使用基于离子迁移率的离子分离技术识别物质的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于识别感兴趣的物质的方法和装置，并且更具体地涉及用于选择和/或修改离子以帮助识别样品中的感兴趣的物质的方法和装置。

背景技术

需要检测感兴趣物质的痕量，例如爆炸物、麻醉剂和化学战剂。可靠和准确的识别是关键的。可以使用光谱仪，例如离子迁移谱仪和/或质谱仪进行分析。

离子迁移谱仪(Ion mobility spectrometers，IMS)可通过使材料(例如，分子、原子)离子化并测量所得离子在已知电场下行进已知距离所花费的时间来从感兴趣样本中识别材料。这被称为飞行时间离子迁移率光谱测定法(time of flight ion mobilityspectrometry)-TOFIMS。离子包的飞行时间可以由检测器测量。该飞行时间与离子的迁移率有关。离子迁移率与其质量和几何形状有关。因此，通过测量检测器中离子的飞行时间，可以推断离子的身份。这些飞行时间可以图形或数字形式显示为等离子体色谱图。

还存在其它种类的离子迁移率光谱测定法。例如，在差分离子迁移率光谱测定法中，基于离子迁移率对电场强度的依赖性来选择离子。为此，对离子施加选定的变化电场强度，使得仅具有选定差分迁移率的离子能够穿过光谱仪。例如，在场非对称离子迁移谱仪中，通过在射频(RF)下施加高压非对称波形并结合DC电压来分离离子。当电场变化时，取决于离子的高场和低场迁移率的比率，它将向一个或另一个电极迁移。只有具有特定差分迁移率的离子才会通过该装置。

还可以基于离子的质荷比来区分离子。质谱通过电离化学化合物以产生带电分子或分子片段并测量它们的质荷比而工作。在典型的质谱分析过程中，离子根据其质荷比被分离，典型地通过加速它们并测量它们被施加的电场或磁场偏转的程度。一些质谱仪使用离子阱进行操作。质谱反映了被检测离子的相对丰度，作为它们的质荷比的函数。可以通过将已知质量与所识别的质量进行比较或者通过将所获得的光谱与已知光谱进行比较来识别离子。相同质荷比的离子将经历相同量的偏转，但单个质荷比可与许多不同种类的离子相关联。

为了提高光谱仪识别感兴趣样本中的离子的能力，建议使用射频RF电场(例如，通过分裂离子)来修改一些离子以提供可用于推断离子的身份的额外信息。这在离子的测量中提供了额外的自由度，并且因此可以提高分辨离子之间的差异的能力。在存在污染物或在困难的操作条件下进行测量的情况下，或者在样品包括具有类似几何形状和质量的离子的情况下等，检测和识别离子的能力可能被降级。离子改性是解决这些问题的一种方式。

希望提高离子迁移率光谱测定法的灵敏度和基于离子迁移率的离子分离法的灵敏度。

发明内容

本发明的方面和示例在权利要求中阐述，并且旨在解决上述技术问题的至少一部分以及相关技术问题。

本公开的方法和装置可应用于离子迁移率光谱测定法和采用基于离子迁移率的离子分离技术的质谱系统。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的实施例，在附图中：

图1示出了离子迁移谱仪的示意图；

图2示出了诸如图1中所示的离子迁移谱仪的示意图；

图3是示出操作离子迁移谱仪的方法的流程图，例如参考图2和图3所描述的；以及

图4示出了用于质谱仪入口的基于离子迁移率的离子分离器的示意图。

在附图中，相似的附图标记用于表示相似的元件。

具体实施方式

图1示出了离子迁移谱仪100的剖视图。图2示出了相同IMS 100的示意图，以帮助理解图1所示的布局。

作为介绍性概述-图1中所示的IMS 100的离子门既用于防止离子离开反应区域103，又用于执行离子改性。离子门包括第一电极106-1和第二电极106-2，其可以在离子迁移谱仪的漂移方向上(例如，在IMS单元的纵轴方向上)与第一电极106-1间隔开。

