Спектрометр ионной подвижности с модификацией ионов Российский патент 2019 года по МПК G01N27/62 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам, а именно, к спектрометрам и способам спектрометрии.

Предпосылки создания изобретения

Спектрометр ионной подвижности (Ion mobility spectrometers, IMS) позволяет идентифицировать вещество в исследуемой пробе при помощи ионизации этого вещества (например, молекул или атомов) и измерения времени, необходимого для пролета полученных ионов на известное расстояние через дрейфовый газ в электрическом поле с известными параметрами. Время пролета каждого из ионов может быть измерено при помощи датчика, при этом время пролета связано с подвижностью иона. Подвижность иона связана с его массой и геометрией. Соответственно, измерение времени пролета иона в датчике дает возможность идентифицировать ион. Времена пролета могут быть представлены, графически или численно, с помощью плазмограммы. В других типах спектрометров, таких как масс-спектрометры, ионы анализируют в соответствии с отношением их массы к заряду.

Для повышения способности спектрометров идентифицировать ионы в исследуемой пробе было предложено модифицировать часть ионов при помощи радиочастотного электрического поля (например, с их фрагментацией) в целях получения дополнительной информации, которая может использоваться при идентификации ионов. Это позволяет более эффективно отличать ионы друг от друга. Когда измерения выполняют в присутствии загрязняющих примесей или в сложных рабочих условиях, или когда проба содержит ионы со сходной геометрией или массами, а также и в других похожих ситуациях, модификация ионов может быть способом, повышающим способность спектрометра ионной подвижности регистрировать и идентифицировать ионы. Ионы, формируемые в процессе модификации ионов, могут быть названы «дочерними ионами», а ионы, из которых получают дочерние ионы, могут быть названы «родительскими ионами».

Существует потребность в увеличении доли родительских ионов, которые модифицируются при получении дочерних ионов, а также в повышении энергоэффективности процесса модификации ионов.

Краткое описание чертежей

Далее, исключительно в качестве примера, будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения, с помощью примеров и со ссылками на приложенные чертежи, где:

фиг. 1 представляет собой иллюстрацию спектрометра в частичном разрезе;

фиг. 2 представляет собой эскизную блок-схему спектрометра;

фиг. 3A представляет собой вторую эскизную блок-схему спектрометра; и

фиг. 3B представляет собой еще одну эскизную блок-схему спектрометра.

На чертежах аналогичными числовыми обозначениями обозначены аналогичные элементы.

Подробное описание изобретения

Аспекты настоящего изобретения относятся к воздействию энергией, например, переменным электрическим полем и/или тепловой энергией с целью модификации ионов, полученных из исследуемой пробы. Эта энергия, в общем случае, повышает эффективную температуру ионов и может приводить к повышению частоты и энергии их столкновений друг с другом или с молекулами газа, в котором они переносятся. Было найдено, что доля родительских ионов, преобразуемых в дочерние ионы, может быть повышена, если модификацию ионов выполнять при пониженном давлении (например, при давлении ниже атмосферного). В одном из аспектов настоящего изобретения предложен спектрометр ионной подвижности, включающий впуск пробы, который выполнен с возможностью пропускания пробы газа из области атмосферного давления в область низкого давления в спектрометре ионной подвижности, а также контроллер, выполненный с возможностью управления давлением газа в области низкого давления таким образом, чтобы оно было ниже атмосферного давления. Давление в области низкого давления может быть по меньшей мере на 200 мбар ниже атмосферного давления, например, быть ниже атмосферного давления на величину между 150 мбар и 800 мбар. Модификатор ионов выполнен с возможностью модификации ионов в области низкого давления. Впуск пробы может включать отверстие, например, впускное микроотверстие, выполненное с возможностью обеспечения потока пробы газа через впуск. В некоторых других вариантах осуществления настоящего изобретения впуск пробы может включать мембрану, выполненную с возможностью обеспечения диффузии пробы газа через впуск. Упомянутая область низкого давления может включать дрейфовую зону спектрометра ионной подвижности или может быть размещена во впускной ступени спектрометра. Поток дрейфового газа может подаваться через дрейфовую область к отверстию впуска пробы. Контроллер может управлять потоком дрейфового газа, в результате чего обеспечивается управление давлением в области низкого давления.

Впуск пробы может включать отверстие, которое может быть переведено в открытое состояние для получения потока газа, захватывающего пробу через впуск пробы, и также может быть переведено в состояние ограничения потока через впуск пробы, например, для создания препятствия потоку, к примеру, для перекрытия впуска пробы. Моменты времени, в которые модификатор ионов воздействует энергией с целью модификации ионов, могут быть выбраны в зависимости от моментов времени, в которые отпирают и/или запирают впуск пробы. Например, управление модификатором ионов может выполняться таким образом, чтобы воздействие энергией совпадало с открытием отверстия впуска пробы. Моменты времени, в которые задействуют модификатор ионов, могут зависеть от управления отверстием впуска пробы, например, они могут быть синхронизированы.

Контроллер может быть сконфигурирован для откачки газа из области низкого давления с целью понижения давления газа в области низкого давления до значения ниже атмосферного давления.

