ПЕТЛЕОБРАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ИОНИЗАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК G01N27/68 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СВЯЗАННУЮ ЗАЯВКУ

Настоящее изобретение заявляет приоритет предварительной заявки США с серийным номером 61/497,681, поданной 16 июня 2011 г., которая включена в полном объеме в виде ссылки.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к петлеобразным источникам ионизации, которые могут быть использованы, например, в ион мобильных спектрометрах или масс-спектрометрах. В некоторых вариантах осуществления изобретения петлеобразные источники ионизации используются для ионизации молекул из представляющего интерес образца для распознавания молекул на основе ионов. В конкретных вариантах осуществления изобретения, электрический источник ионизации содержит проволоку, которая согнута в петлю, между электрическими контактами, которые используются для образования коронного разряда при приложении напряжения между проволокой и стенками камеры ионизации.

ПРЕДПОСЫЛКИ

Спектрометры подвижности ионов (СПИ) используют источник ионизации для ионизации молекул из представляющего интерес образца для распознавания молекул. После того как молекулы ионизируются СПИ измеряет время, которое необходимо ионам для достижения детектора. Этот тип СПИ упоминается как времяпролетный СПИ. СПИ может использовать время пролета иона для распознавания молекулы, потому что разные ионы имеют разное время пролета, основываясь на подвижности иона.

СПИ может содержать радиоактивный источник или электрический источник для ионизации молекул. Например, СПИ может содержать радиоактивный никель 63 ("Ni) для ионизации молекул. СПИ с электрическими источниками ионизируют молекулы, разряжая их электрическим током. Наряду с этим, могут быть использованы различные напряжения, как правило, напряжение электрического источника является достаточно высоким для того, чтоб заряжать молекулы положительным или отрицательным зарядом, а также возможны фрагментация и различные соотношения массы к зарядам.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ

Описаны петлеобразные источники ионизации пригодные, например, в ионных подвижных спектрометрах или других устройствах. Источники ионизации можно использовать для ионизации молекул из представляющего интерес образца с целью распознавания молекул на основе ионов. В реализации, электрический источник ионизации включает петлеобразную проволоку, между электрическими контактами. Проволока используется для образования коронного разряда в результате приложения напряжения между проволокой и стенками камеры ионизации. Коронный разряд может образовываться при достаточном напряжении, приложенном между проволокой и стенками. Разность в электрическом потенциале между проволокой и стенкой, образовывающая камеру ионизации, в которой содержится проволока, может быть использована для моментального вытягивания ионов из проволоки. В вариантах осуществления изобретения, проволока может быть нагрета для уменьшения напряжения, используемого для образования коронного разряда. Впоследствии, ионы могут ионизировать молекулы из представляющего интерес образца.

В одних вариантах, настоящее изобретение раскрывает спектрометр, который содержит: а) стенку, способную проводить электричество, формирующую камеру ионизации; и б) петлеобразный источник ионизации расположенный в камере ионизации; при том, что источник ионизации выполнен с возможностью передачи электрического тока между электрическими соединениями и определения разности потенциалов между источником ионизации и стенкой для образования коронного разряда.

В некоторых вариантах осуществления изобретения, спектрометр содержит спектрометр подвижности ионов, выполненный, в основном, для работы под давлением окружающей среды. В других вариантах осуществления изобретения, источник ионизации содержит петлеобразную проволоку выполненную, в основном, для пронизывания коронного разряда рядом со средней точкой проволоки, согнутой в петлю. В конкретных вариантах осуществления изобретения, источник ионизации выполнен с возможностью пронизывания коронного разряда при приблизительно тысяче градусов Цельсия (например, 950°C…1000°C…1100°C). В дополнительных вариантах осуществления изобретения, источник ионизации содержит проволоку, выполненную, по меньше мере, из одного из материалов: платина; родий; иридий; вольфрам; тантал; платинородиевый сплав; платино-родиево-иридиевый сплав; платиноиридиевый сплав; или железо-хромо-алюминиевый сплав. В других вариантах осуществления изобретения, проволока выполнена с возможностью прохождения электричества от одного из электрических соединений к другим электрическим соединениям. В одних вариантах осуществления изобретения, источник ионизации выполнен с возможностью пронизывания коронного разряда при горячей температуре источника ионизации приблизительно оранжевого цвета. В дополнительных вариантах осуществления изобретения, электрический ток представляет собой переменный электрический ток или постоянный электрический ток. В некоторых вариантах осуществления изобретения, проволока выполнена в виде спирали.

Настоящее изобретение раскрывает спектрометр подвижности ионов, который содержит: источник ионизации, состоящий из электропроводящей петлеобразную проволоки, которая проходит между двумя электрическими соединениями, электрически изолированными от стенки камеры ионизации, которая включает источник ионизации, при том, что источник ионизации и стенка выполнены заряженными при разнице электрических потенциалов таким образом, что ионы, образованные рядом с проволокой, согнутой в петлю, могут притягиваться к стенке.

В некоторых вариантах осуществления изобретения, источник ионизации выполнен для прохождения переменного тока через проволоку, согнутую в петлю. В одних вариантах осуществления изобретения, диаметр петлеобразной проволоки, находится между двадцатью и восьмьюдесятью микронами (20-80 мкм) (например, 20…30…45…55…70… и 80). В одних вариантах осуществления изобретения, проволока, согнутая в петлю, скручена или закруглена вдоль длины проволоки. В дополнительных вариантах осуществления изобретения, камера ионизации находится, в основном, под давлением окружающей среды. В некоторых вариантах осуществления изобретения, петлеобразная проволока, выполнена, по меньшей мере, из одного из материалов: платина; родий; иридий; вольфрам; тантал; платинородиевый сплав; платино-родиево-иридиевый сплав; платино-иридиевый сплав; или железо-хромо-алюминиевый сплав. В конкретных вариантах осуществления изобретения, источник ионизации выполнен для образования коронного сигнала обычно рядом со средней точкой петлеобразную проволоки, вдоль длины проволоки, согнутой в петлю.

