Способ и устройство для химической ионизации образцов Российский патент 2019 года по МПК H01J49/14 

Изобретения относятся к способам и устройствам для ионизации образцов, например, образцов газообразных текучих сред, таких как газы, пары и аэрозоли.

Воздействие электромагнитных полей на ионы может быть использовано для характеристики их свойств. Например, в масс-спектрометрии электрическое поле может быть использовано для ускорения ионов, а отклонение ускоренных ионов магнитным полем может быть использовано для вычисления их отношения массы к заряду. В спектрометрии подвижности ионов ионы могут перемещаться в направлении детектора против потока дрейфового газа, и по скорости движения ионов можно сделать выводы об их подвижности через дрейфовый газ. Оба способа позволяют идентифицировать интересующее вещество путем анализа воздействия электромагнитных полей, таких как электрическое и/или магнитное поля, на ионы либо при атмосферном давлении окружающей среды, либо в условиях регулируемого давления, например, в вакууме.

Цель настоящего изобретения состоит в создании улучшенных способов и устройств для ионизации образца газообразной текучей среды для анализа с помощью детектора. Примеры газообразной текучей среды включают газы и пары.

Аспекты и воплощения настоящего изобретения изложены в прилагаемой формуле изобретения и будут здесь описаны только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:

на Фиг. 1А показан пример ионизирующего устройства;

на Фиг. 1В показан другой пример ионизирующего устройства;

на Фиг. 2 показан пример детектора, включающего ионизирующее устройство; и

на Фиг. 3 показана блок-схема, иллюстрирующая способ работы устройства, изображенного на Фиг. 2.

На чертежах одинаковые ссылочные номера использованы для обозначения одинаковых элементов.

Воплощения настоящего изобретения относятся к способам и устройствам, в которых образцы газообразных текучих сред ионизируют путем объединения их с ионами-реагентами.

Целью воплощений настоящего изобретения является обеспечение множества различных ионов-реагентов, обеспечиваемых в ионизирующем устройстве. Эти ионы-реагенты затем можно использовать для ионизации образца газообразной текучей среды для анализа с помощью детектора. Некоторые типы ионов-реагентов могут взаимодействовать с некоторыми типами образцов, образуя нежелательные интерферентные (мешающие) ионы, которые могут искажать результаты анализа образца с помощью детектора. В некоторых воплощениях ионы-реагенты могут быть модифицированы, чтобы подавить образование этих нежелательных интерферентных ионов. Таким образом, это может обеспечить более точную информацию об образце, чем в противном случае.

Один пример настоящего изобретения представляет собой ионизирующее устройство, которое включает ионизатор, выполненный с возможностью обеспечения ионов-реагентов, например, путем ионизации газообразной текучей среды, такой как воздух и/или допант. Это устройство также включает модификатор ионов, выполненный с возможностью модификации ионов-реагентов до того, как образец газообразной текучей среды объединяют с модифицированными ионами-реагентами для ионизации образца. Посредством выбора между осуществлением и неосуществлением модификации ионов-реагентов можно изменить тип ионов-реагентов, которые смешивают с образцом. Это позволяет подавить образование нежелательных интерферентных ионов или получить различные выбранные типы ионов-продуктов из образцов одной и той же газообразной текучей среды.

Различные способы могут быть использованы для ионизации образцов для анализа в таких детекторах. Ультрафиолетовый свет может быть использован для непосредственной ионизации образца. Но чаще образец ионизируют косвенно, сначала генерируя ионы из воздуха внутри детектора с помощью коронного разряда и источников ионизирующего излучения, такого как бета-частицы, а затем смешивая эти ионы с образцом, чтобы они вступали в ионно-молекулярные реакции с молекулами образца. В этом случае генерируемые исходные ионы называют ионами-реагентами, а ионы, полученные из молекул образца, называют ионами-продуктами. Также может оказаться полезным добавление в детектор пара, называемого допантом, так что он становится ионизированным исходными ионами воздуха, а затем эти новые ионы-реагенты ионизируют образец посредством ионно-молекулярных реакций. Таким образом можно управлять химическими реакциями при ионизации образца, чтобы предпочтительно ионизировать детектируемые соединения и не ионизировать некоторые потенциально мешающие соединения в образце. Это может позволить идентифицировать вещества, ионы которых трудно отличить друг от друга иным образом.

В одном воплощении ионы получают в производящей ионы-реагенты области, а электрическое поле обеспечивает возможность их прохождения через область модификации ионов, а затем в реакционную область, в которую вводят образец. Поток паров допанта можно вводить в производящую ионы-реагенты область, а поток, не содержащий паров допанта, может быть предназначен для перемещения паров допанта от области модификации таким образом, что концентрация паров допанта в области модификации снижена по отношению к концентрации допанта в производящей ионы-реагенты области. Область модификации расположена между потоком допанта в производящую ионы-реагенты область и потоком образца в реакционную область. В одном воплощении электрическое поле обеспечивает возможность перемещения ионов-реагентов и/или модифицированных ионов-реагентов в образец в реакционной области. Ионный затвор может быть предусмотрен для управления потоком ионов-продуктов из реакционной области.

