的熱能的能量水平的系統(tǒng)和方法。在一組實(shí)施例中，在離子運(yùn) 輸和/或基于遷移率的分離過(guò)程中，連續(xù)供應(yīng)能量，從而使得離子能量總是 高于熱能水平。在另一組實(shí)施例中，在離子運(yùn)輸和/或基于遷移率的分離過(guò) 程中以一種方式提供能量而防止離子連續(xù)停留在該熱能水平大體上長(zhǎng)于 1 (iS。
本發(fā)明的一方面涉及用于防止離子與周圍的中性分子團(tuán)簇或降低離子 與周圍的中性分子團(tuán)簇的傾向的系統(tǒng)和方法。目前應(yīng)該理解，高濕度會(huì)通
過(guò)團(tuán)簇的作用過(guò)程而干擾IMS設(shè)備的性能。與團(tuán)簇相關(guān)聯(lián)的能量大約為 200kcal/mol(對(duì)于質(zhì)子化的水團(tuán)簇H30+)，團(tuán)簇越大，能量越低(對(duì)于n-2是30-40kcal/mo1，隨著團(tuán)蔟尺寸而降低)。
已經(jīng)證實(shí)，用于防止高濕度對(duì)IMS檢測(cè)器的作用影響的方法是利用在 提升后的溫度下操作漂移管來(lái)實(shí)現(xiàn)的。高溫操作需要功率并限制了設(shè)備的 暫態(tài)操作(其需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間以使通過(guò)整個(gè)儀器達(dá)到均勾溫度)。這里 描述的該新方法的一個(gè)實(shí)施例涉及一種在以非熱方式向離子添加額外能量 (即，對(duì)它們加熱)的同時(shí)，除在保持背景氣體的室內(nèi)溫度外，通過(guò)傳統(tǒng) 的離子遷移譜儀實(shí)現(xiàn)分離的方法。向離子提供動(dòng)能打破了離子-水團(tuán)簇，最 小化或去除了由于高濕度和其他中性分子導(dǎo)致的干擾。
需要非常高的場(chǎng)來(lái)完全游離水團(tuán)簇，但是提供足夠的能量來(lái)游離n>l
ii的水團(tuán)簇M+(H20)n相對(duì)比較容易。 一般認(rèn)為沒(méi)有必要提供完全解團(tuán)簇 (diclustering )，即使在使用吸收器或薄膜的儀器中，低數(shù)量團(tuán)簇也會(huì)發(fā) 生。與高濕度相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題發(fā)生在當(dāng)團(tuán)簇相當(dāng)大時(shí)，以至于妨礙離子化學(xué) (ion chemistry )。需要數(shù)Townsends ( E/n )的標(biāo)準(zhǔn)化場(chǎng)強(qiáng)度以提供游離能 量，因而大氣壓下需產(chǎn)生大約10kV/cm的電場(chǎng)。通過(guò)本發(fā)明的各種實(shí)施例， 可以通過(guò)向離子提供一定數(shù)量的能量來(lái)控制特定數(shù)量的中性分子與離子結(jié) 合。從而，在給定的能量水平下， 一種離子可以保持與已知數(shù)量的中性分 子進(jìn)行團(tuán)簇。通過(guò)調(diào)節(jié)能量水平，控制團(tuán)簇的程度。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，向離子供應(yīng)非熱能量的能量源是無(wú)線電頻 率(RF)電場(chǎng)，但是不僅限于這種能量源。能量源可以被調(diào)諧以提供用于 以下目的但又不限于以下目的的能量水平控制團(tuán)簇、解團(tuán)簇、控制離子-分子反應(yīng)的程度。在一些情況下，標(biāo)準(zhǔn)化RF電場(chǎng)大于2 Townsend，或者 標(biāo)準(zhǔn)化RF電場(chǎng)大于40 Townsend，并且RF電場(chǎng)頻率在10kHz到2MHz之 間，或者RF電場(chǎng)在500MHz到3GHz之間。
使用高密度電場(chǎng)只對(duì)離子提供能量需要非常小的功率而且是接近瞬時(shí) 的(不需要等待儀器暖機(jī))，并且具有提供可以被用來(lái)控制離子化學(xué)的額 外旋鈕的額外益處。當(dāng)離子在中性背景中消散它們的能量時(shí)，存在對(duì)于中 性背景的一些加熱，但是與這種機(jī)制相關(guān)聯(lián)的加熱功率是非常小的(<100 microW )。
由于在本發(fā)明的一些應(yīng)用中，線性無(wú)線電頻率(RF)場(chǎng)需要在每個(gè)周 期中在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)0兩次，所以提高頻率以最小化在低電場(chǎng)周期內(nèi)離子 游蕩的時(shí)間非常重要。大氣壓下的團(tuán)簇現(xiàn)象的時(shí)間常數(shù)大約為l微秒等級(jí)。 從而，大約為數(shù)百KHz或更高等級(jí)的頻率是優(yōu)選的?？梢苑乐筊F場(chǎng)降低 到零的一個(gè)實(shí)施例使用了相互垂直的兩個(gè)RF場(chǎng)。因?yàn)檫@兩個(gè)波形具有這樣 的相位差當(dāng)一個(gè)RF場(chǎng)降低到零時(shí)，另一個(gè)場(chǎng)處于其最大值。所以，在該 疊加電場(chǎng)中飛行的離子可以被保持在高能量水平。
在一組實(shí)施例中，以防止離子在離子傳輸和/或以遷移率分離的過(guò)程中 連續(xù)停留在該熱能水平大體上長(zhǎng)于lps的方式提供能量。這通過(guò)使用高于 數(shù)百kHz的RF電場(chǎng)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)非限制性實(shí)例中，通過(guò)在軸向使用低強(qiáng)度DC來(lái)實(shí)現(xiàn)分離和漂移，同時(shí)垂直于低強(qiáng)度電場(chǎng)的方向上的高強(qiáng)
度場(chǎng)防止了離子在漂移管的電離區(qū)、反應(yīng)區(qū)和/或漂 移區(qū)中團(tuán)簇。RF場(chǎng)是 對(duì)稱的，與諸如DMS或FAIMS設(shè)備(圖9 )的橫向場(chǎng)IMS (其使用非對(duì) 稱的RF場(chǎng)(圖10a),用于通過(guò)非線性遷移對(duì)離子進(jìn)行分離)相反。圖1 示意性地示出了在漂移部106和化學(xué)作用(反應(yīng))區(qū)104中在結(jié)合的DC 和RF電場(chǎng)的影響下離子100的離子運(yùn)動(dòng)軌跡101。為了圖1中清楚，示出 的額外元件是限定漂移管中的電場(chǎng)的一系列保護(hù)電極103、生成初級(jí)離 子的電離源105、加能的門(energizing gate ) 116以及離子檢測(cè)器110。振 蕩漂移可能比圖1所示的更加明顯，離子運(yùn)動(dòng)可能在所描述的飛行期間經(jīng) 歷更多振蕩，所以RF場(chǎng)中的離子飛行的相對(duì)距離可能是IMS的典型橫截 面尺寸的很小一部分。