Настоящее изобретение раскрывает спектрометр подвижности ионов, содержащий: стенку, образованную электропроводящим материалом, которая устанавливает границу камеры ионизации; и проволоку, которая согнута в петлю, между электрическими контактами, и электрически изолирована от стенки; проволока выполнена с возможностью образования коронного разряда вдоль длины проволоки для ионизации молекулы из представляющего интерес образца, при том, что стенка выполнена переносимой электрический заряд для вытягивания ионов из коронного разряда к молекуле.

В одних вариантах осуществления изобретения, проволока выполнена с более высокой температурой вдоль средней точки проволоки, чем в концах проволоки рядом с электрическими контактам. В дополнительных вариантах осуществления изобретения, диаметр проволоки находится между двадцатью и восьмьюдесятью микронами (20-80 мкм) и длина проволоки находится между одним и ста миллиметрами (1-100 мм) в длину. В дополнительных вариантах осуществления изобретения, ионный подвижный спектрометр выполнен с возможностью наложения электрического тока приблизительно 0,7 ампер на проволоку для возникновения коронного разряда. В конкретном варианте осуществления изобретения, проволока выполнена с возможностью образования коронного разряда при приблизительно тысяче градусов Цельсия (1000°C). В дополнительных вариантах осуществления изобретения, спектрометр подвижности ионов выполнен с возможностью прохождения, по меньшей мере, одного переменного тока или постоянного тока через проволоку для ее нагрева.

Настоящее изобретение раскрывает спектрометр, который содержит: камеру ионизации и источник ионизации, размещенный в камере ионизации, при том, что источник ионизации является петлей, которая может проводить электрический ток, а между источником ионизации и стенкой может быть образована разность потенциалов для образования коронного разряда.

Это краткое изложение представлено для введения выбора концепций в упрощенном виде, которые ниже дополнительно описаны в детальном описании. Это краткое изложение не предназначено для идентификации ключевых признаков или существенных признаков заявленного предмета обсуждения, а также не предназначено для использования в качестве помощи в определении объема заявленного предмета обсуждения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Представлено детальное описание со ссылкой на прилагаемые фигуры. На фигурах, слева большая цифра (ы) номера ссылки определяет фигуру, на которой впервые появляется номер ссылки. Использование той же ссылочной позиции в различных примерах в описании и на фигурах может указывать подобные или идентичные элементы.

Фиг.1 иллюстрирует спектрометр, выполненный с реализацией источника ионизации, который согнут в петлю.

Фиг.2 схематически иллюстрирует электрическую схему в соответствии с вариантом осуществления представленного изобретения.

Фиг.3 схематически иллюстрирует вторичную обмотку изоляционного трансформатора в соответствии с представленным изобретением.

Фиг.4 иллюстрирует образец плазмаграммы, который был получен из спектрометра, содержащего источник ионизации в соответствии с представленным изобретением.

Фиг.5 представлена блок-схема, иллюстрирующая примерную методику процесса реализации с использованием петлеобразного источника ионизации.

Фиг.6 представлена блок-схема, иллюстрирующая примерную методику процесса очистки с использованием источника петлеобразного ионизации.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ

Фиг.1 иллюстрирует примерный спектрометр, такой как спектрометр подвижности ионов (СПИ) 100, который осуществляет электрическую ионизацию молекул в представляющем интерес образце. СПИ может использовать постоянный ток и/или переменный ток. В вариантах осуществления изобретения, электрический ток можно использовать для нагрева проволоки. СПИ 100 может распознавать большое число молекул, таких как взрывчатые вещества и препараты, например наркотики, токсические промышленные химикаты, и так далее.

Как показано, СПИ включает камеру ионизации 102 и дрейфовую камеру 104, которые гидравлически соединены, но отделены друг от друга затвором 106, который может контролировать прохождение ионов к дрейфовой камере. Детектор 108 может распознавать молекулы с помощью выявления ионов, образующихся, когда источник ионизации разряжается в присутствии молекул.

Как показано, СПИ 100 содержит входное устройство 110, которое может вводить молекулы в камеру ионизации 102. Например, входное устройство 110 может использовать текучее вещество, такое как поток воздуха (воздушное течение) для транспортировки молекул в камеру ионизации 102. Может быть использован любой подходящий способ для протягивания образца в камеру ионизации 102. Пример способа включает, но не ограничивается, вентилирование, прессование газовыми системами, вакуумирование, созданное путем пропускания дрейфового газа через дрейфовую камеру и подобное. Множество других текучих веществ могут быть использованы для транспортировки образца в камеру ионизации. В то время как воздушное течение может быть использовано, СПИ 100, в основном работает под давлением окружающей среды.

СПИ 100 может содержать другие устройства, такие как десорбер, нагреватели, и/или предварительные концентраторы для вспомогательного введения молекул в камеру ионизации 102. Например, десорбер можно использовать для испарения молекул и/или возникновения молекул при их входе в газовую фазу.

