Синхронизированная модификация ионов Российский патент 2017 года по МПК H01J49/40 

Предпосылки создания изобретения

[0001] Спектрометры ионной подвижности (Ion mobility spectrometers, IMS) применяются для идентификации материала исследуемого образца при помощи ионизации материала (например, молекул, атомов и т.п.) и измерения времени, необходимого результирующим ионам для достижения детектора. Время пролета ионов связано с ионной подвижностью, которая зависит от массы и геометрии ионизированной молекулы. Выходной сигнал детектора может быть представлен визуально в виде плазмограммы: высота пика в зависимости от времени пролета.

[0002] При определении некоторых ионов, представленных на плазмограмме, могут возникать сложности. На способность IMS-спектрометра к обнаружению и определению ионов могут влиять загрязняющие примеси, рабочие условия, ионы со сходной геометрией и массой и т.п. Например, образец, имеющий загрязняющую примесь, может иметь пик с нарушенной формой или со сравнительной малой высотой.

Сущность изобретения

[0003] В настоящем документе представлены системы и методы синхронизированной модификации ионов. Модификатор ионов может применяться для модификации ионов, которые входят в дрейфовую камеру через затвор, управляющий входом ионов в дрейфовую камеру. Контроллер, который связан с модификаторов ионов, конфигурирован для управления модификатором ионов с целью выбора части ионов, которые будут модифицированы. В вариантах осуществления настоящего изобретения упомянутый контроллер выбирает эту часть на основе предшествующей реакции детектора на другие ионы, полученные на основе этого же образца. Упомянутые другие ионы соответствуют, например, ионам, которые связаны с пиком, полученным при предыдущем применении спектрометра.

[0004] Настоящий раздел с описанием сущности изобретения приведен, чтобы представить в упрощенной форме набор концепций, более подробно описанных ниже в разделе с подробным описанием изобретения. Данный раздел не имеет целью указание ключевых или критически важных элементов заявленного изобретения, а также не должен использоваться при определении объема заявленного изобретения.

Краткое описание чертежей

[0005] Подробное описание настоящего изобретение выполнено со ссылками на приложенные чертежи. Левые цифры в числовых обозначениях на чертежах указывают номер чертежа, на котором это числовое обозначение появляется впервые. Применение одинаковых числовых обозначений в различных местах описания и в различных чертежах может указывать на сходные или идентичные элементы.

[0006] Фиг. 1 представляет собой иллюстрацию спектрометра, конфигурированного для реализации модификатора ионов в соответствии с настоящим изобретением.

[0007] Фиг. 2A-D представляют собой блок-схемы, иллюстрирующие спектрометры в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 3А-С представляют собой иллюстрации плазмограмм, отражающих примеры работы модификатора ионов в соответствии с настоящим изобретением.

[0009] Фиг. 4 представляет собой блок-схему алгоритма, иллюстрирующую процедуру детектирования, с помощью которой реализуется разделение модифицируемых ионов.

Подробное описание изобретения

[0010] Фиг. 1 представляет собой иллюстрацию спектрометра, например спектрометра 100 ионной подвижности (IMS). В настоящем документе описаны IMS-спектрометры, однако, очевидно, что с использованием структур, методов и подходов в соответствии с настоящим изобретением могут также эффективно применяться множество других типов спектрометров. Все подобные изменения находятся в рамках настоящего изобретения.

[0011] IMS-спектрометр 100, в соответствии с иллюстрацией, имеет в своем составе ионизационную камеру 102, которая отделена от дрейфовой камеры 104 затвором 106. Затвор 106 может управлять прохождением ионов из ионизационной камеры 102 в дрейфовую камеру 104. Например, затвор 106 конфигурирован так, чтобы иметь заряд, прикладываемый или сбрасываемый для управления моментом времени, в который ионы входят в дрейфовую камеру 104, и типом пропускаемых ионов. Затвор 106 может включать любой подходящий затвор, включая, без ограничения перечисленным, затвор Бредбери-Нильсена или затвор Тиндалла-Пауэлла.

[0012] IMS-спектрометр 100, в соответствии с иллюстрацией, включает впуск 108 для введения материала исследуемого образца в ионизационную камеру 102. Для реализации впуска 108 может применяться множество различных методов введения образцов. Может применяться поток воздуха (например, воздушный поток), но также в IMS-спектрометре 100 для забора материала во впуск 108 может использоваться множество других различных жидкостей и/или газов. Методы забора материала через впуск включают применение вентиляторов, газов под давлением, вакуума, создаваемого дрейфом газа через дрейфовую камеру и т.п. IMS-спектрометр 100 может функционировать при давлении, практически равном давлению окружающего воздуха, но при этом для введения материала в ионизационную камеру используется поток воздуха или другой текучей среды.

[0013] В вариантах осуществления настоящего изобретения IMS-спектрометр включает другие компоненты, способствующие введению материала из образца. Например, в его состав может входить десорбер, например нагреватель, с целью обеспечения испарения по меньшей мере части образца и/или перехода его в газовую фазу, чтобы он мог быть забран во впуск 108. IMS-спектрометр может иметь в своем составе предварительный концентратор для концентрации или ввода комка материала в ионизационную камеру 102.