圖2示出了使用利用DC和RF場(chǎng)施加偏壓后的電極的飛行時(shí)間離子遷 移鐠儀中的EE-IMS的示意圖。 一小群離子被引入用于基于離子的穩(wěn)態(tài)離 子遷移率來(lái)分離離子種類的漂移區(qū)206。通過(guò)場(chǎng)分離器格柵(gate,門)214 的適當(dāng)偏壓應(yīng)用DC場(chǎng)，將由電離源212在電離區(qū)202中產(chǎn)生的一種極性 的離子與另一種極性的離子分離。電離源212可以是放射源、光電離源、 電暈源、電噴霧電離源或其他在電離區(qū)202中從中性氣體生成兩種極性的 離子的任何裝置。在很多情況下，212、 202以及其他周圍元件的結(jié)合被統(tǒng) 稱為電離源。這些離子(主要是初級(jí)離子或反應(yīng)離子)進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)區(qū)204， 在該反應(yīng)區(qū)中，這些離子與未在圖2中示出的通過(guò)樣品供給(sample feed) 引入的樣品進(jìn)行相互作用。該樣品也可以被引入電離室區(qū)202。 一種或兩 種極性的離子導(dǎo)入化學(xué)反應(yīng)區(qū)204,通過(guò)門214。作為另一個(gè)替代實(shí)施例， 可以將區(qū)域202和204結(jié)合起來(lái)。可以通過(guò)給加能的門214或216或分賴: 保護(hù)電極236a和236b加能向DC場(chǎng)添加RF電場(chǎng)，在漂移管的反應(yīng)區(qū)中生 成RF電場(chǎng)?？梢酝ㄟ^(guò)給分^殳保護(hù)電極230a和230b加能或給門214和源元 件212加能，將RF場(chǎng)添加至電離室。反應(yīng)區(qū)204的目的在于用于使離子化 學(xué)進(jìn)展到在包括樣品分子的反應(yīng)區(qū)204中存在的反應(yīng)離子、產(chǎn)物離子以及 氣體分子之間達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布的點(diǎn)。離子門216將短期離子云引入漂移區(qū) 206，在DC場(chǎng)漂移的作用下，樣品離子在恒定電場(chǎng)下根據(jù)他們的線性遷移率進(jìn)行分離。在根據(jù)遷移率進(jìn)行分離后，離子被由孔徑格柵208遮蔽的離
子檢測(cè)器電極210收集。雖然這里描述了具有線性管的傳統(tǒng)離子遷移譜儀
的操作，但是本發(fā)明不限于這種形式。例如，對(duì)于一個(gè)或多個(gè)額外漂移維
度，可以重復(fù)EE-IMS系統(tǒng)和方法。通過(guò)DC場(chǎng)和RF場(chǎng)的結(jié)合，對(duì)分段保 護(hù)電極220a和220b進(jìn)行偏壓。電壓階梯是這樣的，電極222a的DC偏壓 與222b的相同，224a的偏壓與224b的相同，226a的偏壓與226b的相同， 等。所以，DC場(chǎng)在漂移區(qū)206中建立了適用于離子分離的均勻場(chǎng)，并且在 電離室區(qū)202和反應(yīng)區(qū)204中提供足夠的偏壓。然而，電壓分布是這樣的， 電極222a具有與222b的RF電場(chǎng)相差180度(即，極性)的RF電場(chǎng)，電 極222b具有與224b的RF電場(chǎng)相差180度的RF電場(chǎng)，等。
在電離區(qū)和/或化學(xué)反應(yīng)區(qū)中也可以使用強(qiáng)RF電場(chǎng)。理想的離子化學(xué) 將導(dǎo)致正被識(shí)別的種類的離子中的大量帶高分比的電荷。由于遷移譜儀中 獲益的種類的高電子親和性和質(zhì)子親和性，正常條件下的電荷優(yōu)先附加到 這些種類，導(dǎo)致儀器對(duì)這些種類非常敏感。不利條件下的團(tuán)簇可以阻止離 子化學(xué)的進(jìn)展，這可能會(huì)嚴(yán)重降低甚至阻止這些種類的檢測(cè)。通過(guò)提供高 能量反應(yīng)離子，團(tuán)簇被最小化并且離子化學(xué)繼續(xù)?？梢酝ㄟ^(guò)直接向門214 和216以及電離源212或分段保護(hù)電極230a-230b、 236a-236b施加RF電 壓，來(lái)生成強(qiáng)RF場(chǎng)。
如在傳統(tǒng)的TOFIMS設(shè)備中，由于飛行時(shí)間單元(time of flight cell) 206中的DC場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)了軸向分離240。分辨率應(yīng)該比得上或優(yōu)于傳統(tǒng)的 IMS設(shè)備，但是，由于避免了使用降低向譜儀引入樣品的薄膜，可導(dǎo)致敏 感性大大增加(可能是高出 2個(gè)數(shù)量級(jí))。
在該非限制性實(shí)例中，EE-IMS設(shè)備和其他;晴向場(chǎng)IMS (FAMIS或 DMS)之間的差別為(a)離子分離是通過(guò)線性漂移管而不是通過(guò)非對(duì)稱RF 場(chǎng)。(b)離子解團(tuán)簇是通過(guò)高強(qiáng)度RF場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的。(c)需要相對(duì)慢的氣體運(yùn)動(dòng) (主要是漂移管清潔所需)，但是這不應(yīng)該對(duì)儀器分辨率有影響。
在一些實(shí)施例中，對(duì)離子進(jìn)行分離的方法包括將離子引入基于離子 遷移率的譜儀，在向離子供應(yīng)能量的同時(shí)運(yùn)輸和/或分離離子，以將它們保 持在高于給定操作溫度下的熱能水平的能量水平，并且防止離子在運(yùn)輸和/或分離過(guò)程中連續(xù)停留在該熱能水平大體上長(zhǎng)于1ILIS。該能量水平可以被控 制和/或調(diào)節(jié)到不同水平進(jìn)行一 系列離子遷移率測(cè)量。該方法還可以包括防 止或降低離子與周圍的中性分子團(tuán)簇的步驟。另外，該方法可以包括防止 或降低離子在電離區(qū)和/或化學(xué)反應(yīng)區(qū)中與周圍的中性分子團(tuán)簇的步驟。從
而，通過(guò)RF電場(chǎng)提供能量。在一些情況下，RF電場(chǎng)在來(lái)自不同源的相同 頻率下操作，和/或在其他情況下，通過(guò)利用由相互間存在相位偏移的波形 驅(qū)動(dòng)的多個(gè)分段保護(hù)電極，RF電場(chǎng)在空間上是均勻的。
