多维度离子迁移谱装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了多维度离子迁移率分析仪的不同实施例，其中该分析仪具有多于一个的漂移室并且能够捕获物质的多维度离子迁移率的谱图。例如，该装置的漂移室能够在独立的操作条件下操作以基于带电颗粒的可辨别的化学／物理性质来分离带电颗粒。根据分析仪的操作模式，该装置的第一维度漂移室可以用作贮存设备，反应室，和／或漂移室。还对离子迁移谱仪的方法的多种实施方式进行了说明，其包括，但不限于，连续的第一维度离子化方法能够使得试样中全部的化学组分被离子化而不论其电荷亲和力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请要求美国临时专利申请(申请号60/766,226,申请日2006年 1月2日)的权益和优先权，其全部内容在此引用作为参考。
技术介绍
自从十九世纪七十年代早期问世以来，离子迁移谱(IMS)已经发展成 为一种强有力的分析工具并应用在多个方面。这种装置的三种主要形式 包括独立的化学4全测系统，色谱检测器以及IMS和质谱(MS )的串联系 统。IMS作为一个独立的^r测系统具有定性定量^r测目标物质的能力， 目标物质被离子化后再与漂移气体(亦即载气)相互作用而与其它背景 物质分离，最后以离子的形式得以检测。作为一种色谱检测器，IMS对 已被色语分离出的物质进行多重的离子迁移谱分析。在串联的IMS-MS 系统中，在质谱分析之前使用IMS作为分离手段对目标物质进行分离。 然而，IMS的分辨率总的来说较低，因而这类仪器仅限于定性分析，或 用于具有与所关注物质相比较低的干扰物水平的环境中。一个IMS系统的基本通用部件由一个离子化源， 一个包括反应区的 漂移管， 一个离子开关格栅， 一个漂移区和一个离子检测器组成。在气 相分析中，待分析试样通过一种惰性载气被导入反应区，试样的离子化 通常在使试样通过反应区和/或放射性63Ni源时完成。形成的离子在电 场的作用下流向漂移区，该电场是施加于建立漂移区的漂移环上，然后 通过离子开关格栅形成离子窄脉冲进入漂移区。 一旦进入漂移区，试样 的各种离子按照其与离子质量相关的离子迁移率被分离。但是，应当理 解离子迁移率不仅与离子质量相关，而且从根本上与离子-漂移气体的潜 在相互作用相关，该潜在相互作用并非仅仅取决于离子质量。IMS的主要用途之一是检测痕量的违禁化学品。痕量检测系统被广泛应用在目前的安全系统中用于爆炸物和化学药剂检测。典型的，该过 程始于安全官员用取样签擦抹被检测物体表面，然后将取样签插入热解 器中，使痕量的有机化合物挥发并导入到IMS中。在大部分的此类应用 中，快速和精确地识别违禁化学品对于安全检查任务而言是必须的。便 携而且高性能的检测系统仍是迫切需要并高度渴望的。
技术实现思路
本专利技术涉及多维度离子迁移谱(MDIMS)方法和装置的各个方面。 在多种实施方式中，本专利技术的MDIMS通过创新性地将多个基于多个分 离步骤的离子迁移率集成于一台设备中从而使其有别于传统的离子迁 移谱(IMS)。在多种实施方式中，与传统的IMS设备和操作手段相比 较，本专利技术提供了更高的分辨率和更高的灵敏度。本专利技术的多种实施方式提供了 一种集成的多维度飞行时间离子迁移 谱系统，该系统能够离子化、分离并基于其离子迁移率检测化学物种。 这些系统通常包括(a)至少一个离子化源，(b)至少两个漂移区，和(c) 至少一个离子检测装置。在多种实施方式中，这些系统在一个漂移维度 中在一系列漂移条件下分离离子；接下来分离出的离子被导入更高的维 度中在相同和不同系列的漂移条件下作进 一 步分离。在多种实施方式 中，分离过程可以重复用于一个或多个附加的漂移维度。在多种实施方 式中，第一漂移维度被用作系统的离子源、反应区或退溶剂化区和漂移 区中的一个或多个。例如，在多种实施方式中，在第一漂移维度(第一 漂移管)中的电场可以被用作带电液滴的退溶剂化区。本专利技术的装置和方法使用了漂移管。在本文中使用的术语漂移 管与在离子迁移谱中该术语的可接受的含义一致。漂移管是一种含有中 性气体的结构，离子通过该中性气体在电场作用下移动。可以理解漂移管，，并非需要为管状或圆柱状。正如本领域技术人员所了解的那样，漂 移管不限于象圆柱体中的圆形或椭圆形截面，而是可以具有任意截面形状包括，但不限于，正方形，矩形，圆形，椭圆形，半圓形，三角形等。 中性气体通常指一种载气，漂移气体，緩沖气体等等，而且这些术语在本文中认为是可以互换的。该气体具有一个压力使得关注的离子的 平均自由程小于漂移管的尺寸。也就是说通过选择气体压力形成滞流。 在通道中气体滞流的条件下，与通道的横向尺寸相比，平均自由程非常 小。