Способ и устройство Российский патент 2020 года по МПК H01J49/00 H01J49/40 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для идентификации исследуемых веществ, а именно, к способам и устройствам для выбора и/или модификации ионов в целях упрощения идентификации исследуемого вещества в пробе. Подобные способы и устройства могут эффективно применяться в массовой спектрометрии, при этом для них могут использоваться методы на основе измерения ионной подвижности.

Предпосылки создания изобретения

Существует потребность в обнаружении следовых количеств таких веществ как взрывчатка, наркотики или химические поражающие вещества. Их надежная и точная идентификация имеет критически важное значение. Анализ может выполняться с использованием спектрометров, например, спектрометров ионной подвижности и/или масс-спектрометров.

Принцип действия массовой спектрометрии основан на ионизации химических соединений, в результате чего получают заряженные молекулы или фрагменты молекул и измеряют отношение их массы к заряду. В типовой процедуре массовой спектрометрии ионы сортируют в соответствии с отношением их массы к заряду, как правило, при помощи сообщения им ускорения и измерения величины их отклонения под воздействием электрического или магнитного поля. Некоторые масс-спектрометры функционируют с применением ионных ловушек. Масс-спектр отражает относительное содержание зарегистрированных ионов как функцию отношения их массы к заряду. Ионы могут быть идентифицированы при помощи сравнения известных масс с найденными массами или при помощи сравнения полученных спектров с известными спектрами. Ионы с одинаковым отношением массы к заряду будут иметь равную величину отклонения, однако при этом одно значение отношения массы к заряду может соответствовать нескольким различным типам ионов.

Спектрометр ионной подвижности (Ion mobility spectrometers, IMS) позволяет идентифицировать исследуемое вещество при помощи ионизации этого вещества (например, молекул или атомов) и измерения времени, необходимого для пролета полученных ионов на известное расстояние в электрическом поле с известными параметрами. Такой метод получил название спектрометрии ионной подвижности на базе измерения времени пролета (time of flight ion mobility spectrometry, TOFIMS). 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. Существуют также и другие типы спектрометрии ионной подвижности. К примеру, при спектрометрии дифференциальной ионной подвижности ионы выбирают на основе зависимости ионной подвижности от напряженности электрического поля. В этих целях на ионы воздействуют электрическим полем переменной напряженности, в результате чего только ионы, обладающие выбранной дифференциальной подвижностью, оказываются способны пройти через спектрометр. К примеру, при спектрометрии ионной подвижности в асимметричном поле ионы отделяют друг от друга за счет воздействия радиочастотными высоковольтными асимметричными колебаниями в сочетании с постоянным напряжением. С изменением электрического поля, в зависимости от соотношения подвижности иона в поле высокой напряженности и низкой напряженности, он переместится в сторону одного или другого электрода. Только ионы с заданной дифференциальной подвижностью смогут пройти через устройство.

В других методах, основанных на измерении ионной подвижности, применяют газ-носитель, который переносит ионы между электродами. Ионы могут отклоняться от своей траектории в потоке газа за счет воздействия электрического поля, сформированного между электродами и пересекающего направление потока газа-носителя (например, поперечного). Путем сканирования напряженности электрического поля могут быть выбраны ионы, обладающие различной подвижностью.

Сущность изобретения

Аспекты и примеры настоящего изобретения изложены в приложенной формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

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

на фиг. 1 показана эскизная блок-схема трех возможных реализаций настоящего изобретения;

на фиг. 2 показано эскизное изображение ионного фильтра в частичном разрезе;

на фиг. 3 показано эскизное изображение другого ионного фильтра в частичном разрезе;

на фиг. 4 показано эскизное изображение еще одного ионного фильтра в частичном разрезе; и

на фиг. 5 показано эскизное изображение еще ионного фильтра в частичном разрезе.

На чертежах аналогичными числовыми обозначениями обозначены аналогичные элементы.

Подробное описание изобретения

В вариантах осуществления настоящего изобретения предложен ионный фильтр для масс-спектрометра. В соответствии с иллюстрацией на чертежах и дальнейшим подробным описанием, ионный фильтр может включать селектор ионов и модификатор ионов. Селектор ионов выбирает подмножество из пробы ионов в зависимости от их подвижности в газообразной среде. Модификатором ионов управляют таким образом, чтобы он либо модифицировал ионы, с формированием дочерних ионов, которые, в свою очередь, подают в масс-спектрометр для анализа, или чтобы он пропускал упомянутое подмножество ионов в масс-спектрометр без изменения.

Модификатор ионов может быть выполнен с возможностью модификации только подмножества ионов, выбранных ионным селектором, или он может быть выполнен с возможностью модификации ионов в пробе до выбора, селектором ионов, подмножества дочерних ионов, например, модификатор ионов может быть встроен в селектор ионов или размещен между источником проб ионов и селектором ионов.

Выбор на основе ионной подвижности может включать выбор на основе дифференциальной ионной подвижности и/или на основе ионной подвижности, измеряемой при помощи времени пролета, например, на основе ионной подвижности в заданном электрическом поле, к примеру, на основе ионной подвижности в «слабом поле», где подвижность ионов не зависит от напряженности поля (например, поля с напряженностью до 500 В/см) и/или на основе любой другой характеристики подвижности.