[0014] IMS-спектрометр 100 может иметь в своем составе множество компонентов, обеспечивающих возможность идентификации исследуемой молекулы. Например, IMS-спектрометр 100 включает одну или более ячеек, содержащих калибрующее вещество и/или легирующую добавку. Из этих ячеек легирующая добавка может подаваться в одно или более из следующего: впуск, ионизационная камера или дрейфовая камера. Легирующая добавка вступает во взаимодействие с молекулой и при ионизации образует ион, который обнаруживается более эффективно, чем ион, соответствующий чистой молекуле. IMS-спектрометр может быть конфигурирован для подачи легирующей добавки в различных точках устройства и в различные моменты времени при работе IMS-спектрометра. IMS-спектрометр может координировать подачу легирующей добавки с работой других компонентов из состава IMS-спектрометра.

[0015] В ионизационной камере 102, в соответствии с иллюстрацией, расположен источник 110 ионизации. Примеры источников ионизации включают, без ограничения перечисленным, радиоактивные и электрические источники ионизации, такие, например, как источник коронного разряда, источник фотоионизации, источник электрораспыления, источник лазерной ионизации с десорбцией из матрицы (matrix assisted laser desorption ionization, MALDI), источник на никеле-63 (Ni⁶³) и т.п.

[0016] В вариантах осуществления настоящего изобретения IMS-спектрометр 100 функционирует в положительном режиме, отрицательном режиме, переключается между положительным и отрицательным режимом и т.п. В положительном режиме, например, источник ионизации 110 на основе молекул, входящих в состав материала исследуемого образца, формирует положительные ионы. В отрицательном режиме источник 110 ионизации может формировать отрицательные ионы. В каком из режимов работает IMS-спектрометр 100: в положительном режиме, отрицательном режиме, или переключается между положительным и отрицательным режимом, может зависеть от требований реализации, от ожидаемого типа образца (например, взрывчатка, наркотики, токсические промышленные химикаты) и т.п. Электрический источник ионизации и/или стенки ионизационной камеры могут переключаться между положительным и отрицательными режимами приблизительно за двадцать миллисекунд, десять миллисекунд или за более короткие интервалы, хотя теоретически возможны множество других временных соотношений.

[0017] Рабочая конфигурация источника ионизации может быть различной в зависимости от эксплуатационных требований. Примеры конфигураций включают, без ограничения перечисленным, ток и/или напряжение (для электрических источников), скорость потока на впуске или скорость потока дрейфового газа. Другие конфигурации включают расчетный объем ионизируемого образца, разность напряжений между источником ионизации и одной или более стенками, образующими ионизационную камеру 102 или источник ионизации. Например, в IMS-спектрометре 100 источник 110 ионизации работает периодически, в импульсном режиме, в зависимости от введения образца, от отпирания затвора, от наступления некоторого события и т.п.

[0018] Источник 110 ионизации может формировать множество различных ионов с различными отношениями массы к заряду. Например, источник 110 ионизации формирует ион, состоящий из молекулы с положительным или отрицательным зарядом. Источник 110 ионизации может ионизировать молекулы исследуемого образца в несколько этапов. Например, источник 110 ионизации формирует коронный разряд, ионизирующий газы в ионизационной камере, которые впоследствии применяются для ионизации представляющей интерес молекулы. Примеры газов включают азот, водяной пар, газы из состава воздуха, а также другие газы в ионизационной камере.

[0019] В вариантах осуществления настоящего изобретения стенка (или стенки), образующая ионизационную камеру, является электропроводной, поэтому, если IMS-спектрометр имеет электрический источник ионизации, может присутствовать разность зарядов между источником ионизации и стенками. Во время работы спектрометра эта разность зарядов может обеспечивать выталкивание ионов из коронного заряда, из источника, что обеспечивает ионизацию материала исследуемого образца. Несмотря на то, что ионы выталкиваются из источника ионизации, их попадание в область дрейфа не допускается. Ионы, пролетающие в сторону затвора, когда он заперт, могут нейтрализоваться при контакте с затвором.

[0020] В вариантах осуществления настоящего изобретения впуском ионов в дрейфовую камеру 104 управляют с помощью затвора 106. Например, затвор 106 включает проволочную сетку, на которую подают (и/или с которой снимают) электрический заряд. В вариантах осуществления настоящего изобретения проволочная сетка, образующая затвор 106, включает фиксированную решетку 112 и движущую решетку 114. Управление пропусканием ионов в дрейфовую камеру с помощью затвора 106 выполняется путем сброса заряда на движущую решетку для «отпирания» затвора.

[0021] Например, затвор Бредбери-Нильсена может быть построен из двух (приблизительно копланарных) наборов переплетенных проводов. Когда затвор нужно запереть, потенциал одного из наборов проводов устанавливают равным значению, отличающемуся от другого набора, например разность составляет около 50 В. Соответственно, на ионы воздействует сильное электрическое поле, направленное под углом 90° к их нормальному направлению движения, они ударяются о провода и нейтрализуются. При отпирании затвора потенциал этих двух наборов проводов устанавливают на одинаковое значение, и на ионы действует только нормальное поле IMS-спектрометра, переносящее их в область дрейфа.

[0022] Для управления отпиранием и запиранием затвора может применяться контроллер, например компьютерный контроллер 116. В некоторых примерах контроллер управляет величиной напряжения, приложенного к затвору (например, к фиксированной решетке 112 и движущей решетке 114), способом приложения напряжения и т.п. Управление может осуществляться таким образом, что затвор работает с некоторой периодичностью, например, в зависимости от возникновения некоторого события и т.п. Контроллер может регулировать продолжительность нахождения затвора в отпертом или запертом состоянии в зависимости от наступления некоторого события (например, коронного разряда), периодически и т.п. Например, контроллер может переключать заряд, прикладываемый к затвору, в зависимости от режима источника ионизации.