Модификатор ионов может быть размещен между ионизатором и датчиком на пути пролета ионов из ионизатора в сторону датчика. Модификатор ионов может включать два электрода, при этом электроды могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы ионы, проходящие через область между двумя электродами, подвергались воздействию переменного электрического поля, совпадающего по направлению с направлением движения ионов к датчику. Например, каждый из электродов может включать сетку проводников, расположенных поперек направления движения ионов к датчику. Эти и другие варианты будут далее рассмотрены более подробно со ссылками на чертежи.

Фиг. 1 представляет собой иллюстрацию подобного спектрометра 100 ионной подвижности (IMS) в частичном разрезе. Спектрометр 100 ионной подвижности, проиллюстрированный на фиг. 2, включает ионизатор 120, который отделен от дрейфовой области 104 затвором 106. Ионизатор может быть размещен в области 103 ионизации, в которую газ может протекать через впуск 108 пробы. Затвор 106 может управлять прохождением ионов из ионизатора 102 и области 103 ионизации в дрейфовую область 104.

Впуск пробы, проиллюстрированный на фиг. 1, может включать отверстие 108, например, микроотверстие, к примеру, капиллярный впуск. Отверстие может иметь диаметр менее 1 мм, например, иметь диаметр менее 0,8 мм, например, по меньшей мере 0,2 мм, например, по меньшей мере 0,4 мм, например, около 0,6 мм. Газ, протекающий через это отверстие, может переносить пробу вещества, которое будет ионизировано при помощи ионизатора 102.

В примере, проиллюстрированном на фиг. 1, дрейфовая область 104 лежит между ионизатором 102 и датчиком 118 то есть, ионы могут достигать датчика 118, пересекая дрейфовую область 104. Дрейфовая область 104 может включать набор дрейфовых электродов 120а, 120b для формирования профиля напряжения по длине дрейфовой области 104 с целью перемещения ионов из ионизатора 102 через дрейфовою область 104 к датчику 118.

IMS-спектрометр 100 может быть сконфигурирован для обеспечения потока дрейфового газа в направлении, которое по существу противоположно траектории движения ионов к датчику 118. Например, дрейфовый газ может протекать из области вблизи датчика 118 к затвору 106. В соответствии с иллюстрацией, для пропускания дрейфового газа через дрейфовую область 104 могут применяться впуск 122 дрейфового газа и выпуск 124 дрейфового газа. Система 105 циркуляции дрейфового газа выполнена с возможностью обеспечения потока дрейфового газа через дрейфовую область 104 на выпуск 124 дрейфового газа, и может быть сконфигурирована для рециркуляции дрейфового газа, а также, например, для фильтрации и очистки дрейфового газа, выведенного через выпуск дрейфового газа перед его рециркуляцией на впуск 122 дрейфового газа для нового прохождения через дрейфовую область 104.

Устройство 109 создания вакуума может управляться контроллером 200. Устройство 109 создания вакуума может управлять давлением газа в области низкого давления IMS-спектрометра таким образом, чтобы оно было ниже атмосферного давления, например, на 200 мбар ниже атмосферного давления или менее, например, на 300 мбар ниже атмосферного давления или менее, например, на 400 мбар ниже атмосферного давления или менее. Подобное пониженное давление, на 200 мбар ниже атмосферного давления и менее, может быть особенно удобным в тех примерах, где впуск включает мембрану. Область низкого давления может включать область 103 ионизации, а также, в некоторых примерах, реакторную область и/или дрейфовую область 104.

Область низкого давления IMS-спектрометра может включать клапаны 107, которые могут быть установлены в стенке дрейфовой области 104 и подключены к устройству 109 создания вакуума, например, насосу, выполненному с возможностью откачки газа из области низкого давления IMS-спектрометра с целью понижения давления газа в этой области. Клапаны 107 могут быть установлены в стенке дрейфовой области 104, в местоположениях, выбранных с целью уменьшения помех потоку дрейфового газа через дрейфовую область 104. К примеру, клапаны 107 могут быть равномерно (и возможно, симметрично) распределены по периметру дрейфовой области 104, например, клапаны могут быть распределены по окружности дрейфовой области 104.

Независимо от применяемого метода, контроллер 200 может быть сконфигурирован для обеспечения давления в этой области на 150 мбар ниже, чем атмосферное давление, например, по меньшей мере на 200 мбар ниже атмосферного давления, и в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, менее чем на 300 мбар ниже атмосферного давления. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения давления газа в этой области может быть на 500 мбар ниже атмосферного давления. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения давление газа может быть более чем на 800 мбар ниже атмосферного давления, например, более чем на 700 мбар ниже дрейфовой области, например, более чем на 600 мбар ниже атмосферного давления. К примеру, давление может быть ниже атмосферного давления на величину между 150 мбар и 800 мбар.

Модификатор ионов выполнен с возможностью воздействия энергией для модификации ионов в области низкого давления спектрометра ионной подвижности. В примере, проиллюстрированном на фиг. 1, модификатор ионов включает электроды 126, 127, сконфигурированные для воздействия энергией при помощи воздействия на ионы переменным электрическим полем.

