專利名稱：多維度離子遷移譜裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)要求美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?0/766,226,申請(qǐng)日2006年 1月2日)的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容在此引用作為參考。
背景技術(shù)：
自從十九世紀(jì)七十年代早期問(wèn)世以來(lái)，離子遷移譜(IMS)已經(jīng)發(fā)展成 為一種強(qiáng)有力的分析工具并應(yīng)用在多個(gè)方面。這種裝置的三種主要形式 包括獨(dú)立的化學(xué)4全測(cè)系統(tǒng)，色譜檢測(cè)器以及IMS和質(zhì)譜(MS )的串聯(lián)系 統(tǒng)。IMS作為一個(gè)獨(dú)立的^r測(cè)系統(tǒng)具有定性定量^r測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的能力， 目標(biāo)物質(zhì)被離子化后再與漂移氣體(亦即載氣)相互作用而與其它背景 物質(zhì)分離，最后以離子的形式得以檢測(cè)。作為一種色譜檢測(cè)器，IMS對(duì) 已被色語(yǔ)分離出的物質(zhì)進(jìn)行多重的離子遷移譜分析。在串聯(lián)的IMS-MS 系統(tǒng)中，在質(zhì)譜分析之前使用IMS作為分離手段對(duì)目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行分離。 然而，IMS的分辨率總的來(lái)說(shuō)較低，因而這類儀器僅限于定性分析，或 用于具有與所關(guān)注物質(zhì)相比較低的干擾物水平的環(huán)境中。
一個(gè)IMS系統(tǒng)的基本通用部件由一個(gè)離子化源， 一個(gè)包括反應(yīng)區(qū)的 漂移管， 一個(gè)離子開關(guān)格柵， 一個(gè)漂移區(qū)和一個(gè)離子檢測(cè)器組成。在氣 相分析中，待分析試樣通過(guò)一種惰性載氣被導(dǎo)入反應(yīng)區(qū)，試樣的離子化 通常在使試樣通過(guò)反應(yīng)區(qū)和/或放射性63Ni源時(shí)完成。形成的離子在電 場(chǎng)的作用下流向漂移區(qū)，該電場(chǎng)是施加于建立漂移區(qū)的漂移環(huán)上，然后 通過(guò)離子開關(guān)格柵形成離子窄脈沖進(jìn)入漂移區(qū)。 一旦進(jìn)入漂移區(qū)，試樣 的各種離子按照其與離子質(zhì)量相關(guān)的離子遷移率被分離。但是，應(yīng)當(dāng)理 解離子遷移率不僅與離子質(zhì)量相關(guān)，而且從根本上與離子-漂移氣體的潛 在相互作用相關(guān)，該潛在相互作用并非僅僅取決于離子質(zhì)量。
IMS的主要用途之一是檢測(cè)痕量的違禁化學(xué)品。痕量檢測(cè)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在目前的安全系統(tǒng)中用于爆炸物和化學(xué)藥劑檢測(cè)。典型的，該過(guò) 程始于安全官員用取樣簽擦抹被檢測(cè)物體表面，然后將取樣簽插入熱解 器中，使痕量的有機(jī)化合物揮發(fā)并導(dǎo)入到IMS中。在大部分的此類應(yīng)用 中，快速和精確地識(shí)別違禁化學(xué)品對(duì)于安全檢查任務(wù)而言是必須的。便 攜而且高性能的檢測(cè)系統(tǒng)仍是迫切需要并高度渴望的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及多維度離子遷移譜(MDIMS)方法和裝置的各個(gè)方面。 在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明的MDIMS通過(guò)創(chuàng)新性地將多個(gè)基于多個(gè)分 離步驟的離子遷移率集成于一臺(tái)設(shè)備中從而使其有別于傳統(tǒng)的離子遷 移譜(IMS)。在多種實(shí)施方式中，與傳統(tǒng)的IMS設(shè)備和操作手段相比 較，本發(fā)明提供了更高的分辨率和更高的靈敏度。
本發(fā)明的多種實(shí)施方式提供了 一種集成的多維度飛行時(shí)間離子遷移 譜系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠離子化、分離并基于其離子遷移率檢測(cè)化學(xué)物種。 這些系統(tǒng)通常包括(a)至少一個(gè)離子化源，(b)至少兩個(gè)漂移區(qū)，和(c) 至少一個(gè)離子檢測(cè)裝置。在多種實(shí)施方式中，這些系統(tǒng)在一個(gè)漂移維度 中在一系列漂移條件下分離離子；接下來(lái)分離出的離子被導(dǎo)入更高的維 度中在相同和不同系列的漂移條件下作進(jìn) 一 步分離。在多種實(shí)施方式 中，分離過(guò)程可以重復(fù)用于一個(gè)或多個(gè)附加的漂移維度。在多種實(shí)施方 式中，第一漂移維度被用作系統(tǒng)的離子源、反應(yīng)區(qū)或退溶劑化區(qū)和漂移 區(qū)中的一個(gè)或多個(gè)。例如，在多種實(shí)施方式中，在第一漂移維度(第一 漂移管)中的電場(chǎng)可以被用作帶電液滴的退溶劑化區(qū)。
本發(fā)明的裝置和方法使用了"漂移管"。在本文中使用的術(shù)語(yǔ)"漂移 管"與在離子遷移譜中該術(shù)語(yǔ)的可接受的含義一致。漂移管是一種含有中 性氣體的結(jié)構(gòu)，離子通過(guò)該中性氣體在電場(chǎng)作用下移動(dòng)?？梢岳斫?漂移
管，，并非需要為管狀或圓柱狀。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的那樣，"漂 移管"不限于象圓柱體中的圓形或橢圓形截面，而是可以具有任意截面形
狀包括，但不限于，正方形，矩形，圓形，橢圓形，半圓形，三角形等。 中性氣體通常指一種載氣，漂移氣體，緩沖氣體等等，而且這些術(shù)語(yǔ)在本文中認(rèn)為是可以互換的。該氣體具有一個(gè)壓力使得關(guān)注的離子的 平均自由程小于漂移管的尺寸。也就是說(shuō)通過(guò)選擇氣體壓力形成滯流。 在通道中氣體滯流的條件下，與通道的橫向尺寸相比，平均自由程非常 小。在這些壓力下，流動(dòng)特性主要由氣體分子間的碰撞決定，即氣體的 粘度。流動(dòng)可以是層流或湍流。優(yōu)選漂移管內(nèi)的壓力足夠高以使得在達(dá) 到穩(wěn)態(tài)離子遷移率之前，相對(duì)于漂移管的長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)，離子自由移動(dòng)的距 離可以忽略不計(jì)。
離子在電漂移場(chǎng)的作用下沿漂移管的軸線移動(dòng)，該軸線在本文中被 稱為漂移軸線。該漂移軸線通常，但非必要地，是漂移管的長(zhǎng)度方向上 的軸線。
在本發(fā)明的不同方面，對(duì)離子遷移譜儀的操作方法進(jìn)行了說(shuō)明。就 某個(gè)方面而言，出于簡(jiǎn)明而非限制性的目的，正如連續(xù)第一維度離子化
模式(CFDI)所述的那樣描述操作方法。如同本領(lǐng)域技術(shù)人員了解的那 樣，電荷優(yōu)選從一種離子化的化學(xué)物種傳遞到另 一種具有更高親和力的 化學(xué)物種。這樣的電荷傳遞過(guò)程會(huì)嚴(yán)重干擾甚至阻止所關(guān)注的化學(xué)物種 的離子化，并因此而無(wú)法成功地通過(guò)IMS或其它形式的質(zhì)譜來(lái)分析該物 種。本發(fā)明的CFDI方法促進(jìn)了低電荷親和力離子的形成并由此，在多 種實(shí)施方式中，增加了IMS的靈敏度。CFDI方法還增加了 IMS的動(dòng)態(tài) 響應(yīng)范圍，并且為該儀器分析混合物試樣提供更好的定量信息。
在多種實(shí)施方式中，CFDI方法包括脈沖發(fā)送氣相試樣進(jìn)入第一漂移 管并通過(guò)氣流以沿第 一漂移管的至少 一部分的第 一方向輸送試樣脈沖。 顯然，該第一方向?qū)嵸|(zhì)上平行于第一漂移管內(nèi)載氣的流動(dòng)方向。使用逆 向移動(dòng)的反應(yīng)性離子脈沖來(lái)離子化試樣脈沖中的化學(xué)物種?？梢栽诜磻?yīng) 區(qū)或漂移區(qū)將試樣脈沖導(dǎo)入儀器中。在一些操作模式中，載氣和試樣脈 沖的速度可以接近于零，但是反應(yīng)物離子向著試樣脈沖移動(dòng)。例如，第 一組反應(yīng)物離子脈沖進(jìn)入第 一 漂移管內(nèi)并被第 一 漂移管電場(chǎng)沿第二方 向向著試樣脈沖輸送。第 一組反應(yīng)物離子優(yōu)選在一個(gè)預(yù)定時(shí)間被脈沖發(fā) 送進(jìn)入第一漂移管。該預(yù)定時(shí)間的選擇是至少可以粗略地選定試樣脈沖 和第 一組反應(yīng)物離子在第 一漂移管中相互作用的位置。當(dāng)?shù)?一組反應(yīng)物離子與試樣脈沖相互作用時(shí)， 一種或多種化學(xué)物種^t離子化并產(chǎn)生一種 第一離子化的化學(xué)物種。通常，試樣脈沖中具有最高的電荷親和力的化 學(xué)物種被優(yōu)先離子化。
第二組反應(yīng)物離子在第一組之后，也優(yōu)選在一個(gè)第二預(yù)定時(shí)間，被 脈沖發(fā)送進(jìn)入漂移管，并被第一漂移管的電場(chǎng)向試樣脈沖輸送。必須晚 于第 一組反應(yīng)物離子的預(yù)定時(shí)間的第二預(yù)定時(shí)間的選擇至少可以粗略 地選定試樣脈沖和第 一組反應(yīng)物離子在第 一漂移管中相互作用的位置。 在不同實(shí)施例中，第二預(yù)定時(shí)間的選擇是為了將至少一部分的第一離子 化的化學(xué)物種提取到第二漂移管中提供時(shí)間。
當(dāng)?shù)诙M反應(yīng)物離子與試樣脈沖相互作用時(shí)，試樣脈沖中的 一種或 多種化學(xué)物種被離子化并且產(chǎn)生一種第二離子化的化學(xué)物種。通常，被 離子化的第二化學(xué)物種是試樣脈沖中具有第二高電荷親和力的物種。該 過(guò)程可以重復(fù)，例如，送入第三組反應(yīng)物離子以產(chǎn)生一種第三離子化的 化學(xué)物種，再一組的反應(yīng)物離子以產(chǎn)生一種第四離子化的化學(xué)物種，等 等，按照操作者的意愿，使關(guān)注的化學(xué)物種離子化。
在多種實(shí)施方式中，至少一部分的第一漂移管內(nèi)將被施以電場(chǎng)，以 把第一漂移管中的至少部分的第一離子化的化學(xué)物種推向第二漂移管 內(nèi)。因該電場(chǎng)從第一漂移管中移出離子，其在本文中通常是指"驅(qū)逐"脈 沖或"驅(qū)逐"電場(chǎng)。通過(guò)選擇諸如驅(qū)逐電場(chǎng)的施加的時(shí)間或空間區(qū)域或兩 者，使得驅(qū)逐電場(chǎng)僅施加于第 一 漂移管中實(shí)質(zhì)上沒有反應(yīng)物離子的那一 部分。例如，在不同實(shí)施例中，在第二化學(xué)物種被第二組的反應(yīng)物離子 離子化之前施加驅(qū)逐電場(chǎng)。
在多種實(shí)施方式中，驅(qū)逐電場(chǎng)，在下一個(gè)，第(n+l)個(gè)離子化的化 學(xué)物種形成之前施加于第n個(gè)離子化的化學(xué)物種以將其推出。在多種實(shí) 施方式中，驅(qū)逐電場(chǎng)用于實(shí)質(zhì)上同時(shí)提取兩種或更多種離子化的化學(xué)物 種。在多種實(shí)施方式中，采用選擇將一個(gè)離子化的化學(xué)物種推出與將多 個(gè)離子化的化學(xué)物種推出相結(jié)合的方式。
相應(yīng)地，在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明的CFDI方法包括(a)在第一 時(shí)間將氣相試樣脈沖發(fā)送至第一漂移管內(nèi)；(b)沿第一漂移管的至少一部分的第一方向輸送氣相試樣脈沖，該第一方向基本上平行于第一漂移
管內(nèi)載氣的流動(dòng)方向；(c)相對(duì)于第 一 時(shí)間按預(yù)定時(shí)間提供一 系列脈沖的 反應(yīng)物離子進(jìn)入第一漂移管內(nèi)；(d)沿第一漂移管的至少一部分的第二 方向通過(guò)電場(chǎng)輸送反應(yīng)物離子脈沖，該第二方向基本上逆平行于第 一漂 移管內(nèi)載氣的流動(dòng)方向；(e)將氣相試樣脈沖與一組反應(yīng)物離子，包括一 系列脈沖的反應(yīng)物離子中的一種或多種，相互作用以便在氣相試樣脈沖 中離子化一種化學(xué)物種，所述反應(yīng)物離子包括一系列脈沖的反應(yīng)物離子 中的一種或多種；和(f)重復(fù)氣相試樣脈沖與 一組反應(yīng)物離子相互作用的 步驟直到關(guān)注的全部化學(xué)物種被離子化，其中不同電荷親和力的化學(xué)物 種沿第 一 方向位于不同的位置被電離。