Воплощения настоящего изобретения также обеспечивают детектирующее устройство для детектирования интересующего вещества. Детектирующее устройство может включать ионизирующее устройство, как описано выше, выполненное для ионизации образца, чтобы обеспечить ионы-продукты для детектора.

Детектор может включать спектрометр подвижности ионов и/или масс-спектрометр.

В одном воплощении устройство выполнено с возможностью получения ионов-реагентов и модификации ионов-реагентов перед объединением модифицированных ионов-реагентов с образцом с образованием ионов-продуктов для анализа с помощью детектора.

В одном воплощении устройством можно управлять таким образом, чтобы объединить образец с ионами-реагентами, чтобы получить первичные ионы-продукты, и анализировать образец, направляя эти первичные ионы-продукты в детектор. Кроме того, устройством можно управлять таким образом, чтобы получить ионы-реагенты и модифицировать ионы-реагенты перед объединением модифицированных ионов-реагентов с образцом для получения вторичных ионов-продуктов. Модифицированные ионы-реагенты могут отличаться от ионов-реагентов, например, они могут иметь различные составные части, например, различные массы, или различные химические свойства, например, различные энергетические свойства. Модификатор ионов можно приводить в действие выборочно, например, модификатор ионов можно приводить в действие, чтобы модифицировать ионы-реагенты на основании сигнала детектора, полученного в результате объединения первичных ионов-реагентов с образцом. В некоторых воплощениях может быть предусмотрен второй модификатор ионов, выполненный с возможностью модификации ионов-продуктов.

На Фиг. 1А показано ионизирующее устройство 1. Ионизирующее устройство 1 включает производящую ионы-реагенты область 6, модификатор 2 ионов и реакционную область 8.

Производящая ионы-реагенты область 6 может включать ионизатор 12 и первый вход 14 для введения паров допанта и может включать первый выход 16. В примере, показанном на Фиг. 1А, модификатор 2 ионов отделяет ионизатор 12 от реакционной области 8. Реакционная область 8 включает второй вход 18 для введения образца в реакционную область и может включать второй выход 20.

Как показано на Фиг. 1А, контроллер 4 соединен с ионизатором 12, модификатором 2 ионов и устройством 10 для создания электрического поля, выполненным с возможностью создания электрического поля для перемещения ионов из ионизатора 12 к модификатору 2 ионов.

Ионизатор 12 может быть выполнен с возможностью использования ионизирующей энергии для образования ионов-реагентов в производящей ионы-реагенты области 6; например, когда производящая ионы-реагенты область включает первый вход для введения допанта, ионизатор может производить ионы-реагенты путем ионизации допанта; когда допант не используют, ионизатор может производить ионы-реагенты путем ионизации воздуха. В некоторых воплощениях ионизатор 12 включает ионизатор 12 коронного разряда; ионизатор 12 также может включать радиоактивный источник ионизирующего излучения, такого как бета-частицы.

Модификатор 2 ионов может быть выполнен с возможностью фрагментации ионов, например, путем повышения их эффективной температуры, например, путем нагрева ионов и/или путем воздействия ни них переменного электрического поля, например, радиочастотного (РЧ) электрического поля. В некоторых примерах модификатор 2 ионов включает два электрода. Область между электродами модификатора 2 ионов может обеспечить область модификации ионов, расположенную таким образом, что при движении из производящей ионы-реагенты области 6 в реакционную область 8 ионы-реагенты проходят через область модификации ионов, где они могут быть подвергнуты воздействию переменного электрического поля. В одном из примеров эти два электрода могут быть расположены на расстоянии друг от друга в направлении движения ионов из производящей ионы-реагенты области 6 в реакционную область 8. Каждый из этих электродов может быть плоским и каждый может включать множество проводников, которые могут быть, например, расположены регулярным образом, например, в виде решетки, например, сетки. Модификатор 2 ионов может включать нагреватель.

Второй вход 18 может быть выполнен с возможностью прохождения образца газообразной текучей среды в реакционную область 8 для ионизации. Второй выход 20 может быть выполнен таким образом, что образец предпочтительно вытекает из реакционной области 8, а не втекает в область модификации ионов.

Первый вход 14 и выход 16 могут быть выполнены с возможностью обеспечения потока допанта, например, газообразной текучей среды, через производящую ионы-реагенты область 6. Вход и выход могут быть выполнены с возможностью направления потока допанта вокруг ионизатора 12, а также могут быть выполнены с возможностью направления потока допанта предпочтительно из выхода, а не к модификатору 2 ионов.

Устройство 10 для создания электрического поля может включать электроды, предназначенные для создания электрического поля для перемещения ионов-реагентов из производящей ионы-реагенты области 6 через область модификации ионов по направлению к реакционной области 8.

В ходе работы допант, например, газообразная текучая среда, может быть введен в производящую ионы-реагенты область 6 через первый вход 14. Контроллер 4 может также приводить в действие ионизатор 12, чтобы использовать ионизирующую энергию для обеспечения ионов-реагентов. Допант может выходить из производящей ионы-реагенты области 6 в потоке допанта, вытекающего из первого входа 14 в первый выход 16. Это может привести к снижению концентрации допанта в области модификации ионов по сравнению с его концентрацией в производящей ионы-реагенты области 6. Контроллер 4 может приводить в действие устройство 10 для создания электрического поля, чтобы перемещать ионы-реагенты в направлении, отличном от этого потока допанта, например, поперек или против потока, посредством создания электрического поля. В одном воплощении поток допанта выбирают так, чтобы уменьшить число ионов, образованных из модифицированных ионов-реагентов, объединенных с допантом, до меньшего количества, чем выбранный пороговый уровень. Один из способов достижения этого более подробно описан ниже.

