СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПОСОБА РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ НА ОСНОВЕ ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ Российский патент 2023 года по МПК G01N27/622 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способам и устройству для идентификации представляющих интерес веществ и, в частности, к способам и устройству для отбора и/или модификации ионов, которые обеспечивают улучшенную идентификацию представляющего интерес вещества в образце.

Предпосылки создания изобретения

Имеется потребность обнаруживать следы представляющих интерес веществ, таких как взрывчатые вещества, наркотики и боевые отравляющие вещества. Надежная и точная идентификация очень важна. Анализ может быть выполнен с использованием спектрометров, таких как спектрометры ионной подвижности и/или масс-спектрометры.

Спектрометры ионной подвижности (ion mobility spectrometer, IMS) способны идентифицировать вещество из представляющего интерес образца путем ионизации этого вещества (например, молекул, атомов) и измерения времени, которое требуется полученным ионам, чтобы пройти известное расстояние под воздействием известного электрического поля. Такой способ известен как спектрометрия ионной подвижности на основе измерения времени пролета (time of flight ion mobility spectrometry, TOFIMS). Время пролета пакетов ионов можно измерить детектором. Это время связывают с подвижностью иона. Подвижность иона зависит от его массы и геометрии. Поэтому с помощью измерения времени пролета иона в детекторе можно идентифицировать этот ион. Времена пролета можно отобразить графически или численно в виде плазмограммы.

Имеются также и другие виды спектрометрии ионной подвижности. Например, в спектрометрии дифференциальной ионной подвижности ионы отбирают на основе зависимости ионной подвижности от величины электрического поля. Для этого на ионы воздействуют переменным электрическим полем так, чтобы только те ионы, которые имеют выбранную дифференциальную подвижность, могли пройти через спектрометр. Например, в спектрометрии ионной подвижности в асимметричном поле ионы разделяют путем приложения высоковольтного радиочастотного поля асимметричной формы совместно с постоянным напряжением. При изменении электрического поля в зависимости от соотношения подвижности иона в сильном поле и подвижности иона в слабом поле он перемещается к одному или другому электроду. Только те ионы, которые имеют специфическую дифференциальную подвижность, пройдут через устройство.

Ионы также можно различать на основе их отношения массы к заряду. Масс-спектрометрия основана на ионизации химических соединений для образования заряженных молекул или фрагментов молекул и измерения их отношения массы к заряду. В типичной процедуре масс-спектрометрии ионы разделяют согласно их отношению массы к заряду, как правило, ускоряя их и измеряя величину, на которую они отклоняются приложенным электрическим или магнитным полем. Некоторые масс-спектрометры работают с использованием ионных ловушек. Масс-спектры отображают относительное количество обнаруженных ионов как функцию их отношения массы к заряду. Ионы можно идентифицировать путем сравнения известных масс с идентифицированными массами или сравнения полученных спектров с известными спектрами. Ионы с одинаковым отношением массы к заряду отклоняются на одинаковую величину, однако одинаковое отношение массы к заряду могут иметь разные виды ионов.

Для улучшения способности спектрометра идентифицировать ионы в представляющем интерес образце предлагается модифицировать некоторые из ионов с использованием радиочастотного электрического поля (например, фрагментируя их) для обеспечения дополнительной информации, которую можно использовать для идентификации ионов. Это дает дополнительные степени свободы при измерении характеристик ионов и поэтому позволяет лучше различать ионы. Если измерения проводятся в присутствии загрязняющих веществ, в трудных рабочих условиях, или если образец содержит ионы с близкими структурами, массами и т.д., способность обнаружения и идентификации ионов ухудшается. Модификация ионов представляет собой один из способов решения этих проблем.

Желательно повысить чувствительность способов спектрометрии ионной подвижности и чувствительность способов разделения ионов на основе ионной подвижности.

Сущность изобретения

Аспекты и примеры осуществления изобретения изложены в формуле изобретения, а целью изобретения является решение по меньшей мере некоторых описанных выше технических проблем, а также технических проблем, связанных с ними.

Способы и устройство согласно настоящему изобретению находят применение в спектрометрии ионной подвижности и в системах масс-спектрометрии, в которых используются способы разделения ионов на основе ионной подвижности.

Краткое описание чертежей

Ниже описаны варианты осуществления настоящего изобретения, приведенные в качестве примера, со ссылками на сопровождающие чертежи.

На фиг. 1 показана схема спектрометра ионной подвижности.

На фиг. 2 показана схема спектрометра ионной подвижности, такого как спектрометр, показанный на фиг. 1.

На фиг. 3 показана блок-схема, иллюстрирующая способ работы спектрометра ионной подвижности, такого как спектрометр, показанный на фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 4 показана схема сепаратора ионов на основе ионной подвижности, предназначенного для установки на входе масс-спектрометра.