在各種實(shí)施例中，描述了生成多個(gè)RF/DC場(chǎng)的三種方式電感、電容、 以及諧振。 一種使用電感耦合提供關(guān)于DC偏壓的RF場(chǎng)，并且在圖3中示 出。另一種使用電容耦合來(lái)提供加在RF場(chǎng)上的DC偏壓場(chǎng)，并在圖5a和 圖5b中示出。圖3示出了驅(qū)動(dòng)圖2中描述的電極220a-220b的電氣系統(tǒng)的 示意圖。高電壓電源330 #皮用于生成電壓階梯(voltage ladder)，該電壓 階梯導(dǎo)致了漂移室306中的均勻DC場(chǎng)分布和反應(yīng)區(qū)304和電離室302中 的適當(dāng)場(chǎng)分布。通過(guò)利用由電容器階梯332和電阻器階梯334組成的電容 器/電阻器階梯來(lái)劃分高電壓。注意，當(dāng)RF繞組中沒(méi)有RF場(chǎng)時(shí)，相反電極 322a和322b、 324a和324b等處于相同的電位。以適當(dāng)?shù)姆群皖l率將RF 施加至初級(jí)芯。多個(gè)繞組336被作為獨(dú)立的次級(jí)繞組(原則上為相同的芯)。 可選地，可以-使用多個(gè)芯，初級(jí)繞組經(jīng)過(guò)整個(gè)芯。
針對(duì)圖3， 4吏用高電壓DC電源330對(duì)兩個(gè)電4及階梯進(jìn)行偏壓。通過(guò)佳_ 用包括電容階梯332和電阻階梯334的DC電壓階梯，順序地對(duì)分段保護(hù) 電極進(jìn)行偏壓。下面將要描述的一個(gè)或多個(gè)變壓器的次級(jí)繞組被用于生成 對(duì)所耦合的電極對(duì)進(jìn)行加能所需的多個(gè)RF場(chǎng)。電感耦合將需要單個(gè)鐵氧體 變壓器，同時(shí)多個(gè)繞組具有DC偏壓。這種方式最小化儀器的尺寸和重量。 可選地，電3各具有多個(gè)具有串if關(guān)的初級(jí)繞組的》茲芯，每個(gè);茲芯利用其自身 的次級(jí)繞組來(lái)驅(qū)動(dòng)裝置的每個(gè)部分。在圖4a或圖4b的情況下，每個(gè)次級(jí) 繞組的中間抽頭被附接到DC電壓階梯的適當(dāng)元件的DC偏壓，同時(shí)反向 導(dǎo)線(opposite leads )被附接到耦合的分段保護(hù)電極。需要生成大量AC電 壓，以短3各DC偏壓，圖4a-圖4b示出了生成多個(gè)電壓的方式(能夠在不 同的DC偏壓下"^喿作)。在圖4a中，存在單個(gè)初級(jí)繞組440,同時(shí)次級(jí)繞組436圍繞單個(gè)芯442。在圖4b中，存在多個(gè)芯446，并且每個(gè)芯的初級(jí) 繞組444被串聯(lián)驅(qū)動(dòng)。圖4a和圖4b示出了次級(jí)的共同中間抽頭，其可以 被連接至DC偏壓(圖3中未示出)。在圖4b中，所有的繞組都由同樣的 信號(hào)驅(qū)動(dòng)，但并不總是這樣。
圖5a-圖5b示出了通過(guò)電容方式提供AC加能的方式。為了說(shuō)明目的， 在圖5a和圖5b中，電噴霧電離源512凈皮用作電離源以及電離區(qū)502、化學(xué) 作用區(qū)504、漂移區(qū)506、收集器孔徑508、離子檢測(cè)器510和高電壓電源 530。上面分別描述了電容階梯和電阻階梯532和534。 RF電源510驅(qū)動(dòng)變 壓器520的初級(jí)，并且次級(jí)線圈的一側(cè)(中間抽頭)對(duì)一個(gè)電極階梯進(jìn)行 加能，并且次級(jí)線圈的另一側(cè)對(duì)另一個(gè)電極階梯進(jìn)行加能。在圖5a中，到 圖2中描述的電極階梯220a和220b的DC偏壓分別通過(guò)電阻器518a和518b 提供，同時(shí)這些相同階梯的RF加能通過(guò)電容階梯514a和514b來(lái)提供。
圖5b示出了不同方法，其中，圖5a中描述的電容階梯514a和514b 被具有并聯(lián)電容器的布置代替。電容器524a提供電極階梯220a的RF力口能， 而電容器524b提供電極階梯220b的RF加能。
重要的是，不管在電容性驅(qū)動(dòng)還是電感驅(qū)動(dòng)的情況下，相同的相位被 連接至相同的電極階梯。這在圖5a和圖5b中示出的電容性驅(qū)動(dòng)電路的情 況下被清楚地示出，而在圖3中所示的電感性驅(qū)動(dòng)的情況下沒(méi)有被清楚示 出。
另外，盡管圖3-7中示出的電路被用于使用利用振蕩器的驅(qū)動(dòng)器，但 是也可以使用諧振來(lái)建立RF電場(chǎng)，通過(guò)在來(lái)自低功率/場(chǎng)電源的諧振處進(jìn) 行操作而實(shí)現(xiàn)高電壓。低 頻諧振電路，如圖3、圖4、圖5、圖6和圖7中 示出的所需的電路，可以通過(guò)使用離散組件實(shí)現(xiàn)。使用離散組件，還可以 實(shí)現(xiàn)利用具有相位偏移的多個(gè)波形的操作所需的相位偏移元件。
圖6a-圖6b示出了分段保護(hù)電極的電位布置。在圖6a的情況下，不是 圓形或半圓形線圈，而是分段保護(hù)電極被置于正方形(或矩形)布置上。 通過(guò)元件612 (從DC階梯)提供DC偏壓。RF電源610利用相反的AC 極性對(duì)分段保護(hù)電極624進(jìn)行加能，而分段保護(hù)電極626不由任何RF加能。 由該布置生成的電場(chǎng)近似為電偶極子。在圖6b中，z使用了兩組RF源，以利用RF電壓對(duì)所有的分l殳保護(hù)電 極進(jìn)行加能。耦合的保護(hù)電極624由RF電源610加能，同時(shí)耦合的保護(hù)電 極626由RF電源611力口能。
圖7a-圖7d示出了非限制性配置，其中分段保護(hù)電極也可以被利用。 例如，可以以圓形、笛卡兒(Cartesian)正方形、矩形、或平行板圖案(但 不限于這些)來(lái)排列DC偏壓的分段保護(hù)電極。在圖7a中，傳統(tǒng)的圓形電 極防護(hù)圏被分為兩個(gè)半圓形的分段保護(hù)電極，由電源710提供的RF進(jìn)行加 能，并從DC階梯通過(guò)元件712被DC偏壓。電極數(shù)目不必要僅為一對(duì)， 并且圖7b示出了 2對(duì)分段保護(hù)電極772和768的情況。在圖7b中，僅有 一對(duì)分段保護(hù)電極通過(guò)RF進(jìn)行加能，類似于圖6a的情況。圖7c-圖7d示 出了矩形圖案或笛卡兒正方形的分段保護(hù)電極的情況。圖7c示出了圖7a 中示出的那些的可替代的一組分段保護(hù)電極776,并且圖7d示出了圖7b 中示出的那些的可替代的一組分段保護(hù)電極792和786。分段保護(hù)電極被 用于向漂移管施加RF電場(chǎng)，分段可以被配置為各種圖案；并且如圖7中所
示，不需要平均劃分。
在單個(gè)頻率處可以使用單個(gè)發(fā)生器，或者具有多個(gè)頻率的多個(gè)發(fā)生器
可以凈皮4吏用。電極可以4吏這些波形疊加，或者如圖6b中所示，不同的電極 以具有不同頻率的波形操作。