Контроллер 4 может также приводить в действие модификатор 2 ионов, чтобы использовать энергию, например, переменное электрическое поле и/или тепловую энергию. Это может повысить эффективную температуру ионов-реагентов в области модификации ионов. Это может модифицировать ионы-реагенты путем их фрагментации и/или путем разделения аддуктов ионов-реагентов. Контроллер 4 может выбирать: приводить или не приводить в действие модификатор 2 ионов, для того чтобы обеспечить либо модифицированные, либо немодифицированные ионы-реагенты.

Модифицированные или немодифицированные ионы-реагенты затем могут быть перемещены из области модификации ионов в реакционную область 8, где их объединяют с образцом газообразной текучей среды для ионизации образца с образованием ионов-продуктов.

Как будет понятно в контексте настоящего описания, выбирая приводить или не приводить в действие модификатор 2 ионов, чтобы модифицировать ионы-реагенты, можно обеспечить получение различных типов ионов-продуктов из одного и того же типа образца газообразной текучей среды и одной и той же подачи допанта. Это может иметь определенные преимущества, когда ионы-продукты должны быть направлены в детектор в целях анализа образца газообразной текучей среды.

В одном воплощении изобретения ионизирующее устройство, например, такое, которое описано со ссылкой на Фиг. 1А, может производить ионы-реагенты, которые нелегко получить другими способами. Например, авторы настоящего изобретения в данном случае обнаружили, что ионы NO₂^- и NO₃^- трудно получить непосредственно из паров допанта, например, из азотной кислоты (HNO₃).

Например, если ионизируют пары азотной кислоты, то ион NO_x^- может образовываться посредством диссоциации в процессе ионизации, но он может затем образовывать аддукт с молекулой HNO₃. В одном воплощении этот ион-аддукт может быть фрагментирован, высвобождая только ион NO_x^-, который затем может быть перемещен в реакционную область 8. Следует отметить, что ионы NO_x^- могут быть получены другими способами, например, с помощью коронного разряда, но полученные ионы-реагенты, как правило, представляют собой смесь ионов NO₂^-, NO₃^-, СO₃^- и O₃^- в различных количествах, в зависимости от условий разряда (ток, напряжение, размеры) и времени, отведенного для накопления продуктов разряда в непосредственной близости от разряда. Эта смесь ионов-реагентов затрудняет анализ данных, например, из-за сложных спектров подвижности ионов, которые трудно интерпретировать на присутствие целевого соединения в образце. В контексте настоящего описания следует понимать, что ион NO_x используют здесь только в качестве примера, и, конечно, другие типы допанта также могут быть использованы.

На Фиг. 1В показано второе ионизирующее устройство. Устройство, изображенное на Фиг. 1В, аналогично устройству, описанному выше со ссылкой на Фиг. 1А. Однако устройство, изображенное на Фиг. 1В, дополнительно включает также источник 30 продувочного газа, выполненный с возможностью обеспечения потока продувочного газа вокруг модификатора 2 ионов. Этот источник 30 продувочного газа обеспечивает возможность перемещения нейтральных частиц, таких как допант и неионизированный образец, из модификатора 2 ионов, в то же время он позволяет электрическому полю перемещать ионы-реагенты через модификатор 2 ионов. Это позволяет перемещать предпочтительно ионы-реагенты, а не допант, в область модификации. Например, этот поток продувочного газа может быть локализован в области модификации ионов, и он обеспечивает возможность снижения тенденции допанта (и образца) входить в область модификации ионов, например, путем его вытеснения и/или переноса; например, источник 30 продувочного газа может включать вход и выход, выполненные с возможностью обеспечения потока продувочного газа через модификатор 2 ионов.

На Фиг. 2 показан один пример детектирующего устройства 100, включающего ионизирующее устройство 1, например, такое как ионизирующее устройство 1, описанное выше со ссылкой на Фиг. 1А или Фиг. 1В, контроллер 4 и детектор 24. Как было описано выше со ссылкой на Фиг. 1А, ионизирующее устройство 1, показанное на Фиг. 2, может включать производящую ионы-реагенты область 6, область модификации ионов и реакционную область 8. В примере, показанном на Фиг. 2, детектор 24 соединен с ионизирующим устройством 1 через реакционную область 8. Ионный затвор может быть расположен между реакционной областью 8 и детектором 24, а второй модификатор 22 ионов может быть расположен между ионным затвором и детектором 24. Устройство 10 для создания электрического поля, показанное на Фиг. 2, также может быть выполнено для перемещения ионов-продуктов из реакционной области 8 к детектору 24.

Контроллер 4, показанный на Фиг. 2, может быть соединен с ионизирующим устройством 1 таким же образом, как и контроллер 4, описанный выше со ссылкой на Фиг. 1А. Дополнительно, контроллер 4, показанный на Фиг. 2, может быть соединен с ионным затвором, вторым модификатором 22 ионов и детектором 24.