[0023] В соответствии с иллюстрацией фиг. 1, дрейфовая камера включает детектор 118, расположенный по существу напротив затвора 106. В вариантах осуществления настоящего изобретения дрейфовая камера применяется для разделения ионов, впускаемых в дрейфовую камеру, на основе свойств подвижности индивидуальных ионов. Подвижность иона определяется его зарядом, массой, геометрией и т.п. Таким образом, в IMS-спектрометре 100 ионы могут разделяться в зависимости от их времен пролета. В вариантах осуществления настоящего изобретения в дрейфовой камере присутствует практически однородное электрическое поле на всем расстоянии от затвора 106 до детектора 118.

[0024] Детектор 118 может представлять собой заряженную пластину (например, пластину Фарадея), которая обнаруживает ионы при контакте с пластиной на основе их заряда. Компьютерный контроллер 116 способен идентифицировать молекулы на основе соответствующих им ионов. IMS-спектрометр позволяет различать ионы на основе их ионной подвижности.

[0025] В вариантах осуществления настоящего изобретения в состав дрейфовой камеры 104 входят расположенные последовательно электроды 120a-d (например, фокусировочные кольца) и/или защитная решетка 122. Фокусировочные кольца могут фокусировать и/или направлять ионы в сторону детектора 118. Защитная решетка 122 экранирует детекторный электрод от поступающих ионов - без наличия экранирующей решетки детектор регистрирует присутствие иона значительно ранее, до его фактического попадания на детекторный электрод. В вариантах осуществления настоящего изобретения электроды 120a-d имеют кольцевую форму и расположены по длине дрейфовой камеры 104. Во время работы устройства фокусировочные кольца могут формировать в дрейфовой камере электрическое поле, способствующее разделению ионов и/или обеспечивающее фокусировку ионов на детекторе. В дрейфовой камере, оснащенной фокусировочными кольцами, создается практически равномерное поле. Например, фокусировочные кольца притягивают и/или способствуют направлению ионов на детектор 118.

[0026] В вариантах осуществления настоящего изобретения в IMS-спектрометре обеспечивается поток дрейфового газа (протекает дрейфовый газ) в направлении, по существу противоположном пути пролета ионов к детектору. Например, дрейфовый газ протекает из области вблизи детектора 118 в сторону затвора 106. В соответствии с иллюстрацией для обеспечения потока дрейфового газа через дрейфовую камеру применяются впуск 122 дрейфового газа и выпуск 124 дрейфового газа. Примеры дрейфовых газов включают, без ограничения перечисленным, азот, гелий, воздух, рециркуляционный воздух (например, воздух проходящий очистку и/или осушение) и т.п.

[0027] В вариантах осуществления настоящего изобретения в дрейфовой камере имеется модификатор 126 ионов. Модификатор ионов может включать один или более электродов, расположенных в дрейфовой камере между затвором и детектором. Модификатор ионов может включать два или более электродов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга по длине дрейфовой камеры. Например, модификатор ионов может иметь в своем составе проволочную сетку.

[0028] Модификатор 126 ионов может модифицировать ионы, например, с помощью радиочастотного излучения, во время их пролета к детектору 118. Модификатор ионов 126 может избирательно модифицировать часть ионов, которые входят в дрейфовую камеру. Например, модификатор ионов может модифицировать ионы, имеющие практически одинаковую подвижность, т.е. соответствующие ионам, связанным с общим пиком или с перекрывающимися пиками, или со смежными пиками, полученными во время предшествующего использования IMS-спектрометра. Так, ионы, впускаемые в дрейфовую камеру, могут быть разделены (например, на основе их соответствующих ионных подвижностей) в промежутке между затвором 106 и модификатором 126 ионов так, что модификатор ионов может модифицировать только часть ионов (например, выбранные ионы), и не модифицировать остальные ионы.

[0029] Модификация ионов может включать, без ограничения перечисленным, фрагментацию ионов, изменение отношения массы к заряду ионов и т.п. В рассмотренных примерах модификатор ионов конфигурирован так, чтобы не допускать прохождение к детектору остальных ионов, не входящих в упомянутую часть модифицируемых ионов. Модификатор ионов может обеспечивать поле постоянного тока, хотя в других вариантах осуществления настоящего изобретения в ионном модификаторе применяют поле переменного тока и/или используют переключение полярности при наступлении определенного события. Модификатор ионов может, пропуская избранные ионы к детектору, выполнять нейтрализацию остальных ионов. В вариантах осуществления настоящего изобретения модификатор ионов временно не пропускает ионы к детектору, например, создавая импульсы заряда для нейтрализации других избранных ионов. Например, упомянутые другие выбранные ионы могут группироваться на основе их времени пролета и т.п. В вариантах осуществления настоящего изобретения контроллер и/или модификатор ионов могут быть конфигурированы для обеспечения нейтрализации части других ионов, но не выполнять нейтрализацию остальных ионов в этой группе упомянутых других ионов. Модификатор ионов может, например, выполнять нейтрализацию других ионов, имеющих пик, близкий к представляющему интерес пику, которые могут создавать помехи для исследуемых ионов, а также ионы, вызывающие перегрузку детектора и т.п., но не выполнять нейтрализацию остальных ионов.

[0030] Таким образом, модификатор ионов может пропускать ионы или может не позволять ионам проходить через него. Работа модификатора 126 ионов может быть синхронизирована с работой затвора 106. Например, модификатор ионов может выполнять модификацию в заранее заданное время после открытия затвора. Модификатор ионов, чтобы упростить идентификацию молекул образца, может модифицировать ионы, которые соответствуют ионам, имевшим пик во время предшествующего анализа.