Как показано, источник ионизации 112 включает проволоку 114, которая может генерировать коронный разряд, рядом с проволокой для ионизации молекул. Источник ионизации может генерировать коронный разряд, когда приложено достаточно высокое напряжение к проволоке 114. В вариантах осуществления изобретения, коронный разряд, генерируется, когда зародышевые ионы присутствуют рядом с проволокой 114. Основываясь на термоэлектронном эффекте или эффекте фотоионизации, могут образовываться зародышевые ионы. Проволока 114 может быть согнута в петлю между электрическими контактами, такими как два штыря (соответственно, 116 и 118), которые являются электропроводящими, хотя проволока 114 может также быть в виде спиральной нити накала. Штыри 116 и 118 могут быть обжаты на проволоке или проволока может быть иначе механически прикреплена к штырям. В вариантах осуществления изобретения, штыри 116 и 118 сформированы из нержавеющей стали или другого подходящего проводящего материала. Хотя штыри могут быть сформированы из любого проводящего материала.

Источник ионизации 112, в показанных вариантах осуществления изобретения, электрически изолирован от камеры ионизации 102, так что электрический потенциал возникает между стенкой 120 или стенкой, образующей камеру ионизации 102, и источником ионизации 112. В результате, стенка 120 может вытягивать ионы на некоторое расстояние от источника ионизации 112 для ионизации молекул из образца и/или быть протянутыми к заслонке 106 и дрейфовой камере 104.

Изолятор 122, такой как керамическая или стеклянная трубка, который удерживает штыри 116 и 118, может обезопасить источник ионизации 112 в камере ионизации 102 и электрически изолировать источник ионизации 112 от стенки 120, образующей камеру ионизации. Хотя электрический потенциал между источником ионизации 112 и стенкой 120 может варьироваться в зависимости от условий реализации, электрическое поле, которое является достаточно сильным вблизи проволоки, может быть использовано для генерирования ионов, например ионов-реагентов, которые могут быть использованы для ионизации представляющих интерес молекул.

В вариантах осуществления изобретения, проволока 114 пронизывает коронный разряд, например ионами плазмы, при приложении напряжения между проволокой и стенками камеры ионизации, производя достаточно сильное поле рядом с проволокой. Плазма может влиять на температуру проволоки 114 и электрический потенциал (например, разность напряжения) между стенкой 120 и источником ионизации. Например, источник ионизации 112 может прикладывать напряжение в диапазоне приблизительно 4000-5000 вольт при холодной проволоке, например, ниже 1000°C (при температуре окружающей среды до 500°C для проволоки диаметром 25 мкм). Эти условия могут быть применимы для источников ионизации постоянного тока или переменного тока.

Источник ионизации 112 может ионизировать молекулу во множество стадий. Источник ионизации 112 может генерировать ионы газов в камере ионизации, которые впоследствии ионизируют представляющую интерес молекулу. Например, газы содержат азот, водяной пар, другие газы, содержащиеся в воздухе и другие газы в камере ионизации 102.

Физические свойства проволоки могут влиять на коронный разряд и ионизацию представляющих интерес молекул. Длина проволоки, диаметр поперечного сечения, форма петли и/или площадь поверхности источника ионизации могут влиять на коронный разряд.

Например, проволока с большей площадью поверхности может образовывать больше ионов, чем проволока меньшего диаметра одинаковой длины. Кроме того, поверхность с большей площадью может быть связана с низко локализированной плотностью плазмы по сравнению с источником ионизации иголочного типа. Низкая плотность плазмы может привести к уменьшенной ионизации по сравнению с источником ионизации с высокой плотностью плазмы, например источником ионизации иголочного типа.

В вариантах осуществления изобретения, проволока находится в диапазоне от одного до 10 миллиметров в длину (1-10 мм) и/или диаметром от двадцати до восьмидесяти микрон (20-80 мкм). Например, источник содержит проволоку с диаметром в пределах приблизительно 20-30 мкм. В вариантах осуществления изобретения, в источнике содержится проволока с приблизительным диаметром 25 мкм. Длина проволоки, и ее диаметр могут быть взаимосвязаны, например, источник, содержащий сравнительно большой диаметр проволоки может иметь длину короче, чем проволока с меньшим диаметром. Эти диапазоны подходят для СПИ устройств настольного типа, основываясь на ожидаемом размере камеры ионизации и операционных конфигурациях СПИ. В вариантах осуществления изобретения, в которых проволока сформирована в виде спирали, проволока может быть увеличена до 100 мм.

Форма проволоки также может влиять на коронный разряд. Как показано, проволока имеет овальную форму. В других вариантах осуществления изобретения, проволоку сформировано в виде других форм. Примерные формы включают, но не ограничивается, прямую проволоку (например, прямую петлю), закругленные петли, спирали и формы, имеющие точки или вершины.

В вариантах осуществления изобретения, проволоки разной длины, диаметра, материала, площади поверхности, и так далее, используются на основе коронного разряда для предпочтительного генерирования и конструирования. Может быть использована более тонкая проволока для минимизации общего потребления электроэнергии СПИ. Кроме того, более тонкая проволока может достигать температуры, при которой коронный разряд пронизывается с меньшими энергозатратами, чем при проволоке большего диаметра. Например, при привлечении проволоки 20 мкм для пронизывания коронным разрядом СПИ использует более низкую электроэнергию по сравнению с проволокой диаметром 50 мкм той же длины и материала.

В вариантах осуществления изобретения, реализована проволока большего диаметра для увеличения образующегося числа ионов, срока службы источника и так далее по сравнению с проволокой меньшего диаметра одинаковой длины и материала. Проволока большего диаметра в диапазоне приблизительно 50 мкм может иметь более длительный цикл работы меду циклами очистки, выдерживать большее число циклов очистки и так далее, относительно проволоки меньшего диаметра той же длины и материала. Проволока большего диаметра имеет большую площадь поверхности для образования коронного разряда и может испытывать более низкое общее загрязнение по сравнению с сопоставляемой более тонкой проволокой. Это может позволить СПИ выполнять больше действий между циклами высокотемпературной очистки используемых для удаления загрязнений из источника ионизации 112.