Как и в случае модификатора 2 ионов ионизирующего устройства 1, второй модификатор 22 ионов может включать два электрода, которые могут быть расположены на расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить область модификации ионов между ними. Эти два электрода могут быть расположены таким образом, что ионы-продукты проходят через область модификации ионов, достигая детектора 24. В примере эти два электрода могут быть расположены на расстоянии друг от друга в направлении движения ионов из реакционной области 8 к детектору 24. Каждый из этих электродов может быть плоским и каждый может включать в себя множество проводников, которые могут быть, например, расположены регулярным образом, например, в виде решетки, например, сетки. Второй модификатор 22 ионов может включать нагреватель.

Ионный затвор может включать множество проводников, расположенных на расстоянии друг от друга и предназначенных для обеспечения электрического поля, которое замедляет ионы, движущиеся из реакционной области 8 к детектору 24. Например, ионный затвор может включать встречно-штыревые проводники, которые могут быть, например, расположены в одной плоскости. В некоторых воплощениях проводники ионного затвора могут быть смещены относительно друг друга в направлении движения ионов из реакционной области к детектору, например, ионный затвор может включать затвор Тиндаля-Пауэлла (Tyndall-Powell gate). Ионный затвор выполнен с возможностью контролировать прохождение ионов-продуктов из реакционной области 8 к детектору 24. Проводники ионного затвора могут быть расположены таким образом, что, когда к проводникам приложены разные электрические потенциалы, ионы не могут проходить через затвор. Однако когда к проводникам приложен одинаковый электрический потенциал, ионы, которые не ударяются о проводники, могут проходить через затвор. Ионный затвор может быть выполнен с возможностью обеспечения затвора Брэдбери-Нильсена (Bradbury-Nielsen gate).

Второй модификатор 22 ионов выполнен с возможностью модификации ионов-продуктов, например, путем их фрагментации, например, путем повышения их эффективной температуры, например, путем их нагрева и/или воздействия на них переменного электрического поля.

Детектор 24 выполнен с возможностью приема ионов-продуктов и дополнительно может анализировать ионы-продукты для идентификации интересующего вещества, например, на основе взаимодействия ионов-продуктов с электромагнитными полями, например, электрическими полями и/или магнитными полями. Детектор 24 может быть выполнен с возможностью обеспечения сигнала контроллеру 4 на основании его анализа ионов-продуктов. В некоторых воплощениях детектор 24 включает ионный коллектор спектрометра подвижности ионов, в некоторых воплощениях детектор 24 включает масс-спектрометр. Также могут быть использованы и другие типы детекторов.

Контроллер 4 выполнен с возможностью управления ионизирующим устройством для получения ионов-продуктов из образца газообразной текучей среды, как описано выше со ссылкой на Фиг. 1А. Контроллер 4 дополнительно выполнен с возможностью определения необходимости осуществления модификации ионов-реагентов и, в случае, если он определяет, что ионы-реагенты необходимо модифицировать, управления модификатором ионов, чтобы модифицировать ионы-реагенты, прежде чем они будут объединены с образцом. Контроллер 4 может быть выполнен с возможностью определения необходимости осуществления модификации ионов-реагентов на основе сигнала, обеспечиваемого детектором 24 на основе анализа образца газообразной текучей среды.

В процессе работы детектирующее устройство 100, показанное на Фиг. 2, может работать в серии циклов. В первом цикле работы контроллер 4 может приводить в действие ионизирующее устройство, чтобы обеспечить первые ионы-продукты из первого образца газообразной текучей среды. Первые ионы-продукты могут быть получены без приведения в действие модификатора ионов для модификации ионов-реагентов. Контроллер 4 может также управлять ионным затвором, позволяя ионам-продуктам перемещаться в детектор 24 для анализа. Детектор 24 может анализировать первые ионы-продукты и обеспечивать первый сигнал, основанный на его анализе первых ионов-продуктов, контроллеру 4. Например, этот сигнал может включать данные для идентификации наличия интересующего вещества в газообразной текучей среде.

Во втором цикле работы контроллер 4 может также приводить в действие ионизирующее устройство, чтобы обеспечить вторые ионы-продукты из второго образца газообразной текучей среды. Вторые ионы-продукты могут быть получены путем модификации ионов-реагентов, прежде чем они будут объединены со вторым образцом газообразной текучей среды. Контроллер 4 может также управлять ионным затвором, позволяя вторым ионам-продуктам перемещаться в детектор 24 для анализа. Детектор 24 может анализировать вторые ионы-продукты и обеспечивать второй сигнал, основанный на его анализе вторых ионов-продуктов, контроллеру 4. Контроллер 4 затем может определить наличие интересующего вещества в газообразной текучей среде на основании первого сигнала и второго сигнала. В последующих циклах работы контроллер 4 может определить: нужно или не нужно приводить в действие второй модификатор 22 ионов для модификации ионов-продуктов, чтобы обеспечить дополнительные сигналы для идентификации наличия интересующего вещества.