在多種實(shí)施方式中，該方法包括通過(guò)在一個(gè)和多個(gè)預(yù)定的驅(qū)逐時(shí)間 在第 一漂移管的至少一部分上施加一個(gè)電場(chǎng)，將第一漂移管內(nèi)的至少一 部分的離子化的化學(xué)物種推入第二漂移管內(nèi)，第二漂移管具有一個(gè)長(zhǎng)度 方向上的軸線，其大致平行或垂直于第一漂移管長(zhǎng)度方向上的軸線。優(yōu) 選地， 一個(gè)和多個(gè)預(yù)定的驅(qū)逐時(shí)間的選拷"使得離子化的化學(xué)物種按照一 定的時(shí)間間隔4皮推出，在該時(shí)間間隔期間推出化學(xué)物種的第一漂移管的
區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上沒有反應(yīng)物離子。
在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明的CFDI方法使用一個(gè)第二漂移管；優(yōu) 選該第二漂移管的縱軸線優(yōu)選大致與第 一漂移管縱軸線垂直。在不同實(shí) 施例中，從第二漂移管中提取出來(lái)的離子化的化學(xué)物種直接送到 一個(gè)離 子檢測(cè)器，根據(jù)其到達(dá)離子檢測(cè)器的抵達(dá)時(shí)間而被定性。離子的抵達(dá)時(shí) 間至少取決于它們?cè)诘诙w移管環(huán)境中的離子遷移率。
優(yōu)選地，電場(chǎng)強(qiáng)度與氣體數(shù)密度的比值(E/N值)在第一漂移管中， 第二漂移管中，或在兩者中大致是一個(gè)恒量。優(yōu)選地，電場(chǎng)強(qiáng)度在第一 漂移管中，第二漂移管中，或在兩者中大致是一個(gè)恒量。然而，應(yīng)當(dāng)了 解的是，第一和第二漂移管中的條件可以不同。例如，在不同實(shí)施例中， 一種或多種載氣、載氣密度、載氣流率、電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度在第一和第二 漂移管中是不同的。
在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明的CFDI方法具有多種實(shí)際應(yīng)用。例如，作為MDIMS操作之一的連續(xù)第一維度離子化方法(CFDI)有助于克服 傳統(tǒng)的IMS的基本缺點(diǎn)，如在離子化源和/或離子遷移i普儀的反應(yīng)區(qū)的 電荷竟?fàn)?，因此在不同的?shí)施方式中使電荷親和力相差很大的物質(zhì)都有 機(jī)會(huì)被離子化?？梢允褂肅FDI方法的多種實(shí)施方式，例如，隔離帶電 荷的物質(zhì)并防止它們將電荷傳遞到其它共存的物質(zhì)而喪失電荷；并由此 增加系統(tǒng)對(duì)關(guān)注物質(zhì)的靈敏度。
本發(fā)明從多個(gè)方面提供了 一種包括三個(gè)漂移管的離子遷移譜儀和用 于該裝置的方法。在某個(gè)方面，提供的操作方法被稱為雙極性離子提取 方法(DPIE),這是為筒便起見，并非局限于名稱的本身涵義。
在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種包括三個(gè)漂移管的多維度離子 遷移譜儀，第一漂移管可作為第一維度的IMS分析，可用于形成離子(例 如，通過(guò)CFDI)，或兩者兼具，兩個(gè)附加的漂移管(第二和第三漂移 管)用于第二維度的IMS分析。在多種實(shí)施方式中，通過(guò)不同的配置 組合和操作方法第二和第三漂移管可以針對(duì)不同極性的離子進(jìn)行第二 維度的IMS分析；或進(jìn)行不同漂移管條件下的IMS分析，或兩者同時(shí) 實(shí)現(xiàn)。例如，在圖1和6-9中對(duì)本發(fā)明的這種MDIMS方法的不同實(shí)施 方式的實(shí)施例進(jìn)行了圖示性的說(shuō)明。為簡(jiǎn)便而非限制起見，稱這樣的離 子遷移i普儀系統(tǒng)為雙第二維度離子遷移譜儀(DSDIMS)。
相應(yīng)地，在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了一種離子遷移譜儀包括 (a)—個(gè)具有第一漂移軸線的第一漂移管；(b) —個(gè)具有第二漂移軸線的 第二漂移管，具有與第一漂移管流體連通的入口，其第二漂移軸線大致 垂直于第一漂移軸線；(c) 一個(gè)具有第三漂移軸線的第三漂移管，具有 與第一漂移管流體連通的入口 ，其第三漂移軸線大致平行于第二漂移軸
線，并大致垂直于第一漂移軸線；(d)與第二漂移管入口相對(duì)布置的一個(gè) 電極；和(e)與第三漂移管入口相對(duì)布置的一個(gè)電極。
該第二和第三漂移管可以以多種方式布置。在多種實(shí)施方式中，第 二漂移管和第三漂移管大致以彼此相對(duì)且橫過(guò)第一漂移管的方式布置。
這種實(shí)施方式的實(shí)施例之一包括，但不限于，圖8所示的實(shí)施方式。相 對(duì)布置的第二和第三漂移管能夠提供如下結(jié)構(gòu)，與第二漂移管入口相對(duì)布置的電極包括第三漂移管的入口；而與第三漂移管入口相對(duì)布置的電 極包括第二漂移管的入口。
在多種實(shí)施方式中，第二漂移管和第三漂移管大致并列布置。這樣 的實(shí)施方式的實(shí)施例包括，但不限于，圖1, 6, 7,和9所示的實(shí)施方 式。在多種實(shí)施方式中，第二和第三漂移管的鄰近導(dǎo)致一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施 方式，其中與第二漂移管入口相對(duì)布置的電極跟與第三漂移管入口相對(duì) 布置的電極結(jié)構(gòu)相同。例如，在各種實(shí)施方式中，施加一個(gè)電勢(shì)V到該 電極上，并且將一個(gè)較低的電勢(shì)施加到第二漂移管的入口。到在第三漂 移管的入口施加較高電勢(shì)以便將不同極性的離子吸引到第二和第三漂
移管中。
本發(fā)明的雙第二維度離子遷移譜儀(DSDIMS)可以包括更高維度 的IMS。在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明的一種DSDIMS還包括(a)—個(gè)第四 漂移管，其具有與第二漂移管流體連通的入口，和大致垂直于第二漂移 軸線的第四漂移軸線；和(b)—個(gè)第五漂移管，其具有與第三漂移管流體 連通的入口，和顯著垂直于第三漂移軸線的第五漂移軸線。這樣的實(shí)施 方式的實(shí)施例之一包括，但不限于，圖l所示的實(shí)施方式。在多種實(shí)施 方式中，第四漂移軸線和第五漂移軸線均顯著垂直于第一漂移軸線。
范圍廣泛的離子源和離子檢測(cè)器配置可以用于本發(fā)明的多維度IMS 系統(tǒng)。例如，在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明的DSDIMS還包括與第一漂移 管的第 一端流體連通的離子源和位于與第 一漂移管的第 一端相對(duì)一端 的離子檢測(cè)器。這樣的實(shí)施方式的實(shí)施例之一包括，但不限于，圖l所 示的實(shí)施方式。
在各種實(shí)施方式中，本發(fā)明的DSDIMS還包括與第一漂移管的第一 端流體連通的第 一 離子源和位于與第 一漂移管的第 一端相對(duì)一端的第 二離子源。這樣的實(shí)施方式的實(shí)施例之一包括，但不限于，圖7所示的 實(shí)施方式。
在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明的DSDIMS還包括位于第二漂移管入口 和第三漂移管入口之間的 一 個(gè)離子源。該離子源與第 一 漂移管流體連 通；而且第一離子檢測(cè)器位于第一漂移管的第一端。在多種實(shí)施方式中，
15第二離子檢測(cè)器位于與第 一漂移管的第 一端相對(duì)的 一端。這樣的實(shí)施方 式的實(shí)施例之一包括，但不限于，圖9所示的實(shí)施方式。
在多個(gè)方面，本發(fā)明提供了操作DSDIMS的方法。在某個(gè)方面，為 簡(jiǎn)便而非限制起見，提供的方法稱為雙極性離子提取(DPIE)。在多種 實(shí)施方式中，本發(fā)明的MDIMS,包括DSDIMS,能進(jìn)行包括離子貯存 在內(nèi)的操作。例如，在多種實(shí)施方式中，能夠減少或避免在傳統(tǒng)的IMS 設(shè)計(jì)中遇到的在離子化過(guò)程和漂移室中的離子損失。例如，以DP正模 式操作的MDIMS能夠大致同時(shí)分析陽(yáng)離子和陰離子，該技術(shù)可用在過(guò) 氧化物和硝基爆炸物的檢測(cè)中。在多種實(shí)施方式中，這樣的操作提供了 超越傳統(tǒng)的IMS手段之上的靈敏度。在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明的 DSDIMS結(jié)構(gòu)可以非常緊湊，適用作手持儀表。這樣的手持裝置在國(guó)家 安全領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
相應(yīng)地，在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了用于離子遷移譜儀的操 作方法，例如，DSDIMS,其中離子遷移譜儀包括(a)—個(gè)具有第一漂 移軸線的第一漂移管；(b) —個(gè)具有第二漂移軸線的第二漂移管，其第 二漂移軸線大致垂直于第一漂移軸線；(c) 一個(gè)具有第三漂移軸線的第 三漂移管，其第三漂移軸線大致平行于第二漂移軸線，并大致垂直于第 一漂移軸線；(d)與第二漂移管入口相對(duì)布置的第一電極；和(e)與第三漂 移管入口相對(duì)布置的第二電極。
在多種實(shí)施方式中的方法包括如下步驟(a)向第一漂移管提供一個(gè) 包括陽(yáng)離子化學(xué)物種和陰離子化學(xué)物種的氣體試樣；(b)—種或多種化學(xué) 物種與第一漂移管中的第 一載氣互相碰撞，并沿第 一軸線在空間上分 離；(c)在與第三漂移管的入口相對(duì)布置的第一電極間施加電勢(shì)差以便將 至少 一部分的陽(yáng)離子化學(xué)物種移動(dòng)到第二漂移管內(nèi)，并大致同時(shí)將至少 一部分的陰離子化學(xué)物種移動(dòng)到第三漂移管內(nèi)；(d) —種或多種陽(yáng)離子 化學(xué)物種在第二漂移管中通過(guò)與第二載氣碰撞沿第二漂移軸線在空間 上分離，至少一部分分離出的陽(yáng)離子化學(xué)物種被輸送到一個(gè)離子檢測(cè) 器；及(e) —種或多種陰離子化學(xué)物種在第三漂移管中通過(guò)與第三載氣 碰撞沿第三漂移軸線在空間上分離，至少 一部分分離出的陰離子化學(xué)物種被輸送到 一個(gè)離子檢測(cè)器。
該方法可以用于，例如通過(guò)單次測(cè)量來(lái)判斷一種或多種化學(xué)物種在 一個(gè)試樣中存在與否，例如與過(guò)氧化物基爆炸物和硝基爆炸物相關(guān)的化 學(xué)物種。可以根據(jù)離子抵達(dá)第二漂移管，或第三漂移管的檢測(cè)器的到達(dá) 時(shí)間或兩者做出這樣的判斷。
在第一、第二和第三漂移管中的漂移條件可以大致相同或不同。例
如，在多種實(shí)施方式中，在第一漂移管，第二漂移管和第三漂移管中的 任何兩個(gè)漂移管之間，其漂移條件，諸如載氣、載氣密度、載氣流率、 電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度中的任何一個(gè)可以是不同的。
在多種實(shí)施方式中，使用不同的漂移條件是本發(fā)明的多種實(shí)施方式 的一個(gè)方面。例如，對(duì)相同試樣，本發(fā)明的多種實(shí)施方式可以在一次數(shù) 據(jù)采集循環(huán)中獲得多個(gè)不同條件下以離子遷移率為基礎(chǔ)的分離。這些條 件包括漂移氣體種類、溫度、壓力、電場(chǎng)強(qiáng)度、流速等等。可以通過(guò)調(diào) 整這些條件來(lái)改變某種物質(zhì)的基于離子遷移率的分離特性。由此，在各
種實(shí)施方式中，在傳統(tǒng)的IMS中不能被分離開的物質(zhì)能夠在MDIMS中 得到分離；尤其是可以在一次數(shù)據(jù)采集循環(huán)中實(shí)現(xiàn)。
在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了用于操作離子遷移譜儀-例如 DSDIMS—的方法，其中該離子遷移譜儀包括(a)—個(gè)具有第一漂移軸 線的第一漂移管；(b) —個(gè)具有第二漂移軸線的第二漂移管，其第二漂