Как показано, проволока 114 состоит из одной нити. В вариантах осуществления изобретения, проволока 114 состоит из множества нитей. Отдельные нити образованы из того же (или практически того же) материала или различных материалов, основываясь на предпочтениях проектирования. Нити из различных материалов могут быть использованы для подгонки свойств коронного разряда.

Химические свойства и свойства материала проволоки могут влиять на коронный разряд. В вариантах осуществления изобретения, для материала или материалов, образующих проволоку, выбирают: электрическую проводимость, электрическое сопротивление, способность поддерживать высокую температуру (например, приблизительно 1000°C или выше). Например, проволока 114 работает в диапазоне от 500°C до 1500°C в зависимости от рабочих условий. В других случаях, проволока работает при температурах приблизительно от 800°C до 1200°С. Диапазон эксплуатации, подаваемое напряжение и другие параметры работы могут быть изменены на основании, но не ограничиваясь, ожидаемой идентичности образца, потребляемой мощности, материала, образующего проволоку, размера камеры ионизации.

В вариантах осуществления изобретения, рабочая температура проволоки связана со свойством материала, образующего проволоку, например, проволока работает в нагретой области материала оранжевого цвета от слегка оранжевого цвета нагретого материала до приблизительно его нагретого красного цвета. В вариантах осуществления изобретения, температура связана с нагретым материалом слегка оранжевого цвета и может быть выбрана для минимизации общего потребления мощности. Другие свойства, которые могут быть рассмотрены, включают, но не ограничены, температуру плавления материала, ожидаемый тип молекулы или частоту электрического тока. Дополнительные свойства, влияющие на выбор материала проволоки включают устойчивость к: окислению, загрязнению, эрозии материала и так далее. Например, выбирают платино-родиевый сплав из-за его высокой точки плавления и устойчивости к окислению.

Подходящие материалы проволоки содержат, например, платину, родий, иридий, нихром, вольфрам, тантал, железо-хромистые сплавы (такие как KANTHAL, Sandvik Heating Technology, Хальстхаммер Швеция), их комбинации (включая сплавы), и подобные материалы. Например, проволока из платины, согнутая в петлю, имеет диаметр 50 мкм пронизывающая коронный разряд при температуре накала оранжевого цвета (например, приблизительно 1000°C), когда приложено 0,7 ампер электрического тока. В вариантах осуществления изобретения, проволока, например проволока на основе платины, имеющая диаметр 25 мкм может генерировать коронный разряд при температуре накала слегка оранжевого цвета при 0,35 ампер.

Источник ионизации 112 может использовать сравнительно более высокое напряжение, когда относительная влажность камеры ионизации 102 находится в диапазоне от одного до трех процентов. Например, напряжение выше 1000 вольт может быть использовано, при относительной влажности камеры ионизации 102, находящейся в диапазоне от одного до трех процентов. Источник ионизации 112 может реализовывать низкое напряжение при относительной влажности камеры ионизации 102 находящейся в диапазоне частей на миллион, например, когда СПИ использует осушающий агент в рециркуляционной системе. В качестве примера, используется напряжение ниже 1000 вольт, когда влажность находится в диапазоне частей на миллион.

Несмотря на то, что проволока 114 является достаточно горячей для пронизывания коронного разряда во время работы, перегрев проволоки выше этой температуры может ухудшить проволоку и сократить срок ее работоспособности. В противоположность этому, если также низкая температура проволоки, коронный разряд может пульсировать вместо того, чтобы в основном сохраняться постоянным, хотя холодная проволока коронного разряда может быть стабилизирована электронными средствами. Может быть выполнена работа СПИ 100 для избегания этих проблем.

Во время использования, температура проволоки и электрический заряд не могут быть однородными по всей ее длины. Например, температура проволоки 114 может быть более горячая вблизи средней точки проволоки (например, посередине петли) по сравнению с температурой возле концов штырей. В этих примерах, проволока 114 образовывает коронный разряд вблизи середины петли проволоки.

Пригодность вышеуказанных диапазонов относится к разнообразным факторам, таким как потребление мощности электроэнергии СПИ, ожидаемого срока службы проволоки, температуры при которой коронный разряд пронизывается, ожидаемое количество образца, из какого материала выполнена проволока и так далее.

Хотя источник ионизации 112 может образовывать различные ионы с разной массой по отношению к зарядам, ион, включающий молекулу с одним положительным или отрицательным зарядом, может представлять интерес в распознавании молекулы. Например, детектор 108 включенный в дрейфовую камеру 104 может дифференцировать между ионами на основе мобильности иона, который связан с одной или более массой иона, геометрией и его зарядом.

Операционные и физические конфигурации СПИ могут влиять на работу источника ионизации 112. Например, физические и/или химические свойства источника ионизации (например, свойства петлеобразной проволоки), а также, напряжение, ток и частота, приложенные к току связаны с различными свойствами СПИ. Пример свойств включает, но не ограничивается, одним или более: размер камеры ионизации, источник ионизации тока, прогнозируемая скорость воздушного течения или скорость дрейфа газа. Другие свойства включают, ожидаемый объем образца, который будет ионизироваться, разность напряжений между источником ионизации и стенкой, образующей камеру ионизации, или температуру источника/коронного разряда ионизации во время ионизации.