В одном воплощении контроллер 4 приводит в действие первый модификатор ионов и второй модификатор 22 ионов, переключаясь между циклами, в которых ионы-реагенты модифицируют или не модифицируют, и циклами, в которых ионы-продукты модифицируют или не модифицируют. В некоторых воплощениях контроллер 4 может быть выполнен с возможностью определения необходимости приведения в действие модификаторов ионов, и, в случае такой необходимости, он приводит в действие один из них или оба на основании сигналов от детектора 24. Например, если контроллер 4 определяет, что сигнал указывает на наличие интересующего вещества, но не обеспечивает достаточной информации для однозначной идентификации вещества, то он может приводить в действие первый и/или второй модификатор 22 ионов.

Один способ по настоящему изобретению будет описан ниже со ссылкой на Фиг. 3.

Как показано на Фиг. 3, допант может быть обеспечен 110 и ионизирован 112, чтобы обеспечить ионы-реагенты. Затем допант может быть по меньшей мере частично отделен 114 от ионов-реагентов для уменьшения концентрации допанта в области модификации ионов относительно его концентрации в производящей ионы-реагенты области. Затем можно сделать выбор 116 в отношении того, следует ли модифицировать ионы-реагенты. Если да, то ионы-реагенты модифицируют 118, например, путем их фрагментации, например, путем повышения их эффективной температуры. Модифицированные ионы-реагенты (или немодифицированные ионы-реагенты, в зависимости от обстоятельств) можно затем объединить 120 с образцом газообразной текучей среды для ионизации образца, чтобы обеспечить ионы-продукты.

Затем можно обеспечить подачу 122 ионов-продуктов в детектор, и можно сделать выбор 124 в отношении того, следует ли модифицировать ионы-продукты или нет. Если да, то ионы-продукты модифицируют 126, например, путем их фрагментации, например, путем повышения их эффективной температуры. Модифицированные или немодифицированные ионы-продукты затем могут быть подвергнуты анализу 128, 130 с помощью детектора.

В некоторых воплощениях устройство выполнено с возможностью предпочтительного перемещения ионов-реагентов, а не допанта, в область модификации. Например, как было отмечено выше, поток допанта через производящую ионы-реагенты область может быть выбран таким образом, чтобы препятствовать прохождению допанта из производящей ионы-реагенты области к модификатору ионов. Например, для достижения этой цели может быть выбрана некоторая объемная скорость потока через по меньшей мере один первый вход 14 и первый выход 16. Одним из способов осуществления этого является выбор формы или площади поперечного сечения первого входа 14 или первого выхода 16, чтобы направить поток допанта. В некоторых примерах первый вход 14 и/или первый выход 16 выполнены так, чтобы направлять поток допанта вдоль пути, выбранного для препятствования прохождению допанта к модификатору ионов.

В одном воплощении поток допанта выбирают таким образом, чтобы число ионов, образующихся в результате реакции между парами допанта и модифицированными ионами-реагентами, подсчитанное детектором, было меньше, чем выбранный пороговый уровень. Этот пороговый уровень может быть выбран на основе разрешения и/или отношения сигнал-шум детектора. Этот порог также может быть выбран на основе обычных экспериментов, например, на основе экспериментально определяемого приемлемого уровня модифицированных ионов-реагентов, реагирующих с допантом (например, система может допускать некоторый уровень образования данного иона и при этом функционировать правильно). Например, ионы-аддукты могут включать ионы, образованные в результате реакций между допантом и ионами-реагентами, модифицированными с помощью модификатора ионов. Один из способов выбора потока допанта, чтобы контролировать количество допанта в области модификации ионов, может быть основан на тестировании наличия таких ионов-аддуктов и регулировании скорости потока, направления потоков, расположения, формы и/или размера по меньшей мере одного из первого входа 14, первого выхода 16, второго входа 18 и второго выхода 20. Эти параметры могут быть выбраны на основании тестирования, чтобы достичь достаточно низкого уровня образования ионов-аддуктов. Один из способов решения этой проблемы состоит в выполнении процедуры калибровки. Эта калибровка может включать работу устройства для получения первого спектра подвижности ионов (например, плазмаграмму) без введения либо допанта, либо образца. Этот спектр затем можно проверить на наличие каких-либо обнаруженных ионов, кроме тех, которые ожидают от системы без допанта (например, системы, которая является "чистой" и свободной от загрязняющих веществ).

Эта проверка может быть проведена следующим образом:

(1) Находят доминирующий пик в спектре и предполагают, что этот пик образован исключительно ионами, присутствие которых ожидают в чистой системе при отсутствии добавленного допанта (примеры таких ионов включают O₂^-⋅(Н₂O)_n в режиме отрицательных ионов и Н⁺⋅(Н₂O)_n в режиме положительных ионов).

(2) Определяют константу подвижности ионов, связанную с этим пиком, и вводят поправку на изменения температуры и давления, чтобы получить уменьшенную константу подвижности ионов, K₀.

(3) На основании значения K₀ определяют: образован ли доминирующий пик ионами, присутствие которых ожидают в системе при отсутствии какого-либо добавленного допанта или образца, или же каким-либо загрязняющим веществом.

(4) Форма пика также может быть проверена на наличие других типов ионов с аналогичными значениями K₀, как у ожидаемых ионов (например, загрязняющие вещества).