Варианты осуществления настоящего изобретения позволяют идентифицировать искомое вещество в анализируемой пробе за счет управления селектором ионов для выбора подмножества ионов из пробы, и обеспечения прохождения первого подмножества ионов в неизменном виде на анализ в масс-спектрометре, а затем - задействование селектора ионов для выбора второго подмножества ионов из той же пробы, и задействование модификатора ионов для модификации этого второго подмножества ионов с целью вывода дочерних ионов на анализ в масс-спектрометре. Первое подмножество ионов и второе подмножество ионов могут быть получены из одной и той же пробы (например, из одной пробы пара). Однако в некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения они также могут быть получены из различных проб, полученных из одного анализируемого вещества (например, в результате испарения одного мазка исследуемого вещества).

На фиг. 1 проиллюстрированы три возможные конфигурации ионного фильтра для масс-спектрометра. На первой иллюстрации, фиг. 1-А, показан селектор 4 ионов, выполненный с возможностью получения ионов от источника ионов 2 и выбора подмножества этих ионов на основе их подвижности в газообразной среде. Затем селектор 4 ионов может подавать это подмножество ионов на модификатор 6 ионов, который может быть задействован, с возможностью выбора, для: (а) модификации подмножества ионов до его анализа при помощи масс-спектрометра, или (b) для обеспечения пропускания ионов без изменения. На второй иллюстрации, фиг. 1-В, показан модификатор 6 ионов, выполненный с возможностью получения ионов из источника 2 ионов и который может быть задействован для модификации ионов перед подачей их в селектор 4 ионов, способный выбирать подмножество этих ионов перед их подачей на анализ в масс-спектрометр. На третьей иллюстрации селектор ионов включает встроенный модификатор 6 ионов. В этой конфигурации устройство выбора ионов само включает модификатор 6 ионов в своем составе. Модификатор 6 ионов может быть задействован с целью модификации по меньшей мере некоторых ионов в селекторе 4 ионов, а селектор 4 ионов может быть задействован для подачи подмножества ионов от источника 2 ионов (некоторые из которых, возможно, были модифицированы) на анализ в масс-спектрометр. На фиг. 2 показан ионный фильтр для масс-спектрометра, при этом устройство, проиллюстрированное на фиг. 2, является одним из примеров конфигурации, показанной на фиг. 1-А. Устройство, проиллюстрированное на фиг. 2, включает источник 2 ионов, выполненный с возможностью подачи ионов на ионный фильтр. Ионный фильтр включает селектор 4 ионов и модификатор 6 ионов, выполненные с возможностью подачи выбранных и/или модифицированных ионов на анализ в масс-спектрометр.

Источник 2 ионов может включать впуск 20, например, впуск на микроотверстии или мембране, для получения пробы газообразной среды, то есть, пара или газа, и ионизатор 18 для ионизации пробы. Ионизатор 18 может включать источник ионизирующего излучения, например, коронноразрядный элемент или радиоактивный источник. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения ионизация пробы может выполняться с использованием ионизируемого газа-реагента. Селектор 4 ионов, показанный на фиг. 2, включает дрейфовую камеру, отделенную от источника 2 ионов первым ионным затвором 14. Селектор 4 ионов может включать второй ионный затвор 16, отделенный от первого ионного затвора 14 дрейфовой камерой. Каждый из ионных затворов, т.е. первый ионный затвор 14 и второй ионного затвора 16, включают два электрода, каждый из которых может включать множество удлиненных проводников. Электроды в каждом из ионных затворов могут быть переплетены или, в другой конфигурации, чередоваться друг с другом и быть, по меньшей мере частично, некомпланарными (т.е. разнесенными в направлении пролета ионов), например, образуя ионный затвор Бредбери-Нильсена или затвор Тиндалла-Пауэлла. Дрейфовая камера может содержать серию дрейфовых электродов 26, 28 для формирования профиля напряжения по длине дрейфовой камеры с целью перемещения ионов от первого ионного затвора 14 через дрейфовую камеру ко второму ионному затвору 16. Модификатор 6 ионов может быть размещен таким образом, чтобы ионы проходили из дрейфовой камеры, через второй ионный затвор 16, в модификатор 6 ионов, перед попаданием в масс-спектрометр (не показан на фиг. 2).

