СПЕКТРОМЕТРЫ ПОДВИЖНОСТИ ИОНОВ Российский патент 2013 года по МПК H01J49/00 

Настоящее изобретение относится к спектрометрам подвижности ионов, имеющим дрейфовую область и реакционную область.

Анализ подвижности ионов обычно используется для обнаружения присутствия взрывчатых веществ, опасных химикатов и других паров. Спектрометр подвижности ионов обычно включает детекторную ячейку, в которую непрерывно подается проба воздуха, содержащего подозрительное или анализируемое вещество в виде газа или пара. Ячейка работает при атмосферном или близком к атмосферному давлении и содержит электроды, создающие в ней градиент напряжения. Молекулы в пробе воздуха ионизируются, например, с помощью радиоактивного источника, источника ультрафиолетового излучения или коронного разряда, и попадают в дрейфовую область ячейки посредством электростатического затвора, расположенного на одном конце. Ионизированные молекулы дрейфуют к противоположному концу ячейки со скоростью, зависящей от подвижности иона. Измеряя время пролета через ячейку, можно идентифицировать ион.

Было обнаружено, что в нелегированной системе спектрометра подвижности ионов определенные нервно-паралитические вещества, когда они подвергаются ионной модификации сильным электрическим полем, создают идентифицируемые пики пробоя. Это увеличивает информацию, которая может быть получена от спектра, и повышает достоверность обнаружения анализируемого вещества.

Чтобы улучшить обнаружение, общепринятой практикой стало добавление к анализируемому веществу легирующего вещества, чтобы отличить его от посторонней примеси, имеющей аналогичный спектр. Легирующее вещество выбирают так, чтобы при соединении с веществом, представляющим интерес, оно создавало идентифицируемую пару спектральных пиков в отношении нелегированного и легированного анализируемого вещества. Кроме того, легирующее вещество выбирают так, чтобы оно не образовывало соединения с посторонней примесью или соединялось с ней с получением спектра, легко отличимого от спектра вещества, представляющего интерес.

Было установлено, что в легированной системе модификация ионов невозможна. Напротив, процесс модификации ионов удаляет аддукты легирующего вещества из определенных ионов, никак не модифицируя сам ион. Это может происходить потому, что аддукт легирующего вещества удаляется от иона только тогда, когда он прошел в модификаторе большую часть пути и оставшееся в модификаторе расстояние слишком мало для дальнейшей модификации ионов. Ионы без аддуктов останутся только в том случае, если область модификатора ионов не будет содержать легирующего вещества, так как в противном случае произойдет рекомбинация.

Целью изобретения является создание альтернативного спектрометра подвижности ионов.

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения, предложен спектрометр подвижности ионов указанного типа, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью легирования реакционной области без легирования дрейфовой области, при этом спектрометр содержит по меньшей мере два работающих выборочно модификатора ионов, расположенных один за другим вдоль траектории ионов так, что по меньшей мере один из них при работе удаляет из ионов аддукты легирования.

По меньшей мере один из модификаторов ионов предпочтительно выполнен с возможностью создания электрического поля, достаточно сильного для фрагментации ионов. Альтернативно, по меньшей мере один из модификаторов ионов выполнен с возможностью повышения температуры для уровня, достаточного для фрагментации ионов. Спектрометр предпочтительно содержит канал для протекания отфильтрованного газа через дрейфовую область с целью удаления из нее любого легирующего вещества. Спектрометр может содержать контур легирования для подачи паров легирующего вещества в реакционную область вблизи дрейфовой области и удаления паров легирующего вещества на противоположном конце реакционной области, чтобы легирующее вещество выходило из дрейфовой области. Спектрометр может содержать электростатический затвор, расположенный между реакционной областью и дрейфовой областью. Спектрометр может быть выполнен с возможностью управления модификаторами ионов в ответ на обнаружение пика, соответствующего известной посторонней примеси, так что аддукты легирования удаляются. Спектрометр может быть выполнен с возможностью формирования первого выходного сигнала, когда оба модификатора ионов выключены, второго выходного сигнала, когда включен только один модификатор ионов, и третьего выходного сигнала, когда включены оба модификатора ионов.