(5) Проверяют на наличие каких-либо других пиков в спектре с величиной пика больше выбранного уровня, например, выбранного процентного отношения к доминирующему пику. Этот порог может быть выбран на основе разрешения и/или отношения сигнал-шум детектора. Например, порог может быть выбран на основе минимально разрешаемой величины пика. Этот порог также может быть выбран на основе экспериментально определяемого приемлемого минимального уровня (например, допустимый уровень загрязняющих веществ).

Затем можно обеспечить подачу допанта в производящую ионы-реагенты область, и можно получить второй спектр подвижности ионов без введения какого-либо образца в реакционную область. Концентрация допанта может быть выбрана таким образом, чтобы "недопированный" пик, идентифицированный в первом спектре подвижности ионов, был меньше, чем выбранный минимальный уровень, например, не обнаруживался бы, во втором спектре подвижности ионов, а единственным наблюдаемым пиком являлся бы пик, который связан с ионами, полученными в результате ионизации добавленного допанта. Этот выбранный минимальный уровень может составлять часть от величины высоты пика, связанного с добавленным допантом, например, составлять 1/100 от величины этого пика. Рабочая концентрация дополнительного допанта может быть определена на основе концентрации добавленного допанта, необходимой, чтобы заглушить обнаружение "недопированных" ионов таким образом. Рабочая концентрация может включать избыток дополнительного допанта, сверх той концентрации, которая требуется, чтобы обеспечить "недопированный" пик ниже выбранного минимального уровня. Этот избыток может составлять превышение в несколько раз или даже на один или два порядка величины или больше.

После выбора этой концентрации калибровка может дополнительно включать выбор параметров потока допанта в производящей ионы-реагенты области. Эти параметры могут включать по меньшей мере один из следующих:

(a) скорость потока допанта в производящую ионы-реагенты область через первый вход 14;

(b) скорость потока допанта из производящей ионы-реагенты области через первый выход 16;

(c) траектория потока допанта, например, выравнивание, форма, положение и/или ориентация первого входа и/или первого выхода.

После выбора этих начальных параметров калибровка может дополнительно включать получение третьего спектра подвижности ионов с использованием выбранной концентрации допанта и этих параметров и с приведением в действие модификатора ионов (между производящей ионы-реагенты областью и реакционной областью) для модификации ионов-реагентов, но без введения какого-либо образца в реакционную область.

Если остаточные немодифицированные ионы-реагенты обнаруживают в этом третьем спектре подвижности ионов (например, при уровне выше, чем выбранный минимальный уровень, обсуждаемый выше), то это может означать, что допант присутствует в области модификации ионов в такой концентрации, что некоторые модифицированные ионы вступают в реакцию с допантом. Возможно, исходные немодифицированные ионы-реагенты снова образуются из модифицированных ионов или ионов другого вида. Это было замечено в некоторых экспериментах. Также возможны случаи, когда модифицированные ионы-реагенты могут образовывать ионы других видов, чем исходные допированные ионы-реагенты, при взаимодействии с парами допанта. Соответственно, этот третий спектр можно проверить на наличие других пиков, связанных с другими ионами, а не только на наличие пика допированных ионов-реагентов.

Если нежелательные ионы (связанные с допантом или другие) обнаруживают в спектре подвижности ионов, то один или более из параметров потока (перечислены выше) можно варьировать, и можно получать дополнительные спектры, пока уровень нежелательных ионов не достигнет приемлемого уровня (например, ниже выбранного минимального уровня, обсуждаемого выше).

Такой же способ калибровки можно использовать для выбора потока образца в реакционную область. Например, можно выбрать параметры, которые контролируют поток образца в реакционную область; эти параметры могут включать по меньшей мере один из следующих:

(a) скорость потока образца в реакционную область через второй вход 18;

(b) скорость потока из реакционной области через второй выход 20;

(c) траектория потока образца, например, выравнивание, форма, положение и/или ориентация второго входа и/или второго выхода.

Следует принять во внимание в контексте настоящего описания, что этот способ калибровки может быть использован, когда детектор устройства включает спектрометр подвижности ионов, а также когда детектор включает масс-спектрометр, например, комбинированный детектор, включающий спектрометр подвижности ионов и масс-спектрометр, СПИ-МС.

В одном воплощении, для контроля за возможностью того, что модификация ионов может быть неполной, ионизирующее устройство по настоящему изобретению может быть выполнено с возможностью введения ионов только в область модификации, например, в продувочном газе (например, без ионов, образованных из допанта, в производящей ионы-реагенты области, но в присутствии потока допанта в производящую ионы-реагенты область). Если обнаруживают нежелательные ионы, то можно предположить, что они образуются из-за наличия допанта в области модификации ионов. Преимущество этого подхода состоит в том, что не было бы никакой путаницы, связанной с тем, что эффективность модификации составляет менее 100%: модификатор не был бы задействован. Эта схема может иметь свои собственные проблемы, и включена здесь только для иллюстрации того, что могут быть рассмотрены и другие схемы тестирования.