Модификатор 6 ионов может включать два электрода, которые могут находиться на расстоянии от второго ионного затвора 16. Каждый из электродов ионного модификатора может включать множество проводников, например, сетку или решетку, пересекающую направление движения ионов из второго ионного затвора 16 к выпуску, который может быть подключен для подачи ионов в масс-спектрометр. В соответствии с иллюстрацией, проводники каждого из электродов модификатора ионов могут иметь зазоры между ними, благодаря чему ионы могут проходить через эти электроды, пролетая через упомянутые зазоры. В одном из примеров ионы могут проходить через зазоры между проводниками электрода в область между электродами и затем выходить из этой области через зазоры проводников модификатора 6 ионов. Во время нахождения в области между электродами они могут подвергаться воздействию радиочастотного электрического поля с целью их фрагментации. К примеру, модификатор ионов может быть сконфигурирован для воздействия на ионы переменным электрическим полем, которое является симметричным (например, имеет малую или нулевую постоянную составляющую). В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения модификатор 6 ионов может включать нагреватель, в дополнение к упомянутым двум электродам или вместо них. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения модификатор 6 ионов может включать более двух электродов. В некоторых из примеров осуществления настоящего изобретения может применяться более одного модификатора ионов. В устройстве, проиллюстрированном на фиг. 2, селектор ионов включает модификатор 6 ионов. В данном примере он размещен между ионным затвором 14 и вторым ионным затвором 16. В других примерах, где селектор ионов включает модификатор 6 ионов, один или более ионных затворов в селекторе ионов (например, первый ионный затвор 14 и второй ионный затвор 16, проиллюстрированные на фиг. 2) могут быть реализованы с использованием модификатора 6 ионов, например, при помощи ионного затвора, объединенного с модификатором ионов, описанного ниже. Примеры комбинированного ионного затвора и модификатора ионов приведены в находящейся на рассмотрении заявке ЕР 2666183, которая полностью включена в настоящий документ путем ссылки.

Устройство 22 подачи напряжения может быть подключено к ионизатору 18, первому ионному затвору 14, второму ионному затвору 16, дрейфовым электродам 26, 28 и модификатору 6 ионов. Может быть также подключен контроллер 24 для управления работой устройства 22 подачи напряжения. Система 8 циркуляции дрейфового газа может быть подключена к выпуску 10 дрейфового газа из ионного селектора 4 и к впуску 12 дрейфового газа в модификатор 6 ионов. Модификатор 6 ионов может быть сконфигурирован таким образом, чтобы дрейфовый газ, введенный в модификатор 6 ионов, протекал через второй ионный затвор 16 в дрейфовую камеру к первому ионному затвору 14. Система 8 циркуляции дрейфового газа может быть сконфигурирована для обеспечения потока дрейфового газа в направлении, по существу противоположном траектории пролета ионов из первого ионного затвора 14 на второй ионный затвор 16. Примеры дрейфовых газов включают, без ограничения перечисленным, азот, гелий, воздух, рециркулируемый воздух (например, воздух проходящий очистку и/или осушение). В контексте настоящего изобретения нужно понимать, что в примере, проиллюстрированном на фиг. 2, электрическим полем воздействуют при помощи устройства подачи напряжения (например, с использованием дрейфовых электродов, а также, возможно, других электродов) с целью перемещения ионов против потока дрейфового газа через дрейфовую камеру ко второму ионному затвору 16.

Первый ионный затвор 14 может быть переведен в открытое состояние с целью пропускания ионов от источника 2 ионов в дрейфовую камеру, а также быть переведен в запертое состояние с целью препятствования прохождению ионов. Аналогично, второй ионный затвор 16 может быть переведен в открытое состояние с целью пропускания ионов из дрейфовой камеры на модификатор ионов, а также быть переведен в запертое состояние с целью препятствования прохождению ионов. Это представляет собой один из методов выбора подмножества ионов из пробы. Выбор подмножества ионов (например, меньшего количества ионов, по сравнению со всеми ионами пробы) может включать обеспечение пропускания части ионов из пробы через первый ионный затвор 14, и затем препятствование прохождение части из этих ионов через второй ионный затвор 16, например, за счет запирания второго ионного затвора 16. Соответственно, контроллер 24 может выбирать подмножество пробы ионов на основе их подвижности в дрейфовом газе за счет управления относительными временами отпирания первого ионного затвора 14 и второго ионного затвора 16. К примеру, момент времени отпирания второго ионного затвора 16 может быть выбран в зависимости от времени отпирания первого ионного затвора, в результате чего только ионы, имеющие выбранное время пролета через дрейфовую камеру (и/или выбранный диапазон или диапазоны времен пролета), смогут пройти из селектора 4 ионов к модификатору ионов.

Модификатор 6 ионов может функционировать в первом режиме, воздействуя энергией на ионы для их модификации, например, за счет повышения их эффективной температуры, к примеру, за счет воздействия на ионы радиочастотным электрическим полем. Энергия, которой воздействуют на ионы в первом режиме работы может быть выбрана, исходя из объема энергии, необходимого для фрагментации выбранных ионов, например, ионов целевого вещества, и аддуктивных ионов, образованных при взаимодействии между целевым веществом и известным реагентом, содержащимся в источнике 2 ионов или селекторе 4 ионов. Такие вещества включают наркотики, взрывчатку, химические поражающие вещества и другие запрещенные субстанции. Приложенная энергия может быть выбрана за счет управления амплитудой и/или частотой электрического поля, которое формирует модификатор ионов. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения энергия может представлять собой тепловую энергию, при этом управление объемом воздействующей энергии может выполняться при помощи управления температурой, например, с использованием нагревателя. Модификатор ионов может также функционировать во втором режиме, обеспечивая пропускание ионов из селектора 4 ионов в масс-спектрометр без воздействия на ионов для их модификации. Например, в этом втором режиме ионный модификатор может допускать управление для воздействия на ионы меньшей энергией, чем в первом режиме, к примеру, он может быть отключен.