在數(shù)百M(fèi)Hz以致高達(dá)2.45GHz的更高的頻率處，在腔中建立諧振模式 的諧振耦合也是可能的。特別有吸引力的是在750MHz、卯OMHz、 1.8GHz 和2.45GHz處的應(yīng)用，其中廉價(jià)、小型、且有效率的固態(tài)驅(qū)動(dòng)器是可以得 到的。
在一些實(shí)施例中，對(duì)離子進(jìn)行分離的方法包括將離子引入基于離子 遷移率的譜儀，運(yùn)輸和/或分離離子的同時(shí)向離子供應(yīng)能量以將它們保持在 高于給定操作溫度下的熱能水平，并且在運(yùn)輸和/或分離過(guò)程中防止離子連 續(xù)停留在該熱能水平大體上長(zhǎng)于l(IS。能量是被在時(shí)間上幅度相對(duì)恒定的 RF電場(chǎng)提供的，其中，旋轉(zhuǎn)的RF電場(chǎng)是由不同電極和RF驅(qū)動(dòng)器生成的 場(chǎng)疊加的結(jié)果。另外，RF驅(qū)動(dòng)器在相同頻率但不同相位下操作。
存在多個(gè)生成對(duì)稱RF場(chǎng)的方法。圖6a-圖6b和圖7a-圖7d中示出了一些可能的幾何形狀。圖7a示出了飛行時(shí)間遷移譜儀的電配置，其中，電 極被用作保護(hù)電極和振蕩器以提供給定波形的RF電場(chǎng)。RF電場(chǎng)大致垂直 于用于離子分離的DC電場(chǎng)。在圖6a-圖6b和圖7a-圖7d中，RF電場(chǎng)基本 垂直于DC場(chǎng)。
在另一個(gè)非限制性的實(shí)例中，RF電場(chǎng)基本平行于DC場(chǎng)，并且RF場(chǎng) 由諧振腔生成。圖8示出了帶有諧振腔的離子遷移譜儀，其使用微波范圍 內(nèi)的頻率的RF場(chǎng)。圖8中收集器孔徑和離子檢測(cè)器位于RF腔820內(nèi)，但 是這僅用于說(shuō)明目的，離子孔徑(ion aperture )可以是RF腔的一部分，并 且離子檢測(cè)器僅位于該腔的外部。所示出的腔示出了導(dǎo)致軸向電場(chǎng)的 TM010模式的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)815，但是并不必須是這種情況，而可以使用其他 模式。圖8示出了 RF腔內(nèi)部的漂移管的結(jié)構(gòu)，如TM010腔所示，其中， 該RF腔還可以包括收集器孔徑808和離子4僉測(cè)器810。高頻可以被用來(lái)生 成通過(guò)天線或波導(dǎo)管耦合的高值RF電場(chǎng)。通過(guò)使用高Q腔來(lái)降低RF功率。 在這種情況下，RF電場(chǎng)在軸向上恒定，但在徑向上降低。所以，僅該腔的 中心區(qū)域被用于離子運(yùn)輸?？梢允褂闷渌Ｊ胶推渌粠缀涡螤?。為了最 小化該腔的尺寸，可能需要高于500MHz的場(chǎng)。例如，諧振頻率可以在 500MHz到3GHz之間。廉價(jià)、高效的電源(磁電管、固態(tài)組件)存在于這 個(gè)頻率范圍內(nèi)。
操作用于進(jìn)行離子過(guò)濾的FAIMS或DMS設(shè)備的通常被接受的方法和 設(shè)備在圖9中示出。載氣流901將離子903運(yùn)輸通過(guò)離子引入部902，沿 長(zhǎng)軸方向到漂移管(離子過(guò)濾器部909)在上905和下907平行板電極之 間的縫隙中，然后在離子檢測(cè)部911中被檢測(cè)。如果非對(duì)稱的RF電場(chǎng)被施 加至電極，則離子將在RF電場(chǎng)的影響下，在與載氣流向的垂直方向上振蕩 的同時(shí)隨載氣在漂移管中向下移動(dòng)。在這期間，同時(shí)受到載氣流和非對(duì)稱 的RF電場(chǎng)波形影響。簡(jiǎn)化的非對(duì)稱的RF電場(chǎng)波形在圖10a中示出。
圖10a-10d示出了不同的波形。圖10a示出了傳統(tǒng)FAIMS或DMS詔: 備的波形，主要包括非對(duì)稱AC場(chǎng)與可變的DC偏壓。本發(fā)明使用對(duì)稱AC 場(chǎng)，如圖10b示出的方波，但是可以使用其他類型的波形，諸如正弦波形。 使用對(duì)稱的正弦波形的很大好處在于諧振電路可以被用于生成RF，從而大
18大簡(jiǎn)化電源供應(yīng)器。圖10c示出了應(yīng)用的另一個(gè)實(shí)施例。不必要在所有電
極中^f吏用相同的頻率?？梢証f吏用如圖6b中所示的多個(gè)RF電源供應(yīng)器在不 同頻率搡作?？蛇x地，在差分遷移譜儀中，波形可以是對(duì)稱的和非對(duì)稱的 波形的疊加，如圖10d中所示。在這個(gè)非限制性的實(shí)例中，高頻波形被用 于供應(yīng)能量，而低頻非對(duì)稱場(chǎng)被用于引起基于離子遷移率的分離。在FAIMS或DMS中，該場(chǎng)在周期的一,卜部分中高，而在周期的其余 部分低，在低場(chǎng)期間，團(tuán)簇現(xiàn)象會(huì)影響離子，并且作者已經(jīng)描述了該過(guò)程 允許在這些設(shè)備中進(jìn)行離子分離。與FAIMS或DMS設(shè)備對(duì)比，在本發(fā)明 的一個(gè)實(shí)施例中，RF場(chǎng)在周期的所有部分都應(yīng)該為高，以防止團(tuán)簇。這些 RF場(chǎng)被用于將離子設(shè)置在特定能量水平，以在實(shí)際應(yīng)用中最小化離子的團(tuán) 簇。RF場(chǎng)可以與非對(duì)稱電場(chǎng)處于相同方向，或者它們可以在垂直于它們的 方向。這樣，圖11可以將非對(duì)稱電場(chǎng)施加于源1107用于基于FAIMS的分 離，并將對(duì)稱RF場(chǎng)施加于源1109用于能量提升。圖ll示出可以被分別提 供給RF場(chǎng)源1107和1109的兩個(gè)波形1101和1103。在這個(gè)非限制性的實(shí) 例中，當(dāng)它們被分別施加于電極1111和1115時(shí)，i殳備內(nèi)的離子經(jīng)歷由波 形1101和1103產(chǎn)生的RF電場(chǎng)。在該圖中還示出，這兩個(gè)波形在相互垂直 (90度)1105的方向上振蕩。該實(shí)例還示出這兩個(gè)波形具有相位偏移1113。 在將該波形配置應(yīng)用于FAIMS"i殳備的情況下， 一個(gè)波形(例如，1101)可 以是實(shí)現(xiàn)分離(在這種情況下，電極1111被用作現(xiàn)有技術(shù)DMS中的平行 板)所需的非對(duì)稱的，而另一個(gè)波形(例如，1103)可以是對(duì)稱的，用于 向離子供應(yīng)能量。