[0031] В вариантах осуществления настоящего изобретения модификатор ионов варьирует энергию, прикладываемую к ионам. Модификатор 126 ионов может (плавно) увеличивать энергию, прикладываемую к ионам, переключать полярность во время работы и т.п. Например, модификатор ионов может работать в положительном режиме, и затем его полярность может переключаться в отрицательный режим.

[0032] Модификатор 126 ионов может быть расположен так, чтобы допускать разделение ионов, входящих в дрейфовую камеру, и/или разделение результирующих ионов после модификации выбранной части ионов. Например, модификатор ионов 126 может иметь такое расположение, чтобы полученные в результате модификации фрагменты разделялись в промежутке между модификатором ионов и детектором на основе их соответствующих ионных подвижностей.

[0033] Расположение модификатора ионов в дрейфовой камере может изменяться в зависимости от требований к конструкции, ожидаемого материала, ожидаемого типа материала, ионов и/или модифицированных ионов, фрагментов ионов, рабочих условий и т.п. Модификатор ионов, например, может быть расположен посередине или приблизительно в средней точке дрейфовой камеры, чтобы обеспечивать разделение ионов, поступающих через затвор, а также ионов, модифицированных в результате работы затвора. В некоторых случаях модификатор ионов может быть расположен вблизи затвора, однако должно иметься достаточное расстояние, позволяющее разделять модифицированные ионы в промежутке между модификатором ионов и детектором. В других случаях модификатор ионов смещают от центральной точки дрейфовой камеры к детектору, чтобы обеспечить разделение ионов на входе в дрейфовую камеру, но при этом также допускают достаточное разделение фрагментов, возникающих в результате модификации ионов.

[0034] Модификатор ионов может избирательно модифицировать часть ионов, при этом не модифицируя другие ионы и/или модифицируя их отличающимся образом, например, прикладывая (сравнительно) более высокий заряд к части ионов, тогда как к остальным ионам прикладывается более низкий или отличающийся заряд. В вариантах осуществления настоящего изобретения модификатор ионов не допускает попадание на детектор невыбранных ионов, которые могут являться помехой при обнаружении выбранных ионов, и осуществляет модификацию выбранных ионов. Так, ионы, которые связаны с пиком, имевшим место вблизи представляющего интерес пика, при предыдущем запуске, могут быть нейтрализованы, тогда как ионы, соответствующие исследуемому пику, фрагментируются, что упрощает идентификацию материала образца, например молекул образца.

[0035] Для управления работой модификатора 126 ионов в состав спектрометра может входить контроллер, например вычислительная система 116. В соответствии с иллюстрацией вычислительная система 116 связана с модификатором ионов с целью управления его работой. Вычислительная система 116 может выполнять и другие функции, такие как анализ выходного сигнала детектора (например, идентификацию исследуемого образца на основе ионов), управление работой затвора (отпирание и запирание), управление работой IMS-спектрометра и т.п., но также контроллер может быть предназначен исключительно для управления модификатором ионов.

[0036] Вычислительная система 116 может управлять работой модификатора ионов на основе результата предшествующего применения спектрометра. Например, контроллер определяет, когда и/или как должен работать модификатор ионов, на основе выходного сигнала детектора, полученного при предыдущем анализе материала исследуемого образца. Таким образом, на основе предшествующей реакции детектора контроллер выбирает, какая часть ионов будет модифицирована. Контроллер 128 может задействовать модификатор ионов, если имела место неоднозначная идентификация. Неоднозначная идентификация может включать, без ограничения перечисленным, частичную идентификацию, неидентификацию, необнаружение и т.п. Например, контроллер может включать модификатор ионов при последующем пуске в качестве вспомогательного средства для различения ионов из смежных пиков, полученных при предыдущем применении IMS-спектрометра. В вариантах осуществления настоящего изобретения контроллер 128 изменяет работу других компонентов IMS-спектрометра при работе модификатора ионов. Например, при последующем пуске спектрометра контроллер управляет отпиранием/запиранием затвора 106 способом, позволяющим координировать работу модификатора ионов.

[0037] В вариантах осуществления настоящего изобретения IMS-спектрометр может связывать время поступления по меньшей мере некоторых из ионов на детектор с временем срабатывания затвора и/или модификатора ионов. Таким образом ионы (например, фрагменты), полученные в результате модификации ионов, проходящие через модификатор ионов приблизительно в одно время, ассоциируются с вводом ионов в дрейфовую камеру. Нужно понимать, что множество различных данных, включая временные показатели, могут комбинироваться и анализироваться, чтобы быть использованными в качестве вспомогательного средства при обнаружении и/или идентификации материала образца. Например, данные, полученные при измерении, во время которого модификатор ионов не работал, сопоставляют с данными, полученными при измерении, во время которого модификатор ионов функционировал. Таким образом данные, связанные с работой модификатора ионов, могут использоваться для различения или подтверждения правильности идентификации ионов, имеющих сходные свойства подвижности.