Электроды 126, 127 модификатора ионов могут находиться на расстоянии от затворного электрода 106. В соответствии с иллюстрацией, электроды 126, 127 модификатора ионов размещены в дрейфовой области 104 между затворным электродом и датчиком. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения модификатор ионов может быть установлен в области 103 ионизации, например, между впуском 108 и затвором 106.

Каждый из электродов 126, 127 модификатора ионов может включать множество проводников, например, решетку, размещенную поперек дрейфовой области 104. В соответствии с иллюстрацией, проводники каждого из электродов 126, 127 модификатора ионов могут иметь зазоры между ними, благодаря чему ионы могут проходить через эти электроды, пролетая сквозь упомянутые зазоры. В одном из примеров ионы проходят через зазоры между проводниками электрода 126 в область 129 между электродами 126, 127 и выходят из этой области через зазоры между проводниками электрода 127. Во время пребывания в области между электродами 126, 127 на ионы может воздействовать радиочастотное переменное электрическое поле. Это поле может совпадать по направлению с направлением движения ионов к датчику. Нужно понимать, что в контексте настоящего изобретения упомянутое совпадение направления не должно быть идеальным или равномерным. Модификатор ионов может функционировать в первом режиме, в котором ионы, проходящие через модификатор ионов, подвергаются воздействию переменного электрического поля для модификации этих ионов, и во втором режиме, в котором амплитуда переменного электрического поля ниже, например, оно отключено, и ионы проходят через модификатор ионов без изменения.

Датчик 118 может быть подключен таким образом, чтобы подавать сигналы в контроллер 200. Электрический ток из датчика 118 может быть использован в контроллере 200 для определения того, что ионы достигли датчика 118, при этом характеристика ионов может быть определена на основе времени, которое необходимо ионам для прохождения из затвора 106 через дрейфовую область 104 на датчик 118. Примеры датчика 118 сконфигурированы для подачи сигнала, указывающего на то, что ионы поступили на датчик 118. Датчик может включать проводящий электрод (например, пластину Фарадея).

Дрейфовые электроды 120а, 120b могут быть выполнены с возможностью направления ионов к датчику 118, например, дрейфовые электроды 120а, 120b могут включать кольца, которые могут быть размещены вокруг дрейфовой области 104 с целью перемещения ионов к датчику 118. Пример, показанный на фиг. 1, включает только два дрейфовых электрода 120а, 120b, однако в некоторых примерах может применяться множество электродов, или один электрод может применяться в комбинации с датчиком 118 для формирования электрического поля с целью направления ионов к датчику 118. В соответствии с иллюстрацией фиг. 1, устройством 202 подачи напряжения управляет контроллер 200, с которым оно соединено. Устройство 202 подачи напряжения может также иметь соединения для подачи напряжений на ионизатор 102, что позволяет ионизировать вещество пробы. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство 202 подачи напряжения подключено к затворному электроду 106 для управления прохождением ионов из области 103 ионизации в дрейфовую область 104.

Устройство 202 подачи напряжения может быть подключено к дрейфовым электродам 120а, 120b для формирования профиля напряжения с целью перемещения ионов от ионизатора 102 к датчику 118. В соответствии с иллюстрацией фиг. 1, устройство 202 подачи напряжения может иметь соединения для подачи изменяющегося во времени напряжения, например, переменного радиочастотного напряжения, на электроды 126, 127 модификатора ионов. Путем управления напряжением на одном или обоих из двух электродов 126, 127 модификатора ионов, устройство подачи напряжения может обеспечивать изменяющееся во времени напряжение между первым электродом и вторым электродом. Управление напряжением на электродах модификатора ионов может включать управление фазой напряжения, поданного на один или на оба из электродов 126, 127. К примеру, напряжение на обоих электродах может быть переменным, и при этом может присутствовать разность фаз между напряжениями, поданными на каждый из электродов, к примеру, напряжения могут находиться в противофазе.

Нужно понимать, что контроллер 200 может управлять работой насоса с целью выбора давления в области низкого давления IMS-спектрометра. Входной и выходной поток газа в этой области, например, поток газа через отверстие 108 впуска пробы и впуском 122 дрейфового газа, могут в этом случае регулироваться таким образом, чтобы поддерживалось выбранное давление, а также обеспечивались необходимые потоки газа. К примеру, впускное отверстие 108 может включать исполнительный механизм (например, диафрагму на пьезоприводе), который способен по выбору забирать газообразную среду в область 103 ионизации, при этом управление работой устройства создания вакуума может выполняться таким образом, чтобы были сбалансированы давления, относящиеся к пробам, забираемым в область ионизации через отверстие. Поток дрейфового газа через дрейфовую область 104 может в этом случае обеспечиваться в дополнение к любому потоку через отверстие, и при этом функционирование устройства 109 создания вакуума может быть отрегулировано для учета этого факта. Это лишь один из возможных вариантов, и соответственно, могут применяться также и другие подходы - например, регулировка давления может осуществляться путем управления входными и/или выходными потоками газа в области низкого давления IMS-спектрометра, например, потоком газа через отверстие 108 впуска пробы, впуском 122 дрейфового газа и выпуском 124 дрейфового газа. К примеру, исполнительный механизм может включать управляемое запирающее устройство, такое как затвор, которое допускает управление для препятствования потоку, например, для перекрытия, потока газообразной среды через отверстие.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения впуск 108 может включать мембранный впуск, выполненный с возможностью обеспечения проникновения парообразной пробы, например, ее диффузии, через мембрану в область низкого давления.