移軸線大致垂直于第一漂移軸線；(c) 一個(gè)具有第三漂移軸線的第三漂 移管，其第三漂移軸線大致平行于第二漂移軸線，并大致垂直于第一漂 移軸線；(d)與第二漂移管入口相對(duì)布置的第一電極；和(b)與第三漂移 管入口相對(duì)布置的第二電極。
離子遷移譜儀可以在第二漂移管和第三漂移管不同的漂移條件下操 作。該操作包括如下步驟(a)向第一漂移管提供一個(gè)包括離子化學(xué)物種 的氣體試樣；(b)在第一漂移管中在第一系列漂移條件下通過(guò)與第一載氣 碰撞使一種或多種化學(xué)物種沿第 一漂移軸線在空間上得到分離；(c)在與 第三漂移管的入口相對(duì)位置上的第 一 電極間施加電勢(shì)差以便將至少一 部分的離子化的化學(xué)物種移動(dòng)到第二漂移管內(nèi)，并大致同時(shí)將至少一部分的離子化的化學(xué)物種移動(dòng)到第三漂移管內(nèi)；(d)在第二漂移管中在第二
系列漂移條件下通過(guò)與第二載氣碰撞使一種或多種化學(xué)物種沿第二漂 移軸線在空間上得到分離，并輸送其中至少 一部分分離出的離子化的化
學(xué)物種到一個(gè)離子檢測(cè)器上；及(e)在第三漂移管中在第三系列漂移條件 下通過(guò)與第三載氣碰撞使 一 種或多種陰離子化學(xué)物種沿第三漂移軸線 在空間上得到分離并輸送其中至少 一部分分離出的離子化的化學(xué)物種 到一個(gè)離子檢測(cè)器上；其中第二和第三系列的漂移條件是不同的。
在多個(gè)方面，本發(fā)明提供了包括三個(gè)或更多維度的IMS的多維度離 子遷移譜系統(tǒng)。在多種實(shí)施方式中，MDIMS包括(a)—個(gè)具有第一漂 移軸線的第一漂移管，和一個(gè)與第一漂移管流體連通的離子源，；(b) 一個(gè)具有第二漂移軸線的第二漂移管，該第二漂移軸線大致垂直于第一
漂移軸線；(c)一個(gè)具有第三漂移軸線的第三漂移管，該第三漂移軸線大 致垂直于第二漂移軸線；和(d)—個(gè)與第三漂移管流體連通的第一離子檢 測(cè)器。在多種實(shí)施方式中，第三漂移軸線大致垂直于第二漂移軸線和第 一漂移軸線。
在多個(gè)方面，本發(fā)明提供了用于操作包括兩個(gè)或更多維度的IMS的 多維度IMS系統(tǒng)的方法。應(yīng)當(dāng)了解的是，例如，CFDI的方法可以與本 發(fā)明中包括的第一漂移管(度)的IMS的任意實(shí)施方式一起使用。應(yīng) 當(dāng)了解的是，例如，在本發(fā)明的任意的實(shí)施方式中，第一漂移管(維度) 可以用作系統(tǒng)的離子源、反應(yīng)區(qū)或退溶劑化區(qū)和漂移區(qū)中的 一 個(gè)或更多 個(gè)用途。還應(yīng)當(dāng)了解的是本發(fā)明的方法可以包括一個(gè)將化合物加入一個(gè) 或更多個(gè)漂移維度的步驟，該化合物促進(jìn)手性化學(xué)物種的分離。
本發(fā)明的多種實(shí)施方式在痕量物質(zhì)檢測(cè)中被認(rèn)為是有價(jià)值的工具和 方法。本發(fā)明的多種實(shí)施方式與傳統(tǒng)的單維度IMS系統(tǒng)相比從一方面或 多方面改進(jìn)了分辨率和靈敏度，這僅是其中的例子而非局限于此。
例如在分辨率方面，在本發(fā)明的多維度系統(tǒng)的多種實(shí)施方式中的分 辨能力預(yù)期為約80到100之間。與傳統(tǒng)的商業(yè)化的痕量檢測(cè)儀所提供 的10-30的分辨能力相比，本發(fā)明的多種實(shí)施方式在理論上實(shí)際能夠在 一個(gè)離子遷移譜中分辨出比傳統(tǒng)的IMS系統(tǒng)多63種化學(xué)物種。例如，假設(shè)一個(gè)商業(yè)化的系統(tǒng)中TNT的漂移時(shí)間為10ms,并且半峰寬為 0.5ms,則傳統(tǒng)的系統(tǒng)具有的分辨能力(R=t/wl/2)為20，峰容量為2 個(gè)峰/ms。若是在遷移譜儀中適用的漂移時(shí)間范圍是9ms，那么該系統(tǒng)能 夠理論上在一個(gè)遷移譜中區(qū)分18種化合物。作為比較，對(duì)于分辨能力 為90的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，理論上能夠區(qū)分的峰的總數(shù)為81。這樣的改進(jìn)在理 論上能夠使得更高分辨率的系統(tǒng)能夠?qū)⒏蓴_物從目標(biāo):曝炸物中分開；由 此，例如，在被污染的操作環(huán)境中降低誤報(bào)警率。
例如在靈敏度方面，本發(fā)明的多種實(shí)施方式提供了獨(dú)特的多維度方 案，其有利于改善離子遷移譜儀內(nèi)部的離子傳遞效率并從而改善系統(tǒng)的
靈敏度。通過(guò)改善的分辨能力，可用進(jìn)一步降低檢測(cè)門檻。在多種實(shí)施 方式中，本發(fā)明的MDIMS系統(tǒng)的系統(tǒng)靈敏度在目標(biāo)#:作環(huán)境(并非僅 在試驗(yàn)室條件下)中能夠到亞納克范圍。
在多個(gè)方面，本發(fā)明提供了尺寸緊湊的基于多維度IMS的檢測(cè)系統(tǒng)。 在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明的儀器能用作用于化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)的便攜式痕 量檢測(cè)系統(tǒng)，例如，在交通安全方面用于檢測(cè)爆炸物質(zhì)或其它用途。優(yōu) 選地，本發(fā)明的新的檢測(cè)系統(tǒng)具有相同或相似的操作控制，并使用與目 前的系統(tǒng)相似的用戶界面。在多種優(yōu)選的實(shí)施方式中，提供了一種結(jié)構(gòu) 緊湊的高性能痕量檢測(cè)系統(tǒng)，能夠在包括軍事/工業(yè)的復(fù)雜環(huán)境中勝任爆 炸物痕量檢測(cè)任務(wù)的挑戰(zhàn)。
例如，本發(fā)明的多種實(shí)施方式能夠提供一種結(jié)構(gòu)緊湊的MDIMS,, 其痕量檢測(cè)的性能堪比甚至優(yōu)于某些傳統(tǒng)的桌面單元，例如Smiths Detection制造的Smith 500DT。結(jié)構(gòu)緊湊的儀器實(shí)施方式的設(shè)計(jì)降低了 系統(tǒng)的總重量和能耗。本發(fā)明的緊湊設(shè)計(jì)(或手持式)的MDIMS的一 種具體實(shí)施方式
的尺寸為大約12wx8hx4d英寸，重量低于12磅，并且 在某些實(shí)施方式中遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于10磅。
本發(fā)明的多種實(shí)施方式中包括一個(gè)離子檢測(cè)器。廣泛的離子檢測(cè)器 適用于本發(fā)明，包括但不限于，F(xiàn)araday板，電子倍增器，光倍增器，光 電轉(zhuǎn)換器，電耦合器(CCD)等等。應(yīng)當(dāng)理解在本發(fā)明中無(wú)論哪里^f吏用 的離子檢測(cè)器，都可以用離子檢測(cè)器系統(tǒng)代替；這里提到的離子檢測(cè)器系統(tǒng)包括離子檢測(cè)器以及布置在離子檢測(cè)器和本發(fā)明的IMS維度之間
的質(zhì)譜儀。對(duì)此適用的質(zhì)譜儀包括，但不限于，飛行時(shí)間(TOF)和RF 多極質(zhì)譜儀。
在另一方面，提供了制造的部件，其中本發(fā)明的方法的功能嵌入在 計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，例如但不限于，軟磁盤，硬盤，光盤，磁帶，PROM， EPROM， CD-ROM， DVD-ROM，或駐留在計(jì)算機(jī)或處理器的內(nèi)存中。 嵌入在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的方法的功能可以是通過(guò)任意數(shù)量的計(jì)算機(jī) 可讀的指令或i吾言，例如；FORTRAN, PASCAL, C, C++， BASIC和， 匯編語(yǔ)言。更進(jìn)一步地，計(jì)算機(jī)可讀的指令可以，例如，寫成手工指令， 宏指令，或功能型地嵌入在商用軟件(例如EXCEL或VISUAL BASIC ) 中。
通過(guò)以下帶有附圖的說(shuō)明能夠更充分地理解本發(fā)明的前述的和其 它的方面，實(shí)施方式和特點(diǎn)。附圖中類似的參考數(shù)字通常是指在不同附 圖中的類似的特征和結(jié)構(gòu)部件。附圖無(wú)需按照比例，而是用來(lái)說(shuō)明本發(fā) 明的原則。
附圖1A和IB圖示了本發(fā)明的三維度多維度離子遷移謙儀 (MDIMS)設(shè)備的一種實(shí)施方式的截面圖。附圖1C顯示了在將離子從 第一維度"驅(qū)逐"到第二維度過(guò)程中，IMS的第一維度和第二維度之間模 擬的電勢(shì)線，第二維度可以用于，例如，單和/或雙極性模式操作。
附圖2是離子遷移譜，其顯示了 TNT從4，6-二硝基-o-曱酚 (4,6DNOC)中的分辨了出來(lái)，其中后者是因飛機(jī)尾氣而常見于機(jī)場(chǎng)環(huán) 境的酸霧化合物。該離子遷移譜是由按照本發(fā)明配置的MDIMS得到的。 附圖3圖示了 SFDI過(guò)程的各種概念。
附圖4A和4B圖示了本發(fā)明的具有兩個(gè)垂直的電場(chǎng)區(qū)的多維度離子 遷移譜儀的多種實(shí)施方式，其中附圖4A是MDIMS的前截面圖，而附 圖4B是其側(cè)截面圖。
附圖5A-C表示了在附圖4A-4B中的MDIMS的模擬電場(chǎng)分布。附圖5A描述了在兩個(gè)維度的第一和第二漂移區(qū)的漂移電場(chǎng)。附圖5B是在
第一維度的遷移率測(cè)量過(guò)程中第一維度電場(chǎng)的側(cè)截面圖。附圖5C是當(dāng) 施力口"驅(qū)逐"電壓將離子帶入第二維度時(shí)第一維度電場(chǎng)分布的側(cè)截面圖。
附圖6A是SDSIMS的多種實(shí)施方式的示意圖。在多種實(shí)施方式中，第 一維度中的正離子和負(fù)離子能夠被提取進(jìn)入第二維度的兩個(gè)分離漂移 區(qū)，而且正離子和負(fù)離子由此能夠被大致同時(shí)測(cè)量。附圖6B和6C是在 第二維度中的電場(chǎng)分布的模擬結(jié)果。附圖6B顯示了施加"驅(qū)逐，，脈沖之 前和/或之后的電場(chǎng)。附圖6C顯示了"驅(qū)逐"脈沖施加過(guò)程中的電場(chǎng)。
附圖7是具有處于平行位置的多個(gè)第二維度和多個(gè)離子化源的 SDSIMS的多種實(shí)施方式的示意圖。
附圖8是具有處于相對(duì)位置的多個(gè)第二維度的SDSIMS的多種實(shí)施 方式的示意圖。
附圖9是具有一單個(gè)試樣源和多個(gè)第一維度室的SDSIMS的多種實(shí) 施方式的示意圖，其可以用于，例如，不同的極性物質(zhì)。
附圖10是以離子形式取樣和/或來(lái)自外部離子化源的MDIMS的多 種實(shí)施方式的示意圖。
附圖IIA和IIB是適用于，例如，引入SII和MSn的MDIMS的多 種實(shí)施方式的示意圖。
附圖12A-12C表示了根據(jù)本發(fā)明的多種實(shí)施方式中用于便攜式三維 度儀器的單MDMS配置方式的多種實(shí)施方式。附圖12A和12B提供了 二維度截面示意圖而附圖12C提供了三維度截面示意圖。
附圖13A和13B是附圖14A-14D的MDIMS系統(tǒng)的比例示意圖。
附圖14A-14D是包含本發(fā)明的多種實(shí)施方式的便攜式MDIMS的一 個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的比例示意圖
具體實(shí)施例方式
在多個(gè)方面，本發(fā)明提供了多維度離子遷移譜(MDIMS)系統(tǒng)及該 系統(tǒng)的操作方法，所述系統(tǒng)集多維度電場(chǎng)設(shè)計(jì)于一個(gè)儀器之中。在多種 實(shí)施方式中，與傳統(tǒng)的單維度漂移管相比，MDIMS系統(tǒng)和/或方法提供
21了改進(jìn)的靈敏度和分辨率。在多種實(shí)施方式中，可以通過(guò)使用第一維度 作為離子儲(chǔ)存區(qū)以改善系統(tǒng)的有效循環(huán)來(lái)改進(jìn)靈敏度。在多種實(shí)施方式
中，MDIMS系統(tǒng)和/或方法提供了改進(jìn)的遷移率分辨率。在多種實(shí)施方 式中，分辨率的改進(jìn)可以通過(guò)使用漂移區(qū)來(lái)進(jìn)一步分離那些通過(guò)離子遷 移率已經(jīng)或正被分離的離子來(lái)達(dá)到。在多種實(shí)施方式中，通過(guò)把正在第 一維度進(jìn)行分離中的離子轉(zhuǎn)移至第二維度(例如，使用驅(qū)逐脈沖)以降 低離子間的庫(kù)侖排斥。因此，在多種實(shí)施方式中，在第二維度中就能夠 獲得更高的遷移率分辨率。在多種實(shí)施方式中，第一維度能夠被用作離 子反應(yīng)區(qū)，在其中可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的離子轉(zhuǎn)化。在MDIMS的多種實(shí)施 方式中，通過(guò)施以適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)，MDIMS可以用于大致同時(shí)4全測(cè)正離子 和負(fù)離子。