На чертежах одинаковыми позициями обозначены аналогичные элементы.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показано сечение спектрометра 100 ионной подвижности. На фиг. 2 показана схема этого же спектрометра 100 ионной подвижности для обеспечения лучшего понимания схемы, показанной на фиг. 1.

В качестве общего введения: ионный затвор в спектрометре 100 ионной подвижности, показанный на фиг. 1, используется как для того, чтобы препятствовать выходу ионов из реакционной области 103, так и для модификации ионов. Ионный затвор содержит первый электрод 106-1 и второй электрод 106-2, который может быть пространственно отделен от первого электрода 106-1 в направлении дрейфа в спектрометре ионной подвижности (например, в направлении продольной оси камеры IMS).

Чтобы закрыть затвор 106, между первым электродом 106-1 и вторым электродом 106-2 подают разность потенциалов, препятствующую выходу ионов из реакционной области 103. Чтобы открыть затвор, постоянным напряжением на первом электроде 106-1 и втором электроде 106-2 управляют так, чтобы согласовать его с профилем напряжения спектрометра 100 ионной подвижности. Кроме того, когда затвор открыт, между первым электродом 106-1 и вторым электродом 106-2 подают радиочастотное напряжение для фрагментации ионов при их прохождении через затвор 106.

Обратимся к более подробному описанию фиг. 1: показанный спектрометр ионной подвижности может содержать ионизатор 102 и реакционную область 103, которая отделена от дрейфовой области 104 затвором 106. Затвор 106 содержит первый электрод 106-1 и второй электрод 106-2.

Как показано на чертеже, спектрометр 100 ионной подвижности имеет вход 108 (не показан на фиг. 2), позволяющий вводить вещество из образца в реакционную область 103, где оно может быть ионизировано ионами реагента, создаваемыми ионизатором 102. Вход 108 может представлять собой микроотверстие или мембранный вход для получения образца газообразной среды, такой как пар или газ. Ионизатор 102 может содержать источник ионов, такой как элемент с коронным разрядом или радиоактивный источник.

В примере, показанном на фиг. 1, дрейфовая область 104 находится между затвором 106 и коллектором 118. Дрейфовые электроды 120а, 120b разнесены вдоль дрейфовой области 104 для создания профиля напряжения, чтобы обеспечить перемещение ионов из реакционной области к коллектору 118. Профиль напряжения, создаваемый дрейфовыми электродами 120а, 120b, может представлять собой однородное электрическое поле (например, пространственно однородный градиент напряжения) в направлении дрейфа от ионизатора 102 вдоль дрейфовой области 104 к коллектору 118.

Коллектор 118 может быть подключен так, чтобы передавать сигнал в контроллер 200. Ток из коллектора 118 может использоваться контроллером 200 и может указывать на то, что ионы достигли коллектора 118, а характеристика ионов может быть определена на основе времени, требующегося ионам, чтобы пройти от затвора 106 вдоль дрейфовой области 104 к коллектору 118. Варианты осуществления коллектора 118 сконфигурированы так, чтобы вырабатывать сигнал, указывающий на то, что ионы достигли коллектора 118. Например, коллектор может содержать проводящий электрод (такой как пластина Фарадея), который может быть заряжен для захвата ионов.

В конце дрейфовой области 104, рядом с коллектором 118, может иметься вход 90 для дрейфового газа, чтобы обеспечить поток дрейфового газа в дрейфовую камеру. Выход 92 для дрейфового газа может быть выполнен в конце дрейфовой области 104 рядом с затвором 106, так чтобы дрейфовый газ мог течь из коллектора 118 к затвору 106. Таким образом, ионы могут перемещаться от затвора 106 к коллектору 118 согласно профилю напряжения и против потока дрейфового газа, чтобы время их прохождения через дрейфовый газ можно было использовать для получения информации об их подвижности. Примеры дрейфовых газов включают, не ограничиваясь этим, азот, гелий, воздух, рециркулируемый воздух (например, очищенный и/или осушенный воздух), и т.д.

Каждый из двух электродов 106-1, 106-2 затвора может содержать массив удлиненных проводников, таких как провода, которые могут быть расположены поперек камеры IMS, например, поперек направления дрейфа из реакционной области в детектор. Удлиненные проводники могут быть размещены в виде сетки, например ячеистой сетки. Как показано на чертеже, между проводниками каждого из электродов 106-1, 106-2 модификатора ионов могут быть промежутки, чтобы при движении ионы могли проходить через каждый электрод сквозь эти промежутки. Первый электрод 106-1 может быть расположен рядом с реакционной областью и может отделять второй электрод 106-2 от реакционной области.