为了关闭门106，在第一电极106-1和第二电极106-2之间施加电压差，以防止离子离开反应区域103。为了打开该门，控制第一电极106-1和第二电极106-2上的DC电压以匹配离子迁移谱仪100的电压分布。此外，当门打开时，在第一电极106-1和第二电极106-2之间施加RF电压以在离子通过门106时使离子分裂。

现在转到图1的更详细的描述，在那里示出的IMS可以包括离子发生器(ioniser)102和通过门106与漂移区域104分开的反应区域103。门106包括第一电极106-1和第二电极106-2。

如图所示，IMS 100包括入口108(图2中不可见)，用于使来自样品的材料能够被引入到反应区域103，在该区域中，材料可以被由离子发生器102产生的反应物离子电离。入口108可以包括针孔或膜入口，用于获得气态流体例如蒸汽或气体的样品。离子发生器102可以包括离子源，例如电晕放电元件或放射源。

在图1中所说明的示例中，漂移区域104位于门106与收集器118之间。一系列漂移电极120A、120b沿漂移区域104间隔开，以提供用于将离子从反应区域移动到收集器118的电压分布。由漂移电极120a、120b施加的电压分布可以包括在从离子发生器102沿着漂移区域104朝向收集器118的漂移方向上的均匀电场(例如空间均匀的电压梯度)。

收集器118可以被耦合以向控制器200提供信号。来自收集器118的电流可被控制器200用来推断离子已到达收集器118，并且可基于离子从门106沿漂移区域104传递到收集器118的时间来确定离子的特性。收集器118的示例被配置为提供指示离子已经到达收集器118的信号。例如，收集器可以包括导电电极(诸如法拉第盘)，其可以被充电以捕获离子。

在邻近收集器118的漂移区域104的端部处，漂移气体入口90可以被布置用于将漂移气体流提供到漂移室中。可以提供漂移气出口92在邻近门106的漂移区域104的端部处，使得漂移气体可从收集器118流到门106。因此，离子可以沿着电压分布并且逆着漂移气体的流动从门106行进到收集器118，以使得它们通过漂移气体的飞行时间能够被用于推断关于它们的迁移率的信息。示例性漂移气体包括但不限于氮气、氦气、空气、再循环的空气(例如，清洁和/或干燥的空气)等。

两个门电极106-1、106-2中的每一个可以包括细长导体阵列，例如导线，其可以跨越IMS单元布置，例如，横向于从反应区域到检测器的漂移方向。细长导体可以布置成网格，例如网状物。如图所示，每个离子发生器电极106-1、106-2的导体可以在它们之间具有间隙，使得离子可以通过行进穿过间隙而穿过每个电极。第一电极106-1可以邻近反应区域设置，并且可以将第二电极106-2与反应区域分开。

第一电极106-1的细长导体可以彼此平行，并且可以布置在单个平面阵列中，该平面阵列可以跨越IMS单元(例如，第一电极106-1的细长导体可以彼此共面)。

如同第一电极一样，第二电极106-2的细长导体也可彼此平行，并且可布置在单个平面阵列，该平面阵列可跨越IMS单元(例如，第二电极106-2的细长导体可彼此共面)。

第一电极106-1和第二电极106-2可以彼此不共面。例如，它们可以在IMS单元的漂移方向上彼此隔开。通常，第一电极106-1和第二电极106-2之间的间隔可以至少为200微米。第一电极106-1的细长导体可以与第二电极106-2的细长导体平行，此外，第一电极106-1的细长导体可以与第二电极的细长导体横向对准。例如，它们可以在横向于(例如，垂直于)漂移方向的方向上彼此对准。因此，当沿漂移方向(例如，在电池的纵轴方向上)观察时，第二电极106-2的细长导体可以被第一电极106-1的细长导体完全隐藏。例如，两个电极106-1、106-2可以在结构上相同并且横向对准。这可以帮助减少由于碰撞引起的离子损失，并且还可以通过防止第二电极的电压使第一电极上游的电场失真来增强灵敏度。