[0038] В вариантах осуществления настоящего изобретения IMS-спектрометр, включая его компоненты, работает под управлением компьютера. Например, процессор, входящий в состав IMS-спектрометра, или используемый совместно с ним, обеспечивает управление компонентами IMS-спектрометра и функциями, описанными в настоящем документе, с использованием программного, микропрограммного, аппаратного обеспечения (например, схем на жесткой логике), ручной обработки данных или их комбинации. Термины «контроллер», «функциональность», «служба» и «логика» в настоящем документе в отношении управления IMS-спектрометром 100 в общем случае используются для обозначения программного, микропрограммного, аппаратного обеспечения или комбинации программного, микропрограммного и аппаратного обеспечения. В случае программной реализации термины «модуль», «функциональность» или «логика» обозначают программный код, которые выполняет заданные задачи при его исполнении в процессоре (например, одном или более ЦПУ). Программный код может храниться в машиночитаемых запоминающих устройствах (например, память и/или один или более материальных носителей) и т.п. Структуры, функции, подходы и методы, описанные в данном документе, могут быть реализованы на базе множества коммерчески доступных вычислительных платформ, имеющих в своем составе множество различных процессоров.

[0039] Процессоры не ограничены ни материалами, из которых они выполнены, ни применяемыми в них вычислительными механизмами. Например, процессор может состоять из полупроводников и/или транзисторов (например, электронная интегральная схема (integrated circuit, IС)).

[0040] В состав процессора может быть включена память. В памяти могут храниться данные, например программа или команды для управления IMS-спектрометром (включая его компоненты), данные и т.п. Может использоваться одно запоминающее устройства, однако могут также применяться множество различных типов и комбинаций элементов памяти (например, материальная память, постоянная память), таких как память с произвольным доступом (random access memory, RAM), память на жестком диске, память на съемном носителе, внешняя память и другие типы машиночитаемых носителей для хранения данных.

[0041] В дополнительных вариантах осуществления настоящего изобретения структуры, методы, подходы и т.п., описанные в настоящем документе, могут применяться во множестве различных аналитических устройств. В настоящем документе описано устройство IMS-спектрометра, однако, несмотря на это, описанные методы, подходы, структуры и т.п. могут применяться во множестве других аналитических инструментов. Такие устройства могут быть конфигурированы с ограниченной функциональностью (например, «тонкие устройства») или с полноценной функциональностью (например, «толстые» устройства). Таким образом, функциональность устройства может соотноситься с программными или аппаратными ресурсами устройства, например вычислительной мощностью, памятью (например, объемом накопителя данных), аналитическими способностями и т.п.

[0042] При этом процессор, управляющий IMS-спектрометром 100, может быть конфигурирован для связи с множеством различных сетей. Например, в число этих сетей могут входить Интернет, сотовая телефонная сеть, локальная вычислительная сеть (local area network, LAN), глобальная вычислительная сеть (wide area network, WAN), беспроводная сеть, телефонная сеть общего доступа, интранет и т.п.

[0043] Рассмотрев различные конфигурации и функционирование IMS-спектрометра, выполненного согласно настоящему изобретению, на примере фиг. 1, перейдем к рассмотрению дополнительных аспектов конфигурации и/или функционирования спектрометров, имеющих в своем составе модификаторы ионов. Нужно понимать, что такие компоненты, конфигурации, подходы, методы и рабочие параметры могут быть использованы вместе с аспектами, рассмотренными на примере фиг. 1 и фиг. 4.

[0044] На фиг. 2A-D проиллюстрирован пример реализации IMS-спектрометра 200, в котором модификатор 226 ионов используют для модификации ионов, пропускаемых в дрейфовую камеру 106.

[0045] Фиг. 2А представляет собой иллюстрацию IMS-спектрометра 200 в конфигурации, в которой источник ионизации ионизирует материал, например молекулы или атомы исследуемого образца в ионизационной камере. В соответствии с иллюстрацией, затвор 206 применяют для удержания ионов в ионизационной камере. Затвор может быть заперт при помощи подачи на затвор отталкивающего заряда, который не допускает входа ионов в дрейфовую камеру 206. Затвор может, например, отталкивать ионы с большим зарядом на большее расстояние от затвора, по сравнению с ионами, имеющими меньший заряд.

[0046] На фиг. 2В проиллюстрирован IMS-спектрометр 200 в конфигурации, в которой по меньшей мере часть ионов вошла в дрейфовую камеру 204. Ионы 228 могут притягиваться к детектору 218 под влиянием поля, формируемого фокусировочными кольцами, в ответ на снятие отталкивающего заряда с затвора 206. В дрейфовую камеру 204 смогут попасть отдельные ионы, в зависимости от их ионной подвижности. Например, ионы, находящиеся вблизи затвора перед сбросом отталкивающего заряда, войдут в дрейфовую камеру раньше, чем ионы, которые были оттолкнуты от затвора. Ионы 228 в дрейфовой камере могут разделяться при пролете к модификатору 226 ионов. Например, модификатор 226 ионов может быть расположен вблизи средней точки дрейфовой камеры, поэтому модификатор ионов может быть способен избирательно модифицировать часть ионов, вошедших в дрейфовую камеру 204.

[0047] На фиг. 2С проиллюстрирован IMS-спектрометр 200 в конфигурации, в которой модификатор ионов модифицирует часть ионов 230. В соответствии с иллюстрацией модификатор ионов может модифицировать выбранные ионы на основе времени, которое занимает пролет ионов до модификатора 226 ионов. Например, вычислительная система, управляющая работой затвора и модификатора ионов 226, может связывать время отпирания затвора и/или срабатывания модификатора ионов с реакцией детектора для идентификации материала исследуемого образца. Например, модификатор 226 ионов может модифицировать ионы, связанные с промежуточной скоростью в момент времени 5 мс (230), нейтрализуя или не модифицируя более быстро пролетающие ионы, например, в момент 2 мс (230b), или более медленно пролетающие ионы, например, в момент 7 мс (230а). В вариантах осуществления настоящего изобретения вычислительная система может определять интервал времени, необходимый для пролета иона от затвора до детектора. В вычислительной системе может быть определен интервал времени между отпиранием затвора и срабатыванием модификатора ионов, например система может задавать временной интервал между отпиранием затвора и срабатыванием модификатора.