Удлиненные проводники первого электрода 106-1 могут быть параллельны друг другу и расположены в виде единого плоского массива, заключенного в пределах камеры IMS (например, удлиненные проводники первого электрода 106-1 могут быть компланарными по отношению друг к другу).

Как и для первого электрода, удлиненные проводники второго электрода 106-2 также могут быть параллельны друг другу и расположены в виде единого плоского массива, заключенного в пределах камеры IMS (например, удлиненные проводники второго электрода 106-2 могут быть компланарными по отношению друг к другу).

Первый электрод 106-1 и второй электрод 106-2 могут быть некомпланарными по отношению друг к другу. Например, они могут быть пространственно разнесены в направлении дрейфа в камере IMS. Как правило, расстояние между первым электродом 106-1 и вторым электродом 106-2 может составлять по меньшей мере 200 микрон. Удлиненные проводники первого из электродов 106-1 могут быть параллельны проводникам второго электрода 106-2. Кроме того, удлиненные проводники первого электрода 106-1 могут быть выровнены с проводниками второго электрода и ориентированы в поперечном направлении. Например, они могут быть выровнены друг с другом в поперечном направлении (например, перпендикулярно) относительно направления дрейфа. Таким образом, если смотреть в направлении дрейфа (например, в направлении продольной оси камеры), удлиненные проводники второго электрода 106-2 могут быть полностью скрыты проводниками первого электрода 106-1. Например, указанные два электрода 106-1, 106-2 могут быть структурно одинаковыми и выровненными в поперечном направлении. Это может способствовать уменьшению ионных потерь вследствие столкновений, а также повысить чувствительность устройства благодаря предотвращению искажения напряжением второго электрода электрического поля перед первым электродом.

Источник 202 напряжения связан с ионным затвором 106 и с дрейфовыми электродами 120а, 120b. Он может быть связан с ионизатором. Источник напряжения может содержать электрическую схему, такую как источник питания и/или последовательный делитель напряжения, сконфигурированный для создания профиля напряжения посредством дрейфовых электродов 120а, 120b в дрейфовой области 104. Кроме того, он содержит электрическую схему, предназначенную для подачи выбранного постоянного напряжения на каждый из двух электродов 106-1, 106-2 ионного затвора 106. Он также содержит электрическую схему, такую как генератор радиочастотных сигналов для подачи переменного радиочастотного напряжения между указанными двумя электродами 106-1, 106-2.

Контроллер 200 может быть связан с источником 202 напряжения для управления указанными напряжениями, а также с коллектором 118 для приема сигналов, указывающих на достижение ионами коллектора 118.

Таким образом, контроллер 200 может управлять затвором 106, чтобы управлять прохождением ионов из реакционной области в дрейфовую область 104. Чтобы препятствовать перемещению ионов из реакционной области в дрейфовую область, он может управлять источником напряжения для подачи между указанными двумя электродами 106-1, 106-2 напряжения, создающего барьер для ионов. Это напряжение может обеспечивать электрическое поле, которое противодействует электрическому полю, связанному с профилем напряжения. Например, напряжением второго электрода 106-2 в ионном затворе 106 можно управлять так, чтобы оно соответствовало профилю напряжения в местоположении второго электрода 106-2, в то время как на первый электрод 106-1 ионного затвора можно подать другое напряжение для обеспечения электрического поля, которое противодействует электрическому полю, связанному с профилем напряжения.

Чтобы открыть затвор 106, контроллер 200 управляет источником 202 напряжения так, чтобы постоянное напряжение между двумя электродами ионного затвора соответствовало профилю напряжения. Например, чтобы открыть затвор, на первый электрод 106-1 может быть подано такое постоянное напряжение, чтобы оно соответствовало (например, было равно) напряжению профиля в этом местоположении. Это позволит ионам пройти через промежутки между проводниками первого электрода 106-1 в область 129 (более четко показанную на фиг. 2) между электродами 106-1, 106-2. Затем ионы могут перемещаться из области 129 через промежутки между проводниками электрода 106-2 и продолжать перемещение в направлении дрейфа (например, согласно профилю напряжения) к коллектору 118.

Однако пока ионы находятся в области 129 между электродами 106-1, 106-2, они могут быть подвергнуты воздействию переменного радиочастотного электрического поля. Например, контроллер 200 может управлять источником напряжения 202 для подачи радиочастотного напряжения между первым электродом 106-1 и вторым электродом 106-2, при этом поддерживая затвор открытым (например, управляя постоянным напряжением между указанными двумя электродами 106-1, 106-2 так, чтобы оно соответствовало профилю напряжения). Например, радиочастотное напряжение может быть наложено на постоянную разность потенциалов между указанными двумя электродами 106-1, 106-2.