На фиг. 2 показано схематическое изображение спектрометра 100' ионной подвижности. Для простоты на фиг. 2 не показаны устройство подачи напряжения и его соединения с различными электродами.

Спектрометр 100' ионной подвижности, показанный на фиг. 2, включает открытое отверстие 108 впуска пробы, к примеру, микроотверстие или капиллярный впуск. Поток газа через это отверстие определяется площадью его поперечного сечения, через которое может протекать газ, и его длиной. Отверстие впуска пробы может включать мембрану.

В примере, показанном на фиг. 2, контроллер имеет соединения для управления циркуляцией дрейфового газа, например, для управления входным и/или выходным потоком газа в дрейфовой области 104 через впуск и выпуск дрейфового газа. Это может быть реализовано путем управления системой 105 циркуляции дрейфового газа или путем управления скоростью, с которой дрейфовый газ вводят в дрейфовую область 104 через впуск дрейфового газа, и/или скоростью, с которой дрейфовый газ выходит из дрейфовой области 104 через выпуск дрейфового газа.

Система 105 циркуляции дрейфового газа может опираться на атмосферное давление, например, выпуск системы 105 циркуляции дрейфового газа может сообщаться с атмосферным давлением, к примеру, через клапан 101. Впуск дрейфового газа может включать ограничитель 111, например, регулируемое сужение типа водопроводного крана, к примеру, управляемый клапан, при этом контроллер может быть сконфигурирован для управления ограничителем 111 с целью регулирования соотношения входных и выходных потоков дрейфового газа в дрейфовой области 104. Таким образом, давление в дрейфовой области IMS-спектрометра 100' может регулироваться таким образом, чтобы оно было меньше атмосферного давления, при этом модификатор ионов 126, 127 может обеспечивать воздействие энергией для модификации ионов в этой области низкого давления.

На фиг. 3A и фиг. 3B показаны различные варианты, где отверстие 108 впуска пробы может включать ограничитель 113, который может быть переведен в запертое состояние, для препятствования потока газа через отверстие 108 впуска пробы, или может быть переведен в открытое состояние для обеспечения пропускания потока газа через отверстие 108 впуска пробы. Контроллер 200, показанный на фиг. 3A и фиг. 3B, выполнен с возможностью управления ограничителем 113 впуска пробы с целью управления потоком газа через отверстие 108 впуска пробы. Контроллер 200 может управлять ограничителем 113 для получения образца газа, захватывающего ионизируемую пробу, а также для управления давлением, например, для регулировки, давления в областях низкого давления IMS-спектрометра 100'', 100'''.

Устройство, проиллюстрированное на фиг. 3A, не обязательно должно включать клапан для сообщения системы 105 с атмосферным давлением, и в другом случае, аналогично иллюстрации на фиг. 2 и контроллеру 200 на фиг. 3A, оно может быть сконфигурировано для управления соотношением входного и выходного потоков дрейфового газа при помощи управляемого ограничителя 111, выполненного с возможностью ограничения впуска 122 дрейфового газа и/или выпуска 124 дрейфового газа, или путем управления системой 105 дрейфового газа.

В примере, проиллюстрированном на фиг. 3B, IMS-спектрометр 100'' включает устройство 109 создания вакуума, например, насос, сконфигурированный для функционирования в качестве устройства 109 создания вакуума, рассмотренного выше на примере фиг. 1. Как и в примере, проиллюстрированном на фиг. 3A, контроллер 200 в IMS-спектрометре 100'' сконфигурирован для управления давлением в областях низкого давления IMS-спектрометра путем управления устройством 109 создания вакуума и скоростью, с которой дрейфовый газ подается в дрейфовую область 104 через отверстие 108 впуска пробы. К примеру, контроллер 200 может управлять работой ограничителя 112 для управления потоком газа через отверстие 108 впуска пробы.

В этих и других вариантах осуществления настоящего изобретения может быть установлен датчик давления для измерения давления в областях низкого давления IMS-спектрометра, при этом контроллер 200 может быть сконфигурирован для управления давлением на основе этого измеренного давления. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения отношение скоростей входного и выходного потоков, обеспечиваемое устройством создания вакуума и/или впуском/выпуском дрейфового газа, и/или отверстием 108 впуска пробы, может быть заранее задано на основе калибровки и/или выбрано на основе давления окружающей среды таким образом, чтобы в областях низкого давления IMS-спектрометра обеспечивалось требуемое давление.