[0048] Вычислительная система может связывать это время с временем, необходимым ионам, фрагментам и т.п. (полученным в результате модификации выбранной части ионов), чтобы достичь детектора. В вариантах осуществления настоящего изобретения данные, включающие, без ограничения перечисленным, значения времени пролета при различных измерениях, сопоставляют друг с другом для идентификации материала исследуемого образца. Нужно понимать, что IMS-спектрометр, в дополнение к работе модификатора ионов, может изменять другие рабочие конфигурации, например IMS-спектрометр может использовать легирующую добавку при следующем измерении, если при предыдущем измерении была неоднозначная идентификация.

[0049] В вариантах осуществления настоящего изобретения модификатор ионов может выполнять нейтрализацию не являющихся выбранными ионов. Например, контроллер может быть конфигурирован для обеспечения нейтрализации модификатором ионов по меньшей мере некоторых из других ионов. Модификатор ионов может обеспечивать притяжение ионов, не являющихся выбранными, к электродам модификатора ионов и/или фокусировочным кольцам, где эти ионы нейтрализуются. При первом пуске IMS-спектрометр может, например, сформировать пики в моменты времени две миллисекунды, пять миллисекунд и семь миллисекунд, тогда как при втором пуске модификатор ионов может быть конфигурирован для устранения ионов, связанных с пиками на двух и семи миллисекундах, чтобы на детектор попадали ионы или фрагменты, связанные только с ионами пятимиллисекундного пика.

[0050] На фиг. 2D проиллюстрирован IMS-спектрометр 200 в конфигурации, в которой модифицированные ионы и/или фрагменты ионов 238 разделяются при пролете к детектору 218. Ионы могут разделяться на основе их соответствующей ионной подвижности. Фиг. 3А-С представляют собой плазмограммы, иллюстрирующие работу модификаторов ионов в соответствии с настоящим изобретением. Эти плазмограммы включены в настоящий документ исключительно в целях иллюстрации.

[0051] На фиг. 3А показана плазмограмма 300, в которой модификатор ионов не функционирует. На плазмограмме представлен выходной сигнал детектора при первом измерении, когда модификатор ионов не применялся. Могут присутствовать несколько пиков вследствие обнаружения ионов с различной ионной подвижностью. Один или более пиков может быть идентифицирован неоднозначно, например не идентифицирован, по множеству разных причин, например из-за низкой концентрации в исследуемом образце и т.п.

[0052] На фиг. 3В приведена плазмограмма 302, имеющая один пик из исходного измерения, при этом в текущем измерении модификатор ионов был использован для модификации соответствующих ионов. Пик может выбираться вручную или автоматически вычислительной системой, выполняющей управление модификатором ионов и/или детектором. Например, вычислительная система может выбирать пик для дальнейшего подтверждения правильности идентификации ионов, связанных с пиком, или для различения между представляющими интерес ионами (например, лекарственное средство, токсические химикаты) и загрязняющей примесью, имеющей сходную подвижность ионов. Хотя для изоляции одного из пиков может осуществляться управление IMS-спектрометром и модификатором соответствующим образом, в вариантах осуществления настоящего изобретения плазмограмма на фиг. 3В может представлять собой результат компьютерной обработки плазмограммы на фиг. 3А.

[0053] На фиг. 3С представлена плазмограмма 304, иллюстрирующая работу модификатора ионов в соответствии с настоящим изобретением. Модификатор ионов может использоваться, например, для нейтрализации ионов, связанных с пиками фиг. 3А, не представляющими интерес, и для модификации ионов, связанных с пиком фиг. 3В, который представляет интерес. На плазмограмме фиг. 3С проиллюстрированы два пика: пик с зарядом на молекуле 306 и пик 308 фрагментов, полученных в результате модификации части ионов с помощью радиочастотного излучения.

[0054] Рассмотрев системы, компоненты, методы, модули и подходы, которые могут быть реализованы в соответствии с настоящим изобретением, далее рассмотрим процедуры, которые могут быть реализованы с помощью описанных выше систем, компонентов, методов, модулей и подходов.

Примеры процедур

[0055] Ниже описаны процедуры, которые могут быть реализованы с применением описанных ранее описанных компонентов, методов, подходов и модулей, относящихся к IMS-спектрометру 100. Аспекты каждой из процедур могут быть реализованы с помощью аппаратного обеспечения, программного обеспечения или их комбинации. Процедуры проиллюстрированы в виде наборов блоков, которые задают операции, выполняемые одним или более устройствами (например, спектрометром, компьютерной системой, которая управляет спектрометром, или компонентами спектрометра), при этом они не обязательно ограничены проиллюстрированным порядком выполнения операций соответствующих блоков. Дальнейшее описание будет осуществляться на примере IMS-спектрометра 100, показанного на фиг. 1. На фиг. 4 показана процедура 400 в одном из примеров реализации настоящего изобретения, в котором применяют модификацию ионов как вспомогательное средство при обнаружении и/или определении материала исследуемого образца. Например, для модификации выбранных ионов в целях повышения точности идентификации, по сравнению с полным отсутствием модификации каких-либо ионов, применяют модификатор ионов. В вариантах осуществления настоящего изобретения процедура 400 выполняется под компьютерным управлением.