在另一組實(shí)施例中，在離子運(yùn)輸/基于遷移率的分離過(guò)程中，連續(xù)供應(yīng) 能量，從而使得離子的能量總是在熱能水平之上。如果提供線性電場(chǎng)，則 RF離子運(yùn)動(dòng)是沿著RF場(chǎng)方向的，并且處于振蕩運(yùn)動(dòng)的結(jié)尾處的離子丟失 了它們的額外能量(在一個(gè)周期中兩次，在振蕩路徑的每個(gè)結(jié)尾處)并且 變成熱能的，團(tuán)簇在該處可以開(kāi)始?？梢酝ㄟ^(guò)使用電場(chǎng)的疊加來(lái)將離子保 持在提升后的能量。圖12a-圖12b示出了具有生成在不同方向上的電場(chǎng)的 兩組電極的實(shí)施例。通過(guò)使用具有相位差(在圖12a-圖12b的情況中為90 度)的RF波形來(lái)進(jìn)行加能，可以獲得幅度相對(duì)恒定但是正在改變方向的電場(chǎng)(類似于電磁波的線性對(duì)圓極化)。離子運(yùn)動(dòng)通常是橢圓形(而不是直 線)的，并且如果RF電壓和電極間距相同，則運(yùn)動(dòng)是圓形的。所以離子一
直被保持在高能量處，并且RF電場(chǎng)幅度在周期內(nèi)的任何時(shí)間都不跨過(guò)0。 這個(gè)實(shí)施例的很大好處在于可以使用較低頻率。在這個(gè)實(shí)施例中，可以使 用從數(shù)十kHz開(kāi)始的頻率。
圖12a-圖12b示出了一個(gè)實(shí)施例，其中，RF電場(chǎng)總是在施加的狀態(tài)而 不存在當(dāng)RF電場(chǎng)值通過(guò)0時(shí)發(fā)生的較短時(shí)間段。圉12a示出了具有不同的 波形V1和V2的兩個(gè)源。單個(gè)電源供應(yīng)器生成電壓，但是信號(hào)是分開(kāi)的， 每條引線(leg)承載不同的延遲。圖12b示出了當(dāng)V2被相位延遲90度時(shí) 的情況。示出了在波形的半周期內(nèi)的RF電場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在時(shí)間tl， RF電場(chǎng)結(jié) 構(gòu)是這樣的場(chǎng)是垂直的，而頂電極1200具有最高RF電壓(電極1204 具有最低RF電壓)，電極1202和1206不具有任何RF電壓。時(shí)間t2 ( 45 度后)示出了當(dāng)電極1200的RF電壓較低并與電極1202的RF電壓相同， 同時(shí)電極1204和1206具有相反極性時(shí)的條件。RF電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)了 45度。在 時(shí)間t3，電極1202具有最高RF電壓，并且電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)了90度。隨后在圖 12b中示出了 135度和180度的場(chǎng)。應(yīng)該注意，離子在該場(chǎng)中不是經(jīng)歷線 性振蕩運(yùn)動(dòng)，而是以圓形運(yùn)動(dòng)。如果電壓VI和V2的幅度不同，或者耦合 的電極1200、 1204和電極1202、 1206之間的間距不同，則離子以橢圓形 運(yùn)動(dòng)。圖12b示出了 RF場(chǎng)不必要跨過(guò)O值，其中，離子能量的缺乏會(huì)改變 離子的團(tuán)簇特性。相位延遲的選擇確定了 RF電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向。V2相對(duì)于 VI延遲，RF場(chǎng)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。如果V2相對(duì)于VI被延遲，貝'j RF場(chǎng)順 時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。
一個(gè)可選的實(shí)施例，圖11中示出的配置可以被用作用于TOFIMS的一 組保護(hù)電極。在這種情況下，兩個(gè)波形都是對(duì)稱的。利用這兩個(gè)RF波形之 間的相位偏移1113，在譜儀中的離子運(yùn)輸和分離過(guò)程中，離子將被連續(xù)保 持在提升后的能量水平。
在一些實(shí)施例中，用于對(duì)離子進(jìn)行分離的方法可以包括將離子引入 基于離子遷移率的譜儀，然后進(jìn)行離子的運(yùn)輸和/或分離，同時(shí)向離子供應(yīng) 能量以將它們保持在高于給定操作溫度下的熱能水平。在圖11和圖12中示出的實(shí)施例中描述了實(shí)例。在離子遷移譜儀中的電離、反應(yīng)、分離和/或 其他運(yùn)輸過(guò)程中，離子可以連續(xù)停留在提升后的水平。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，創(chuàng)新的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于離子運(yùn)動(dòng)的空間RF場(chǎng)的相對(duì)均
勻，從而使得所有離子具有相同性征。所以，如圖12b所示，電場(chǎng)是類似
雙極的，而不是可以被用于聚焦或選擇離子的類似四極的。
在FAIMS或DMS設(shè)備中，高RF電場(chǎng)僅存在于分離區(qū)中。在新的 EE-IMS中，高RF電場(chǎng)還存在于電離室和/或反應(yīng)區(qū)中，以在進(jìn)入分離區(qū)之 前，準(zhǔn)備在給定能量水平的離子，在一個(gè)實(shí)施例中，能量水平可以基本類 似于被供應(yīng)給分離區(qū)的能量水平。
可以修改差分遷移譜儀的操作方法，以通過(guò)應(yīng)用對(duì)稱波形來(lái)獲取在本 申請(qǐng)中描述的優(yōu)點(diǎn)。可以將對(duì)稱波形與非對(duì)稱波形相疊加。離子化學(xué)和溫 度可以通過(guò)對(duì)稱波形來(lái)調(diào)整，而分離可以通過(guò)非對(duì)稱波形來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)稱RF 場(chǎng)的電場(chǎng)方向可以在與非對(duì)稱場(chǎng)的方向相同的方向上，或它們可以在正交 的方向上。圖6b示出了對(duì)稱場(chǎng)和非對(duì)稱場(chǎng)的方向基本相互垂直的情況。在 波形被施加于同一組電極的情況下，所施加的波形在圖10d中示出。對(duì)稱 波形被疊加在非對(duì)稱波形上?？梢栽谑┘佑陔姌O的最終電壓上施加DC偏 壓。
由于漂移管不必須被小型化，在DMS設(shè)備的情況下，可以使用較低頻 率。在那些設(shè)備中，頻率需要為高，以最小化離子在半周期中從一個(gè)方向 到相反方向的漂移。檢測(cè)器中使用的較低頻率導(dǎo)致簡(jiǎn)化了電子設(shè)備，需要 廉價(jià)組件，并降低基于鐵素體的變壓器中的損耗。需要5-15kV/cm等級(jí)的 RF場(chǎng)在100kHz-500kHz等級(jí)的頻率處操作。相對(duì)較大尺寸的儀器允許頻率 低至數(shù)10kHz。需要相對(duì)簡(jiǎn)單的波形(正弦或方波)，可使用傳統(tǒng)的MOSFET 技術(shù)和高效的小型鐵氧體放大來(lái)簡(jiǎn)單地生成。