При функционировании устройства ионизатором 18 управляют с целью получения пробы ионов из анализируемого вещества. После этого контроллер 24 может отпирать первый ионный затвор 14, позволяя ионам из пробы проходить через дрейфовую камеру против потока дрейфового газа. Время поступления ионов на второй ионный затвор 16 определяют с помощью их подвижности через газообразную среду и электрического поля, сформированного по длине дрейфовой камеры дрейфовыми электродами 26, 28. Затем контроллер 24 управляет вторым ионным затвором, препятствуя прохождению некоторых из ионов и пропуская при этом другие ионы. Например, ионы, которые поступают на второй ионный затвор в выбранном временном окне (или последовательности временных окон) после отпирания первого ионного затвора, могут быть пропущены через второй ионный затвор 16, тогда как ионы, поступающие вне данного временного окна (или окон) могут быть не пропущены через ионный затвор, например, остановлены или отклонены ионным затвором. Соответственно, только выбранное подмножество ионов смогут пройти из источника 2 ионов через селектор 4 ионов в модификатор ионов.

Контроллер 24 может обеспечивать функционирование модификатора ионов (а) в первом режиме, в котором модифицируют данное выбранное подмножество ионов и подают дочерние ионы, полученные в результате модификации, в масс-спектрометр, или (b) во втором режиме, в котором обеспечивают прохождение выбранного подмножества ионов через масс-спектрометр без изменения. К примеру, контроллер 24 может сначала выбирать подмножество ионов из пробы для пропускания в масс-спектрометр, и затем задействовать модификатор ионов во втором режиме для пропускания (неизменного) подмножества ионов в масс-спектрометр. Затем контроллер 24 может подавать второе подмножество ионов в модификатор ионов и задействовать модификатор ионов в первом режиме, в результате чего в масс-спектрометр могут быть поданы дочерние ионы. Подмножество ионов, поданное без модификации, и дочерние ионы, полученные в результате модификации подмножества ионов, могут быть сравнимыми подмножествами (например, подмножествами из одной пробы и/или имеющими одинаковую подвижность, или подвижности). Затем оба подмножества могут быть проанализированы, в результате чего может быть идентифицировано исследуемое вещество.

Порядок выполнения операций, описанный выше, может быть обратным, то есть, дочерние ионы могут быть поданы в масс-спектрометр первыми, а затем могут быть поданы исходные ионы. Первое и второе подмножества ионов могут быть из одной пробы и могут быть подобраны так, чтобы иметь одинаковую подвижность, или подвижности, например, за счет применения одинакового временного окна (или окон) для отпирания и запирания ионных затворов.

В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения контроллер 24 может управлять временами срабатывания модификатора 6 ионов в первом режиме таким образом, чтобы была модифицирована только часть (например, не все) из выбранного подмножества ионов. Например, когда выбранное подмножество ионов проходит через модификатор ионов в течение конкретного временного окна (или окон), например, определенного на основе их подвижности, контроллер может задействовать модификатор ионов для модификации ионов в течение выбранного интервала времени внутри данного временного окна. Как уже кратко отмечалось выше, в некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения первый ионный затвор 14 или второй ионный затвор 16 могут быть реализованы с помощью одного или более электродов модификатора 6 ионов. К примеру, контроллер 24 может быть сконфигурирован для подачи напряжения на модификатор 6 ионов, которое препятствует прохождению ионов через модификатор ионов и/или отклоняет ионы, проходящие через дрейфовую камеру таким образом, что модификатор ионов выполняет функции второго ионного затвора. Например, контроллер может быть сконфигурирован для управления первым электродом модификатора 6 ионов в качестве ионного затвора. К примеру, один из электродов модификатора 6 ионов может включать множество проводников, которые сконфигурированы для функционирования в качестве ионного затвора, например, в качестве ионного затвора Бредбери-Нильсена или ионного затвора Тиндалла-Пауэлла. Любой из ионных затворов в любом из вариантов осуществления настоящего изобретения, описанных в данном документе, может быть реализован с использованием модификатора ионов, сконфигурированного подобным образом. Примеры ионных затворов, объединенных с модификаторами ионов, приведены в находящейся на рассмотрении заявке ЕР 2666183, которая полностью включена в настоящий документ путем ссылки. В некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство включает более одного модификатора 6 ионов. В некоторых примерах устройство, показанное на фиг. 2, включает только один ионный затвор, при этом данный ионный затвор может быть реализован с помощью комбинированного ионного затвора и модификатора ионов, например, с помощью одного или более электродов модификатора 6 ионов.

В примере, показанном на фиг. 2, система 8 циркуляции дрейфового газа сконфигурирована для обеспечения потока дрейфового газа одновременно через селектор 4 ионов и модификатор 6 ионов, например, в конфигурации, показанной на фиг. 2, селектор 4 ионов и модификатор 6 ионов могут иметь одинаковое давление газа. Однако в некоторых примерах ионы могут проходить из селектора 4 ионов (например, из второго ионного затвора 16) в модификатор ионов через узкий проход, сконфигурированный для обеспечения разности давления газа между этими устройствами.