在對(duì)本發(fā)明的多種詳細(xì)的實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明之前，針對(duì)一個(gè)三 維度MDIMS裝置的實(shí)施例討論，有助于更充分地理解本發(fā)明的裝置和 方法的多種實(shí)施方式。
附圖1A-1C顯示了三維度MDIMS系統(tǒng)的多種實(shí)施方式。附圖1A 是第一維度漂移區(qū)102和第二維度漂移區(qū)104的側(cè)視圖。附圖1B是第 二維度漂移區(qū)104和第三維度漂移區(qū)106的側(cè)視圖。在附圖1A-1C中， 第二維度包括兩個(gè)漂移管104a, 104b,和每一個(gè)第二維度漂移管相連的 分離的第三維度漂移管106a, 106b。第二維度104可以用于單極性或雙 極性模式操作。在MDIMS的多種實(shí)施方式中，應(yīng)當(dāng)理解優(yōu)選的實(shí)施方 式是將各個(gè)維度的漂移軸線以正交方式布置，然而，漂移軸線也可以布 置成平行，逆向平行或兩者間形成角度而取得相似的結(jié)果。
應(yīng)當(dāng)理解在本MDIMS裝置和方法中的所有的IMS維度中的電漂移 場(chǎng)強(qiáng)度與氣體數(shù)密度的比率(E/N值，通常以Townsend單位表示)的 選擇是旨在建立一個(gè)穩(wěn)態(tài)的漂移環(huán)境，有時(shí)是指較低的場(chǎng)環(huán)境。
通過(guò)本發(fā)明的MDIMS,離子遷移譜可以通過(guò)，例如，2-D或3-D圖 的形式表達(dá)，并且能夠使用非線性檢測(cè)窗口?；瘜W(xué)品能夠通過(guò)其1-D , 2-D或3-D遷移率圖而被鑒定。這種遷移率譜圖方法能夠提供額外的信 息，因而為化合物(例如，爆炸物)的鑒定提供更高的可信度。在多種實(shí)施方式中， 一種DPIE操作模式使用第一維度102作為流 過(guò)室，正離子和負(fù)離子從第一維度102中通過(guò)氣流被帶入第一漂移室， 而第一維度的漂移電壓關(guān)閉(即，大致沒有漂移場(chǎng)存在)。在一個(gè)預(yù)定 的時(shí)間，離子被驅(qū)逐到第二維度，優(yōu)選的方案是將第一維度的正離子和 負(fù)離子被大致同時(shí)分別推入第二維度104的兩個(gè)分開的漂移室104a, 104b內(nèi)。離子在第二維度內(nèi)被分離后，可在第三個(gè)106或更高的維度中 被進(jìn)一步分離并檢測(cè)。
在多種實(shí)施方式中，離子化的試樣被導(dǎo)入和/或在第一漂移區(qū)102中 形成并基于遷移率進(jìn)行第一輪分離(類似于傳統(tǒng)的IMS)。在一個(gè)設(shè)定 的預(yù)定時(shí)間，在第一維度(第一漂移管)中分離出的離子被驅(qū)逐到第二 漂移維度104的漂移區(qū)中，沿大致垂直于第 一漂移方向的方向被分離。 如果需要IMS更進(jìn)一步的維度，相同的過(guò)程可以在更高的維度繼續(xù)進(jìn) 行。
附圖1C表示附圖1A和IB中SDSIMS的一種DPIE過(guò)程的電場(chǎng)分 布的模擬結(jié)果。在附圖1C中，第一維度102中的三個(gè)壁(左邊，底部， 和右邊)處于l,OOOV的電壓，而門格柵分別設(shè)置為OV和2,000V。圖中 標(biāo)出了等電勢(shì)線。運(yùn)載離子通過(guò)第一維度的試樣氣體流可以被排出，例 如，在第一維度檢測(cè)器114后排出。離子在第二維度104中被分離后， 可施加一個(gè)驅(qū)逐電壓以便將分離出的離子帶入第三維度106。在一個(gè)連 續(xù)試樣;險(xiǎn)測(cè)的狀況下，該順序?qū)f皮重復(fù)。對(duì)于可能形成正離子和負(fù)離子 的混合物而言，DPIE技術(shù)的多種實(shí)施方式能夠?qū)⒊^(guò)50%的正離子和 負(fù)離子推入第二維度。
在各種實(shí)施方式中，MDIMS裝置能夠在每一個(gè)維度之間傳輸離子 而不會(huì)顯著地降低分辨能力。參照附圖11，在多種實(shí)施方式中，當(dāng)離子 在第一維度中被分離后；它們看上去象一張薄片1110。為將其移動(dòng)到垂 直于第一維度的方向，在微秒范圍內(nèi)變化適當(dāng)?shù)碾姌O(通常一個(gè)與出口 相對(duì)的電極，出口自身，或兩者)上的電壓。在這些驅(qū)逐時(shí)刻期間，可 以操作電場(chǎng)以產(chǎn)生暫時(shí)的低和高電場(chǎng)區(qū)。在高電場(chǎng)區(qū)的薄片1110被壓 縮成在第二維度的低場(chǎng)區(qū)的一條細(xì)線1120。本發(fā)明應(yīng)用的領(lǐng)域之一是痕量化學(xué)品的檢測(cè)，例如在安全應(yīng)用方面 經(jīng)常要求的，例如毒品和爆炸物篩查。由于各種各樣的原因，這樣的任 務(wù)在實(shí)際上是可能難于完成的。
例如，在一個(gè)高度污染的環(huán)境中檢測(cè)痕量爆炸物對(duì)目前的基于IMS 的痕量檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)成為 一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。污染物既能夠引起對(duì)爆炸物
的誤肯定也能夠引起誤否定。在商業(yè)應(yīng)用IMS系統(tǒng)中觀察到的會(huì)導(dǎo)致這 些問(wèn)題的幾種常見現(xiàn)象是
1. 具有與目標(biāo)爆炸物相似的離子遷移率的化學(xué)品在爆炸物檢測(cè)窗口 中產(chǎn)生的重疊峰或毗鄰峰，這會(huì)導(dǎo)致誤肯定；
2. 未定義的離子遷移率峰覆蓋爆炸物檢測(cè)窗口會(huì)導(dǎo)致誤肯定；以及
3. 來(lái)自污染物的較高的化學(xué)背景噪聲會(huì)導(dǎo)致爆炸物檢測(cè)的誤否定； 本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的多種實(shí)施方式能夠促進(jìn)克服在痕量化學(xué)品檢
測(cè)中的這些問(wèn)題。
可以通過(guò)使用按照本發(fā)明的多種實(shí)施方式中的MDIMS來(lái)降低上面 提到的第一種現(xiàn)象(重疊或毗鄰峰)。附圖2顯示了高分辨率IMS的性 能的范例。附圖2是TNT和4，6-二硝基-0-曱酚(4，6 DNOC )的離子遷 移譜?；衔?,6-二硝基-o-甲酚(4,6DNOC)是因飛機(jī)尾氣而常見于機(jī) 場(chǎng)環(huán)境的酸霧化合物?？梢钥吹奖M管TNT和4,6 DNOC具有極為相似的 離子遷移率，分別為1.59和1.54,僅需約60的分辨率，它們就能被分 離并^皮正確鑒定。在MDIMS系統(tǒng)中，正如上面的實(shí)施例所示的那樣， 可以使用兩個(gè)高分辨率漂移室來(lái)同時(shí)產(chǎn)生正離子和負(fù)離子的兩維度遷 移率譜圖。該兩維度離子遷移率數(shù)據(jù)為爆炸物檢測(cè)提供了更高的可信 度。作為一種實(shí)踐操作手段，可以要求第一維度遷移譜具有更高的篩選 處理能力；當(dāng)爆炸物檢測(cè)窗口中檢測(cè)出來(lái)自第一漂移室的峰時(shí)，隨后把 它們送入第二漂移室加以確認(rèn)。
在漂移區(qū)中的離子簇和中性分子會(huì)引起上面提到的第二種現(xiàn)象(未 定義的離子遷移率峰覆蓋爆炸物檢測(cè)窗口而導(dǎo)致誤肯定)。在傳統(tǒng)的IMS 中， -使用逆流漂移流動(dòng)流體設(shè)計(jì)來(lái)降低這種效應(yīng)，然而，由于傳統(tǒng)IMS 設(shè)計(jì)的空間限制，未能將中性的反應(yīng)性分子完全從漂移區(qū)中去除。在按照本發(fā)明的MDIMS的一種操作方法中，設(shè)定漂移流體以使得實(shí)際上沒 有未離子化的試樣被導(dǎo)入漂移室。
第三種現(xiàn)象(來(lái)自污染物的較高的化學(xué)背景噪聲導(dǎo)致爆炸物檢測(cè)的 誤否定)代表了現(xiàn)有的基于IMS的檢測(cè)系統(tǒng)的另一個(gè)重要問(wèn)題。離子化 源中的電荷竟?fàn)幙梢砸疬@個(gè)問(wèn)題；例如，干擾物能夠降低試樣的離子 化效率并由此降低4全測(cè)靈敏度。就現(xiàn)有的基于IMS的痕量檢測(cè)系統(tǒng)而 言，在設(shè)定爆炸物檢測(cè)窗口的門榲時(shí)要考慮這種掩蔽效應(yīng)。通過(guò)本發(fā)明 的MDIMS系統(tǒng)和操作方法的多種實(shí)施方式的更高的分辨率，可以將報(bào) 警門檻設(shè)定在一個(gè)較低的水平。
在本發(fā)明的多種實(shí)施方式中，MDIMS的一種CFDI應(yīng)用于在亞秒 時(shí)間框架內(nèi)對(duì)不同電荷親和力的化學(xué)物種的初分離。相應(yīng)地，在獲得的 2-D離子遷移率譜圖中，具有與爆炸物不同的電荷親和力的干擾物/掩蔽 劑將位于譜圖中的不同的位置，并且成為區(qū)分和確認(rèn)過(guò)程的一個(gè)部分。
MD/MS袁_￡和凝/，才法^迷一步詳勿說(shuō)效
附圖4是一個(gè)雙第二離子遷移維度的多維度離子遷移譜儀的多種實(shí) 施方式的示意圖。附圖4A是MDIMS的前剖視圖而附圖4B是其側(cè)剖碎見 圖。
在多種實(shí)施方式中的一個(gè)MDIMS包括一個(gè)離子化源401用來(lái)例如， (a)產(chǎn)生反應(yīng)物離子和一個(gè)反應(yīng)區(qū)，在該反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)物離子可以與試 樣反應(yīng)并形成產(chǎn)品離子用來(lái)進(jìn)行試樣識(shí)別檢測(cè)；(b)產(chǎn)生試樣離子用 于檢測(cè)；(c)或兩者。反應(yīng)區(qū)可以被離子導(dǎo)向器護(hù)衛(wèi)，后者產(chǎn)生一個(gè)大 致連續(xù)的電場(chǎng)來(lái)，例如引導(dǎo)離子進(jìn)入第一維度漂移區(qū)418 (第一漂移管) 中。
在MSS模式操作中，通過(guò)打開離子門403來(lái)產(chǎn)生一個(gè)離子脈沖，將 其導(dǎo)入第一維度漂移區(qū)418;在第一漂移管418中的一個(gè)大致連續(xù)的電 漂移場(chǎng)的引導(dǎo)下，基于其遷移率分離離子。在一種實(shí)施例中，通過(guò)一系 列的離子導(dǎo)向器404產(chǎn)生電場(chǎng)。每一個(gè)離子導(dǎo)向器都可以包括一個(gè)或多 個(gè)電極；并且可以在每個(gè)電^l上施加不同的電壓來(lái)建立沿第 一漂移管的電勢(shì)差。例如，附圖4表示每個(gè)第一維度離子導(dǎo)向器使用四個(gè)電極。
在MSS模式操作的多種實(shí)施方式中，當(dāng)?shù)谝唤M離子到達(dá)第 一維度檢 測(cè)器矩陣405時(shí)，施加一個(gè)驅(qū)逐電壓以產(chǎn)生一個(gè)垂直于第一維度漂移場(chǎng) 的高的電場(chǎng)；由此在第 一維度中分離出的離子被移入第二維度漂移區(qū) 420。電場(chǎng)分離器屏406用于幫助在第二維度中限定電場(chǎng)。被導(dǎo)入第二 場(chǎng)的離子繼續(xù)沿第二維度漂移區(qū)420漂移并得到進(jìn)一步分離。例如，若 需要第三維度分離時(shí)，在第二維度420中的離子導(dǎo)向器407可以布置 成與第一維度離子導(dǎo)向器404相似的方式。如果需要第三維度，可用完 全方形的電極作為離子導(dǎo)向器?？梢杂蓹z測(cè)器408檢測(cè)在第二維度中分 離出的離子。根據(jù)要求的儀器特定的分辨率，該檢測(cè)器可以包括多個(gè)檢 測(cè)器或單個(gè)檢測(cè)器。
在多種實(shí)施方式中，當(dāng)離子從第一維度導(dǎo)入第二維度時(shí)，可以進(jìn)行 部分的驅(qū)逐操作。如果僅是一部分的離子被驅(qū)逐，第一維度的遷移率測(cè) 量可以在驅(qū)逐后恢復(fù)。因此，也可以獨(dú)立地通過(guò)第一維度獲得離子遷移 譜。由于完全的驅(qū)逐可以增加第二維度中靈敏度，這些操作方法之間的 交替使用是有益的。此外，清空操作，例如，通過(guò)在一個(gè)延長(zhǎng)的時(shí)間周 期內(nèi)應(yīng)用驅(qū)逐電場(chǎng)來(lái)去除漂移室內(nèi)的全部離子，也可以加入到檢測(cè)循環(huán)中。