Контроллер 200 и источник 202 напряжения могут быть сконфигурированы так, чтобы закрывать затвор, возвращая первый электрод 106-1 ионного затвора 106 к предыдущему значению постоянного напряжения (например, отличающемуся от профиля напряжения, чтобы создать барьер для прохождения ионов). Они могут быть также сконфигурированы, чтобы выключать радиочастотное напряжение между электродами 106-1, 106-2 затвора, когда затвор закрыт.

Ниже работа устройства, показанного на фиг. 1 и фиг. 2, будет описана со ссылкой на фиг. 3.

Изначально из входа в ионизатор получают 300 образец газообразной среды (например, газа или пара).

Затем управляют 302 ионизатором для образования ионов реагента, которые могут быть смешаны с образцом в реакционной области для ионизации образца. Чтобы препятствовать выходу ионов из реакционной области 103, между первым электродом 106-1 и вторым электродом 106-2 ионного затвора подают 304 постоянное напряжение, отличающееся от профиля напряжения. Эта постоянная разность потенциалов противодействует профилю напряжения и, таким образом, препятствует тому, чтобы ионы покидали реакционную область 103 и перемещались вдоль дрейфовой области 104.

Затем можно открыть 306 ионный затвор 106, позволяя ионам перемещаться из реакционной области в дрейфовую область и к коллектору. Затвор удерживают открытым таким способом в течение выбранного периода (называемого длительностью строба), позволяя пакету ионов пройти через затвор. Затем затвор закрывают 308. Этот период времени (длительность строба) определяет ширину пакета ионов, а также задает фундаментальный предел разрешающей способности во времени для камеры спектрометра ионной подвижности - обычно длительность строба составляет приблизительно 200 микросекунд.

Пакет ионов перемещается вдоль дрейфовой камеры (согласно профилю напряжения) навстречу потоку дрейфового газа и может расплываться в направлении дрейфа на пути к коллектору 118, при этом более подвижные ионы движутся быстрее. Таким образом, время пролета ионов характеризует их подвижность при движении через дрейфовый газ.

Контроллер может принимать из коллектора сигналы, указывающие на достижение ионами коллектора, а путем сравнения времени прихода этих сигналов со временем открытия затвора можно определить 310 время пролета ионов в пакете. Это время пролета, в свою очередь, может использоваться для получения информации об ионной подвижности и, таким образом, для их идентификации.

Однако в контексте настоящего изобретения очевидно, что пики в плазмограмме могут иметь определенную ширину и могут маскироваться или перекрываться другими пиками. Кроме того, некоторые ионы могут связываться с ионами и/или молекулами в реакционной области.

По этим и другим причинам однозначная идентификация ионов по плазмограмме затруднительна. В такой ситуации контроллер может выполнить повторный эксперимент, например, повторить измерение времени пролета для второго пакета ионов.

Соответственно, контроллер может определить 312, имеется ли неоднозначность в идентификации ионов по данным о времени пролета. Если нет, образец идентифицируют 314 на основе данных о времени пролета.

Когда данные о времени пролета не обеспечивают однозначной идентификации образца, ионный затвор 106 можно открыть 316 во второй раз, чтобы позволить следующему пакету ионов выйти из реакционной области. Этот следующий пакет ионов может быть получен последующей работой входа 108 для образца и ионизатора 102, как описано выше.

После открытия затвора этот следующий пакет ионов перемещается из реакционной области в область 129 между первым электродом 106-1 и вторым электродом 106-2.

Затем подают 318 радиочастотное напряжение между первым электродом 106-1 и вторым электродом 106-2. Это может повысить эффективную температуру ионов для их фрагментации с образованием дочерних ионов. Как правило, радиочастотное напряжение, поданное между электродами, имеет частоту по меньшей мере 2,5 МГц и напряженность порядка 10⁴ В⋅см^-1. Например, радиочастотное напряжение может иметь параметры приблизительно 8 МГц и приблизительно 40000 В⋅см^-1.

Пока затвор открыт, дочерние ионы, образованные при фрагментации, могут перемещаться (под влиянием постоянной разности потенциалов между этими двумя электродами 106-1, 106-2) из области модификации в дрейфовую область.

В конце длительности строба затвор может быть закрыт 320 путем повторной подачи запирающего напряжения. На данном этапе радиочастотное напряжение также может быть выключено. Дочерние ионы могут перемещаться в дрейфовую область согласно профилю напряжения через дрейфовый газ к коллектору.

При этом можно определить 322 время пролета дочерних ионов от ионного затвора до коллектора. Затем контроллер может использовать время пролета дочерних ионов и время пролета предыдущего пакета ионов, чтобы попытаться идентифицировать 314 ионы.