Изменяющееся во времени напряжение, подаваемое на модификатор ионов, может иметь частоту по меньшей мере 2,5 МГц. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения частота может быть по меньшей мере 3 МГц или по меньшей мере 5 МГц, а в некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения она может быть по меньшей мере 6 МГц. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения частота составляет менее 100 МГц, при этом в некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения частота меньше 50 МГц, в некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения - менее 20 МГц, в некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения - менее 15 МГц или менее 10 МГц. Например, частота может составлять между 3 МГц и 20 МГц или между 6 МГц и 12 МГц. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения частота может быть равна около 8 МГц. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство формирования может быть сконфигурировано для управления напряжением на первом электроде таким образом, чтобы оно менялось в меньшей степени, чем напряжение на втором электроде. В одном из примеров амплитуда изменений напряжения на одном из электродов 126, 127 модификатора ионов может быть меньшей, чем амплитуда изменения напряжения на другом электроде модификатора ионов. К примеру, устройство 202 подачи напряжения может управлять напряжением на одном из электродов 126, 127 модификатора ионов на основе опорного напряжения постоянного тока (DC), в результате чего напряжение на одном из электродов остается постоянным, в то время как на другом - меняется. В одном из примеров устройство подачи напряжения может управлять напряжением на электродах 126, 127 модификатора ионов таким образом, чтобы изменение напряжения на каждом из них были синусоидальными, имели форму прямоугольных импульсов, были пилообразными или представляли собой пачку импульсов, а амплитуда изменения напряжения на одном из электродов модификатора ионов может быть при этом меньшей, чем амплитуда изменения напряжения на другом электроде модификатора ионов. В различных вариантах осуществления настоящего изобретения подача асимметричных напряжений на электроды 126, 127 позволяет снизить нежелательное взаимодействие радиочастотных электрических полей с другими компонентами спектрометра, а также уменьшить нежелательную утечку электромагнитных помех из спектрометра.

Устройство 202 подачи напряжения может управлять напряжением на двух электродах 126, 127 модификатора ионов таким образом, чтобы они имели выбранную разность фаз, например, контроллер напряжения может управлять напряжением на двух электродах 126, 127 модификатора ионов таким образом, чтобы в тот момент, когда амплитуда напряжения на одном из электродов положительная, на втором электроде амплитуда напряжения была отрицательна. К примеру, устройство 202 подачи напряжения может управлять напряжениями на двух электродах 126, 127 модификатора ионов таким образом, чтобы они находились в противофазе. Размах напряжения на двух электродах может при этом быть одинаков.

В некоторых из примеров устройство подачи напряжения может управлять напряжением на электродах 126 таким образом, чтобы оно изменялось быстрее, чем напряжение на другом электроде 126, 127 модификатора ионов. К примеру, один из электродов 126, 127 модификатора ионов может быть подключен к опорному напряжению, которое может быть постоянным напряжением, тогда как второй электрод модификатора ионов может быть подключен к переменному напряжению, например, к радиочастотному напряжению.

Как отмечалось выше, дрейфовые электроды 120а, 120b могут формировать профиль напряжения, обеспечивающий движение ионов через область 104 дрейфа с целью перемещения ионов из ионизатора к датчику. В соответствии с иллюстрацией фиг. 1, первый электрод 126 модификатора ионов и второй электрод 127 модификатора ионов могут находиться на расстоянии друг от друга в направлении движения ионов. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство подачи напряжения может быть сконфигурировано для управления напряжением на одном из электродов 126, 127 модификатора ионов в зависимости от местоположения электродов 126, 127 модификатора ионов вдоль дрейфовой области 104, а также в зависимости от профиля напряжения, формируемого дрейфовыми электродами 120а, 120b. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения усредненное по времени значение напряжения на электродах 126, 127 модификатора ионов выбирают в зависимости от упомянутого профиля напряжения. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство 202 подачи напряжения формирует постоянный сдвиг напряжения между электродами 126, 127 модификатора ионов. Этот постоянный сдвиг напряжения может зависеть от расстояния между электродами 126, 127 модификатора ионов и профиля напряжения.

В соответствии с иллюстрацией фиг. 1, каждый из электродов 126, 127 модификатора ионов включает решетку проводников. Электроды 126, 127 модификатора ионов могут быть параллельны друг другу. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения эти решетки размещены в направлении, пересекающем (например, поперек или перпендикулярно) направление движения ионов из ионизатора к датчику. Ионы, двигающиеся к датчику, могут проходить через зазоры между проводниками одного из электродов 126 модификатора ионов в область 129 между электродами 126, 127 модификатора ионов, где на них может воздействовать радиочастотное электрическое поле.

Электрод 127 модификатора ионов, расположенный ближе к датчику 118, может быть размещен таким образом, чтобы проводники электрода 127 лежали на траектории пролета ионов через зазоры в другом электроде модификатора ионов. Проводники 127 одного из электродов могут, по меньшей мере частично, перекрывать зазоры в другом электроде 126. Была найдено, что это может повышать количество родительских ионов, преобразуемых в дочерние ионы модификатором ионов. Проводники электрода 126 на иллюстрации параллельны проводникам электрода 127. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения электроды 126, 127 могут лежать в параллельных плоскостях, однако проводники этих двух электродов 126, 127 могут располагаться под углом друг к другу (например, не быть параллельными), чтобы проводники одного из электродов модификатора ионов лежали на траектории пролета ионов через зазоры в другом электроде модификатора ионов. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения электроды 126, 127 могут лежать в параллельных плоскостях, однако проводники этих двух электродов 126, 127 могут быть смещены друг относительно друга по горизонтали, в направлении, пересекающим направление движения ионов, чтобы проводники одного из электродов модификатора ионов лежали на траектории пролета ионов через зазоры в другом электроде модификатора ионов. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения эти отличительные признаки могут комбинироваться, то есть, проводники двух электродов 126, 127 могут иметь одновременно продольное и угловое смещение друг относительно друга.