儀器的低維度操作可以作為快速篩選方法使用以產(chǎn)生一個(gè)對(duì)來(lái)自離 子化源的離子物種的快速檢驗(yàn)。結(jié)合MSS模式的正常操作，對(duì)離子物 種的快速檢驗(yàn)可以作為指導(dǎo)更高維度的操作的指標(biāo)。這種檢驗(yàn)?zāi)Ｊ讲僮?也可以用于選擇性驅(qū)逐感興趣的離子，簡(jiǎn)化更高維度離子遷移譜，并節(jié) 省整個(gè)分析。
對(duì)于每一個(gè)維度可以建立不同的漂移/分離條件，例如，在不同的維 度中可以使用不同的漂移氣體，或在不同的維度中使用不同的漂移氣體溫度。
MDIMS可以以這樣的方式操作，采集多個(gè)多維度正離子遷移率數(shù) 據(jù)，然后收集多個(gè)多維度負(fù)離子遷移率數(shù)據(jù)。例如，通過(guò)改變離子遷移 譜儀中電場(chǎng)的極性可以實(shí)現(xiàn)該順序。
26附圖5表示了大致與附圖4A-4B類似的MDIMS內(nèi)部的電場(chǎng)布置的 模擬結(jié)果。附圖5A表示了在MDIMS中布置兩個(gè)垂直電場(chǎng)。在附圖5B 和5C中，作為實(shí)施例模擬了兩個(gè)半方形離子導(dǎo)向器。附圖5B表示了第 一維度漂移區(qū)的側(cè)視圖。當(dāng)離子漂移到該區(qū)時(shí)，兩個(gè)半方形電極都設(shè)定 到相同的電壓；由此實(shí)質(zhì)上沒有電場(chǎng)垂直于漂移場(chǎng)。參照附圖5C，當(dāng)?shù)?一維度的離子被驅(qū)逐進(jìn)入到第二維度時(shí)，不同的電壓施加到半方形離子 導(dǎo)向器上從而產(chǎn)生驅(qū)逐電場(chǎng)506。在該特定的模擬中，上部半方形離子 導(dǎo)向器的電勢(shì)比下部半方形離子導(dǎo)向器的電勢(shì)低1，000V。例如，可以毫 秒或秒的范圍實(shí)現(xiàn)該驅(qū)逐操作。
在MSS模式操作期間，漂移氣體流的方向可以設(shè)定為逆流于離子移 動(dòng)或橫過(guò)離子移動(dòng)。例如，在多種實(shí)施方式中，氣體接口413可以作為 第二維度漂移氣體入口而接口 412作為第一維度漂移氣體入口，接口 409 作為試樣流入口而接口 410作為清掃氣流出口。其它接口在不使用時(shí)優(yōu) 選封死或移開。每個(gè)接口的尺寸可以根據(jù)達(dá)到儀器內(nèi)部流動(dòng)模式所需的 流體而定，并且優(yōu)選的漂移流清掃整個(gè)漂移區(qū)并且去除過(guò)多的試樣分子 和任何其它反應(yīng)性中性分子。
在多種實(shí)施方式中，漂移氣體可以以大致平行于較低維度的方向供 應(yīng)到較高的維度中。例如，接口 415可以用作第二維度漂移氣體入口， 接口 414作為第二維度漂移氣體出口，接口 412可以用作第一維度漂移 氣體入口，接口 410作為第一維度漂移氣體出口。在線性流動(dòng)條件和平 行流動(dòng)模式下，例如，預(yù)期在維度界面附近漂移氣體的混合將是有限的。
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在SBA模式操作中，通過(guò)接口 409將試樣送入儀器中。通過(guò)離子化 源401，通過(guò)氣體流將離子化的試樣帶入第一維度漂移區(qū)418。在僅僅 關(guān)注單極性的離子的情況下，可以從接口 412或接口 411排出流體。在 SBA操作模式的多種實(shí)施方式中，第一 維度漂移管可以用作離子貯存裝 置來(lái)，例如，增加裝置的有效循環(huán)。
在多種實(shí)施方式中，當(dāng)既關(guān)注正離子也關(guān)注負(fù)離子時(shí)，可以使用雙 極性離子提取(DPIE)方法。附圖5A和5B表示了在離子貯存和DPIE操作中產(chǎn)生的電場(chǎng)。例如，附圖5C表示了第一維度中的三個(gè)壁(左邊，
底部，和右邊)處于l，OOOV的電勢(shì)，而門格柵分別設(shè)置為0V和2，000V。 附圖5B表示的電場(chǎng)分布表明氣體流被用作輸送離子通過(guò)第一維度502 的外力，第一區(qū)418， 502中的電場(chǎng)在一個(gè)驅(qū)逐脈沖形成之前被設(shè)置成 大致為零。在使用接口 412作為試樣流出口的情況下，當(dāng)反應(yīng)區(qū)416和 第一漂移區(qū)418中的電場(chǎng)被移開后，僅僅由氣體流攜帶試樣離子穿過(guò)第 一維度。在多種實(shí)施方式中，當(dāng)檢測(cè)器405檢測(cè)到足夠的離子流水平時(shí)， 會(huì)向第二維度420, 504進(jìn)行完全的驅(qū)逐。在連續(xù)試樣源檢測(cè)的狀況下， 該順序?qū)㈡ぶ貜?fù)。
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在多種實(shí)施方式中，在較高維度檢測(cè)器矩陣的特定電極處選擇性監(jiān) 測(cè)離子流，而消除在同一檢測(cè)器矩陣中的其它電極上的非關(guān)注的離子能 夠改進(jìn)系統(tǒng)的選擇性。離子遷移率譜圖可以根據(jù)來(lái)自 一系列電極的信號(hào) 使用選擇性監(jiān)測(cè)方法來(lái)構(gòu)建。在多種實(shí)施方式中，在較高維度檢測(cè)器矩 陣的特定電極處選擇性監(jiān)測(cè)離子流，而消除在同 一檢測(cè)器矩陣中的其它 電極上的非關(guān)注的離子能夠改進(jìn)系統(tǒng)的選擇性。
在MDIMS的多種實(shí)施方式中，較高維度的漂移室長(zhǎng)度可以較小。 在這些實(shí)施方式中，裝置被簡(jiǎn)化。在較低維度中實(shí)現(xiàn)基于離子遷移率的 分離并且通過(guò)在較高維度中的進(jìn)一步分離后在較高維度檢測(cè)器矩陣中 進(jìn)行檢測(cè)。例如，離子能夠在第一和第二維度中被分離，并且隨后在第 三維度檢測(cè)器矩陣中被檢測(cè)而無(wú)需在第三維度中被進(jìn)一步分離。在這種 情況下，通過(guò)控制"驅(qū)逐"時(shí)機(jī)來(lái)移動(dòng)離子到具有最佳的離子遷移率分辨 率和離子數(shù)量的較高維度以使系統(tǒng)的性能最佳。
在CFDI描述操作的多種實(shí)施方式中，試樣作為氣體脈沖自接口 412 被導(dǎo)入儀器。試樣氣體脈沖的形成可以通過(guò)多種方式，例如，通過(guò)從一 個(gè)表面上熱脫附化學(xué)物質(zhì)，并像色譜分離的分出物那樣通過(guò)以短的時(shí)間 周期將試樣泵入儀器中，或通過(guò)脈沖閥導(dǎo)入等等。在許多實(shí)施方式中， 在線性流條件下的氣流和"活塞式，，的氣相試樣通過(guò)氣流被從接口 412導(dǎo)向離子化源401。反應(yīng)物離子(優(yōu)選具有高密度)的脈沖在離子化源401 中產(chǎn)生并在電漂移場(chǎng)的引導(dǎo)下向"活塞式"的試樣漂移。當(dāng)反應(yīng)物離子的 脈沖和試樣在第一維度418中交會(huì)時(shí)， 一部分的試樣被離子化。當(dāng)試樣 在同 一個(gè)捕獲周期內(nèi)與多個(gè)反應(yīng)物離子脈沖遭遇時(shí)，試樣"活塞，，中的化 學(xué)物質(zhì)被離子化。具有不同性質(zhì)(例如，電荷親和力)的化學(xué)物質(zhì)由此 被分離并在檢測(cè)器矩陣408中的不同位置被檢測(cè)。這種氣相滴定的方法 可以改進(jìn)具有不同性質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)共存的離子混合物的離子化效率。通 過(guò)這種方法，可以檢測(cè)出在傳統(tǒng)的IMS中不能被檢測(cè)到的化學(xué)物質(zhì)。
參照附圖3A-D，對(duì)在漂移區(qū)302的CFDI過(guò)程進(jìn)行了圖示說(shuō)明。氣 相試樣304在第一時(shí)間纟皮脈沖送入漂移管302并以第一方向305沿至少 一部分漂移管輸送，其中第 一方向大致平行于載氣在漂移管中的流動(dòng)方 向。載氣流和氣相試樣的速度等于或大于零厘米/秒。在與第一時(shí)間相關(guān) 的預(yù)定時(shí)間，反應(yīng)物離子306的 一 系列脈沖也被導(dǎo)入漂移管302并在第 二方向307上沿漂移軸線308由電漂移場(chǎng)輸送，其中第二方向307大致 逆平行于漂移管中載氣流305的方向。氣體試樣304與第一組反應(yīng)物離 子310 (包括一個(gè)或多個(gè)系列的反應(yīng)物離子)反應(yīng)以使得氣相試樣脈沖 304中的某種化學(xué)物種離子化并且產(chǎn)生一個(gè)第一離子化的化學(xué)物種314。 在多種實(shí)施方式中，施加一個(gè)驅(qū)逐電場(chǎng)(例如，通過(guò)向電極318, 320 和322施加一個(gè)驅(qū)逐電壓)沿方向316將離子314移出漂移管并且進(jìn)入 另一個(gè)漂移維度。在多種實(shí)施方式中，對(duì)其它組的離子311, 312重復(fù) 該過(guò)程，使其與氣體試樣304反應(yīng)產(chǎn)生進(jìn)一 步離子化的化學(xué)物種。
在多種實(shí)施方式中，如附圖4所示，CFDI還可以在反應(yīng)區(qū)416中進(jìn) 行。當(dāng)脈沖試樣自氣體接口 410被導(dǎo)入儀器時(shí)，通過(guò)脈沖離子門419產(chǎn) 生反應(yīng)物離子的一系列脈沖。在這個(gè)執(zhí)行過(guò)程中，離子門403被移開或 保持開啟。反應(yīng)區(qū)416中產(chǎn)生的脈沖離子在第一維度漂移區(qū)417中被分 離，如果需要的話，隨后分離出的離子將被送入并在較高維度漂移區(qū)418 中進(jìn)行進(jìn)一步的離子遷移率分析。在多種實(shí)施方式中，CFDI方法可以 用作獨(dú)立的離子化源，以串聯(lián)或垂直于漂移電場(chǎng)方向，直接連接到不同 儀器上，例如差示遷移譜儀，離子遷移譜儀或質(zhì)譜儀。在CFDI用作單IMS的實(shí)施方式中，使用開關(guān)格柵419代替格柵403。離子化的化學(xué)物 種在反應(yīng)區(qū)416中形成后，繼續(xù)在漂移區(qū)417中漂移。類似的，與其它 諸如差示遷移譜儀、離子遷移譜儀或質(zhì)譜儀的儀器的接口 ，也可以通過(guò) 將這些儀器的試樣入口直接安置在反應(yīng)區(qū)后來(lái)實(shí)現(xiàn)。
CFDI模式可以使用具有不同化學(xué)性質(zhì)的反應(yīng)物離子來(lái)完成。例如， 使用各種化學(xué)試劑與初始反應(yīng)物離子反應(yīng)對(duì)離子的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改性， 而產(chǎn)生具有不同化學(xué)性質(zhì)的反應(yīng)物離子。這些離子化的物種可以用于， 例如，離子化導(dǎo)入儀器的試樣。類似的效果也可以通過(guò)，例如，使用一 種能夠產(chǎn)生不同離子物種或帶電粒子或液滴的離子源來(lái)獲得。在多種實(shí) 施方式中，改變電離化學(xué)過(guò)程顯然可用于實(shí)現(xiàn)試樣中關(guān)注的化學(xué)物質(zhì)的 選擇性離子化。例如， 一系列的具有不同化學(xué)性質(zhì)的離子脈沖可以用于 使試樣中具有詳盡的離子化性質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)離子化。
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在選擇性離子導(dǎo)入(SII)模式操作中， 一個(gè)或多組選定的離子被驅(qū) 逐進(jìn)入一個(gè)較高的維度。選擇性驅(qū)逐可以通過(guò)在預(yù)定時(shí)間將驅(qū)逐電壓施 加到某個(gè)區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而所關(guān)注的離子在給定的時(shí)機(jī)經(jīng)過(guò)該區(qū)。在多種實(shí) 施方式中，并不必須將驅(qū)逐脈沖施加于整個(gè)較低維度的選擇區(qū)，但是較 高維度的漂移室并不僅僅在較低維度的一部分長(zhǎng)度與較低維度相交；由 此，例如，選擇的位置可以僅允許將一小組離子驅(qū)逐到第二維度中。通 過(guò)控制驅(qū)逐時(shí)機(jī)和執(zhí)行多個(gè)釆集循環(huán)，可以達(dá)到與MSS模式中所述的 相類似的結(jié)果。