В контексте настоящего описания очевидно, что предыдущий цикл операции, в котором камерой спектрометра 100 ионной подвижности управляют без подачи радиочастотного напряжения на электроды 106-1, 106-2 затвора, является опциональным. Радиочастотное напряжение может быть подано без предшествующего цикла, в котором оно не подавалось. Преимущество изобретения заключается в том, что, поскольку используются только два электрода как для затвора, так и для процесса модификации ионов, можно уменьшить потери ионов вследствие столкновения с электродами. Кроме того, время дрейфа между ионным затвором и коллектором может быть увеличено по сравнению с системами, в которых ионный модификатор установлен в некотором промежуточном положении вдоль дрейфовой камеры. Это может повысить избирательность систем спектрометров ионной подвижности (например, способность дифференциации различных видов ионов с близкой подвижностью).

Электроды 120а, 120b могут быть расположены так, чтобы направлять ионы к коллектору 118, например, дрейфовые электроды 120а, 120b могут содержать кольца, расположенные вокруг дрейфовой области 104 для фокусировки ионов на детектор 118. Хотя в примере на фиг. 1 показано только два дрейфовых электрода 120а, 120b, в некоторых примерах может использоваться множество электродов, или же для создания электрического поля и направления ионов к детектору 118 может использоваться единственный электрод в сочетании с детектором 118. На фиг. 1 первый электрод и второй электрод показаны как пространственно разнесенные в направлении дрейфа, но в контексте настоящего изобретения очевидно, что могут использоваться и ионные затворы, лежащие в одной плоскости.

На фиг. 4 показана схема сепаратора ионов на основе ионной подвижности, предназначенного для установки на входе масс-спектрометра.

Устройство, показанное на фиг. 4, идентично описанным выше со ссылками на фиг. 1 и фиг. 2, за исключением того, что:

(a) ионный затвор, который отделяет реакционную область от дрейфовой области, может быть стандартным ионным затвором, таким как стандартный затвор Брэдбери-Нильсена (Bradbury-Nielsen Gate) или затвор Тиндола-Пауэлла (Tyndall Powell Gate);

(b) коллектор 118 отсутствует, а на его месте установлен второй ионный затвор 106, содержащий первый электрод 106-1 и второй электрод 106-2, которыми можно управлять, как описано выше в отношении ионного затвора 106, показанного на фиг. 1 и фиг. 2;

(c) за вторым ионным затвором имеется выход, отделенный от дрейфовой области 104 ионного сепаратора вторым ионным затвором.

Соответственно, контроллер может отобрать часть образца ионов на основе их подвижности в дрейфовом газе путем управления временами открытия первого ионного затвора и второго ионного затвора. Например, выбор времени открытия второго ионного затвора может быть выбран с учетом времени открытия первого ионного затвора так, чтобы на выход прошли только те ионы, которые имеют определенное время пролета вдоль дрейфовой камеры (и/или выбранный диапазон или диапазоны времен пролета).

Выход может содержать капилляр или другой трубопровод, выполненный с возможностью соединения со входом масс-спектрометра. Для направления ионов вдоль этого узкого прохода можно использовать устройство для фокусировки ионов, такое как ионопровод. Второй ионный затвор 106 расположен между дрейфовой областью и выходом сепаратора с формированием между ними управляемого барьера.

Указанные два электрода 106-1, 106-2 второго ионного затвора 106 пространственно разнесены в направлении дрейфа сепаратора ионной подвижности.

Как показано на фиг. 4, ионный сепаратор на основе ионной подвижности содержит источник ионов, например микроотверстие или мембранный вход для получения образца газообразной среды, такой как пар или газ, и ионизатор для ионизации образца. Как и в устройстве, показанном на фиг. 1, ионизатор может содержать источник ионов, например элемент коронного разряда или источник радиации. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения образец можно ионизировать с использованием ионизированного газа-реагента.

Во время работы контроллер управляет входом для ввода образца в реакционную область и управляет ионизатором для ионизации образца - как правило, путем образования ионов реагента и смешивания их с образцом в реакционной области.

Затем открывают первый ионный затвор, чтобы позволить пакету ионов перемещаться вдоль дрейфовой области ко второму ионному затвору. В контексте настоящего описания очевидно, что этот пакет ионов может разделяться в продольном направлении по мере перемещения вдоль дрейфовой камеры вследствие разной подвижности ионов в пакете.