На фиг. 3 проиллюстрирована конфигурация, аналогичная показанной на фиг. 2, однако в примере фиг. 3 модификатор ионов и селектор ионов могут быть размещены в отдельных камерах. За счет нагнетания в одной или обоих из этих двух камер возможно независимое управление давлением в каждой из камер, например, между ними может поддерживаться разница давлений. В соответствии с иллюстрацией, в подобных вариантах осуществления настоящего изобретения применение узкого прохода, например, капиллярного канала, позволяет ионам проходить между селектором ионов и модификатором 6 ионов. Для направления ионов через этот узкий проход может применяться устройство фокусировки ионов, например, ионопровод. В такой конфигурации давление в селекторе ионов и/или модификаторе 6 ионов может составлять по меньшей мере 600 мбар, например, по меньшей мере 800 мбар, к примеру, быть приблизительно равно атмосферному давлению. Давление газа в модификаторе 6 ионов может отличаться от давления в селекторе ионов, например, быть ниже.

Нужно понимать, что конфигурация, показанная на фиг. 3, может быть обращена, то есть модификатор 6 ионов может быть установлен между источником 2 ионов и селектором ионов, к примеру, источник 2 ионов может быть сконфигурирован для подачи ионов в модификатор 6 ионов, при этом контроллер 24 может выбирать, задействовать ли модификатор 6 ионов для модификации ионов перед их попаданием в селектор ионов. В такой конфигурации модификатор 6 ионов и источник 2 ионов могут быть установлены в различных камерах (которые могут находиться под различным давлением), и, в соответствии с описанием в отношении фиг. 3, ионы могут проходить из модификатора 6 ионов в селектор ионов через узкий канал, например, капиллярную трубку 30. В такой конфигурации селектор ионов может быть задействован для выбора подмножества дочерних ионов, сформированных модификатором 6 ионов, а модификатор 6 ионов может функционировать либо в первом режиме, модифицируя ионы, либо во втором режиме, пропуская немодифицированные ионы в селектор ионов.

На фиг. 4 показан еще один пример, аналогичный примеру на фиг. 2. На фиг. 4, как и на фиг. 2 и 3, селектор ионов действует по принципу спектрометрии ионной подвижности на основе измерения времени пролета ионов, например, контроллер 24 сконфигурирован для выбора подмножества ионов за счет управления временем срабатывания второго ионного затвора. В устройстве, проиллюстрированном на фиг. 4, второй ионный затвор 16 размещен между модификатором 6 ионов и выпуском в масс-спектрометр, например, модификатор 6 ионов может быть размещен в дрейфовой камере между первым ионным затвором 14 и вторым ионным затвором 16 селектора ионов. В соответствии с иллюстрацией фиг. 4, модификатор 6 ионов может быть выполнен с возможностью модификации ионов в области дрейфовой камеры, соответствующей селектору ионов, например, модификатор 6 ионов может включать два электрода, описанные выше на примере фиг. 2, которые могут быть сконфигурированы для воздействия на ионы в этой области электрическим полем (например, радиочастотным электрическим полем), которое может быть сильней, чем электрические поля, применяемые для перемещения ионов через дрейфовую камеру. Электроды в модификаторе 6 ионов могут быть сконфигурированы для воздействия на ионы электрическим полем, направление которого параллельно направлению движения ионов через дрейфовую камеру. Выравнивание направления электрического поля, сформированного модификатором 6 ионов, с направлением движения ионов, как правило, не может быть идеальным или равномерным. К примеру, направление электрического поля может зависеть от геометрии и взаимного расположения проводников, из которых выполнены электроды модификатора ионов.

На фиг. 5 проиллюстрирован ионный фильтр для масс-спектрометра, в котором селектор ионов сконфигурирован для выбора подмножества ионов при помощи метода дифференциальной подвижности, например, анализа дифференциальной подвижности. Устройство, показанное на фиг. 5, может включать источник 2 ионов, отличительные признаки которого совпадают с источником 2 ионов, описанном выше в отношении фиг. 2.

Селектор ионов, показанный на фиг. 5, включает камеру газового потока, отделенную от источника 2 ионов первым ионным затвором 14. Камера газового потока может быть сконфигурирована для обеспечения транспортировки ионов потоком газа от источника 2 ионов к выпуску камеры газового потока. Система обеспечения потока газа-носителя может быть сконфигурирована для обеспечения потока газа-носителя через камеру газового потока от ионного затвора 14 к выпуску. Могут быть установлены два отклоняющих электрода для формирования электрического поля в камере газового потока в направлении, пересекающем поток газа (например, в поперечном ему направлении).