在多種實(shí)施方式中，SII模式在狹窄的漂移時(shí)間范圍內(nèi)有效地分辨離 子。例如，假定第一漂移維度用作篩選掃描，并檢測(cè)所關(guān)注的可能存在 的化合物(例如，TNT)。為進(jìn)一步確認(rèn)在檢測(cè)窗口 (時(shí)間窗口)中響 應(yīng)的離子是關(guān)注的化合物，可以選擇性地將該檢測(cè)窗口中的峰驅(qū)逐到第 二維度中作進(jìn)一步分離。落入選擇的窗口中的離子可以被從第二維度驅(qū) 逐到第三維度中。如果需要這樣的話，該過(guò)程可以重復(fù)直至離子流被耗盡。
/漂移皇務(wù)斧在多種方法和操作模式中，每一個(gè)漂移室都在獨(dú)立的和/或不同的漂 移條件下操作。這些條件包括，但不限于，不同種類的漂移氣體，具有 不同的化學(xué)改性劑的漂移氣體，不同的溫度，不同的壓力，不同的電場(chǎng) 強(qiáng)度，不同的流率，不同相的漂移介質(zhì)和方向，等等。在多種實(shí)施方式 中，改變這些條件的目的是利用離子物種獨(dú)特的化學(xué)和/或物理性質(zhì)以及 在漂移條件下的變化和由此導(dǎo)致的在遷移譜儀中的遷移率的變化來(lái)實(shí) 現(xiàn)離子物種的分離。例如，使用不同的漂移氣體測(cè)量離子遷移率已經(jīng)證 明，具有不同性質(zhì)的離子在同樣的遷移譜儀中有著不同的漂移時(shí)間(見，
例^口 ( 1 ) William F.Siems，Ching Wu,Edward E.Tarver，and Herbert H.Hill，Jr.，P.R丄arsen and D.G.McMinn,，，Measuring the Resolving Power of Ion Mobility Spectrometers，，，Analytical Chemistry,66,1994,4195-4201; (2)Ching Wu， William F.Siems，G.Reid Asbury and Herbert H.Hill, Jr., "Electrospray Ionization High Resolution Ion Mobility Spectrometry",Analytical Chemistry，70，1998, 4929-4938;(3) Ching Wu,West E.Steiner,Pete S.Tornatore，Laura M.Matz， William F.Siems，David A. Atkinson and Herbert H.Hill,Jr" "Construction and Characterization of a High-Flow, High-Resolution Ion Mobility Spectrometers for Detection of Explosives after Personnel Portal Sampling，，Talanta,57，2002， 124-134;and (4) G.Reid Asbury and Herbert H.Hill, "Using Different Drift Gases to Change Separation Factors(a) in Ion Mobility Spectrometry", Analytical Chemistry,72,2000， 580-584;上述全部?jī)?nèi)容在此引作參考)。
在MDIMS系統(tǒng)的多種實(shí)施方式中，較高維度的漂移區(qū)，例如第二 維度區(qū)，可以在不同相的漂移介質(zhì)-例如氣相或液相中操作。液相漂移 室可以構(gòu)建成具有兩個(gè)平行的板或格柵而不是傳統(tǒng)的漂移管結(jié)構(gòu)。液相 漂移室可以是一薄層液體并具有橫跨該層的電場(chǎng)。較高維度漂移室具有 的漂移軸線大致平行或大致垂直于第一維度漂移軸線。較高維度漂移室 具有大致垂直于較低維度漂移軸線的多個(gè)隔室(通道)。較高維度漂移 室可以用于選擇性收集從較低維度漂移管分離出的試樣。較高維度漂移 室可以進(jìn)一步連接到其它分離和檢測(cè)裝置，包括但不限于電泳，色譜，UV吸收和其它光譜設(shè)備。
在本發(fā)明的MDIMS系統(tǒng)的多種實(shí)施方式中，在MDIMS的不同漂 移管和/或不同維度中使用不同的漂移氣體以便在較高維度(例如，第二 維度)中分離出那些在較低維度(例如，第一維度)漂移氣體中未能充 分分離出的物種離子。應(yīng)當(dāng)理解漂移氣體可以是兩種氣體或多種氣體的 混合物。類似的分離也可以通過(guò)變化漂移室的其它條件來(lái)完成。
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附圖7顯示了 MDIMS的多種實(shí)施方式，其中多個(gè)4交高維度漂移室 704a, 704b大致平行布置并且使用多個(gè)離子化源706a, 706b,例如，產(chǎn) 生具有正極性和負(fù)極性的離子。例如使用CFDI模式操作，試樣自位于 第一維度中心的接口 708b被導(dǎo)入離子遷移譜儀；使用不同極性的兩個(gè) 離子化源產(chǎn)生高密度的反應(yīng)物離子，后者由電場(chǎng)導(dǎo)入第一維度室702a, 702b,該電場(chǎng)將反應(yīng)物離子向著第一維度的中心移動(dòng)。當(dāng)使用電噴霧電 離源時(shí)，例如，帶電的液滴可以用于通過(guò)二次電噴霧原理離子化試樣。 被離子化后的化學(xué)品被帶入較高維度704a, 704b用于遷移率測(cè)量。這一
樣，所述不同的離子化源采用不同的離子化模式和/或漂移條件。例如， 該裝置可以具有兩個(gè)以上的第一維度反應(yīng)室與較高維度漂移室的結(jié)合 來(lái)，以便利用更多的離子化方法。較高的維度可以在單極性或雙極性模 式(例如，DPIE)下操作來(lái)提取來(lái)自第一維度的離子。
附圖8是一種MDIMS的多種實(shí)施方式的圖示，其具有一個(gè)沿與較 低維度802相對(duì)的方向延伸的較高的維度804a,804b。如前面所述，第二 維度可以在單極性或雙極性模式下操作。第一維度可以，例如，作為用 于離子貯存的離子流室。這種配置可以使用，例如，以使得具有不同極 性的離子在SBA模式操作下可以被驅(qū)逐到相對(duì)的較高維度漂移室中。在 較高模式漂移室是雙模式室時(shí)的多種實(shí)施方式中，例如，當(dāng)雙模式漂移 室能夠在不同的漂移條件下操作時(shí)，可以使用DPIE方法來(lái)將離子釋放 到兩個(gè)雙模式室中進(jìn)行獨(dú)立分析。
附圖9是一種MDIMS的多種實(shí)施方式的簡(jiǎn)圖，其具有一個(gè)離子化
32源906和試樣進(jìn)口 908位于第二維度904a， 904b的漂移管的進(jìn)口之間。 在該離子化源906中形成的離子，例如，可以被提取到第一維度902a, 902b的兩個(gè)不同部分中。每一個(gè)部分都可以在正極性模式或負(fù)極性模式 下操作。例如，在多種實(shí)施方式中，MDIMS的第一維度的每一個(gè)部分 都用作第一維度漂移室。第一維度的每一個(gè)部分都能夠具有其各自的舉交 高維度漂移室用于進(jìn)一步的離子分離。
附圖10筒要描述了以離子形式或從外部離子化源取樣化學(xué)物質(zhì)的 本發(fā)明的MDIMS的多種實(shí)施方式。這樣的實(shí)施方式包括離子源1102， 其通過(guò)界面1106與第一漂移管1104流體連通。本發(fā)明針對(duì)于離子的操 作方法以及在此所述的操作模式可用于這樣實(shí)施方式中。該實(shí)施方式消 除了 IMS系統(tǒng)的內(nèi)部離子化源和反應(yīng)區(qū)的必要性。離子化的化學(xué)物質(zhì)既 可以通過(guò)電場(chǎng)(在本實(shí)施例中，離子化源1104和界面1106設(shè)定成具有 不同的電勢(shì))被帶入界面1106，也可以通過(guò)氣流帶入界面1006 (在本 例中，離子1008由取樣泵1109泵入)。 一旦試樣離子1108被移入界 面1106,其通過(guò)離子門1003被脈沖導(dǎo)入第一漂移維度1002。其既可以 被第 一 離子檢測(cè)器1012檢測(cè)，也可以隨后被驅(qū)逐到第二維度漂移區(qū)1010 并被一全測(cè)器1014， 1005和1011 ;險(xiǎn)測(cè)。
/MS"々聯(lián)潛^鍵
附圖IIA和11B圖示了在IMSn上實(shí)現(xiàn)SII模式操作使用的多種實(shí) 施方式的實(shí)施例。通過(guò)減少更高維度的物理尺寸和控制驅(qū)逐脈沖的時(shí) 機(jī)，流入驅(qū)逐區(qū)1112的被選定的一組離子1114可以被帶入較高維度漂 移室1118以便進(jìn)一步分離。同樣的過(guò)程可以繼續(xù)直至在不同的漂移室 內(nèi)完成第n次分離。相互連接的漂移室的幾何構(gòu)型可以是二維的(附圖 11B)或三維的(附圖11A)，這樣，較高維度漂移分離的次數(shù)不必受 遷移謂^義可用的物理空間的限制。
在不同實(shí)施方式中，附圖IIA表示了三維度MDIMS，并以此來(lái)說(shuō) 明SII模式操作。當(dāng)氣相試樣被導(dǎo)入位于離子門1103和1108之間的第 一維度漂移管的反應(yīng)區(qū)后，試樣通過(guò)CFDI或傳統(tǒng)的離子化方法被離子 化源1102產(chǎn)生的反應(yīng)物離子離子化。與反應(yīng)物離子混合的試樣離子,皮脈沖送入第一漂移區(qū)1104。在離子導(dǎo)向器1106產(chǎn)生的電場(chǎng)的引導(dǎo)下， 離子混合物在第一維度中被分離。在關(guān)注的離子1114流入驅(qū)逐區(qū)1112 的預(yù)定時(shí)機(jī)，在一系列電極(包括誘導(dǎo)離子導(dǎo)向器1116和格柵1130) 上施加驅(qū)逐電壓以將離子提取到第二維度中。由于離子1114在驅(qū)逐區(qū) 1112和第二維度漂移區(qū)1118的界面處被壓縮，從而在第二維度漂移區(qū) 1118的起始部分產(chǎn)生了多種分離的離子1120的窄脈沖。離子脈沖1120 在離子導(dǎo)向器1119的引導(dǎo)下在漂移區(qū)1118中被分離。進(jìn)一步分離后的 離子1124被從第二離子驅(qū)逐區(qū)1122提取到第三漂移室，該漂移室具有 一個(gè)漂移方向1126(指向紙內(nèi)面)，該方向大致垂直于第一和第二維度。 提取出的離子在第三維度或更高維度中重復(fù)上述過(guò)程。
在多種實(shí)施方式，附圖IIB表示了具有兩個(gè)維度結(jié)構(gòu)的MDIMS以 SII模式操作。附圖IIB表明被第一維度漂移管分離的一個(gè)峰1114b被 提取到第二維度中，并隨后第二維度漂移管分離的一個(gè)峰凈皮-提取到第三 維度1132中，其漂移方向大致垂直于第二維度并且大致逆平行于第一 維度。在該實(shí)施例中，所有維度的漂移軸線都在同一個(gè)平面內(nèi)。
例如，在多種實(shí)施方式中，附圖IIA和11B的配置可以連接到其它 檢測(cè)器，例如質(zhì)譜儀。IMS-MS系統(tǒng)通常被用于在質(zhì)譜分析之前完成基 于遷移率的分離。與質(zhì)語(yǔ)儀的連接可以是沿離子漂移方向串聯(lián)在檢測(cè)器 矩陣后，例如1122或1136。附圖IIB表示了與質(zhì)譜儀1128a的連接， 其是通過(guò)第二維度檢測(cè)器矩陣1138的開口，或垂直于漂移方向使用一 個(gè)驅(qū)逐脈沖將離子推動(dòng)到界面1128b和1128c。在后一種情況下可以預(yù) 期有較高的離子傳遞效率。
試樣既可以連續(xù)地進(jìn)入流體流，也可以以脈沖形式，也可以以兩者 結(jié)合的形式被導(dǎo)入MDIMS。脈沖取樣方法可以用于多種操作模式。儀 器前部的熱脫附室可以用于提供試樣。例如，對(duì)于來(lái)自取樣簽的試樣， 脫附室可以連續(xù)加熱取樣簽并隨后將高濃度的化學(xué)品蒸氣泵入 MDIMS。可以使用閥門來(lái)控制允許進(jìn)入離子遷移譜儀的試樣的數(shù)量。按 照上述操作模式，可以使試樣連續(xù)流入具有一個(gè)離子化源的MDIMS。脫附室中可以含有吸收材料用于試樣預(yù)濃縮操作步驟。例如，作為導(dǎo)入 到該室內(nèi)的低濃度的或復(fù)合的混合物試樣，吸收劑可以選擇性地收集關(guān)
注的化合物并隨后將其脫附進(jìn)入MDIMS。
絲吝
有多種方法可以改進(jìn)取樣效率。在多種實(shí)施方式中，不4吏用干取才羊 簽而是使用"濕"取樣簽有利于完整采集試樣。濕取樣簽通過(guò)增加取樣簽 和表面之間的接觸有助于采集效率，并提供了對(duì)試樣更好的物理采集。 通過(guò)選擇適用的溶劑混合物，作為目標(biāo)的爆炸物也可以溶解在取樣簽 上，由此實(shí)現(xiàn)更高的取樣效率。為便于濕取樣簽操作，可以使用一種匹 配的取樣簽和脫附器設(shè)計(jì)。
取樣簽優(yōu)選設(shè)計(jì)成具有疏水和親水表面的樣式用于指定使用的溶劑 或溶劑混合物。該樣式可以與例如脫附器內(nèi)部加熱器的樣式匹配。在一 種實(shí)際的選擇方案中，使用千的和濕的取樣簽通常取決于待取樣的表 面。由于濕取樣簽具有更高的采集效率，其可以用于，例如，確認(rèn)性測(cè)
試以分辨來(lái)自干取樣簽的警報(bào)；其可以用于"完全擦拭操作"以采集低水