Величина напряжения источника ионизации может быть отрегулирована в зависимости от дрейфового газа, давления, температуры проволоки и/или диаметра проволоки. Низкое напряжение может использоваться при использовании инертного газа в качестве дрейфового газа, в то время как более высокое напряжение используется для воздуха и воздухсодержащего водяного пара. Низкое напряжение может быт использовано с уменьшением давления окружающей среды. Например, более высокое напряжение используется на уровне моря по сравнению с работой СПИ на большей высоте.

СПИ 100 может периодически пульсировать электрический ток к источнику ионизации 112, основываясь на том, что образец вводят во входное отверстие, когда затвор позволяет ионам проходить в дрейфовую камеру, при наступлении результата и так далее. В вариантах осуществления изобретения, источник ионизации имеет положительный заряд (положительный режим), отрицательный заряд (отрицательный режим) или может переключаться между положительным и отрицательным режимом в соответствии с полярностью электрического поля СПИ. Источник ионизации и/или стенка 120 может переключаться между положительным и отрицательным режимами приблизительно двадцать (20) миллисекунд, десять (10) миллисекунд, или низких интервалов - хотя рассматривается разнообразие выбора действий за определенное время.

Затвор 106 выполнен для контроля прохождения ионов от камеры ионизации к дрейфовой камере 104. Например, затвор может быть затвором Брадбери Ниелсона, который включает сетку из проволоки, через которую СПИ прикладывает электрический заряд. Например, регулятор, под управлением компьютера, может переносить заряд к заслонке 106 для управления, когда и сколько ионов может входить в дрейфовую камеру 104. Заслонка 106 контролирует вхождение ионов посредством применения отражения заряда на заслонку 106. Заслонка 106 позволяет ионам проходить к дрейфовой камере 104 при падении отталкивающего заряда.

Открытие и/или закрытие заслонки 106 может быть синхронизировано во времени на основании того, когда коронный разряд пронизывает или некоторый период после этого. Например, заслонка 106 открывается, что позволяет ряду ионов входить в дрейфовую камеру 104 перед электрическим зарядом, прикладываемым к заслонке 106 для предотвращения вхождения ионов в дрейфовую камеру 104.

Серия электродов 124а-д, например фокусировочные кольца и/или защитная сетка 126 включены в дрейфовую камеру 104 для фокусирования и/или направления ионов к детектору 108, например заряженной плите. В вариантах осуществления изобретения, электроды 124а-д имеют форму кольца и расположены по всей длине дрейфовой камеры 104.

СПИ 100 может включать различные компоненты, чтобы помочь/способствовать распознаванию представляющей интерес молекулы. Например, СПИ 100 включает одну или более ячеек, выполненные для содержания калибрующего вещества и/или легирующей примеси. Легирующая примесь используется для образования иона с молекулой, которая более легко распознается, чем одиночная молекула.

В вариантах осуществления изобретения, СПИ 100 работает под управлением компьютера. Например, процессор входит с или в СПИ для управления деталями СПИ и функциями, описанными здесь, используя программное обеспечение, микропрограммное обеспечение, аппаратное обеспечение (например, фиксированную логическую схему), обработку в ручную или их комбинации. Термины «функциональность», «сервис» и «логическая схема» используемые здесь, как правило, представляют программное обеспечение, микропрограммное обеспечение, аппаратное обеспечение, или комбинацию программного обеспечения, микропрограммного обеспечения, или аппаратного обеспечения в сочетании с управлением СПИ 100. В случае реализации программного обеспечения, модуль, функциональность или логическая схема представляют программный код, который выполняет определенные задачи, осуществляемые на процессоре (например, центральном процессоре или центральных процессорах). Программный код может храниться в одном или более машиночитаемых запоминающих устройствах (например, оперативная память и/или одна или более материальные носители), и так далее. Описанные в этом документе устройства, функции, приемы и технологи могут быть реализованы на различных коммерческих вычислительных платформах имеющих различные процессоры.

Процессоры не ограничены материалами, из которых они выполнены или механизмами обработки, используемыми в них. Например, процессор может быть выполнен из полупроводника(ов) и/или транзисторов (например, электронных интегральных схем (ЭИС)).

Оперативная память может быть включена в процессор. Оперативная память 106 может хранить данные, такие как инструкции программы для работы СПИ, данные и так далее. Хотя может использоваться одно устройство памяти, могут быть использованы и самые разнообразные типы и комбинации оперативной памяти (например, значимая память), такие как оперативная память с произвольным доступом (ППД), память на жестком диске, съемный носитель памяти, внешнее запоминающее устройство и другие типы машиночитаемых запоминающих носителей.

В дополнительных вариантах осуществления изобретения, различные аналитические устройства могут использовать описанные здесь конструкции, технологии, приемы и так далее. Таким образом, несмотря на то, что устройство СПИ описывается в данном документе, различные аналитические инструменты могут использовать описанные технологии, подходы и конструкции и так далее. Эти устройства могут быть выполнены с ограниченной функциональностью (например, тонкие устройства) или с надежной функциональностью (например, толстые устройства). Таким образом, функциональность устройства может быть связана с программным обеспечением и ресурсами аппаратного обеспечения, например вычислительной мощностью, оперативной памятью (например, возможностью хранения данных), аналитическими способностями, и так далее. Например, источник коронного разряда может также быть использован в других типах спектрометрии включающих процесс ионизации, таких как масс-спектрометр (МС).

Кроме того, процессор, управляющий СПИ 100 может быть выполнен для связи с множеством разных сетей. Например, сети могут включать Интернет, сеть мобильного телефона, локальную сеть (ЛС), глобальную сеть (ГС), беспроводную сеть, телефонную сеть общего пользования и Интернет (внутреннюю сеть), и так далее.