Первоначально второй ионный затвор 106 может быть закрыт путем подачи запирающего напряжения между двумя электродами 106-1, 106-2 второго ионного затвора. Это может заставить ионы, достигающие второго ионного затвора, нейтрализоваться на первом электроде 106-1 и, таким образом, препятствовать достижению ими выхода и покиданию через него сепаратора. Запирающее напряжение представляет собой напряжение, которое соответствует профилю напряжения на первом электроде 106-1. Это может способствовать уменьшению отклонений профиля напряжения в дрейфовой области.

Затем можно открыть второй ионный затвор 106, например, путем подачи на второй электрод 106-2 напряжения, также соответствующего профилю напряжения, чтобы позволить ионам, достигшим первого электрода 106-1, перемещаться вперед к выходу. Пока второй ионный затвор 106 открыт, ионы могут перемещаться в область модификации между двумя электродами второго ионного затвора.

Во время этого периода между указанными двумя электродами подают радиочастотное напряжение для фрагментации ионов при их прохождении через эту область. Дочерние ионы, образованные в процессе фрагментации, могут, таким образом, попадать на выход для прохождения на вход масс-спектрометра.

Затем затвор можно снова закрыть, чтобы нейтрализовать следующие ионы (например, те, которые приходят после отобранной части ионов) и препятствовать достижению ими выхода.

Как отмечено выше, открытие второго ионного затвора может включать подачу постоянной разности потенциалов между двумя электродами второго ионного затвора. Эта постоянная разность потенциалов может соответствовать профилю напряжения так, чтобы электрическое поле вдоль дрейфовой области до выхода было однородным, когда второй затвор открыт. Радиочастотное напряжение, поданное между этими двумя электродами 106-1, 106-2 для фрагментации ионов, может быть наложено на постоянную разность потенциалов между ними.

Радиочастотное напряжение между этими двумя электродами 106-1, 106-2 может иметь частоту по меньшей мере 2,5 МГц. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения эта частота составляет по меньшей мере 3 МГц или по меньшей мере 5 МГц, а в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения - по меньшей мере 6 МГц. В других вариантах выполнения настоящего изобретения эта частота составляет меньше 100 МГц, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения эта частота составляет меньше 50 МГц, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения меньше 20 МГц, а в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения меньше 15 МГц или меньше 10 МГц. Например, эта частота может лежать между 3 МГц и 20 МГц или между 6 МГц и 12 МГц. В некоторых примерах частота равна приблизительно 8 МГц.

Источник напряжения может управлять напряжением на двух электродах 106-1, 106-2 затвора, чтобы менять его во время длительности строба с выбранным сдвигом фаз, например, контроллер напряжения может управлять напряжением на двух электродах 106-1, 106-2 затвора так, чтобы положительное отклонение напряжения на одном электроде происходило во время отрицательного отклонения напряжения на другом. Например, источник напряжения может управлять напряжением на двух электродах 106-1, 106-2 затвора так, чтобы они изменялись в противофазе. Отклонения напряжения на этих двух электродах могут иметь одинаковую амплитуду.

Из описания очевидно, что варианты выполнения настоящего изобретения, показанные на чертежах, приведены просто в качестве примера и включают технические признаки, которые могут быть обобщены, исключены или заменены, как описано выше или изложено в формуле изобретения. Что касается чертежей в целом, использовались функциональные схемы для описания функциональных частей раскрытых здесь систем и устройства. Очевидно, однако, что это функциональное разделение не обязано быть в точности таким и не подразумевает конкретную структуру аппаратных средств, кроме описанных в формуле изобретения. Функция одного или нескольких элементов, показанных на чертежах, может быть далее разделена и/или распределена по всему устройству согласно изобретению. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения функция одного или нескольких элементов, показанных на чертежах, может быть объединена в один функциональный блок.

В некоторых примерах функции контроллера может выполнять процессор общего назначения, который может быть сконфигурирован для осуществления способа согласно любому из описанных здесь примеров. В некоторых примерах контроллер может содержать элементы цифровой логики, такие как программируемые вентильные матрицы (field programmable gate arrays, FPGA), специализированные интегральные схемы (application specific integrated circuits, ASIC), процессор цифрового сигнала (digital signal processor, DSP) или любые другие подходящие аппаратные средства. В некоторых примерах один или несколько запоминающих элементов могут хранить данные и/или программные инструкции, используемые для выполнения операций, описанных выше. Варианты выполнения настоящего изобретения предусматривают физические материальные носители данных, содержащие программные инструкции для программирования процессора на выполнение одного или нескольких способов, описанных и/или заявленных здесь, и/или реализации устройства для обработки данных, описанного и/или заявленного здесь. Контроллер может содержать аналоговую цепь управления, которая обеспечивает по меньшей мере некоторые из указанных функций управления. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения имеется аналоговая цепь управления, сконфигурированная для выполнения одного или нескольких описанных способов.