[0057] Опционально выполняется исходное измерение, при котором реакция детектора в отношении идентификации материала исследуемого образца является неоднозначной. Например, пик при исходном измерении может быть скрытым, сложным для обнаружения или не обнаруженным по множеству различных причин. Исходное измерение может выполняться без модификации части ионов для минимизации общего энергопотребления и т.п.

[0058] В вариантах осуществления настоящего изобретения, в ответ на неоднозначную идентификацию выполняют второе измерение (блок 404). Например, если вычислительной системе, которая управляет работой IMS-спектрометра, не удается определить материал исследуемого образца, она может инициировать второе измерение, при котором будет модифицирована часть ионов. Например, в ответ на необнаружение, модификатор 126 ионов фрагментирует по меньшей мере часть ионов, соответствующих ионам, связанным с одним из пиков в (предыдущем) исходном пуске.

[0059] Ионы, сформированные на основе исследуемого образца, могут быть разделены на основе их соответствующих ионных подвижностей (блок 406). Например, по меньшей мере часть ионов из исследуемого образца входит в дрейфовую камеру 106, когда потенциал движущей решетки устанавливают практически равным потенциалу фиксированной решетки. В вариантах осуществления настоящего изобретения ионы разделяют на основе их ионной подвижности во время их пролета к детектору.

[0060] Модифицируют часть ионов (блок 408). Модификация может включать воздействие радиочастотным излучением на часть ионов для их фрагментации с целью обнаружения и/или идентификации ионизированных фрагментов. Модификация может включать нейтрализацию ионов, например предотвращение прохождения ионов и/или их фрагментов для детектирования при помощи их нейтрализации. Например, временно останавливается пропускание ионов, соответствующих этой части, к примеру, путем разрушения ионов перед приложением радиочастотного излучения для их модификации, и после этого ионы и/или результирующие фрагменты освобождаются для прохождения на детектор. Опционально, модификация может включать нейтрализацию не представляющих интерес ионов. Например, IMS-спектрометр, имеющий в своем составе модификатор ионов, который выполняет данный способ, может модифицировать ионы, имеющие время пролета через дрейфовую камеру, равное 5 мс, и не допускать детектирования ионов с временем пролета до детектора, равным 2 мс или 7 мс. Ионы могут нейтрализовываться, например, за счет контакта с электродом модификатором ионов и/или другим электродом.

[0061] Ионы, полученные в результате модификации ионов в данной части, разделяют на основе их соответствующих ионных подвижностей (410). Например, фрагменты, полученные в результате модификации ионов, могут иметь более короткое время пролета, чем ионы молекул. Эти фрагменты и ионы могут разделяться на основе их соответствующих ионных подвижностей при их пролете от модификатора ионов к детектору. Спектрометр, выполняющий эту процедуру, может задавать интервал времени от отпирания затвора до модификации и/или интервал времени, которое проходит между модификацией фрагментов и/или ионов и попаданием их на детектор.

[0062] Выполняется обнаружение (блок 412) детектором фрагментов и/или ионов, полученных в результате модификации. Например, детектор может формировать выходной сигнал, который используют для идентификации материала исследуемого образца. Вычислительная система, выполняющая данный способ, может определять материал, например молекулы исследуемого образца, по меньшей мере частично на основе фрагментов и/или ионов, полученных в результате модификации ионов в данной части.

[0063] Настоящая заявка, путем ссылки, полностью включает в себя заявку на патент Великобритании №11011132.7, озаглавленную «Комбинированный ионный затвор и модификатор ионов» ("Combined Ion Gate and Ion Modifier") и зарегистрированную 21 января 2011 года.

[0064] Настоящее изобретение было описано в терминах, относящихся к структурным элементам и/или операциям методов, но нужно понимать, что заявленное в приложенной формуле изобретение не обязательно ограничено описанными конкретными элементами или операциями. Рассмотрены различные конфигурации, но устройства, системы, подсистемы, компоненты и т.п. могут быть сконструированы множеством различных способов, без выхода за рамки настоящего изобретения. Рассмотренные конкретные элементы и операции являются только примерами возможных форм реализации заявленного изобретения.

Изобретение относится к области спектрометрии. Модификатор ионов может применяться для модификации части ионов, которые входят в дрейфовую камеру через затвор, управляющий входом ионов в дрейфовую камеру. Контроллер, который связан с модификатором ионов, конфигурирован для управления модификатором ионов для выбора части ионов, которые будут модифицированы, и выбирает эту часть ионов на основе предшествующей реакции на другие ионы, полученные от того же образца. Упомянутые другие ионы соответствуют, например, ионам, которые связаны с пиком, имевшим место при предшествующем измерении с помощью спектрометра. Технический результат - упрощение идентификации молекул образца. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Спектрометр, включающий:

модификатор ионов, расположенный в дрейфовой камере, которая имеет затвор, конфигурированный для управления впуском ионов в дрейфовую камеру, при этом модификатор ионов конфигурирован для модификации части ионов, входящих в дрейфовую камеру; и

контроллер, который связан с упомянутым модификатором ионов для управления работой модификатора ионов для выбора части ионов, сформированных из образца, и для предотвращения прохождения других ионов к детектору путем синхронизации работы упомянутого модификатора ионов с отпиранием затвора,

причем контроллер сконфигурирован для управления работой модификатора ионов для выбора части ионов на основе предшествующей реакции упомянутого детектора.

2. Спектрометр по п. 1, в котором упомянутый модификатор ионов также конфигурирован для нейтрализации по меньшей мере некоторых из упомянутых других ионов.