Далее описан пример выполнения спектрометра подвижности ионов согласно изобретению со ссылкой на чертеж, изображающий его принципиальную схему.

Спектрометр имеет трубчатую дрейфовую ячейку 1, на левом конце которой находится входное отверстие 2, через которое в нее вводится проба анализируемого вещества в виде газа или пара через селективный барьер, например мембрану, микроканал и т.п. (не показаны). Входное отверстие 2 сообщается с ионизационной областью 3, содержащей обычный источник 4 ионизации, например источник коронного разряда, радиоактивный источник, ультрафиолетовый источник фотоионизации и т.п. Ионизационная область 3 сообщается с реакционной областью 5, в которой ионы, созданные источником 4, реагируют с молекулами анализируемого вещества. Реакционная область 5 содержит несколько расположенных вдоль нее пар 6 электродов, питаемых источником 7 напряжения, для создания в этой области градиента потенциала, который перемещает ионы направо. Реакционная область 5 соединена с контуром 8 легирования, включающим обычный источник 9 легирующего вещества и насос 10. Выход 11 контура 8 соединен с ячейкой 1 в правом конце реакционной области 5, а его вход 12 - с левым концом реакционной области, так что легирующий газ течет в реакционной области справа налево.

Правый конец реакционной области 5 сообщается с дрейфовой областью 20 через обычный электростатический затвор 21, пропускающий или не пропускающий ионы из реакционной области 5 в дрейфовую область. Работой затвора 21 управляет блок 22 обработки и управления. Дрейфовая область 20 содержит коллекторную или детекторную пластину 23, выход которой соединен со входом блока 22 обработки для получения обычным образом выходного спектра, соответствующего ионам, попавшим на пластину. Выходной спектр подается на дисплей 24 или подобное средство. Пары 25 электродов, расположенные вдоль дрейфовой области 20 на расстоянии друг от друга, соединены с источником 26 напряжения для создания по длине дрейфовой области градиента потенциала для перемещения ионов слева направо к коллекторной пластине 23.

Непосредственно за затвором 21 в дрейфовой области 20 установлены два модификатора 30 и 31 ионов, каждый в виде пары параллельных электродных решеток, расположенных поперек относительно траектории ионов, которая проходит по оси ячейки 1. Конструкция решеток 30 и 31 такова, что ионы могут свободно проходить через них, в частности, решетки предпочтительно представляют собой сетки из электрических проводов, между которыми могут проходить ионы. Модификаторы 30 и 31 ионов соединены с блоком 22 обработки, который подает между решетками высокое напряжение, достаточное для модификации природы любых ионов в пространстве между решетками, например, путем фрагментации ионов. Дополнительным эффектом этого сильного поля является удаление из ионов аддуктов легирования. Могут применяться альтернативные модификаторы ионов, использующие нагревание, излучение, электрический разряд, магнитные поля или лазеры. Хотя в данном примере модификаторы 30 и 31 ионов расположены близко друг к другу, они могут быть удалены друг от друга, т.е. правый модификатор, расположенный ниже по потоку, может быть сдвинут на некоторое расстояние вдоль дрейфовой области 20.

В дрейфовой области 20 циркулирует чистый сухой воздух от системы 32 создания воздушного потока, выход 33 которой соединен с ячейкой 12 вблизи коллекторной пластины 23, а вход 34 расположен непосредственно слева от затвора 21. Система 32 создания воздушного потока содержит соединенные последовательно насос 35 и фильтр в виде молекулярного сита 36, расположенные между входом 34 и выходом 33. Циркулирующий воздух в дрейфовой области 20 движется справа налево и сушится и очищается молекулярным ситом 36. Система 32 создания воздушного потока удаляет пары легирующего вещества, которые могут проникнуть в нее из реакционной области 5. Таким образом, реакционная область 5 легирована, а дрейфовая область 20 не легирована.