Раскрытые выше варианты выполнения настоящего изобретения следует рассматривать как иллюстративные примеры. Возможны и другие варианты выполнения настоящего изобретения. Очевидно, что любой технический признак, описанный в отношении любого варианта выполнения настоящего изобретения, может быть использован по отдельности или в комбинации с другими описанными техническими признаками и в комбинации с одним или несколькими техническими признаками любых других вариантов выполнения настоящего изобретения или с любой комбинацией любых других вариантов выполнения настоящего изобретения. Кроме того, также могут использоваться эквивалентные замены и модификации, не описанные выше, в пределах сущности изобретения, определяемой формулой изобретения.

Использование: для идентификации веществ с использованием способа разделения ионов на основе ионной подвижности. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют подачу разности потенциалов между первым электродом ионного затвора и вторым электродом ионного затвора, чтобы препятствовать выходу ионов из реакционной области спектрометра ионной подвижности; открытие ионного затвора, чтобы позволить ионам перемещаться из реакционной области в область модификации между первым электродом и вторым электродом; подачу радиочастотного (RF) напряжения между первым электродом и вторым электродом для фрагментации ионов в области модификации с образованием дочерних ионов; предоставление возможности дочерним ионам перемещаться из области модификации в дрейфовую область спектрометра ионной подвижности в направлении к коллектору; закрытие ионного затвора и определение времени пролета дочерних ионов от ионного затвора до коллектора, причем первый электрод пространственно смещен относительно второго электрода в направлении дрейфа в спектрометре ионной подвижности. Технический результат: обеспечение возможности лучше различать ионы. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ спектрометрии ионной подвижности, включающий:

(i) подачу разности потенциалов между первым электродом ионного затвора и вторым электродом ионного затвора, чтобы препятствовать выходу ионов из реакционной области спектрометра ионной подвижности;

(ii) открытие ионного затвора, чтобы позволить ионам перемещаться из реакционной области в область модификации между первым электродом и вторым электродом;

(iii) подачу радиочастотного (RF) напряжения между первым электродом и вторым электродом для фрагментации ионов в области модификации с образованием дочерних ионов;

(iv) предоставление возможности дочерним ионам перемещаться из области модификации в дрейфовую область спектрометра ионной подвижности в направлении к коллектору;

(v) закрытие ионного затвора и

(vi) определение времени пролета дочерних ионов от ионного затвора до коллектора, причем первый электрод пространственно смещен относительно второго электрода в направлении дрейфа в спектрометре ионной подвижности.

2. Способ по п.1, включающий подачу профиля напряжения для перемещения ионов из реакционной области к коллектору,

при этом (ii) открытие затвора включает подачу между первым электродом и вторым электродом постоянной разности потенциалов, которая соответствует указанному профилю напряжения.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором первый электрод отделяет второй электрод от реакционной области, а указанная разность потенциалов представляет собой напряжение, которое соответствует профилю напряжения на втором электроде.

4. Способ по п. 3, в котором указанная подача разности потенциалов включает создание между первым электродом и вторым электродом электрического поля, которое противодействует указанному профилю напряжения.

5. Способ по любому из пп. 2–4, в котором на постоянную разность потенциалов накладывают радиочастотное напряжение.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, также включающий:

до выполнения шагов (ii)–(vi), открытие затвора, чтобы позволить предыдущему пакету ионов перемещаться из реакционной области в дрейфовую область и к коллектору, закрытие затвора и определение времени пролета предыдущего пакета ионов от ионного затвора до коллектора.

7. Способ по п. 6, в котором указанные ионы и предыдущий пакет ионов получают из одного и того же образца, причем способ включает идентификацию присутствия в образце вещества, представляющего интерес, на основе времени пролета дочерних ионов и времени пролета предыдущего пакета ионов.

8. Спектрометр ионной подвижности, содержащий:

реакционную область,

дрейфовую область, имеющую профиль напряжения, согласно которому ионы перемещаются в направлении дрейфа из реакционной области к коллектору;

ионный затвор, содержащий первый электрод и второй электрод, и

контроллер напряжения затвора, сконфигурированный для:

подачи разности потенциалов между первым электродом и вторым электродом, чтобы препятствовать выходу ионов из реакционной области;

открытия ионного затвора, чтобы позволить ионам перемещаться из реакционной области в область модификации между первым электродом и вторым электродом;

подачи радиочастотного (RF) напряжения между первым электродом и вторым электродом для фрагментации ионов в области модификации с образованием дочерних ионов;

предоставления возможности дочерним ионам перемещаться из области модификации в дрейфовую область и

закрытия ионного затвора путем подачи разности потенциалов между первым электродом и вторым электродом;

при этом спектрометр ионной подвижности сконфигурирован для определения времени пролета дочерних ионов от ионного затвора через дрейфовую область к коллектору, причем первый электрод пространственно смещен относительно второго электрода в направлении дрейфа.