圖1-圖7中示出的示意圖在RF和DC電場(chǎng)基本垂直的模式下操作。特 別地，附圖部分中的圖描述了在基本垂直于DC電場(chǎng)的方向上提供AC場(chǎng) 的實(shí)例。不必須是這種情況?？梢允荄C和RF場(chǎng)基本對(duì)準(zhǔn)的幾何形狀。這 種配置存在好處，尤其是對(duì)于減小尺寸的漂移管。希望包括這種操作模式 作為所提出的不同實(shí)施例。為了說(shuō)明本發(fā)明中的RF電場(chǎng)的性質(zhì)，圖13示出了具有奇數(shù)個(gè)電極的 電場(chǎng)。圖13中示出了三個(gè)電極。該圖用于示出操作原理；電極的尺寸和形 狀可以被改變以在漂移管內(nèi)生成希望的電場(chǎng)并防止來(lái)自漂移管外部的干 擾。通過(guò)不同波形VI、 V2或V3 (它們相對(duì)于彼此^皮相位延遲)對(duì)每個(gè)電 極進(jìn)行加能。在時(shí)間tl,電極1320具有最高電壓，并且電極1324和1328 具有相反極性的相等電壓。在時(shí)間t2(60度后)，電極1320和1324具有 相同極性，電極1328具有最低電壓，并且場(chǎng)方向和形狀凈皮改變。最后，在 時(shí)間t3(120度后)，電極1324具有最高電壓，電極1320和1328具有相 反極性的電壓。在這種情況下離子以接近圓形運(yùn)動(dòng)。
優(yōu)選的RF電場(chǎng)是在離子飛行的空間內(nèi)相對(duì)均勻的。以此方式，在設(shè)備 的截面上的離子的非熱能量是均勻的。所以，使用非均勻場(chǎng)(諸如，四極 場(chǎng))的概念與本申請(qǐng)無(wú)關(guān)。那些場(chǎng)被用在用于聚集離子的其他概念中?？?以使用由不同波形驅(qū)動(dòng)的大量分段保護(hù)電極生成均勻的RF電場(chǎng)。圖14示 出了具有由一個(gè)源生成的相位偏移后的電波形驅(qū)動(dòng)的12個(gè)電極的一個(gè)實(shí) 例。也可以使用多個(gè)源。不需要是偶數(shù)個(gè)電極，并且圖13示出了使用奇數(shù) 個(gè)電極的概念。
圖14示出了生成基本均勻的電場(chǎng)的方法。多組分段保護(hù)電極(圖14 的情況中為12個(gè))位于離子遷移鐠儀的周圍。如圖13中的情況，電極由 對(duì)于不同電極存在不同延遲的RF波形進(jìn)行加能。圖14中僅示出了4個(gè)波 形，Va、 Vb、 Vc和Vd,分別用于對(duì)電極1440、 1442、 1444和1446進(jìn)行 加能。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇相位延遲，可以在離子遷移譜儀的空間內(nèi)生成基本 均勻的RF場(chǎng)。在圖14所示的情況中，不同的電極已經(jīng)被相對(duì)于最接近的 一個(gè)逆時(shí)針延遲30度。在圖14和15所示的時(shí)間tl，電極1440和1550具 有最高電壓，并且電場(chǎng)方向垂直，并且相對(duì)均勻的場(chǎng)指向圖14中的電極 1440和在圖15中的電極1550的方向。圖15示出了電場(chǎng)的時(shí)間演進(jìn)。僅 示出了被施加至電極1550的RF電壓。在時(shí)間t2 (30度后的時(shí)間)，電極 1550中的RF電壓已經(jīng)降低，但是電極1552具有最高RF電壓。相對(duì)均勻 的場(chǎng)在指向電極1552的徑向上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。類似地，在時(shí)間t3和t4，在 徑向中電場(chǎng)分別指向電極1554和1556。圖16和圖17示出了通過(guò)使用相位延遲元件從單個(gè)源獲取多個(gè)單一頻
率RF波形的方法。在圖16中，存在多個(gè)相位延遲元件1680。相位延遲元 件是串聯(lián)的，并且相位延遲加起來(lái)生成具有多個(gè)延遲的多個(gè)波形。在圖17 中，信號(hào)和相位延遲元件1780并聯(lián)。每個(gè)相位延遲元件提供不同的延遲。
通過(guò)調(diào)整電場(chǎng)的RF成分的幅度來(lái)控制EE-IMS中的離子的動(dòng)能?？梢?選擇多個(gè)頻率和幅度用于實(shí)現(xiàn)離子的不同能量水平或有效溫度。在分析樣 品混合物期間可以使用掃過(guò)頻率或幅度范圍的方法來(lái)識(shí)別具有不同的離子 -分子結(jié)合能量水平的離子?？梢允褂秒x子在結(jié)合/離解能量方面的不同來(lái)辨 別具有相同的穩(wěn)態(tài)遷移率的離子。
還可以使用離子遷移譜儀和提升在電場(chǎng)中飛行的帶電粒子的能量方法 來(lái)改進(jìn)用于電噴霧電離過(guò)禾呈的去;容齊'J過(guò)禾呈(desolvation process)， 其中電 噴霧的離子是在離子遷移率漂移管中的漂移區(qū)之前的去溶劑區(qū)(代替了其 他種類的電離源IMS的反應(yīng)區(qū))中形成的。對(duì)于FAIMS系統(tǒng)，去溶劑區(qū) 被排列在離子分析器前面。
EE-IMS中的RF場(chǎng)的波形不是非常重要，只要它在兩個(gè)極性上都足夠 高。如果RF場(chǎng)對(duì)稱是最好的。盡管使用諧振電路生成正弦波更容易，為了 最小化在半衰期之間的電場(chǎng)反轉(zhuǎn)的時(shí)間，基本方波的RF場(chǎng)為更佳選擇。用 于化學(xué)作用的時(shí)間被認(rèn)為約數(shù)微秒，所以在跨過(guò)0-V RF場(chǎng)的時(shí)間應(yīng)該在這 個(gè)時(shí)間數(shù)量級(jí)上。超過(guò)100kHz的高頻或者是較低頻率的方波是所期望的。
如圖5a中所示，通過(guò)使用AC電場(chǎng)成分的不同波形，添加在反應(yīng)區(qū)和 漂移區(qū)中的能量水平可以顯著不同。波形可以是寬范圍的RF波形，其可以 在10KHz到10GHz的范圍內(nèi)，特別是在lMHz-10MHz的范圍內(nèi)，特別是 在數(shù)百M(fèi)Hz到數(shù)GHz的范圍內(nèi)，特別地，RF電場(chǎng)頻率在10kHz到2MHz 之間，特別是RF電場(chǎng)在500MHz到3GHz之間。通常，只要離子停留在高 能量水平，即，離子停留在低能量水平的時(shí)間顯著短并且在該時(shí)間段內(nèi)沒(méi) 有形成團(tuán)簇，RF電場(chǎng)可以處在一個(gè)從基本平行到反平行于DC電場(chǎng)的方向 上。特別地，附圖部分中的圖描述了在垂直于DC電場(chǎng)的方向上提供AC 場(chǎng)的實(shí)例。