Фиг.2 схематически показывает электрическую схему 200, которая используется в вариантах осуществления согласованная с этими раскрытиями изобретения. Хотя показана электрическая схема переменного тока 200, может быть реализована электрическая схема постоянного тока. Когда намечена схема постоянного тока, выпрямитель может быть включен в схему 200.

Как показано, петлеобразная проволока 114 электрически соединена с источником высокого напряжения (202). Резистор 204 включен между источником высокого напряжения 202 и проволокой 114. Резистор 204 ограничивает прохождение тока к проволоке 114 для защиты ее.

Высокочастотный генератор 206 включен для колебания частоты тока, протекающего по проволоке 114. Например, высокочастотный генератор 206 может изменять частоту прохождения тока через проволоку 114 между 10 килогерцами (10 КГц) и тремя мегагерцами (3 МГц), хотя также рассматриваются другие частоты. В вариантах осуществления изобретения, частота переменного тока выбирается на основании различных конструктивных соображений, таких как конструкция трансформатора. Количество тепла, прикладываемое к проволоке, зависит от тока, протекающего через нее относительно ее устойчивости и диаметра. Первичная обмотка разделительного трансформатора 208 приводится в действие высокочастотным генератором 206 подачей от источника питания 210, низкого напряжения, в то время как сильный ток вторичной обмотки разделительного трансформатора 208 также соединен с источником питания высокого напряжения.

Фиг.3 является общей иллюстрацией цепи, в которой вторичная обмотка разделительного трансформатора, такого как разделительный трансформатор 208, имеет подачи высокого напряжения как постоянного, так и переменного токов, соединенные с ним для обеспечения контроля за работой источника. В этом варианте осуществления изобретения, ток высокой частоты контролирует температуру проволоки источника коронного разряда, высокое напряжение постоянного тока может контролировать траектории ионов в области ионизации, а высокое напряжение переменного тока обеспечивает дополнительный контроль числа ионов производимых источником проволоки.

На фиг.4 приведен пример плазмаграммы, генерируемой из СПИ, используя петлеобразный источник ионизации в соответствии с изобретением. В то время как СПИ с петлеобразным источником ионизации может работать с подобным графиком синхронизации, в качестве источника ионизации стрелочного типа, число ионов, образованных и обнаруженных может быть больше, чем источников ионизации игольчатого типа.

Фиг.5 изображает примерную методику процесса 500 реализации с использованием петлеобразного источника ионизации для ионизации молекулы или представляющих интерес молекул.

Фиг.6 показывает методику процесса очистки 600, которая может устранить загрязнение на петлеобразном ионном источнике.

Примерная методика процессов

Следующее обсуждение описывает методику процессов, которые могут быть реализованы, используя ранее описанные детали СПИ 100, технологии, подходы и модули. Аспекты каждой методики процессов могут быть реализованы в аппаратном обеспечении, программном обеспечении или комбинации их. Методики процессов показаны в виде набора блоков, которые определяют операции, выполняемые одним или более устройствами (например, спектрометром или деталями) и не обязательно ограничиваются последовательностью показанной для выполнения операций с помощью соответствующих блоков. В частях следующего обсуждения будет сделана ссылка на СПИ 100 на Фиг.1 и электрическую схему 200 на Фиг.2.

Фиг.5 изображает примерную методику процесса 500 реализации с использованием петлеобразного источника ионизации, для ионизации молекулы или представляющих интерес молекул. Молекулы могут быть распознаны посредством обнаружения ионов, которые в результате ионизации молекулы включены в представляющий интерес образец; В вариантах осуществления изобретения, методика процесса 500 выполняется под управлением компьютера.

Молекулы из представляющего интерес образца вводятся в камеру ионизации, включающую петлеобразный источник ионизации (блок 502). Молекулы могут быть собраны, используя предварительный концентратор, который собирает достаточное количество молекул, что позволяет обнаружение. Во время предварительной концентрации, предварительный концентратор собирает молекулы в определенный период времени перед тем, как выпускать их в виде группы или шаровидной массы. Кроме того, может быть использован нагреватель для испарения или побуждения молекул к вхождению в газовую фазу для содействия ионизации.

Кроме того молекулы могут пройти сквозь мембрану, которая сконфигурирована с возможностью ограничения материалов, которые могут входить в камеру ионизации 102. Например, мембрана используется для минимизации влажности в камере ионизации 102, в то время как молекулы из представляющего интерес образца, имеют возможность проникать.

Выборочно, может быть введена легирующая присадка в сочетании с представляющей интерес молекулой. Например, вводится 2, 4-пентандион для содействия в распознавании токсических промышленных химикатов и соединений азота. Может использоваться разнообразие легирующих примесей, основываясь на ожидаемом составе представляющей интерес молекулы (например, взрывчатые вещества, наркотики и так далее).

Выборочно, нагревается петлеобразный источник ионизации (блок 504). Например, переменный ток проходит через проволоку для нагрева ее до заданной рабочей температуры. Например, проволока из платины может работать при приблизительно 1000°C (например, когда платина является оранжево-горячей). Температура и условия проволоки могут зависеть от различных факторов и/или условий, как отмечалось выше.

Генерирование коронного разряда (блок 506). Коронный разряд может образовываться, когда прикладывается достаточно высокий электрический потенциал и электрически смежный петлеобразный источник ионизации достигает достаточно высокого напряжения для образования плазмы ионов рядом с петлеобразным источником ионизации (блок 508). Разница напряжения приблизительно 4000 вольт может генерировать коронный разряд рядом с проволокой, когда проволока находится приблизительно при температуре окружающей среды. Генерация коронного разряда может быть связана с существующими зародышевыми ионами, которые могут быть сгенерированы посредством термоэлектронного эффекта или эффекта от фотоионизации.