在这些压力下，流动特性主要由气体分子间的碰撞决定，即气体的 粘度。流动可以是层流或湍流。优选漂移管内的压力足够高以使得在达 到稳态离子迁移率之前，相对于漂移管的长度来说，离子自由移动的距 离可以忽略不计。离子在电漂移场的作用下沿漂移管的轴线移动，该轴线在本文中被 称为漂移轴线。该漂移轴线通常，但非必要地，是漂移管的长度方向上 的轴线。在本专利技术的不同方面，对离子迁移谱仪的操作方法进行了说明。就 某个方面而言，出于简明而非限制性的目的，正如连续第一维度离子化模式(CFDI)所述的那样描述操作方法。如同本领域技术人员了解的那 样，电荷优选从一种离子化的化学物种传递到另 一种具有更高亲和力的 化学物种。这样的电荷传递过程会严重干扰甚至阻止所关注的化学物种 的离子化，并因此而无法成功地通过IMS或其它形式的质谱来分析该物 种。本专利技术的CFDI方法促进了低电荷亲和力离子的形成并由此，在多 种实施方式中，增加了IMS的灵敏度。CFDI方法还增加了 IMS的动态 响应范围，并且为该仪器分析混合物试样提供更好的定量信息。在多种实施方式中，CFDI方法包括脉沖发送气相试样进入第一漂移 管并通过气流以沿第 一漂移管的至少 一部分的第 一方向输送试样脉沖。 显然，该第一方向实质上平行于第一漂移管内载气的流动方向。使用逆 向移动的反应性离子脉沖来离子化试样脉沖中的化学物种。可以在反应 区或漂移区将试样脉沖导入仪器中。在一些操作模式中，载气和试样脉 冲的速度可以接近于零，但是反应物离子向着试样脉沖移动。例如，第 一组反应物离子脉冲进入第 一 漂移管内并被第 一 漂移管电场沿第二方 向向着试样脉沖输送。第 一组反应物离子优选在一个预定时间被脉沖发 送进入第一漂移管。该预定时间的选择是至少可以粗略地选定试样脉沖 和第 一组反应物离子在第 一漂移管中相互作用的位置。当第 一组反应物离子与试样脉冲相互作用时， 一种或多种化学物种^t离子化并产生一种 第一离子化的化学物种。通常，试样脉沖中具有最高的电荷亲和力的化 学物种被优先离子化。第二组反应物离子在第一组之后，也优选在一个第二预定时间，被 脉冲发送进入漂移管，并被第一漂移管的电场向试样脉冲输送。必须晚 于第 一组反应物离子的预定时间的第二预定时间的选择至少可以粗略 地选定试样脉冲和第 一组反应物离子在第 一漂移管中相互作用的位置。 在不同实施例中，第二预定时间的选择是为了将至少一部分的第一离子 化的化学物种提取到第二漂移管中提供时间。当第二组反应物离子与试样脉冲相互作用时，试样脉冲中的 一种或 多种化学物种被离子化并且产生一种第二离子化的化学物种。通常，被 离子化的第二化学物种是试样脉冲中具有第二高电荷亲和力的物种。该 过程可以重复，例如，送入第三组反应物离子以产生一种第三离子化的 化学物种，再一组的反应物离子以产生一种第四离子化的化学物种，等 等，按照操作者的意愿，使关注的化学物种离子化。在多种实施方式中，至少一部分的第一漂移管内将被施以电场，以 把第一漂移管中的至少部分的第一离子化的化学物种推向第二漂移管 内。因该电场从第一漂移管中移出离子，其在本文中通常是指驱逐脉 沖或驱逐电场。通过选择诸如驱逐电场的施加的时间或空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子迁移谱系统，包括：　ａ产生离子并从一输出端输出离子的离子源；　ｂ与离子源的输出端相连接的第一漂移管；该第一漂移管具有一个第一漂移轴线；　ｃ与第一漂移管连接的第二漂移管；该第二漂移管具有一个第二漂移轴线；　ｄ具 有一个离子检测器，其输入端与第二漂移管相连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-1-2 60/766,2261. 一种离子迁移谱系统，包括a产生离子并从一输出端输出离子的离子源；b与离子源的输出端相连接的第一漂移管；该第一漂移管具有一个第一漂移轴线；c与第一漂移管连接的第二漂移管；该第二漂移管具有一个第二漂移轴线；d具有一个离子检测器，其输入端与第二漂移管相连接。2. 如权利要求1所述的离子迁移谱系统，其中离子源包括一种CFDI 离子源。3. 如权利要求1所述的离子迁移谱系统，进一步包括一个离子检测 器，其输入端与第一漂移管相连接。4. 如权利要求1所述的离子迁移谱系统，其中离子检测器包括一个 基于离子迁移率的离子迁移语仪。5. 如权利要求1所述的离子迁移谱系统，其中离子检测器包括一个 质谱仪。6. 如权利要求1所述的离子迁移谱系统，其中第二漂移管的第二漂 移轴线相对于第一漂移管的第一漂移轴线形成一个角度，该角度介于大 致零度到大致九十度之间。7. 如权利要求6所述的离子迁移谱系统，其中第二漂移管的第二漂 移轴线大致垂直于第 一漂移管的第 一漂移轴线。