Устройство 22 подачи напряжения может быть подключено к ионизатору 18, ионному затвору 14 и электродам модификатора ионов, как это было описано выше на примере фиг. 2. Устройство 22 подачи напряжения может также быть подключено к отклоняющим электродам для формирования выбранного электрического поля, перпендикулярного направлению потока газа. Контроллер 24 подключен таким образом, чтобы управлять устройством 22 подачи напряжения с целью обеспечения срабатывания по меньшей мере одного из следующего: ионизатора 18, ионного затвора 14, отклоняющих электродов или модификатора 6 ионов. Контроллер 24 может быть сконфигурирован для управления электрическим полем, формируемым при помощи отклоняющих электродов, таким образом, чтобы только ионы с выбранной характеристикой подвижности, например, с выбранной дифференциальной подвижностью, были способны пройти из селектора ионов и предоставлены в масс-спектрометр на анализ.

В соответствии с иллюстрацией фиг. 5, выпуск селектора ионов сконфигурирован таким образом, чтобы ионы, которые покидают селектор ионов могли проходить в модификатор 6 ионов. Модификатор 6 ионов может включать два электрода и обладать отличительными признаками, описанными выше в отношении модификатора 6 ионов на фиг. 2. Модификатор 6 ионов в данном варианте осуществления настоящего изобретения может быть при этом размещен в отдельной камере, как это было описано выше в отношении фиг. 3, или выполнен с возможностью модификации ионов перед их разделением селектором ионов (или во время разделения), как это было описано выше в отношении фиг. 4. При работе устройства ионы подают из источника 2 ионов в поток газа-носителя. Поток газа переносит ионы к выпуску из селектора ионов. Устройство 22 подачи напряжения прикладывает напряжение между отклоняющими электродами, в результате чего возникает электрическое поле, пересекающее (например, перпендикулярно) направление потока газа. Контроллер 24 выбирает прикладываемое напряжение, чем обеспечивается управление электрическим полем, а оно, в свою очередь, обеспечивает выбор подвижности ионов, при которой ионы способны выйти через выпуск селектора ионов. Контроллер 24 может затем обеспечивать работу модификатора 6 ионов в первом режиме или во втором режиме, описанных выше, в результате чего модифицируют выбранное подмножество ионов или обеспечивают их прохождение, без изменения, в масс-спектрометр. В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 5, ионный затвор 14 является опциональным. Способы работы, описанные выше на примерах фиг. 1-4 могут быть также применимы для устройства, описанного на примере фиг. 5.

Нужно понимать, что рассмотренные варианты осуществления настоящего изобретения следует понимать как исключительно иллюстративные. Могут быть предложены и другие варианты осуществления настоящего изобретения. К примеру, для реализации селектора ионов может применяться метод спектрометрии на основе измерения ионной подвижности с использованием асимметричного поля. Эти варианты осуществления настоящего изобретения могут иметь конфигурацию, совпадающую с иллюстрацией фиг. 5, и при этом устройство 22 подачи напряжения может быть сконфигурировано для формирования асимметричного переменного напряжения, например, радиочастотного напряжения, что должно быть очевидно специалистам в данной области техники. В контексте настоящего изобретение это позволяет обеспечить выбор подмножества ионов на основе зависимости их подвижности от электрического поля, например, на основе их дифференциальной подвижности. В некоторых из вариантов осуществления устройства, проиллюстрированного на фиг. 5, в дополнение к применению газа-носителе, или в качестве альтернативы ему, для перемещения ионов к выпуску может применяться напряжения, например, могут использоваться электроды, аналогичные дрейфовым электродам 26, 28, показанным на фиг. 2. Нужно также понимать, что любой из описанных в данном документе вариантов осуществления устройства может применяться в способах идентификации исследуемых веществ. К примеру, они могут подключаться к масс-спектрометру и давать возможность использовать данные массовой спектрометрии (а также, возможно, данные о мобильности), связанные как с модифицированными, так и с немодифицированными ионами, при идентификации исследуемого вещества, например, для установления одного или более предполагаемых наименований вещества. Один из примеров подобного способа включает ионизацию пробы вещества.

Затем может быть выбрано подмножество этих ионов, например, с использованием любого из описанных в данном документе селекторов ионов. В качестве первого подмножества ионов пробы могут быть выбраны ионы с конкретной характеристикой подвижности, то есть, конкретной ионной подвижностью, например, с конкретной дифференциальной подвижностью. Первое подмножество ионов пробы может быть затем подано в масс-спектрометр, в результате чего получают первые данные массовой спектрометрии, например, описывающие отношения массы к заряду для этого подмножества ионов.

Затем из пробы может быть получено второе подмножество ионов (например, при помощи выбора их на основе аналогичной характеристики подвижности, к примеру, той же характеристики (или характеристик) подвижности, что и первое подмножество ионов).

Второе подмножество ионов затем может быть модифицировано, например, при помощи фрагментации ионов, к примеру, за счет воздействия на них переменным электрическим полем. Дочерние ионы, полученные в процессе модификации, могут быть затем поданы в масс-спектрометр для получения вторых данных массовой спектрометрии. Первые данные массовой спектрометрии и вторые данные массовой спектрометрии могут быть затем использованы при идентификации целевого вещества. Очевидно, нужно понимать, что порядок выполнения этих шагов может быть обратным. Также, при идентификации целевого вещества может использоваться характеристика подвижности первого подмножества ионов и/или второго подмножества ионов. Идентификации целевого вещества может включать установление одного или более предполагаемых наименований вещества.