В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения предложено устройство впускной ступени для впуска пробы в спектрометр. Впускная ступень может включать область низкого давления, давление в которой менее чем на 200 мбар ниже атмосферного, например, менее чем на 300 мбар ниже атмосферного давления, например, менее чем на 400 мбар ниже атмосферного. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения давление газа в этой области низкого давления на 500 мбар ниже атмосферного давления. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения давление газа может быть более чем на 800 мбар ниже атмосферного давления, например, более чем на 700 мбар ниже дрейфовой области, например, более чем на 600 мбар ниже атмосферного давления. К примеру, давление может быть ниже атмосферного давления на величину между 150 мбар и 800 мбар. Область низкого давления может включать впуск для получения пробы газообразной среды, ионизатор для получения родительских ионов из пробы и модификатор ионов, сконфигурированный для модификации родительских ионов в области низкого давления с целью получения дочерних ионов. Модификатор ионов может иметь любые из отличительных признаков всех описанных в настоящем документе модификаторов ионов, в частности, отличительные признаки электродов, описанные в предшествующих параграфах. Упомянутая впускная ступень может включать впуск, выполненный с возможностью подачи дочерних ионов на анализ в спектрометр. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения IMS-спектрометр и устройство подачи напряжения могут содержаться в одном общем корпусе. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения электроды 126, 127 модификатора ионов могут быть размещены в дрейфовой области 104. Электрод модификатора ионов может находиться на расстоянии от затворного электрода вдоль дрейфовой области 104. Расстояние до затворного электрода 106 может составлять по меньшей мере 0,5 мм, например, по меньшей мере 2 мм, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения - по меньшей мере 4 мм, в другом варианте осуществления настоящего изобретения - по меньшей мере 6 мм или по меньшей мере 7 мм. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутое расстояние может быть менее 150 мм или менее 100 мм, например, менее 50 мм.

Электроды 126, 127 модификатора ионов могут включать решетку, например, проволочную сетку. Эта сетка может представлять собой пространственную решетку из проводников, которые могут иметь конфигурацию регулярной квадратной сетки. Проводники могут иметь толщину, равную по меньшей мере 10 мкм, например, менее 30 мкм. Шаг сетки может быть равен по меньшей мере 200 мкм, например, менее 500 мкм. Две сетки могут отстоять друг от друга по меньшей мере на 0,1 мм, например, по меньшей мере на 0,15 мм, например, менее чем на 0,4 мм, например, менее чем на 0,3 мм.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения ближайший электрод 126 размещен в дрейфовой области 104 на расстоянии 7 мм от затвора 106. В таком варианте осуществления настоящего изобретения расстояние между электродами 126, 127 модификатора ионов равно 0,2 мм, при этом электроды имеют конфигурацию квадратной сетки. В данном варианте осуществления настоящего изобретения проводники сетки имеют толщину 21 мкм и размещены с шагом 363 мкм. Проводники могут содержать проволоку.

Не желая быть связанным с какой-либо теорией, можно однако полагать что на частоте 1,9 МГц расстояние пролета иона за время полупериода радиочастотной волны сравнимо с расстоянием между двумя электродами 126, 127 модификатора ионов. То есть, на ионы не воздействует столько же периодов радиочастотного излучения, сколько воздействовало бы при повышении частоты. Другими словами, если скорость иона равна 1000 м/с, то за полупериод двухмегагерцовой волны он пролетит 0,25 мм при воздействующем напряжении в форме прямоугольных импульсов или 0,176 мм, если воздействующее напряжение имеет форму синусоиды. Если зазор между электродами 126, 127 модификатора ионов равен 0,25 мм или менее, можно видеть, что лишь через несколько периодов ион будет выпущен из модификатора ионов. Если частота повышена, например, до 6 МГц или до 8 МГц, расстояние, пройденное за полупериод, сокращается (например, при 8 МГц оно становится равным 0,044 мм). Соответственно, на ион воздействует больше периодов до его выхода из модификатора, и вероятность столкновения с энергией, достаточной для разрушения или иной молекулярной трансформации, повышается.

В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения еще более высокие частоты, например, между 8 МГц и 10 МГц позволяют сократить потери в модификаторе ионов; снова не желая быть связанным с какой-либо теорией, причиной этому может быть способность ионов сильнее приблизиться к проводникам электродов модификатора ионов до того, как они достигнут «точки невозврата» (когда они будут притянуты на проводники). То есть, меньше ионов ударятся о проволоку, и соответственно, больше их сохранится после пролета через модификатор, что позволяет дополнительно повысить чувствительность.

Нужно понимать, что в контексте настоящего изобретения радиочастотные электрические поля могут включать любое переменное электрическое поле, частотные характеристики которого подходят для энергетического воздействия с целью модификации ионов (например, сообщения им энергии для повышения их эффективной температуры).