在各種實(shí)施例中，EE-IMS可以被開(kāi)發(fā)為一種真正的小型檢測(cè)系統(tǒng)。相比于已經(jīng)被部署的IMS檢測(cè)器，基于EE-IMS的系統(tǒng)免除使用膜進(jìn)樣(其 導(dǎo)致IMS敏感性丟失和殘留樣品的影響)和干燥材料(其增加了儀器尺寸 和消耗品的費(fèi)用)，而提供了更好的敏感性和分辨率。通過(guò)去除團(tuán)簇干擾 和操作溫度沖突，也將提供用于爆炸物和CWA的檢測(cè)的最佳譜儀條件。 該系統(tǒng)可以具有更好的特性，包括(a) IMS對(duì)于水分干擾的免疫，(b) 低功耗-沒(méi)有譜儀加熱的必要，(c)同時(shí)進(jìn)行爆炸物粒子和蒸汽檢測(cè)，以 及(d)改善的IMS敏感性。在可選的實(shí)施例中，EE-IMS系統(tǒng)可以被構(gòu)造 在較大規(guī)模的研究級(jí)系統(tǒng)。所以，系統(tǒng)將提供工具以研究離子遷移譜儀的 電離室(區(qū))、反應(yīng)區(qū)和/或漂移區(qū)中的氣相離子化學(xué)。可以通過(guò)用噴鍍不 導(dǎo)電管的內(nèi)部區(qū)域來(lái)制造漂移管。可以在噴鍍過(guò)程中或通過(guò)在管的均勻噴 鍍之后進(jìn)行加工/研磨來(lái)生成電極所需的圖案。
可以認(rèn)識(shí)到，這里公開(kāi)的本發(fā)明的修改和變形對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，并且希望所有這樣的修改和變形都被包括在所附 的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種飛行時(shí)間離子遷移譜儀，包括a)DC電場(chǎng)，所述DC電場(chǎng)引導(dǎo)離子沿著漂移管的軸向飛行，其中，所述離子被基于它們的穩(wěn)態(tài)離子遷移率而分離；以及b)能量源，所述能量源向所述離子連續(xù)地供應(yīng)能量，在離子運(yùn)輸和/或基于遷移率分離過(guò)程中將所述離子保持在一個(gè)能量水平，所述能量水平高于給定操作溫度下的熱能水平。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述漂移管 #皮離子門分為反應(yīng)區(qū)和漂移區(qū)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述能量源 被供應(yīng)給所述漂移管的電離區(qū)、反應(yīng)區(qū)和/或漂移區(qū)中的離子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述能量水 平足夠高以防止離子與周圍的中性分子進(jìn)行團(tuán)簇和/或改變離子與周圍的 中性分子團(tuán)簇的程度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述操作溫 度是環(huán)境溫度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述能量源 是無(wú)線電頻率(RF)電場(chǎng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述RF電 場(chǎng)是對(duì)稱的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)化 RF電場(chǎng)大于2 Townsend。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)化 RF電場(chǎng)大于40 Townsend。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述RF 電場(chǎng)頻率在10kHZ到2MHz之間。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述RF 電場(chǎng)在500MHz到3GHz之間。
12. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述RF 電場(chǎng)是通過(guò)將所述RF電場(chǎng)施加至一組DC偏壓分段保護(hù)電極生成的。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述DC 偏壓分段保護(hù)電極按照?qǐng)A環(huán)形圖案排列。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述DC 偏壓分段保護(hù)電極按照笛卡兒-正方形圖案排列。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述DC 偏壓分段保護(hù)電極按照矩形圖案排列。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述DC 偏壓分段保護(hù)電極被排列為 一對(duì)平行板圖案。
17. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，使用電感 方式生成所述RF電場(chǎng)，利用單個(gè)》茲芯和單個(gè)初級(jí)繞組但多個(gè)次級(jí)繞組。
18. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，利用串聯(lián) 運(yùn)行的初級(jí)繞組，使用多個(gè)電感芯生成所述RF電場(chǎng)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，使用電容 方式生成所述RF電場(chǎng)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述RF 電場(chǎng)從基本平行于所述DC場(chǎng)到反向平行于所述DC場(chǎng)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述RF 電場(chǎng)基本垂直于所述DC場(chǎng)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，作為由不 同電極和RF驅(qū)動(dòng)器生成的場(chǎng)的疊加結(jié)果，通過(guò)生成旋轉(zhuǎn)的RF電場(chǎng)，所述 RF電場(chǎng)強(qiáng)度在時(shí)間上是相對(duì)恒定的。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述RF 驅(qū)動(dòng)器以相同的頻率、不同的相位進(jìn)行操作。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述RF 電場(chǎng)以來(lái)自不同源的不同頻率進(jìn)行操作。
25. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，通過(guò)利用 由相互間存在相位偏移的波形驅(qū)動(dòng)的多個(gè)分段保護(hù)電極，所述RF電場(chǎng)在工間上基本均勻。
26. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移譜儀，其中，所述RF 電場(chǎng)通過(guò)使用所述漂移管作為諧振腔生成，其中諧振頻率在500MHz到 3GHz之間。
27. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行時(shí)間離子遷移鐠儀，其中，所述RF 電場(chǎng)通過(guò)將所述漂移管放置在諧振腔中生成，其中諧振頻率在500MHz到 3GHz之間。
28. —種飛行時(shí)間離子遷移譜儀，包括a) DC電場(chǎng)，該電場(chǎng)引導(dǎo)離子沿著漂移管的軸向飛行，其中，所述離 子被基于它們的穩(wěn)態(tài)離子遷移率而分離；以及b) 能量源，該能量源向所述離子供應(yīng)能量，以在所述離子運(yùn)輸和/或 分離過(guò)程中，將所述離子保持在高于給定操作溫度下的熱能水平的一個(gè)能 量水平并防止所述離子連續(xù)停留在該熱能水平大體上長(zhǎng)于lps。
29. —種非對(duì)稱場(chǎng)離子遷移譜儀，包括a) 從離子源接收離子的引入部，對(duì)離子進(jìn)行分離的離子過(guò)濾部，以及 離子斗全測(cè)部；以及b) 能量源，該能量源向所述離子供應(yīng)能量，以在離子運(yùn)輸和/或分離 過(guò)程中，將所述離子保持在高于給定操作溫度下的熱能水平的一個(gè)能量水 平并防止所述離子連續(xù)停留在該熱能水平大體上長(zhǎng)于lps。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的非對(duì)稱場(chǎng)離子遷移譜儀，其中，所述能量 源是RF電場(chǎng)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的非對(duì)稱場(chǎng)離子遷移譜儀，其中，所述RF 電場(chǎng)是被疊加在具有更高頻率的非對(duì)稱波形上的對(duì)稱波形。
32. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的非對(duì)稱場(chǎng)離子遷移語(yǔ)儀，其中，所述RF 電場(chǎng)是通過(guò)第二組電極生成的對(duì)稱波形，所述第二組電極生成基本垂直于 所述非對(duì)稱電場(chǎng)的電場(chǎng)。
33. —種對(duì)離子進(jìn)行分離的方法，包括將離子引入基于離子遷移率 的譜儀；在向所述離子供應(yīng)能量以將所述離子保持在高于給定操作溫度下 的熱能水平的同時(shí)，對(duì)所述離子進(jìn)行運(yùn)輸和/或分離；以及在所述運(yùn)輸和/或分離過(guò)程中，防止所述離子連續(xù)停留在該熱能水平大體上長(zhǎng)于lps。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，將所述能量控制和/或調(diào)整到不同水平進(jìn)行一 系列離子遷移率測(cè)量。
35. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，進(jìn)一步包括防止所述離子與周圍的中性分子進(jìn)行團(tuán)簇和/或改變所述離子與周圍的中性離子團(tuán)簇的程度。
36. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，進(jìn)一步包括防止所述離子與電離區(qū)和/或化學(xué)反應(yīng)區(qū)中的周圍的中性分子進(jìn)行團(tuán)簇和/或改變所述離子與電離區(qū)和/或所述化學(xué)反應(yīng)區(qū)中的周圍的中性分子團(tuán)簇的程度。
37. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，通過(guò)RF電場(chǎng)提供能量。
38. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，進(jìn)一步包括在非對(duì)稱波形上疊加對(duì)稱RF電場(chǎng)。
39. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，作為由不同電極和RF驅(qū)動(dòng)器生成的場(chǎng)的疊加結(jié)果，通過(guò)生成旋轉(zhuǎn)的RF電場(chǎng)，所述RF電場(chǎng)強(qiáng)度在時(shí)間上是相對(duì)恒定的。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述RF驅(qū)動(dòng)器以相同的頻率、不同的相位進(jìn)行操作。
41. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中，所述RF電場(chǎng)以來(lái)自不同源的不同頻率進(jìn)行操作。
42. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中，通過(guò)使用由相互間存在相位偏移的波形驅(qū)動(dòng)的多個(gè)分段保護(hù)電極，所述RF電場(chǎng)在空間上基本均勻。
43. —種用于對(duì)離子進(jìn)行分離的方法，包括將離子引入基于離子遷移率的譜儀；以及在向所述離子供應(yīng)能量以將所述離子保持在高于給定操作溫度下的熱能水平的一個(gè)能量水平的同時(shí)，對(duì)所述離子進(jìn)行運(yùn)輸和/或分離，在所述分離、電離和/或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，所述離子連續(xù)停留在提升后的水平。
全文摘要
本發(fā)明描述了以非熱方式向離子提供能量的設(shè)備和方法。提升后的離子能量最小化或去除了由于與諸如水等的極性分子進(jìn)行團(tuán)簇而導(dǎo)致的干擾。被加能的離子在離子遷移譜儀中被分離。在離子運(yùn)輸和分離的過(guò)程中，提升后的離子能量水平防止了離子與譜儀內(nèi)的中性分子進(jìn)行團(tuán)簇。額外的電場(chǎng)成分僅使得離子到達(dá)提升后的能量水平，從而這個(gè)譜儀可以在保持它的正常性能的同時(shí)避免來(lái)自水和其他中性分子的干擾。RF電場(chǎng)被施加于離子遷移譜儀的電離、反應(yīng)以及分離區(qū)中的離子。
文檔編號(hào)G01N27/64GK101688848SQ200880011496
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月5日
發(fā)明者青 吳, 萊斯利·布羅姆伯格 申請(qǐng)人:卓漂儀譜公司