平的爆炸物顆粒，等等。由于爆炸物可以浸入或附著在取樣簽中，其也 可以用于保留試樣作為證據(jù)。 玄氣承脊
在多種實(shí)施方式中，本發(fā)明的MDIMS系統(tǒng)可以對(duì)周圍環(huán)境的蒸氣 連續(xù)進(jìn)行取樣操作。取樣頻率可以預(yù)設(shè)以便用于例如對(duì)高濃度的爆炸物 早期報(bào)警和其它安全關(guān)注之處的目標(biāo)。通常的揮發(fā)性爆炸物，例如硝化 甘油，TATP甚至是爆炸性跟蹤劑(Taggants),都可以在氣相中被檢觀'J。 由此，本發(fā)明的MDIMS系統(tǒng)的多種實(shí)施方式可以用于"嗅"檢。
在多種實(shí)施方式中，取樣能力和/或脫附效率的提高可以通過(guò)使用高 化學(xué)親和力化合物，對(duì)化學(xué)物質(zhì)低吸附的表面，或在解吸室內(nèi)壁同時(shí)使 用以上兩者的方式。高化學(xué)親和力化合物涂飾的表面可以用來(lái)預(yù)濃縮氣 相中的蒸氣和/或在其它化合物存在時(shí)選擇性采集目標(biāo)化合物，其它化合 物是例如用于濕取樣的溶劑。解吸部分的加熱元件可以布置成，例如，加熱那些施加了高化學(xué)親和力化合物涂層的區(qū)域。這樣的有選擇的加熱 手段可以用于，例如，減少用于脫附的熱量，并由此減少檢測(cè)系統(tǒng)的總 的能量消耗。
本發(fā)明的MDIMS系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)離子化源。離子化源可 以用于產(chǎn)生反應(yīng)物離子，直接離子化目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)，或兼有以上兩者。 適用的離子源包括但不限于射線電離源，電噴霧電離源，解吸電噴霧電 離源，表面電離源，和電暈電離源。
電噴霧電離是無(wú)機(jī)爆炸物檢測(cè)中優(yōu)選的離子源之一 ?？梢允褂?ESI-MDIMS以較高的可信度檢測(cè)氯基爆炸物和黑火藥。基于濕取樣方 式，例如，電噴霧電離可以用于通過(guò)將采集的試樣直接噴霧到MDIMS 中來(lái)處理濕的試樣。實(shí)現(xiàn)該方法 一種方案包括將濕的試樣;改入試樣夾 中，所述試樣夾具有一個(gè)電噴霧針和施加一個(gè)電噴霧電壓的電極。由于 試樣被密封在試樣夾內(nèi)，壓力直接或間接地施加到試樣夾/浸泡的取樣 簽，溶劑和溶解的試樣到達(dá)電噴霧針，并被電噴射從而形成高度帶電的 液滴。電噴霧的試樣離子可以被導(dǎo)入MDIMS進(jìn)行分析。濕取樣和直4妄 電噴霧電離的結(jié)合用于MDIMS可以提供，例如，對(duì)無(wú)機(jī)和有機(jī)爆炸物 和其它關(guān)注的化學(xué)品的檢測(cè)能力。
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改進(jìn)的系統(tǒng)易用性。盡管現(xiàn)有的基于IMS的痕量檢測(cè)系統(tǒng)通常能夠 滿足在機(jī)場(chǎng)操作環(huán)境中的不嚴(yán)格狀況下的處理要求，但當(dāng)高度污染的試 樣被導(dǎo)入系統(tǒng)時(shí)，其對(duì)于試樣的處理能力是有限的。系統(tǒng)中污染物的累 積要求較長(zhǎng)的烘烤時(shí)間和/或使用有機(jī)溶劑的復(fù)雜的清洗步驟。除了系統(tǒng) 的試樣傳送部分內(nèi)的活性表面和冷點(diǎn)及一全測(cè)器外，用于鎖定低分子量的 污染物和濕氣的膜入口 (例如，該部件可見于GE Security制造的 VaporTracer和Smiths Detection制造的Sabre 4000上)是累積較高分子 量污染物的最普通的部件之一 。為消除這個(gè)主要的"記憶效應(yīng)"的來(lái)源， 本發(fā)明的MDIMS的多種實(shí)施方式中使用了脈沖入口系統(tǒng)。
在脈沖入口的多種實(shí)施方式中，檢測(cè)器僅在極短的時(shí)間周期內(nèi)暴露于外界，通常少于約20秒。閥僅僅在試樣室中的試樣達(dá)到最高濃度時(shí) 開啟。該室可以周期性地閃動(dòng)加熱以清除累積的化學(xué)品。脈沖試樣入口
操作原理適用于與本發(fā)明的MDIMS系統(tǒng)的多種實(shí)施方式并且?guī)椭刂?導(dǎo)入漂移室的濕氣的總量。濕度傳感器也構(gòu)成了系統(tǒng)的一個(gè)部分來(lái)提供 用于系統(tǒng)處理附加校正信息。
在傳統(tǒng)系統(tǒng)中最常見的用戶錯(cuò)誤之一是誤校正。本發(fā)明的優(yōu)選的系 統(tǒng)提供了 一種自校正/自診斷機(jī)理，當(dāng)其啟動(dòng)時(shí)能夠校正系統(tǒng)并且是周期 性的而無(wú)需操作者關(guān)注。在多種實(shí)施方式中，優(yōu)選4交正化合物使其在儀 器的壽命周期內(nèi)長(zhǎng)存。這一特點(diǎn)能夠進(jìn)一 步改進(jìn)系統(tǒng)的易用性。
本發(fā)明的設(shè)備能構(gòu)造成高度便攜的儀器。如同任何分析設(shè)備那樣， 在操作特點(diǎn)的數(shù)量和系統(tǒng)便攜性之間通常存在一個(gè)折衷。在本發(fā)明的 MDIMS設(shè)計(jì)和操作方法的多種實(shí)施方式中，能夠減少總的能耗和檢測(cè) 器尺寸。相對(duì)較高的一部分能量分配給前端使用，包括試樣脫附和有效 的清潔操作。低能耗的基于系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，例如，現(xiàn)代化的PDA設(shè)計(jì) 或類似物優(yōu)選用作便攜系統(tǒng)的一個(gè)元件。在從便攜性和可用特點(diǎn)之間進(jìn) 行選擇的平衡過(guò)程中，本發(fā)明的多種實(shí)施方式提供了一種MDIMS檢測(cè) 系統(tǒng)，其尺寸合理，重量低于10磅，甚至不到8磅。
在MDIMS的多種實(shí)施方式中，附圖12A-C表示了緊湊的MDIMS 的一個(gè)實(shí)施例。該設(shè)備配置成三個(gè)維度，包括第一維度室1202,兩個(gè)第 二維度室1204a, 1204b和兩個(gè)第三維度室1206a, 1206b,其一個(gè)維度 上的最大尺寸〈10cm。附圖12C是這種MDIMS的按比例的三維視圖。 該配置可以以SII模式實(shí)現(xiàn)CFDI和DPIE。在CFDI操作中，反應(yīng)物離 子在離子源中形成后被脈沖送入反應(yīng)區(qū)1208來(lái)選擇性離子化脈沖的試 樣1212。離子化的試樣在第一維度漂移區(qū)1202中被分離并隨后在更高 維度漂移區(qū)1204和1206中被進(jìn)一步分離。
在DPIE操作中，在離子化源1210和反應(yīng)區(qū)1208中形成的正離子 和負(fù)離子均被載體流載入第一維度1202而無(wú)電場(chǎng)排氣。正離子和負(fù)離 子分別被提取到第二維度漂移室1204a和1204b中。根據(jù)儀器的用途及 其控制軟件，試樣離子在第一維度1214,第二維度1216或第三維度1218a和1218b中的檢測(cè)器矩陣中被檢測(cè)。對(duì)于快速篩選操作而言，離子在較 低維度檢測(cè)器中被檢測(cè)以達(dá)到高的處理速度。在需要最高分辨率時(shí)，離
子在第三維度檢測(cè)器中被測(cè)量。該配置的工程圖如附圖13A和13B所示。 實(shí)際應(yīng)用的單元包括試樣入口 1302，試樣入口控制閥1304,離子化源 1306a和1306b，和第一維度漂移區(qū)1308。漂移流祐:設(shè)計(jì)成4黃掃過(guò)第二 漂移區(qū)1320, 1320b和第三漂移區(qū)1318a, 1318b。在漂移氣體入口 1310 和1312,使用流動(dòng)分布系統(tǒng)以確保漂移流均勻地流過(guò)整個(gè)漂移室。漂移 氣體清掃接口 1314和1316。
附圖14A和14B表示了基于附圖12和附圖13所述的檢測(cè)器的便攜 系統(tǒng)的工程圖。該便攜的組合包括氣動(dòng)系統(tǒng)1406,電子和計(jì)算機(jī)控制 1404,用戶界面和顯示器1410,電池電源1408,和MDIMS1402。
在本發(fā)明的MDIMS中優(yōu)選使用模塊化的設(shè)計(jì)方法以便于進(jìn)一步升 級(jí)。例如，不同的離子化源可能用于不同的用途。這樣的離子源可以例 如是電暈電離源，電噴霧電離源，解吸電噴霧電離源。模塊設(shè)計(jì)的規(guī)范 能夠便于離子源的更換。
在另 一方面，上述的一種或多種方法的功能可能借助計(jì)算機(jī)可讀的 指令通過(guò)一般目的的處理器或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)可以是與MDIMS 系統(tǒng)分開的，連接的或是集成于其中的。計(jì)算機(jī)可讀的指令可以是以多 種高級(jí)語(yǔ)言中的任意一種編寫，例如；FORTRAN, PASCAL, C， C++, BASIC。更進(jìn)一步地，計(jì)算機(jī)可讀的指令可以，例如，寫成手工指令， 宏指令，或功能型地嵌入在商用軟件中，例如EXCEL或VISUAL BASIC 此外，計(jì)算機(jī)可讀的指令可以是以直接指向計(jì)算機(jī)中微處理器駐留的匯 編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，如果該指令是在IBMPC或PC系配置運(yùn)行的話， 計(jì)算機(jī)可讀指令可以通過(guò)Intel80x86匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。在一種實(shí)施方式中， 計(jì)算機(jī)可讀的指令可以嵌入在一個(gè)制造的部件中，該部件包括，但不限 于，計(jì)算機(jī)可讀的程序介質(zhì)，例如，軟磁盤，硬盤，光盤，磁帶，PROM, EPROM,或CD-ROM (或任意其它類型的數(shù)據(jù)貯存介質(zhì))。
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在此使用的各章標(biāo)題僅處于方便組織之目的，并非構(gòu)成對(duì)主題的限制。
權(quán)利要求不應(yīng)視為對(duì)所述目的和要素的限制，除非另有說(shuō)明。盡管 通過(guò)結(jié)合多種實(shí)施方式和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但并非意味著本 發(fā)明限于這些實(shí)施方式和實(shí)施例。相反的，本發(fā)明包含了多種變化，改 進(jìn)和等同物，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣。
權(quán)利要求
1. 一種離子遷移譜系統(tǒng)，包括a產(chǎn)生離子并從一輸出端輸出離子的離子源；b與離子源的輸出端相連接的第一漂移管；該第一漂移管具有一個(gè)第一漂移軸線；c與第一漂移管連接的第二漂移管；該第二漂移管具有一個(gè)第二漂移軸線；d具有一個(gè)離子檢測(cè)器，其輸入端與第二漂移管相連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的離子遷移譜系統(tǒng)，其中離子源包括一種CFDI 離子源。
3. 如權(quán)利要求1所述的離子遷移譜系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)離子檢測(cè) 器，其輸入端與第一漂移管相連接。
4. 如權(quán)利要求1所述的離子遷移譜系統(tǒng)，其中離子檢測(cè)器包括一個(gè) 基于離子遷移率的離子遷移語(yǔ)儀。
5. 如權(quán)利要求1所述的離子遷移譜系統(tǒng)，其中離子檢測(cè)器包括一個(gè) 質(zhì)譜儀。
6. 如權(quán)利要求1所述的離子遷移譜系統(tǒng)，其中第二漂移管的第二漂 移軸線相對(duì)于第一漂移管的第一漂移軸線形成一個(gè)角度，該角度介于大 致零度到大致九十度之間。
7. 如權(quán)利要求6所述的離子遷移譜系統(tǒng)，其中第二漂移管的第二漂 移軸線大致垂直于第 一漂移管的第 一漂移軸線。
8. 如權(quán)利要求1所述的離子遷移譜系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與第二漂移管 連接的第三漂移管，該第三漂移管具有一個(gè)第三漂移軸線。
9. 如權(quán)利要求8所述的離子遷移譜系統(tǒng)，其中第三漂移管的第三漂 移軸線大致垂直于第二漂移管的第二漂移軸線。
10. 如權(quán)利要求8所述的離子遷移譜系統(tǒng)，其中第三漂移管的第三 漂移軸線大致垂直于第一漂移管的第一漂移軸線和第二漂移管的第二 漂移軸線。