Ионизация представляющих интерес молекул (блок 510) может происходить различными способами. Например, источник ионизации может ионизировать молекулу посредствам различных многостадийных процессов, используя ионы, которые формируются в плазме.

В вариантах осуществления изобретения, ионы-реагенты генерируются коронным разрядом (блок 512). Ионы-реагенты ионизируют представляющую интерес молекулу (блок 514). Например, источник ионизации образовывает ионы рядом с проволокой 114, которые впоследствии вытянуты на небольшое расстояние для ионизации представляющих интерес молекул. Ионы-реагенты могут быть ионизированными газами (например, азотом и газами в воздухе) и другими газообразными веществами в камере ионизации, такими как вода, и так далее. Хотя возможна фрагментация представляющей интерес молекулы, ионизацию можно контролировать, приведя к «мягкой» ионизации тем самым минимизируя фрагментацию молекулы в пользу молекулы несущей единичный заряд, например плюс один или минус один заряд.

Для контроля прохождения ионов в дрейфовую камеру (блок 516) ионы образующие представляющую интерес молекулу закрывают. Например, регулятор для заслонки 106 может временно сбросить заряд заслонки для разрешения вхождения ионов в дрейфовую камеру 106. В вариантах осуществления изобретения, для управления, когда и каким ионам разрешается входить в дрейфовую камеру может использоваться заслонка 106. В вариантах осуществления изобретения, электрическое поле, установленное электродами в дрейфовой камере, транспортирует ионы к детектору, в то время как, дрейфовый газ течет в основном в противоположном направлении.

Обнаруженные ионы (блок 518) в виде ионов, например, вступают в контакт с детектором 108. Например, СПИ 100 определяет, сколько времени требуется ему для взятия иона для того, чтобы достичь детектора 108 после открытия заслонки 106. Это время пролета может быть связано с основной молекулой.

Ион подвижность ионов используется для распознавания молекулы, связанных с ионом (блок 520). Например, компьютер можно использовать для сравнения выхода детектора с библиотекой известных плазмаграмм ионов.

Источник ионизации может загрязниться, после того как одна или множество трасс заполнены. Например, СПИ с холодным источником ионизации, например источник ионизации, который заметно не нагревается, может стать загрязненным остатками сгорания. Остаток, такой как органические отложения из представляющего интерес образца и других материалов в камере ионизации, может загрязнить поверхность источника ионизации. Источник ионизации при достаточном наращивании на его поверхность может однажды плохо работать.

Фиг.6 иллюстрирует операцию очистки 600, которая может устранить загрязнения на петлеобразном источнике ионов. Например, способ 600 используется для очистки источника ионизации, который работает в условиях окружающей среды, например, заметно не нагревается на протяжении процесса. Операция очистки 600 может быть использована для устранения органических отложений и других загрязнений с поверхности, например, с поверхности проволоки. СПИ может инициировать периодически эту операцию очистки 600 (в интервале времени) и/или при возникновении результата, например, когда обнаруживается плохая работа, используется больше электрического тока для повышения температуры источника ионизации и так далее.

Электрический ток проходит через петлеобразную проволоку (блок 602). В вариантах осуществления изобретения, источник ионизации пропускает больший электрический ток через проволоку, по сравнению со стандартной эксплуатацией, пока напряжение в основном аналогично тому, которое используется во время эксплуатации в обычных условиях. Ток может наращиваться для минимизации потенциального повреждения проволоки, вызванного термическим напряжением, и обеспечить равномерный нагрев вдоль проволоки и так далее.

Температуру проволоки повышают в диапазоне очистки (блок 604). Например, источник ионизации 112 может повышать температуру проволоки выше ее температуры при эксплуатации в обычных условиях между 500°C-1500°C. В вариантах осуществления изобретения, температуру проволоки повышают выше 1500°C во время пребывания точки плавления проволок ниже безопасного для избегания повреждения, например 1768°C для платины. Проволока с меньшим диаметром может дополнительно быть нагрета и охлаждена за короткий период времени, обычно меньше, чем за секунду, что в свою очередь позволяет проводить операцию очистки менее чем за несколько секунд.

Карбонизирование загрязнений из проволоки (блок 606). Температуру проволоки можно поддерживать при температуре очистки для заданного периода времени или до наступления результата. Например, очистку можно остановить, когда происходить падение количества тока, который используется для увеличения температуры проволоки. Это может указывать на загрязнения поверхности, которые были карбонизированы из проволоки.

После чего, проволока допустимо охлаждается до ее рабочей температуры или температуры окружающей среды. Впоследствии, СПИ могут активно или пассивно охлаждать источник до его рабочей температуры или температуры окружающей среды.

Несмотря на то, что изобретение было описано языком характерным для структурных признаков и/или методологических действий, должно быть понятно, что изобретение определено в прилагаемой формуле изобретения, не обязательно ограничено конкретными признаками или описанными действиями. Напротив, конкретные признаки и действия раскрыты как примерные формы реализации заявленного изобретения.