电压提供器202连接到离子门106，并连接到漂移电极120A、120b。它也可以连接到离子发生器。电压提供器可以包括诸如电源和/或串联分压器的电路，其被配置为经由漂移区域104中的漂移电极120a、120b施加电压分布。它还包括用于在离子门106的两个门电极106-1、106-2中的每一个处提供选定的DC电压的电路。并且，它还包括电路，例如射频RF信号发生器，用于在这两个相同电极106-1、106-2之间提供RF交流电压。

控制器200可连接到电压提供器202以控制这些电压，并且还可连接到收集器118以接收指示离子到达收集器118的信号。

控制器200因此可以操作门106以控制离子从反应区域进入漂移区域104的通道。为了防止离子从反应区域行进到漂移区域中，可以操作电压提供器以在两个电极106-1、106-2之间施加电压，从而产生对离子的势垒。该电压可以提供与由于电压分布而产生的电场相反的电场。例如，可以控制离子门106的第二电极106-2的电压以匹配第二电极106-2的位置处的电压分布，同时可以向离子门的第一电极106-1施加不同的电压以提供与由于电压分布而产生的电场相反的电场。

为了打开门106，控制器200可以操作电压提供器202，使得离子门的两个电极之间的DC电压与电压分布匹配。例如，为了打开门，可以将DC电压施加到第一电极106-1，使得其电压匹配(例如等于)其位置处的电压分布。这可以使离子能够穿过第一电极106-1的导体之间的间隙，进入电极106-1、106-2之间的区域129(在图2中更清楚地示出)。然后可以通过电极106-2的导体之间的间隙从区域129出来，并继续在漂移方向上(例如，沿着电压分布)向收集器118行进。

然而，当离子在电极106-1、106-2之间的区域129中时，它们可以经受交变的RF电场。例如，控制器200可以操作电压提供器202以在保持门打开的同时在第一电极106-1和第二电极106-2之间施加RF电压(例如，控制两个电极106-1、106-2的DC电压以匹配电压分布)。例如，RF电压可叠加在两个电极106-1、106-2之间的DC电压差上。

控制器200和电压提供器202可以被配置为通过使离子门106的第一电极106-1返回到其先前的DC电压(例如，不同于电压分布以创建对离子通过的屏障)来关闭门。它们还可以被配置为当门关闭时切断门电极106-1、106-2之间的RF电压。

现在将参照图3描述图1和图2中所示的装置的操作。

最初，300，可以从入口向离子发生器提供气态流体(例如气体或蒸汽)的样品。

然后，302，操作离子发生器以产生反应物离子，该反应物离子可以在反应区域中与样品混合以电离样品。304，为了防止离子离开反应区域103，在离子门的第一电极106-1和第二电极106-2之间施加不同于电压分布的DC电压。该DC电压差与电压分布相反，从而防止离子离开反应区域103并沿漂移区域104行进。

然后，306，离子门106可以被打开以允许离子从反应区域向下沿漂移区域行进到收集器。以这种方式将门保持打开一段选定的时间(称为门宽)，以使离子包能够行进通过该门。然后，308，关闭门。该时间段(门宽度)确定离子包的宽度，并且因此也提供对IMS单元的时间分辨率的基本限制-通常使用大约200微秒的门宽度。

然后，离子包逆着漂移气体流沿着漂移室行进(沿着电压分布)，并且当它们朝向收集器118行进时可以在漂移方向上展开，更多的移动离子移动得更快。因此，离子的飞行时间指示其通过漂移气体的迁移率。

310，控制器可以从收集器接收指示离子到达收集器的信号，并且通过将这些信号的时间与门打开的时间进行比较，可以确定包中的离子的飞行时间。这飞行时间又可以用于推断关于离子的迁移率的信息，并且因此识别它们。

然而，在本公开的上下文中将理解，等离子体色谱图的峰可具有一定宽度，并且可被掩蔽或与其它峰重叠。此外，某些离子可以与反应区域中的离子和/或分子结合。

由于这些和其它原因，不可能从等离子体色谱图中唯一地识别出离子。在这种情况下，控制器可以执行重复实验-例如，对第二离子包的飞行时间的进行重复测量。

因此，312，控制器可以确定飞行时间数据是否提供关于离子的身份的模糊性。如果不是，314，则可以基于飞行时间数据来识别样本。

在飞行时间数据不提供样品的明确身份的情况下，316，离子门106可被第二次打开以允许另一离子包离开反应区域。这个另外的离子包可以通过如上所述的样品入口108和离子发生器102的进一步操作而产生。