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,

К примеру, описанные ниже способы, предложенные в настоящем изобретении, могут быть скомбинированы с любыми другими описанными в данном документе способами, и/или реализованы с использованием любого из описанных в данном документе устройств. Первый из подобных примеров включает введение пробы пара в область низкого давления в устройстве спектрометрии, ионизацию пробы, модификацию ионов, полученных в результате ионизации пробы, и подачу модифицированных ионов на датчик для анализа. Давление газа в области низкого давления может быть ниже атмосферного давления по меньшей мере на 200 мбар, например, ниже атмосферного давления по меньшей мере на 300 мбар. Упомянутые способы могут включать перемещение ионов из области ионизации к датчику и воздействие на ионы радиочастотным электрическим полем, одна из составляющих которого (например, доминирующая составляющая) параллельна направлению движения ионов в сторону датчика. Воздействие на ионы радиочастотного электрического поля может осуществляться при помощи двух электродов, расположенных на расстоянии друг от друга в направлении движения ионов к датчику.

Некоторые из примеров осуществления настоящего изобретения могут применяться для реализации устройств ступени впуска пробы для спектрометров, например, для масс-спектрометров. Такие впускные ступени могут включать область низкого давления, давление в которой на 200 мбар ниже, чем атмосферное, при этом область низкого давления может включать впуск 20 для получения пробы газообразной среды, ионизатор 18 для получения родительских ионов из пробы и модификатор 6 ионов, сконфигурированный для модификации родительских ионов в области низкого давления с целью получения дочерних ионов, а также выпуск, выполненный с возможностью подачи дочерних ионов на анализ с спектрометр. Модификатор 6 ионов может быть сконфигурирован для воздействия на ионы переменным радиочастотным электрическим полем, направление которого параллельно или в основном параллельно направлению движения ионов к выпуску.

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. В данном документе для описания функции селектора ионов в предложенном устройстве были рассмотрены несколько типов спектрометрии на базе измерения ионной подвижности, однако нужно понимать, что могут применяться и любые другие методы, основанные на измерении ионной подвижности, к примеру, такие методы ионной подвижности на основе бегущей волны. В контексте настоящего изобретения специалистам в данной области техники могут быть очевидны другие его примеры и модификации.

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 за счет воздействия на ионы магнитным полем для отклонения их траектории. 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 предложен материальный носитель, включающий программные инструкции, выполненные 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. В соответствующих случаях, 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 выпрямитель 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.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии. Ионный фильтр для масс-спектрометра включает модификатор ионов; селектор ионов, сконфигурированный для выбора подмножества из пробы ионов на основе их подвижности в газообразной среде; и контроллер, сконфигурированный для обеспечения функционирования модификатора ионов в первом режиме для модификации ионов, выбранных селектором ионов, в результате чего получают дочерние ионы, а также сконфигурированный для обеспечения функционирования модификатора ионов во втором режиме для вывода ионов, выбранных селектором ионов; при этом ионный фильтр выполнен с возможностью обеспечения вывода ионов из модификатора ионов на впуск масс-спектрометра. Технический результат - возможность создания более сильного электрического поля, воздействующего на ионы в дрейфовой камере. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ионный фильтр для масс-спектрометра, включающий:

модификатор ионов, содержащий два электрода, которые содержат проводники, проходящие поперек направления перемещения ионов;

селектор ионов, содержащий первый ионный затвор и второй ионный затвор и сконфигурированный для выбора подмножества из пробы ионов в зависимости от их подвижности в газообразной среде; и

контроллер, сконфигурированный для обеспечения функционирования модификатора ионов в первом режиме для модификации ионов, выбранных селектором ионов, в результате чего получают дочерние ионы, а также сконфигурированный для обеспечения функционирования модификатора ионов во втором режиме для вывода ионов, выбранных селектором ионов;

при этом ионный фильтр выполнен с возможностью подачи ионов из модификатора ионов на впуск масс-спектрометра.

2. Ионный фильтр для масс-спектрометра, включающий:

селектор ионов, содержащий первый ионный затвор и второй ионный затвор;

модификатор ионов, содержащий два электрода, которые содержат проводники, проходящие поперек направления перемещения ионов, при этом модификатор ионов выполнен с возможностью приема пробы ионов; и

контроллер, сконфигурированный для обеспечения функционирования модификатора ионов в первом режиме для модификации пробы ионов, в результате чего получают дочерние ионы, а также сконфигурированный для обеспечения функционирования модификатора ионов во втором режиме для вывода пробы ионов;

при этом селектор ионов сконфигурирован для выбора подмножества ионов из модификатора ионов на основе их подвижности в газообразной среде, и ионный фильтр выполнен с возможностью подачи выбранного подмножества ионов на впуск масс-спектрометра.

3. Ионный фильтр по п. 1 или 2, в котором селектор ионов включает модификатор ионов.