Способ калибровки может быть повторен при изменяющихся условиях окружающей среды (в частности, температуры и давления), а также может быть повторен для каждого типа используемого допанта, так как концентрации допантов могут изменяться в зависимости от условий окружающей среды.

Другие примеры и варианты настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области в контексте настоящего описания; например, контроллер 4 в воплощениях, описанных со ссылкой на Фиг. 1А, и в воплощениях, описанных со ссылкой на Фиг. 2, также может быть выполнен с возможностью управления временем работы ионизатора 12 и модификатора ионов и/или ионного затвора таким образом, что их работа синхронизирована, например, таким образом, что они работают вместе, например, таким образом, что время их работы перекрывается, или работа начинается и/или заканчивается в одно и то же время. Например, контроллер 4 может быть выполнен с возможностью приведения в действие ионизатора 12 для создания импульса ионизирующей энергии и приведения в действие модификатора ионов для модификации ионов, исходя из времени этого импульса. Например, контроллер 4 может быть выполнен с возможностью управления модификатором ионов, чтобы применять переменное электрическое поле и/или тепловую энергию в течение или в начале и/или в конце того же самого времени, когда импульс подают на ионизатор 12, или с некоторой задержкой во времени относительно работы ионизатора. Аналогичным образом, контроллер 4 может быть выполнен с возможностью выбора времени, при котором открывают ионный затвор, на основании времени работы ионизатора 12 и/или модификатора ионов.

Ссылаясь на чертежи в целом, следует принять во внимание, что схематические функциональные блок-диаграммы используют для обозначения функционального назначения систем и устройств, описанных в данном документе. Однако следует понимать, что функциональные назначения не должны быть разделены таким образом, и их не следует подразумевать как какую-либо конкретную структуру аппаратных средств, за исключением того, что описано и заявлено ниже. Функция одного или более чем одного элемента, показанного на чертежах, может быть дополнительно разделена и/или распределена по всему устройству по настоящему изобретению. В некоторых воплощениях функция одного или более чем одного элемента, показанного на чертежах, может быть интегрирована в единый функциональный блок.

Описанные выше воплощения следует понимать в качестве иллюстративных примеров. Дополнительные воплощения предусмотрены. Следует понимать, что любой признак, описанный в связи с любым из воплощений, может быть использован отдельно или в комбинации с другими описанными признаками, а также может быть использован в комбинации с одним или более чем одним признаком любого другого воплощения или любой комбинации любых других воплощений. Кроме того, эквиваленты и модификации, не описанные выше, также могут быть использованы без отступления от объема настоящего изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.

В некоторых примерах один или более чем один элемент памяти может хранить данные и/или программные инструкции, используемые для выполнения операций, описанных в данном документе. Воплощения настоящего изобретения обеспечивают материальные, постоянные носители для хранения данных, включая программные инструкции, выполненные с возможностью программирования процессора для выполнения какого-либо одного или более чем одного способа, описанного и/или заявленного в данном документе, и/или обеспечивают устройства обработки данных, как это описано и/или заявлено в данном документе.

Операции и устройства, такие как контроллер, упомянутые в данном документе, могут быть реализованы с фиксированной логической схемой, такой как группы логических ячеек, или с программируемой логической схемой, такой как программное обеспечение и/или компьютерные программные команды, выполняемые процессором. Другие виды программируемой логическую схемы включают программируемые процессоры, программируемую цифровую логическую схему (например, логическую матрицу, программируемую пользователем (FPGA), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROM), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM)), специализированную интегральную схему (ASIC), или любые другие виды цифровых логических схем, программное обеспечение, коды, электронные инструкции, флэш-память, оптические диски, CD-ROM, DVD-ROM, магнитные или оптические карты, другие типы машиночитаемых носителей, подходящих для хранения электронных инструкций, или их любую подходящую комбинацию.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии. Ионизирующее устройство для ионизации образца газообразной текучей среды включает ионизатор, выполненный с возможностью обеспечения ионов-реагентов; модификатор ионов, выполненный с возможностью модификации ионов-реагентов; и реакционную область, выполненную с возможностью приема модифицированных ионов-реагентов и образца и объединения образца с модифицированными ионами-реагентами, чтобы ионизировать образец для анализа с помощью детектора, выполненного с возможностью идентификации интересующего вещества в образце. Технический результат - обеспечение возможности подавлять образование нежелательных ионов и получить выбранные типы ионов - продуктов из образцов газообразной текучей среды. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ионизирующее устройство для ионизации образца газообразной текучей среды, включающее:

ионизатор, выполненный с возможностью обеспечения ионов-реагентов;

модификатор ионов, выполненный с возможностью модификации ионов-реагентов, и

реакционную область, выполненную с возможностью приема модифицированных ионов-реагентов и образца и объединения образца с модифицированными ионами-реагентами, чтобы ионизировать образец для анализа с помощью детектора, выполненного с возможностью идентификации интересующего вещества в образце,

причем модификация ионов-реагентов включает их фрагментацию путем повышения их эффективной температуры.

2. Устройство по п. 1, включающее источник потока допанта, выполненный с возможностью обеспечения потока допанта после ионизатора, и устройство для создания электрического поля, выполненное с возможностью перемещения ионов-реагентов из этого потока по направлению к модификатору ионов.