一旦门打开，该另一离子包因此从反应区域行进到第一电极106-1和第二电极106-2之间的区域129。

然后，318，在第一电极106-1和第二电极106-2之间施加RF电压。这可以提高离子的有效温度，目的是使它们分裂以提供子离子。通常，施加在电极之间的RF电压至少为2.5MHz，并且约为10

当门保持打开时，由该分裂产生的子离子能够从改性区域行进(在两个电极106-1、106-2之间的DC电压差的影响下)到漂移区域中。

320，在门宽度的末端，可以通过重新施加势垒电压来闭合门。在这个阶段，RF电压也可以关闭。子离子然后可以沿着电压分布穿过漂移气体朝向收集器向下行进通过漂移区域。

然后，322，可确定从离子门到收集器的子离子的飞行时间。然后，314，控制器可以使用子离子的飞行时间和先前离子包的飞行时间来试图识别离子。

在本发明的上下文中将了解，其中IMS单元100在不将RF电压施加到门电极106-1、106-2的情况下被操作的先前操作循环是任选的。可以在没有未施加RF电压的先前循环的情况下施加RF电压。

有利地，因为仅两个电极用于门和离子改性过程两者，所以可以减少由于与电极碰撞而导致的离子损失。此外，与其中离子修改器被部署在沿着漂移室的某个中间位置处的系统相比，离子门与收集器之间的漂移时间可以增加。这些事情可以增强IMS系统的选择性(例如，区域分具有相似迁移率的不同种类的能力)。

电极120a、120b可被布置成将离子引导向收集器118，例如漂移电极120a、120b可包括环，所述环可被布置在漂移区域104周围以将离子聚焦到检测器118上。尽管图1的示例仅包括两个漂移电极120a、120b，但是在一些示例中，可以使用多个电极，或者可以使用单个电极，与检测器118组合，以施加电场来将离子引导向检测器118。

在图1中，第一电极和第二电极被描述为在漂移方向上间隔开，但在本公开的上下文中将理解，可使用共面离子门。

图4示出了用于质谱仪入口的基于离子迁移率的离子分离器的示意图。

图4中所示的装置与上面参照图1和图2所述的装置相同，除了：

(a)将所述反应区域与所述漂移区域分开的所述离子门可以是标准离子门，例如标准Bradbury-Nielsen门或Tyndall Powell门；

(b)没有收集器118，在其位置上是第二离子门106，其包括第一电极106-1和第二电极106-2，并且其可以如上所述参考图1和图2中所示的离子门106来操作。

(c)出口设置在第二离子门后面，通过第二离子门与离子分离器的漂移区域104分离。

因此，控制器可通过控制打开第一离子门和第二离子门的相对时间，基于离子在漂移气体中的迁移率来选择离子样本的子集。例如，打开第二离子门的时间可以基于打开第一离子门的时间来选择，以仅允许那些具有沿漂移室的特定飞行时间(和/或选定的一个或多个飞行时间范围)的离子传递到出口。

出口可以包括毛细管或适于连接到质谱仪的入口的其它导管。离子聚焦装置，例如离子导向器，可以被布置成沿着该狭窄通道引导离子。第二离子门106设置在漂移区域和分离器的出口之间，以在其间提供可控制的屏障。

第二离子门106的两个电极106-1、106-2在离子迁移率分离器的漂移方向上间隔开。

如图所示，图4的基于离子迁移率的离子分离器因此包括用于获得气态流体样品(例如蒸汽或气体)的离子源(例如针孔或膜入口)和用于电离样品的离子发生器。与图1所示的装置一样，离子发生器可以包括离子源，例如电晕放电元件或放射源。