В контексте настоящего изобретения специалистам в данной области техники могут быть очевидны другие его примеры и модификации.

Варианты осуществления настоящего изобретения включают способы и устройство для ионизации пробы, например, проб газообразной среды, то есть газа, пара или аэрозоля. Примеры дрейфовых газов включают, без ограничения перечисленным, азот, гелий, воздух, или же воздух, рециркулируемый при помощи системы циркуляции дрейфового газа (например, воздух проходящий очистку и/или осушение). К примеру, дрейфовые газы могут не применяться, при этом некоторые из примеров настоящего изобретения могут применяться в системах, где медианная длина свободного пробега ионов сравнима с длиной дрейфовой камеры, например, больше или равна ей. Вместо подвижности в подобных примерах осуществления настоящего изобретения могут измеряться соотношения массы к заряду ионов, например, на основе измерения времени пролета или путем воздействия на ионы магнитным полем для отклонения их траектории.

В общем, в отношении приложенных чертежей, нужно понимать, что эскизные функциональные блок-схемы использованы для иллюстрации функциональности систем и устройств, описанных в данном документе. Следует понимать, однако, что эта функциональность не обязательно должна быть распределена указанным образом и не должна рассматриваться как предполагающая какую-либо конкретную конфигурацию аппаратного обеспечения, кроме описанной ниже в данном разделе и в формуле изобретения. Функции одного или более элементов, показанных на чертежах, могут быть дополнительно разделены и/или распределены по различным частям устройства, описанного в данном документе. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения функции одного или более элементов, показанных на чертежах, могут быть объединены в одном функциональном блоке.

Следует понимать, что описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения являются исключительно иллюстративными примерами. Могут быть предложены и другие варианты осуществления настоящего изобретения. Нужно понимать, что любые отличительные признаки, описанные в отношении любых из вариантов осуществления настоящего изобретения, могут быть использованы как по отдельности, так в сочетании с другими отличительными признаками, и также могут быть использованы в сочетании с одним или более отличительными признаками любого другого варианта осуществления настоящего изобретения или любой комбинации других вариантов осуществления настоящего изобретения. При этом, в пределах объема настоящего изобретения, который задан приложенной формулой изобретения, могут применяться эквивалентные замены и модификации, не описанные выше.

В некоторых из примеров один или более запоминающих элементов могут хранить данные и/или программные инструкции, которые используют для реализации описанных в настоящем документе операций. В вариантах осуществления настоящего изобретения предложены компьютерные программные продукты, например, машиночитаемые инструкции или материальные носители, включающие программные инструкции, которые выполнены с возможностью программирования процессора для выполнения одного или более из способов, описанных и/или заявленных в данном документе, и/или с возможностью реализации устройства обработки данных, описанного и/или заявленного в данном документе.

Конкретные применения и функционирование устройства, описанные в данном документе, служат для описания способа, при этом конкретная структура устройства может быть не важной, - соответственно, варианты осуществления устройства могут комбинироваться с вариантами осуществления способа, описанного и заявленного в настоящем изобретении. Аналогично, способы, описанные в данном документе, могут быть реализованы при помощи соответствующего конфигурирования устройства, описанного в данном документе.

Операции и устройства, описанные в данном документе, могут быть реализованы с использованием контроллеров и/или процессоров, которые могут быть выполнены с использованием жестко запрограммированной логики, то есть, сборки логических вентилей, или программируемой логики, например, программного обеспечения и/или инструкций компьютерной программы, исполняемых процессором. Другие типы программируемой логики включают программируемые процессоры, программируемую цифровую логику (например, электрически программируемые вентильные матрицы (field programmable gate array, FPGA), программируемую память «только для чтения» (erasable programmable read only memory, EPROM), электрически стираемую память в режиме «только для чтения» (electrically erasable programmable read only memory, EEPROM), заказные интегральные схемы (application specific integrated circuit, ASIC), а также любые другие типы цифровой логики, программное обеспечение, код, электронные инструкции, флэш-память, оптические диски, CD-ROM, DVD-ROM, магнитные или оптические карты, и другие типы машиночитаемых носителей, подходящих для хранения электронных инструкций, или любая подходящая комбинация перечисленного.

При упоминании электродов нужно понимать, что могут применяться любые конфигурации из проводников, например, электроды могут включать металлические или иные проводники и могут при этом быть по меньшей мере частично оголенными и/или частично изолированными. Устройства подачи напряжения, описанные в данном документе, могут включать один или более повышающих или понижающих трансформаторов, при этом устройства подачи напряжения могут включать такие источники постоянного тока как аккумуляторы, топливные ячейки или емкостные накопители энергии. Могут применяться различные комбинации энергии постоянного тока и переменного тока, при этом устройство подачи напряжения может включать инвертор для обеспечения переменного напряжения при наличии источника питания постоянного тока. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство подачи напряжения может включать выпрямители для обеспечения постоянного напряжения при наличии источника питания переменного тока. Могут применяться любые комбинации из источников питания и компонентов формирования напряжения переменного и постоянного тока. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство подачи напряжения может также функционировать как источник тока.