3. Детектирующее устройство для детектирования интересующего вещества, включающее:

ионизирующее устройство по п. 1, выполненное с возможностью ионизации образца для обеспечения ионов-продуктов;

детектор, выполненный с возможностью детектирования интересующего вещества на основе анализа ионов-продуктов, произведенных ионизирующим устройством; и

устройство для создания электрического поля, выполненное с возможностью перемещения ионов-продуктов по направлению к детектору.

4. Устройство по пп. 1, 2 или 3, в котором модификатор ионов расположен между ионизатором и реакционной областью.

5. Устройство по п. 1, в котором модификатор ионов выполнен с возможностью осуществления воздействия переменного электрического поля на ионы-реагенты.

6. Устройство по п. 1, включающее контроллер, выполненный с возможностью приведения в действие ионизатора для получения ионов-реагентов и с возможностью приведения в действие модификатора ионов, так что время работы модификатора ионов выбирают на основании времени работы ионизатора.

7. Устройство по п. 6, включающее ионный затвор, выполненный с возможностью управления прохождением ионов-продуктов из реакционной области, причем контроллер выполнен с возможностью управления временем работы ионного затвора на основании времени работы по меньшей мере одного из следующего: ионизатора и модификатора ионов.

8. Устройство по п. 2, в котором источник потока допанта выполнен с возможностью обеспечения потока допанта в первом направлении, а устройство для создания электрического поля выполнено с возможностью перемещения ионов-реагентов во втором направлении, отличающемся от первого направления, и по направлению к области модификации.

9. Устройство по п. 1, включающее источник продувочного газа, выполненный с возможностью обеспечения потока продувочного газа через модификатор ионов, для того чтобы обеспечить более значительный поток продувочного газа в модификатор ионов, чем в реакционную область.

10. Устройство по п. 3, в котором контроллер выполнен с возможностью приведения в действие модификатора ионов на основании сигнала от детектора.

11. Устройство по п. 3, в котором детектор включает один из следующего: спектрометр подвижности ионов и масс-спектрометр.

12. Способ ионизации газообразной текучей среды, включающий:

ионизацию допанта, чтобы обеспечить ионы-реагенты;

модификацию ионов-реагентов и

объединение модифицированных ионов-реагентов с образцом, чтобы ионизировать газообразную текучую среду,

причем модификация ионов-реагентов включает их фрагментацию путем повышения их эффективной температуры.

13. Способ анализа образца, включающий:

ионизацию образца с помощью способа по п. 12, чтобы обеспечить ионы-продукты,

приложение электрического поля для перемещения ионов-продуктов по направлению к детектору и

анализ ионов-продуктов на основании перемещения ионов-продуктов по направлению к детектору для детектирования интересующего вещества.

14. Способ по п. 12 или 13, включающий перемещение предпочтительно ионов-реагентов, а не допанта, в область модификации.

15. Способ по пп. 12, 13 или 14, в котором повышение эффективной температуры ионов-реагентов включает по меньшей мере одно из следующего: воздействие переменного электрического поля на ионы-реагенты и нагрев ионов-реагентов.

16. Способ по п. 15, в котором допант ионизируют импульсами ионизирующей энергии, а воздействие переменного электрического поля осуществляют с задержкой во времени относительно импульсов ионизирующей энергии.

17. Способ по п. 14, в котором увеличение концентрации ионов-реагентов относительно допанта включает перемещение допанта в первом направлении и перемещение ионов-реагентов во втором направлении к модификатору ионов, при этом второе направление отличается от первого направления.

18. Способ по п. 16, в котором допант ионизируют в производящей ионы-реагенты области, а перемещение допанта в первом направлении включает обеспечение потока допанта из производящей ионы-реагенты области.

19. Способ по п. 17, в котором перемещение ионов-реагентов во втором направлении включает воздействие на ионы-реагенты электрического поля, обеспечивающего возможность перемещения ионов-реагентов по направлению к области модификации.

20. Способ по любому из пп. 12, 13, включающий обеспечение потока продувочного газа через модификатор ионов, при этом поток продувочного газа более значителен в области модификации ионов, чем в реакционной области.

21. Способ калибровки, включающий:

обеспечение потока допанта через производящую ионы-реагенты область ионизирующего устройства для ионизации образца газообразной текучей среды;

ионизацию допанта для обеспечения ионов-реагентов;

приведение в действие модификатора ионов для модификации ионов-реагентов, при этом модификатор ионов расположен между производящей ионы-реагенты областью и реакционной областью ионизирующего устройства, причем модификация ионов-реагентов включает их фрагментацию путем повышения их эффективной температуры;

установление получения нежелательных ионов из модификатора ионов;

и в случае, если нежелательные ионы получены, регулирование потока допанта для уменьшения получения нежелательных ионов.

22. Способ по п. 21, в котором регулирование потока допанта включает регулирование по меньшей мере одного из следующего:

(a) скорости потока допанта в производящую ионы-реагенты область;

(b) скорости потока допанта из производящей ионы-реагенты области; и

(c) траектории потока допанта, например, выравнивания, формы, положения и/или ориентации первого входа и/или первого выхода.

23. Устройство по любому из пп. 1-3, калиброванное согласно способу по п. 21 или 22.