在一些实施例中，可以使用电离的反应物气体电离样品。

在操作中，控制器操作入口以将样品吸入反应区域，并操作离子发生器以电离样品，这通常是通过产生反应物离子以与反应区域中的样品混合。

然后打开第一离子门以允许离子包沿着漂移区域朝向第二离子门行进。在本公开的上下文中将理解，由于离子包中的离子的迁移率的差异，该离子包可在其沿漂移室行进时纵向分离。

最初，可以通过在第二离子门的两个电极106-1、106-2之间施加势垒电压来保持第二离子门106关闭。这可以使到达第二离子门的离子在第一电极106-1上被中和，从而防止到达出口并经由出口离开分离器。势垒电压包括与第一电极106-1处的电压分布相匹配的电压，这可以帮助减少漂移区域中的电压分布的干扰。

然后，第二离子门106可被打开(例如，通过使第二电极106-2的电压也与电压分布匹配，以允许到达第一电极106-1的离子向前朝向出口行进。在第二离子门106打开时，离子可行进到第二离子门的两个电极之间的改性区域中。

在此期间，在两个电极之间施加RF电压以在离子通过所述区域时使离子分裂。

因此，从这种分裂产生的子离子可以被提供到出口，以便传递到质谱仪的入口。

然后，门可以再次关闭以中和另外的离子(例如，在离子的选定部分之后到达的那些离子)并防止它们到达出口。

如上所述，打开第二离子门可包括在第二离子门的两个电极之间施加DC电压差。该DC电压差可以匹配电压分布，使得当第二门打开时，沿着漂移区域到出口的电场可以是均匀的。施加在两个电极106-1、106-2之间以使离子分裂的RF电压可叠加在它们之间的DC电压差上。

两个电极106-1、106-2之间的RF电压可以具有至少2.5MHz的频率。在一个实施例中，频率至少为3MHz，或至少为5MHz，在一些实施例中，至少为6MHz。在一个实施例中，频率小于100MHz，在一些实施例中，频率小于50MHz，在一些实施例中，小于20MHz，在一些实施例中，小于15MHz，或小于10MHz。例如，频率可以在3MHz和20MHz之间，或在6MHz和12MHz之间。在一些示例中，频率是大约8MHz。

电压提供器可以控制两个门电极106-1、106-2的电压，以在门宽度期间以选定的相位差改变，例如，电压控制器可以控制两个门电极106-1、106-2的电压，使得一个电极的正电压偏移在另一个电极的负电压偏移期间发生。例如，电压提供器可以控制两个门电极106-1、106-2的电压反相变化。两个电极的电压偏移可以具有相同的幅度。

从以上讨论中将理解，图中所示的实施例仅是示例性的，并且包括可以如本文所述和如权利要求中所述一般化、移除或替换的特征。总体上参考附图，将理解，示意性功能框图用于指示本文描述的系统和装置的功能。然而，将理解，功能不需要以这种方式划分，并且不应被认为暗示除了下面描述和要求保护的硬件之外的任何特定硬件结构。附图中所示的一个或多个元件的功能可以进一步细分和/或分布在本公开的整个装置中。在一些实施例中，附图中所示的一个或多个元件的功能可以集成到单个功能单元中。

在一些示例中，控制器的功能可以由通用处理器提供，该通用处理器可以被配置为执行根据本文描述的那些方法中的任何一个的方法。在一些示例中，控制器可以包括数字逻辑，诸如现场可编程门阵列、FPGA、专用集成电路、ASIC、数字信号处理器、DSP或任何其他适当的硬件。在一些示例中，一个或多个存储器元件可以存储用于实现本文描述的操作的数据和/或程序指令。本公开的实施例提供了包括程序指令的有形非暂态存储介质，所述程序指令可操作以对处理器进行编程以执行本文描述和/或要求保护的方法中的任何一个或多个方法和/或提供如本文描述和/或要求保护的数据处理装置。控制器可以包括模拟控制电路，其提供这种控制功能的至少一部分。实施例提供了一种模拟控制电路，其被配置为执行本文描述的方法中的任何一个或多个。

上述实施例应理解为说明性示例。可以设想进一步的实施例。应当理解，关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与描述的其它特征组合使用，并且还可以与任何其它实施例的一个或多个特征组合使用，或者与任何其它实施例的任何组合使用。此外，在不背离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，也可以采用上面未描述的等同和修改。