8. 如权利要求1所述的离子迁移谱系统，进一步包括与第二漂移管 连接的第三漂移管，该第三漂移管具有一个第三漂移轴线。9. 如权利要求8所述的离子迁移谱系统，其中第三漂移管的第三漂 移轴线大致垂直于第二漂移管的第二漂移轴线。10. 如权利要求8所述的离子迁移谱系统，其中第三漂移管的第三 漂移轴线大致垂直于第一漂移管的第一漂移轴线和第二漂移管的第二 漂移轴线。11. 如权利要求8所述的离子迁移谱系统，进一步包括一个与第三 漂移管相连接的离子检测器。12. 如权利要求1所述的离子迁移谱系统，进一步包括一个电场和 流动辅助界面用于离子化的化学物种的进样。13. 如权利要求1所述的离子迁移谱系统，其中电场强度与气体数 密度的比值在第 一漂移管中大致是一个恒量。14. 如权利要求1所述的离子迁移谱系统，其中当离子化的化学物 种通过第二漂移管去往离子检测器时，电场强度与气体数密度的比值在 第二漂移管中大致是一个恒量。15. —种操作离子迁移谱系统的方法，包括 a离子化化学物种；b沿第 一 漂移管的第 一 漂移轴线输送离子化的化学物种； c沿与第 一漂移管连接的第二漂移管的第二漂移轴线输送离子化 的化学物种；和d在第二漂移管中检测离子。16. 如权利要求15所述的方法，其中化学物种被CFDI离子化。17. 如权利要求15所述的方法，其中第二漂移管的第二漂移轴线相 对于第一漂移管的第一漂移轴线形成一个角度，该角度介于大致零度到 九十度之间。18. 如权利要求17所述的方法，其中第二漂移管的第二漂移轴线大 致垂直于第一漂移管的第一漂移轴线。19. 如权利要求15所述的方法，进一步包括沿第三漂移管的第三漂 移轴线输送离子化的化学物种。20. 如权利要求15所述的方法，其中第三漂移管的第三漂移轴线大 致垂直于第二漂移管的第二漂移轴线。21. 如权利要求15所述的方法，其中第三漂移管的第三漂移轴线大 致垂直于第一漂移管的第一漂移轴线和第二漂移管的第二漂移轴线。22. 如权利要求15所述的方法，进一步包括在第三漂移管中检测离子。23. —种操作离子迁移谱系统的方法，该方法包括 a将气相试样在第一时间脉沖导入第一漂移管；b 沿第 一 方向输送气相试样脉冲使其经过第 一 漂移管的至少 一 部分；c按相对于第 一 时间的预定时间将 一 系列脉沖的反应物离子送入第一漂移管内；d产生一个电场用以沿第二方向输送反应物离子脉冲并使其经过 第一漂移管的至少一部分，其中第二方向大致逆平行于第一漂移管中载 气的流动方向；和e —组反应物离子，包括一个或多个系列的反应物离子脉冲，与气 相试样脉沖反应以使得气相试样脉冲中的一种化学物种被离子化。24. 如权利要求23所述的方法，其中第一方向大致平行于第一漂移 管中载气的流动方向。25. 如权利要求23所述的方法，进一步包括重复反应物离子组与气 相试样脉沖反应的步骤，直至所有的关注的化学物种都被离子化，其中 不同电荷亲和力的化学物种在第一漂移管中在不同的时间被离子化。26. 如权利要求23所述的方法，其中脉冲的气相试样被带入第一漂 移管的反应区。27. 如权利要求23所述的方法，进一步包括通过在一个或多个预定 的提取时间产生至少作用于一部分的第一漂移管的电场，将第一漂移管 中离子化的至少 一部分的化学物种提取到第二漂移管中，该第二漂移管 的漂移轴线大致垂直于第 一 漂移管的漂移轴线。28. 如权利要求23所述的方法，其中提取到第二漂移管中的离子化 的化学物种被导入离子检测器，并且根据它们到达离子检测器的到达时 间而被定性，到达时间至少基于其在第二漂移管条件下的迁移率。29. 如权利要求23所述的方法，其中在第二漂移管中的漂移管条件 中至少一项，包括载气类型，载气密度，载气流率，载气压力，漂移介 质的相，电场强度，和温度，是不同于第一漂移管中的漂移管条件的。30. —种用于离子迁移谱法的方法，该方法包括a将试样导入第一漂移管；b 离子化至少 一 部分试样以形成离子化的化学物种；c通过将离子化的化学物种与第一载气在第一系列漂移条件下相互作用，沿第一漂移轴线分离至少一部分离子化的化学物种；d 于第二漂移管附近产生 一 个电场以便将离子化的化学物种提取到第二漂移管中；e通过将离子化的化学物种与第二载气在第二系列漂移条件下相 互作用，沿第二漂移轴线分离至少一部分离子化的化学物种；f使用离子检测器检测至少一部分已被分离的离子化化学物种。31...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴青，
申请(专利权)人：卓漂仪谱公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]