При работе спектрометра пары анализируемого вещества поступают в ячейку 1 через входное отверстие 2 и подвергаются легированию и ионизации в реакционной камере 5. Полученные ионы перемещаются к затвору 21 полем, создаваемым пластинами 6. Легированные ионы пропускаются в заданные моменты времени затвором 21, управляемым блоком 22 обработки/управления, и поступают в дрейфовую область 20. При нормальной работе, когда напряжение на модификаторы 30 и 31 ионов не подано и они не работают, легированные ионы перемещаются в дрейфовой области 20 к детекторной пластине 23 и создают в блоке 22 обработки соответствующие сигналы. Однако если в выходном сигнале появляется пик, свойственный известной посторонней примеси, то оба модификатора 30 и 31 включаются и переходят в рабочее состояние. В результате верхний по потоку, левый модификатор 30 удаляет из проходящих в нем ионов любой аддукт легирования. Ионы, теперь нелегированные, проходят в нижний по потоку модификатор 31 и подвергаются в нем дальнейшей модификации, вызывающей фрагментацию или другие химические изменения ионов. Поскольку дрейфовая область 20 не легирована, нелегированные и модифицированные ионы перемещаются в ней, не подвергаясь действию какого-либо легирующего вещества. Это вызывает такое изменение выходного сигнала на коллекторной пластине 23, что сигнал, создаваемый представляющим интерес анализируемым веществом и его посторонней примесью, будет различным, когда модификаторы 30 и 31 ионов включены. Откалибровав перед работой устройство с помощью анализируемого вещества и его посторонней примеси можно отличить это вещество от его посторонней примеси.

Система может быть выполнена так, что выходной сигнал коллекторной пластины 23 сначала контролируется только одним модификатором 30, работающим так, что единственным изменением является удаление аддуктов легирования. Затем может быть включен второй модификатор 31. Таким образом, получаются три различных выходных сигнала: один обусловлен легированными ионами, когда ни один модификатор не включен, второй - нелегированными немодифицированными ионами, когда включен один модификатор, и третий - нелегированными модифицированными ионами, когда включены оба модификатора.

Спектрометр может иметь более двух модификаторов ионов.

Заявленное изобретение относится к спектрометрам подвижности ионов. Заявленное устройство имеет реакционную область, отделенную от области электростатическим затвором. В реакционную область подается легирующее вещество из контура легирования, а дрейфовая область не легируется. В дрейфовой области установлены друг за другом два модификатора ионов, создающих сильное поле. Может быть включен один модификатор для удаления аддуктов легирования из ионов или могут быть включены оба модификатора, чтобы ионы также подвергались фрагментации. Техническим результатом является возможность получения нескольких разных ответных сигналов, дающих дополнительную информацию о природе анализируемого вещества и позволяющих отличить его от посторонних примесей. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Спектрометр подвижности ионов, имеющий дрейфовую область (20) и реакционную область (5), отличающийся тем, что он выполнен с возможностью легировать реакционную область (5) реакции без легирования дрейфовой области (20) и содержит по меньшей мере два работающих выборочно модификатора (30 и 31) ионов, установленных один за другим в дрейфовой области (20) вдоль траектории ионов так, что по меньшей мере один из них при работе удаляет из ионов аддукты легирования.

2. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из модификаторов (30, 31) ионов выполнен с возможностью создания электрического поля, достаточно сильного для фрагментации ионов.

3. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из модификаторов ионов выполнен с возможностью повышения температуры до уровня, достаточного для фрагментации ионов.

4. Спектрометр по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что включает канал (32) для протекания отфильтрованного газа через дрейфовую область (20) для удаления из нее любого легирующего вещества.

5. Спектрометр по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он содержит контур (8) легирования для подачи паров легирующего вещества в реакционную область (5) вблизи дрейфовой области (20) и удаления паров легирующего вещества на противоположном конце реакционной области (5), чтобы легирующее вещество выходило из дрейфовой области (20).

6. Спектрометр по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он содержит электростатический затвор (21), расположенный между реакционной областью (5) и дрейфовой областью (20).

7. Спектрометр по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью управления модификаторами (30, 31) ионов в ответ на обнаружение пика, соответствующего известной посторонней примеси, таким образом, что аддукты легирования удаляются.

8. Спектрометр по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью получения первого выходного сигнала, когда оба модификатора (30 и 31) ионов выключены, второго выходного сигнала, когда включен только один модификатор (30 или 31) ионов, и третьего выходного сигнала, когда включены оба модификатора (30 и 31) ионов.