Использование: для ионизации молекул. Сущность изобретения заключается в том, что электрический источник ионизации включает петлеобразную проволоку между электрическими контактами. Проволока используется для образования коронного разряда как реакции на приложение напряжения между проволокой и стенками камеры ионизации. Коронный разряд может образовываться при прикладывании достаточного напряжения между проволокой и стенкой. Различие в электрическом потенциале между проволокой и стенкой, образующей камеру ионизации, в которой содержится проволока, может быть использовано для вытягивания ионов сразу из проволоки. В вариантах осуществления изобретения проволока может нагреваться для уменьшения напряжения, используемого для пронизывания коронным разрядом. Технический результат: обеспечение возможности ионизации молекул из представляющих интерес образцов с целью выявления молекул на основании ионов. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Спектрометр для типа спектрометрии, включающего процесс ионизации, содержащий:
а) стенку, способную проводить электричество, формирующую камеру ионизации; и
б) петлеобразный источник ионизации, расположенный в камере ионизации; при том, что источник ионизации выполнен с возможностью передачи электрического тока между электрическими соединениями и определения разности потенциалов между источником ионизации и стенкой для образования коронного разряда.

2. Спектрометр по п. 1, в котором спектрометр содержит спектрометр подвижности ионов, в основном, выполненный с возможностью работы под давлением окружающей среды.

3. Спектрометр по п. 2, в котором источник ионизации содержит петлеобразную проволоку, выполненную, в основном, с возможностью пронизывания коронного разряда рядом со средней точкой проволоки, петлеобразной формы.

4. Спектрометр по п. 2, в котором источник ионизации выполнен с возможностью пронизывания коронного разряда при приблизительно тысяче градусов Цельсия (1000°С).

5. Спектрометр по п. 2, в котором источник ионизации содержит проволоку, выполненную, по меньшей мере, из одного из материалов: платина; родий; иридий; вольфрам; тантал; платино-родиевый сплав; платино-родиево-иридиевый сплав; платино-иридиевый сплав; или железо-хромо-алюминиевый сплав.

6. Спектрометр по п. 2, в котором проволока выполнена с возможностью прохождения электричества от одного из электрических соединений к другим электрическим соединениям.

7. Спектрометр по п. 2, в котором источник ионизации выполнен с возможностью пронизывания коронного разряда при высокой температуре источника ионизации приблизительно оранжевого цвета.

8. Спектрометр по п. 1, в котором ток представляет собой переменный электрический ток или постоянный электрический ток.

9. Спектрометр по п. 1, в котором проволока выполнена в виде спирали.

10. Спектрометр по любому из пп. 1-9, являющийся масс-спектрометром или спектрометром подвижности ионов.

11. Спектрометр подвижности ионов, содержащий:
источник ионизации, состоящий из электропроводящей петлеобразной проволоки, которая проходит между двумя электрическими соединениями, электрически изолированными от стенки камеры ионизации, которая содержит источник ионизации, при том, что источник ионизации и стенка выполнены заряженными при разнице электрических потенциалов таким образом, что ионы, образованные рядом с проволокой, петлеобразной формы, могут притягиваться к стенке.

12. Спектрометр подвижности ионов по п. 11, в котором источник ионизации выполнен с возможностью прохождения переменного электрического тока через петлеобразную проволоку.

13. Спектрометр подвижности ионов по п. 11, в котором диаметр петлеобразной проволоки находится между двадцатью и восьмьюдесятью микронами (20-80 мкм).

14. Спектрометр подвижности ионов по п. 11, в котором петлеобразная проволока является скрученной или закругленной вдоль длины проволоки.

15. Спектрометр подвижности ионов по п. 11, в котором камера ионизации в основном находится под давлением окружающей среды.

16. Спектрометр подвижности ионов по п. 11, в котором петлеобразная проволока выполнена, по меньшей мере, из одного из материалов: платина; родий; иридий; вольфрам; тантал; платино-родиевый сплав; платино-родиево-иридиевый сплав; платино-иридиевый сплав; или железо-хромо-алюминиевый сплав.

17. Спектрометр подвижности ионов по п. 11, в котором источник ионизации выполнен с возможностью образования коронного разряда обычно около средней точки петлеобразной проволоки вдоль длины петлеобразной проволоки.

18. Спектрометр подвижности ионов, который содержит:
а) стенку, образованную электропроводящим материалом, которая устанавливает границу камеры ионизации; и
б) петлеобразную проволоку между электрическими контактами, которая электрически изолирована от стенки; проволока выполнена с возможностью образования коронного разряда вдоль длины проволоки для ионизации молекулы из представляющего интерес образца, при том, что стенка выполнена переносимой электрический заряд для вытягивания ионов из коронного разряда к молекуле.

19. Спектрометр подвижности ионов по п. 18, в котором проволока выполнена имеющей более высокую температуру вдоль средней точки проволоки, чем в концах проволоки рядом с электрическими контактами.

20. Спектрометр подвижности ионов по п. 18, в котором диаметр проволоки находится между двадцатью и восьмьюдесятью микронами (20-80 мкм) и длина проволоки находится между одним и ста миллиметрами (1-100 мм) длины.

21. Спектрометр подвижности ионов по п. 18, выполненный с возможностью наложения электрического тока приблизительно 0,7 ампер на проволоку для возникновения коронного разряда.

22. Спектрометр подвижности ионов по п. 18, в котором проволока выполнена для образования коронного разряда при приблизительно тысяче градусов Цельсия (1000°С).

23. Спектрометр подвижности ионов по п. 18, выполненный для прохождения, по меньшей мере, одного из: переменного тока или постоянного тока через проволоку для нагрева проволоки.

24. Спектрометр для типа спектрометрии, включающего процесс ионизации, содержащий:
а) камеру ионизации; и
б) источник ионизации, размещенный в камере ионизации, причем источник ионизации является петлей, и источник ионизации может проводить электрический ток, а между источником ионизации и стенкой может быть образована разность потенциалов для образования коронного разряда.