9. Спектрометр ионной подвижности по п. 8, в котором как первый электрод, так и второй электрод содержат множество удлиненных проводников, при этом каждый удлиненный проводник первого электрода выровнен, в направлении, перпендикулярном направлению дрейфа, с соответствующим удлиненным проводником второго электрода.

10. Спектрометр ионной подвижности по п. 8 или 9, в котором первый электрод отделяет второй электрод от реакционной области, а указанная разность потенциалов представляет собой напряжение, которое соответствует профилю напряжения на втором электроде.

11. Спектрометр ионной подвижности по п. 10, в котором указанная подача разности потенциалов включает создание между первым электродом и вторым электродом электрического поля, которое противодействует указанному профилю напряжения.

12. Спектрометр ионной подвижности по любому из пп. 8–11, в котором открытие затвора включает подачу между первым электродом и вторым электродом постоянной разности потенциалов, которая соответствует указанному профилю напряжения.

13. Спектрометр ионной подвижности по п. 12, в котором на постоянную разность потенциалов наложено радиочастотное (RF) напряжение.

14. Способ управления ионным затвором в спектрометре ионной подвижности, включающий:

подачу между двумя электродами ионного затвора разности потенциалов, чтобы препятствовать выходу ионов из реакционной области спектрометра ионной подвижности,

открытие затвора и, пока затвор открыт, подачу радиочастотного (RF) напряжения между указанными двумя электродами для фрагментации ионов при их прохождении через затвор.

15. Способ по п. 14, в котором каждый из указанных двух электродов содержит множество взаимно компланарных удлиненных проводников, причем указанные два электрода пространственно разнесены в направлении дрейфа.

16. Способ по п. 15, в котором каждый удлиненный проводник первого из указанных электродов выровнен, в направлении, перпендикулярном направлению дрейфа, с соответствующим удлиненным проводником второго из указанных двух электродов.

17. Способ по п. 15 или 16, в котором первый электрод отделяет второй электрод от реакционной области, а указанная подача разности потенциалов включает подачу на второй электрод напряжения, которое соответствует указанному профилю напряжения.

18. Способ по любому из пп. 15–17, в котором открытие затвора включает подачу между указанными двумя электродами постоянной разности потенциалов, которая соответствует профилю напряжения спектрометра ионной подвижности, причем на указанную постоянную разность потенциалов накладывают радиочастотное напряжение.

19. Ионный сепаратор на основе ионной подвижности, предназначенный для установки на входе масс-спектрометра и содержащий:

источник ионов;

первый ионный затвор;

второй ионный затвор, отделенный от первого ионного затвора дрейфовой областью;

выход для подачи ионов из второго ионного затвора на вход масс-спектрометра и

контроллер напряжения, сконфигурированный так, чтобы:

управлять первым ионным затвором, чтобы позволить пакету ионов перемещаться вдоль дрейфовой области ко второму ионному затвору;

подавать между двумя электродами второго ионного затвора разность потенциалов, чтобы препятствовать достижению указанного выхода первой частью ионов в пакете;

открывать второй ионный затвор, чтобы позволить второй части ионов перемещаться в область модификации между двумя электродами второго ионного затвора, и,

пока затвор открыт, подавать между указанными двумя электродами радиочастотное (RF) напряжение для фрагментации ионов во второй части при их прохождении через второй ионный затвор к выходу.

20. Ионный сепаратор по п. 19, имеющий профиль напряжения для перемещения ионов из реакционной области к коллектору,

при этом (ii) открытие второго ионного затвора включает подачу между указанными двумя электродами второго ионного затвора постоянной разности потенциалов, которая соответствует указанному профилю напряжения.

21. Ионный сепаратор по п. 20, в котором на постоянную разность потенциалов наложено радиочастотное напряжение.

22. Ионный сепаратор по п. 20 или 21, в котором два электрода второго ионного затвора пространственно разнесены в направлении дрейфа в сепараторе ионной подвижности.

23. Ионный сепаратор по п. 22, в котором первый электрод из указанных двух электродов отделяет второй электрод из указанных двух электродов от дрейфовой области, а указанная разность потенциалов представляет собой напряжение, которое соответствует профилю напряжения на первом электроде.

24. Ионный сепаратор по п. 22 или 23, в котором каждый из указанных двух электродов содержит множество взаимно компланарных удлиненных проводников, при этом каждый удлиненный проводник первого электрода выровнен, в направлении, перпендикулярном направлению дрейфа, с соответствующим удлиненным проводником второго электрода.