Использование: для повышения энергоэффективности процесса модификации ионов. Сущность изобретения заключается в том, что спектрометр ионной подвижности включает впуск пробы, включающий отверстие, выполненное с возможностью впуска пробы газообразной среды из области атмосферного давления в область низкого давления спектрометра ионной подвижности для ионизации; контроллер, выполненный с возможностью управления давлением газа в области низкого давления таким образом, чтобы оно было ниже атмосферного давления; и модификатор ионов, сконфигурированный для модификации ионов в области низкого давления, при этом ионы получают из упомянутой пробы газа. Технический результат: обеспечение возможности повышения энергоэффективности процесса модификации ионов. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Спектрометр ионной подвижности, содержащий:

впуск пробы, включающий отверстие, выполненное с возможностью пропускания пробы газообразной среды из области атмосферного давления в область низкого давления спектрометра ионной подвижности для ионизации;

контроллер, выполненный с возможностью управления давлением газа в области низкого давления таким образом, чтобы оно было ниже атмосферного давления; и

модификатор ионов, сконфигурированный для модификации ионов в области низкого давления, при этом ионы получают из упомянутой пробы газа.

2. Спектрометр по п. 1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления давлением газа в области низкого давления таким образом, чтобы оно было ниже атмосферного давления по меньшей мере на 200 мбар.

3. Спектрометр по п. 1 или 2, в котором контроллер выполнен с возможностью управления давлением газа в области низкого давления таким образом, чтобы оно было ниже атмосферного давления не более чем на 800 мбар.

4. Спектрометр по любому из предшествующих пунктов, в котором контроллер сконфигурирован для управления модификатором ионов в первом режиме для воздействия на ионы переменным электрическим полем для модификации ионов во время их пролета через модификатор ионов и для управления модификатором ионов во втором режиме для обеспечения пропускания ионов через модификатор ионов.

5. Спектрометр ионной подвижности по п. 1 или 2, в котором отверстие впуска пробы является управляемым для ограничения потока газа через впуск пробы.

6. Спектрометр ионной подвижности, содержащий:

впуск пробы, включающий мембрану, выполненную с возможностью пропускания пробы из области атмосферного давления в область низкого давления спектрометра ионной подвижности для ионизации;

контроллер, выполненный с возможностью управления давлением газа в области низкого давления таким образом, чтобы оно было ниже атмосферного давления по меньшей мере на 200 мбар; и

модификатор ионов, сконфигурированный для модификации ионов в области низкого давления, при этом ионы получают из упомянутой пробы газа.

7. Спектрометр по любому из предшествующих пунктов, в котором контроллер выполнен с возможностью управления давлением газа в области низкого давления таким образом, чтобы оно было ниже атмосферного давления по меньшей мере на 300 мбар.

8. Спектрометр по любому из предшествующих пунктов, в котором область низкого давления включает дрейфовую область и устройство формирования потока дрейфового газа, сконфигурированное для обеспечения потока дрейфового газа через дрейфовую область к впуску пробы.

9. Спектрометр ионной подвижности по п. 8, в котором дрейфовая область содержит дрейфовые электроды, выполненные с возможностью перемещения ионов против потока дрейфового газа к датчику, при этом модификатор ионов выполнен с возможностью воздействия на ионы радиочастотным электрическим полем, направленным параллельно направлению движения ионов к датчику.

10. Спектрометр по п. 9, в котором модификатор ионов включает два электрода, расположенные на расстоянии друг от друга в направлении движения ионов к датчику.

11. Спектрометр по п. 10, в котором каждый из электродов включает сетку проводников.

12. Спектрометр по любому из пп. 8−11, в котором контроллер выполнен с возможностью управления потоком дрейфового газа и/или потоком газа через впуск пробы для управления давлением в области низкого давления.

13. Спектрометр по любому из предшествующих пунктов, включающий устройство создания вакуума, которое сконфигурировано для понижения давления газа в области низкого давления.

14. Спектрометр по п. 5 или любому из пп. 7−13, зависящему от п. 3, в котором контроллер сконфигурирован для управления отверстием впуска пробы и/или устройством создания вакуума для управления давлением в области низкого давления.

15. Спектрометр по любому из предшествующих пунктов, в котором контроллер сконфигурирован для управления временем срабатывания модификатора ионов на основе времени срабатывания ионного затвора.

16. Спектрометр по п. 1 или по любому из предшествующих пунктов, зависящих от п. 1, в котором отверстие впуска пробы включает впуск на основе микроотверстия или капиллярный впуск.

17. Спектрометр по любому из предшествующих пунктов, в котором контроллер сконфигурирован для понижения давления в области низкого давления до значения, меньшего 900 мбар, например меньшего 700 мбар, например меньшего 600 мбар, например по меньшей мере 200 мбар, например по меньшей мере 300 мбар, например по меньшей мере 400 мбар, например около 500 мбар.

18. Спектрометр по п. 1, в котором отверстие содержит исполнительный механизм.

19. Спектрометр по п. 18, в котором исполнительный механизм представляет собой диафрагму на пьезоприводе.

20. Спектрометр по п. 18, в котором исполнительный механизм содержит управляемое запирающее устройство.