4. Ионный фильтр для масс-спектрометра, включающий:

модификатор ионов, содержащий два электрода, которые содержат проводники, проходящие поперек направления перемещения ионов; селектор ионов, содержащий первый ионный затвор и второй ионный затвор, при этом второй ионный затвор отделен от первого ионного затвора дрейфовой камерой и модификатором ионов, а селектор ионов сконфигурирован для выбора ионов в зависимости от их подвижности в газообразной среде, и контроллер, сконфигурированный для обеспечения функционирования модификатора ионов для модификации родительских ионов, в результате чего получают дочерние ионы, подвижность которых в газообразной среде отличается от родительских ионов,

при этом селектор ионов сконфигурирован для выбора, в зависимости от их подвижности в газообразной среде, подмножества ионов, полученных из модификатора, и для подачи выбранного подмножества ионов в масс-спектрометр.

5. Ионный фильтр по п. 4, в котором контроллер сконфигурирован для выбора:

(a) обеспечения функционирования модификатора ионов в первом режиме для модификации ионов и вывода дочерних ионов; или

(b) обеспечения функционирования модификатора ионов во втором режиме для вывода немодифицированных родительских ионов.

6. Ионный фильтр по любому из пп. 1−3, в котором контроллер сконфигурирован:

для обеспечения функционирования селектора ионов для выбора первого подмножества ионов из пробы,

для обеспечения функционирования модификатора ионов во втором режиме для вывода первого подмножества ионов;

для обеспечения функционирования селектора ионов для выбора второго подмножества ионов из пробы, и

для обеспечения функционирования модификатора ионов в первом режиме для вывода дочерних ионов.

7. Ионный фильтр по п. 6, в котором селектор ионов сконфигурирован для выбора первого подмножества ионов и второго подмножества ионов таким образом, что до обработки модификатором ионов первое подмножество ионов и второе подмножество ионов имеют одинаковую подвижность.

8. Ионный фильтр по любому из предшествующих пунктов, в котором выбор ионов в зависимости от подвижности в газообразной среде включает выбор ионов на основе дифференциальной ионной подвижности или ионной подвижности.

9. Ионный фильтр по любому из предшествующих пунктов, в котором модификатор ионов выполнен с возможностью модификации ионов в области, имеющей давление газа, равное по меньшей мере 500 мбар, например по меньшей мере 800 мбар, например около атмосферного давления.

10. Ионный фильтр по любому из предшествующих пунктов, в котором селектор ионов выполнен с возможностью выбора ионов на основе их подвижности в области, имеющей давление газа, равное по меньшей мере 500 мбар, например по меньшей мере 800 мбар, например около атмосферного давления.

11. Ионный фильтр по любому из предшествующих пунктов, в котором селектор ионов включает первый аппликатор электрического поля, сконфигурированный для перемещения ионов через дрейфовый газ к ионному затвору.

12. Ионный фильтр по п. 11, в котором контроллер сконфигурирован для выбора подмножества ионов путем управления временем срабатывания ионного затвора.

13. Ионный фильтр по п. 11 или 12, в котором модификатор ионов включает второй аппликатор электрического поля, сконфигурированный для воздействия на ионы переменным электрическим полем, направление которого совпадает с направлением движения ионов через модификатор ионов.

14. Ионный фильтр по любому из пп. 1−11, в котором селектор ионов выполнен с возможностью воздействия отклоняющим электрическим полем для отклонения ионов, переносимых в потоке газа, при этом контроллер сконфигурирован для управления отклоняющим полем для выбора подмножества ионов.

15. Ионный фильтр по п. 14, в котором селектор ионов включает одно из следующего: сканирующий ионный фильтр, спектрометр дифференциальной ионной подвижности или спектрометр ионной подвижности в асимметричном поле.

16. Ионный фильтр по любому из предшествующих пунктов, в котором модификатор ионов выполнен с возможностью воздействия переменным электрическим полем, имеющим частоту по меньшей мере 2,5 МГц, для фрагментации ионов.

17. Способ идентификации исследуемого вещества с использованием ионного фильтра по любому из предыдущих пунктов, включающий:

ионизацию пробы вещества для получения ионов пробы;

выбор первого подмножества ионов пробы на основе характеристики подвижности ионов пробы;

подачу первого подмножества ионов пробы в масс-спектрометр для получения первых данных массовой спектрометрии;

выбор второго подмножества ионов пробы на основе характеристики подвижности ионов пробы;

модификацию второго подмножества ионов для получения дочерних ионов;

подачу дочерних ионов в масс-спектрометр для получения вторых данных массовой спектрометрии;

применение первых данных массовой спектрометрии и вторых данных массовой спектрометрии для идентификации исследуемого вещества.

18. Способ по п. 17, в котором модификации ионов включает воздействие на ионы переменным электрическим полем для их фрагментации.

19. Способ по п. 17 или 18, также включающий использование характеристики подвижности первого подмножества ионов и/или второго подмножества ионов при идентификации исследуемого вещества.

20. Способ по любому из пп. 17−19, в котором первое подмножество и второе подмножество получают из одной пробы.

21. Способ по любому из пп. 17−20, в котором первое подмножество ионов и второе подмножество ионов выбирают таким образом, чтобы они имели одинаковую характеристику подвижности.

22. Способ по любому из пп. 17−21, в котором характеристика подвижности включает ионную подвижность, например дифференциальную подвижность.