3. Спектрометр по п. 1, в котором упомянутый контроллер также конфигурирован для управления упомянутым модификатором ионов так, чтобы модифицировать по меньшей мере некоторые из упомянутых ионов в упомянутой части в ответ на неоднозначную идентификацию, во время предшествующего измерения с помощью спектрометра, других ионов, которые соответствуют упомянутым ионам в упомянутой части.

4. Спектрометр по п. 1, в котором упомянутый модификатор ионов конфигурирован для фрагментации по меньшей мере некоторых из упомянутых ионов в упомянутой части.

5. Спектрометр по п. 1, конфигурированный для работы по существу при атмосферном давлении.

6. Спектрометр по п. 1, конфигурированный для связывания времени поступления по меньшей мере некоторых из фрагментов, сформированных при помощи модификации упомянутых ионов в упомянутой части, с временем срабатывания упомянутых затвора и модификатора ионов.

7. Спектрометр по п. 1, конфигурированный для связывания времени поступления по меньшей мере некоторых из фрагментов, сформированных при помощи модификации упомянутых ионов в упомянутой части, с временем срабатывания упомянутого модификатора ионов.

8. Спектрометр по п. 1, в котором упомянутый модификатор ионов конфигурирован для модификации по меньшей мере некоторых из упомянутых ионов в упомянутой части с помощью радиочастотного излучения.

9. Спектрометр по п. 1, в котором упомянутые затвор и модификатор ионов установлены на расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить разделение ионов, впускаемых в дрейфовую камеру.

10. Спектрометр ионной подвижности, включающий:

затвор, конфигурированный для управления впуском ионов в дрейфовую камеру, при этом затвор расположен на конце дрейфовой камеры по существу напротив детектора;

модификатор ионов, расположенный между затвором и детектором, чтобы ионы соответственно разделялись между затвором и модификатором ионов на основе ионной подвижности, и

контроллер, соединенный с упомянутым модификатором ионов и конфигурированный для синхронизации работы модификатора ионов таким образом, что фрагменты, полученные в результате работы модификатора ионов, связаны с частью ионов на основе ионной подвижности, и для синхронизации работы упомянутого модификатора ионов таким образом, чтобы предотвращать прохождение ионов, не относящихся к упомянутой части, к детектору,

причем контроллер сконфигурирован для управления работой модификатора ионов для выбора части ионов на основе предшествующей реакции упомянутого детектора.

11. Спектрометр ионной подвижности по п. 10, в котором упомянутый модификатор ионов конфигурирован также для предотвращения прохождения к упомянутому детектору существенной части других ионов.

12. Спектрометр ионной подвижности по п. 10, в котором упомянутый модификатор ионов конфигурирован для нейтрализации по существу всех других ионов.

13. Спектрометр ионной подвижности по п. 10, в котором упомянутый модификатор ионов конфигурирован также для нейтрализации по меньшей мере некоторых из других ионов.

14. Спектрометр ионной подвижности по п. 10, в котором упомянутый контроллер также конфигурирован для управления упомянутым модификатором ионов так, чтобы он работал в ответ на определение того, что другие ионы, соответствующие упомянутой части, не были идентифицированы упомянутым детектором во время предшествующей работы.

15. Спектрометр ионной подвижности по п. 10, конфигурированный также для связывания времени обнаружения детектором по меньшей мере некоторых из упомянутых фрагментов с временем срабатывания упомянутых затвора и модификатора ионов.

16. Способ, включающий:

разделение ионов в дрейфовой камере на основе, соответственно, ионной подвижности упомянутых ионов;

фрагментацию части ионов, при этом ионы в этой части имеют по существу одинаковые ионные подвижности;

разделение фрагментов, которые ионизированы, соответственно на основе ионной подвижности упомянутых фрагментов и предотвращение прохождения к упомянутому детектору по меньшей мере некоторых из других ионов, не включенных в упомянутую часть, и

выбор части ионов на основе предшествующей реакции упомянутого детектора.

17. Способ по п. 16, который выполняют, если во время предшествующей работы устройства, выполняющего данный способ, не были идентифицированы другие ионы, соответствующие упомянутой части.

18. Способ по п. 16, также включающий нейтрализацию по меньшей мере некоторых из других ионов.

19. Машиночитаемый носитель, включающий команды, которые при их исполнении вычислительной системой обеспечивают выполнение этой вычислительной системой следующего:

управления модификатором ионов, расположенным в дрейфовой камере между затвором и детектором, так, чтобы модифицировать ионы, которые соответствуют другим ионам, которые были неоднозначно идентифицированы во время предшествующей работы детектора;

идентификации молекул, входящих в состав исследуемого образца, на основе подвижностей ионов, связанных с фрагментами, полученными в результате модификации ионов, образованных из упомянутых молекул при помощи упомянутого модификатора ионов,

синхронизации работы упомянутых затвора и модификатора ионов для выбора части ионов, которая будет модифицирована, и

выбора части ионов на основе предшествующей реакции упомянутого детектора.

20. Машиночитаемый носитель по п. 19, в котором упомянутые команды также обеспечивают выполнение идентификации, по меньшей мере частично, на основе времени между срабатыванием упомянутого модификатора ионов и обнаружением детектором упомянутых фрагментов.

21. Машиночитаемый носитель по п. 19, в котором упомянутая идентификация по меньшей мере частично основана на реакции детектора во время предшествующей работы детектора.

22. Машиночитаемый носитель по п. 19, в котором упомянутые команды также обеспечивают выполнение упомянутым модификатором ионов нейтрализации по меньшей мере некоторых из упомянутых других ионов.