11. 如權(quán)利要求8所述的離子遷移譜系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)與第三 漂移管相連接的離子檢測(cè)器。
12. 如權(quán)利要求1所述的離子遷移譜系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)電場(chǎng)和 流動(dòng)輔助界面用于離子化的化學(xué)物種的進(jìn)樣。
13. 如權(quán)利要求1所述的離子遷移譜系統(tǒng)，其中電場(chǎng)強(qiáng)度與氣體數(shù) 密度的比值在第 一漂移管中大致是一個(gè)恒量。
14. 如權(quán)利要求1所述的離子遷移譜系統(tǒng)，其中當(dāng)離子化的化學(xué)物 種通過(guò)第二漂移管去往離子檢測(cè)器時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度與氣體數(shù)密度的比值在 第二漂移管中大致是一個(gè)恒量。
15. —種操作離子遷移譜系統(tǒng)的方法，包括 a離子化化學(xué)物種；b沿第 一 漂移管的第 一 漂移軸線輸送離子化的化學(xué)物種； c沿與第 一漂移管連接的第二漂移管的第二漂移軸線輸送離子化 的化學(xué)物種；和d在第二漂移管中檢測(cè)離子。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中化學(xué)物種被CFDI離子化。
17. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中第二漂移管的第二漂移軸線相 對(duì)于第一漂移管的第一漂移軸線形成一個(gè)角度，該角度介于大致零度到 九十度之間。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中第二漂移管的第二漂移軸線大 致垂直于第一漂移管的第一漂移軸線。
19. 如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括沿第三漂移管的第三漂 移軸線輸送離子化的化學(xué)物種。
20. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中第三漂移管的第三漂移軸線大 致垂直于第二漂移管的第二漂移軸線。
21. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中第三漂移管的第三漂移軸線大 致垂直于第一漂移管的第一漂移軸線和第二漂移管的第二漂移軸線。
22. 如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括在第三漂移管中檢測(cè)離子。
23. —種操作離子遷移譜系統(tǒng)的方法，該方法包括 a將氣相試樣在第一時(shí)間脈沖導(dǎo)入第一漂移管；b 沿第 一 方向輸送氣相試樣脈沖使其經(jīng)過(guò)第 一 漂移管的至少 一 部分；c按相對(duì)于第 一 時(shí)間的預(yù)定時(shí)間將 一 系列脈沖的反應(yīng)物離子送入第一漂移管內(nèi)；d產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)用以沿第二方向輸送反應(yīng)物離子脈沖并使其經(jīng)過(guò) 第一漂移管的至少一部分，其中第二方向大致逆平行于第一漂移管中載 氣的流動(dòng)方向；和e —組反應(yīng)物離子，包括一個(gè)或多個(gè)系列的反應(yīng)物離子脈沖，與氣 相試樣脈沖反應(yīng)以使得氣相試樣脈沖中的一種化學(xué)物種被離子化。
24. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中第一方向大致平行于第一漂移 管中載氣的流動(dòng)方向。
25. 如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括重復(fù)反應(yīng)物離子組與氣 相試樣脈沖反應(yīng)的步驟，直至所有的關(guān)注的化學(xué)物種都被離子化，其中 不同電荷親和力的化學(xué)物種在第一漂移管中在不同的時(shí)間被離子化。
26. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中脈沖的氣相試樣被帶入第一漂 移管的反應(yīng)區(qū)。
27. 如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定 的提取時(shí)間產(chǎn)生至少作用于一部分的第一漂移管的電場(chǎng)，將第一漂移管 中離子化的至少 一部分的化學(xué)物種提取到第二漂移管中，該第二漂移管 的漂移軸線大致垂直于第 一 漂移管的漂移軸線。
28. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中提取到第二漂移管中的離子化 的化學(xué)物種被導(dǎo)入離子檢測(cè)器，并且根據(jù)它們到達(dá)離子檢測(cè)器的到達(dá)時(shí) 間而被定性，到達(dá)時(shí)間至少基于其在第二漂移管條件下的遷移率。
29. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中在第二漂移管中的漂移管條件 中至少一項(xiàng)，包括載氣類型，載氣密度，載氣流率，載氣壓力，漂移介 質(zhì)的相，電場(chǎng)強(qiáng)度，和溫度，是不同于第一漂移管中的漂移管條件的。
30. —種用于離子遷移譜法的方法，該方法包括a將試樣導(dǎo)入第一漂移管；b 離子化至少 一 部分試樣以形成離子化的化學(xué)物種；c通過(guò)將離子化的化學(xué)物種與第一載氣在第一系列漂移條件下相互作用，沿第一漂移軸線分離至少一部分離子化的化學(xué)物種；d 于第二漂移管附近產(chǎn)生 一 個(gè)電場(chǎng)以便將離子化的化學(xué)物種提取到第二漂移管中；e通過(guò)將離子化的化學(xué)物種與第二載氣在第二系列漂移條件下相 互作用，沿第二漂移軸線分離至少一部分離子化的化學(xué)物種；f使用離子檢測(cè)器檢測(cè)至少一部分已被分離的離子化化學(xué)物種。
31. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中至少一部分離子化的化學(xué)物種 的分離是離子化的化學(xué)物種時(shí)間上的分離。
32. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中至少一部分離子化的化學(xué)物種 的分離是離子化的化學(xué)物種的空間上的分離。
33. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中導(dǎo)入離子化的化學(xué)物種包括按 預(yù)定時(shí)間導(dǎo)入離子化的化學(xué)物種。
34. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中預(yù)定時(shí)間的選擇使得離子化的 化學(xué)物種中基本上不含有反應(yīng)物離子。
35. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中第二系列條件與第一系列條件 相同。
36. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中第二系列條件和第一系列條件 的中至少兩者之一包括電場(chǎng)取向，電場(chǎng)強(qiáng)度，漂移氣體組成，漂移氣體 的相，漂移氣體溫度，漂移氣體壓力，漂移氣體流率，和漂移氣體相對(duì) 于電場(chǎng)方向的流動(dòng)方向中的至少一項(xiàng)。
37. 如權(quán)利要求30所述的方法，進(jìn)一步包括離子化的化學(xué)物種與第 三漂移氣體在第三系列的漂移條件下相互作用，其中至少 一部分離子化 的化學(xué)物種沿第二漂移軸線空間分離，最后被離子檢測(cè)器檢測(cè)。
38. 如權(quán)利要求30所述的方法，進(jìn)一步包括在第一漂移管中檢測(cè)快 速背景離子。
39. 如權(quán)利要求38所述的方法，進(jìn)一步包括控制作用于第二漂移管的電場(chǎng)的時(shí)機(jī)使快速背景離子不備檢測(cè)到。
40. 如權(quán)利要求30所述的方法，進(jìn)一步包括測(cè)量在第一和第二漂移 管中的漂移時(shí)間并構(gòu)建多維度離子遷移率譜圖，并以此鑒定化學(xué)物種。
41. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中使用離子檢測(cè)器檢測(cè)至少一部 分分離出的離子化的化學(xué)物種包括選擇性地檢測(cè)特定離子。
42. 如權(quán)利要求30所述的方法，進(jìn)一步包括在第一維度漂移管中累 積大量的試樣離子并隨后將其驅(qū)逐進(jìn)入第二漂移管中。
43. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中第一漂移氣體流的方向大致平 行于第一漂移軸線的方向。
44. 如權(quán)利要求30所述的方法，進(jìn)一步包括鑒定被檢測(cè)的離子化的 化學(xué)物種的特征根據(jù)其檢測(cè)到達(dá)時(shí)間至少基于其在第二漂移條件下的 遷移率。
45. —種離子遷移i普^f義系統(tǒng)，包括 a具有第一漂移軸線的第一漂移管；b具有第二漂移軸線和入口的第二漂移管，其中該第二漂移軸線大致垂直于第一漂移軸線，該入口與第一漂移管連接；c具有第三漂移軸線和入口的第三漂移管，其中該第三漂移軸線大致平行于第二漂移軸線且大致垂直于第一漂移軸線，該入口與第一漂移管連接；d設(shè)置于第二漂移管入口附近的一個(gè)電極；和 e設(shè)置于第三漂移管入口附近的一個(gè)電極。
46. 如權(quán)利要求45所述的遷移譜儀系統(tǒng)，其中第二漂移管和第三漂 移管大致彼此相對(duì)布置并橫過(guò)第 一漂移管。
47. 如權(quán)利要求45所述的遷移譜儀系統(tǒng)，其中第二漂移管和第三漂 移管大致并列布置。
48. 如權(quán)利要求45所述的遷移譜儀系統(tǒng)，其中位于相對(duì)于第二漂移 管的入口的電極包括第三漂移管的入口；而且位于相對(duì)于第三漂移管的 入口的電極包括第二漂移管的入口 。
49. 如權(quán)利要求45所述的遷移譜儀系統(tǒng)，進(jìn)一步包括a具有第四漂移軸線和入口的第四漂移管，其中該入口與第二漂移 管連接，該第四漂移軸線大致垂直于第二漂移軸線；和b具有第五漂移軸線和入口的第五漂移管，其中該入口與第三漂移 管連接，該第五漂移軸線大致垂直于第三漂移軸線。
50. 如權(quán)利要求45所述的遷移譜儀系統(tǒng)，其中第四漂移軸線和第五 漂移軸線均大致垂直于第一漂移軸線。
51. 如權(quán)利要求45所述的遷移譜儀系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 一個(gè)離子源， 其具有的輸出口與第一漂移管的第一端連接；和一個(gè)離子檢測(cè)器，其具 有的輸入口與第一漂移管的一端連接。
52. 如權(quán)利要求45所述的遷移譜儀系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 一個(gè)與第一漂移管的第一端連接的第一離子源；和一個(gè)與第一漂移管的一端連接的 第二離子源。
53. 如權(quán)利要求45所述的遷移譜系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 一個(gè)位于第二 漂移管入口和第三漂移管入口之間的離子源，其中該離子源與第一漂移 管連接；和位于第 一 漂移管的第 一 端的第 一 離子4企測(cè)器。
54. 如權(quán)利要求45所述的遷移譜儀系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)位于第一 漂移管與第 一端相對(duì)的 一端的第二離子檢測(cè)器。
55. —種用于操作離子遷移譜儀的方法，該方法包括a向第一漂移管提供一個(gè)包括正離子化學(xué)物種和負(fù)離子化學(xué)物種 的氣體試樣；b用載氣流輸送離子化的化學(xué)物種到第 一 漂移管的漂移區(qū)；c在第二和第三漂移管的入口附近施加一個(gè)電場(chǎng)以將至少一部分 的正離子化學(xué)物種提取到第二漂移管并且將至少 一部分的負(fù)離子化學(xué) 物種提取到第三漂移管中；d —種或多種正離子化學(xué)物種通過(guò)在第二漂移管中與第二載氣碰 撞沿第二漂移軸線空間分離，并且通過(guò)離子檢測(cè)器檢測(cè)其中至少 一部分 分離出的正離子化學(xué)物種；和e —種或多種負(fù)離子化學(xué)物種通過(guò)在第三漂移管中與第三載氣碰 撞沿第三漂移軸線空間分離并且通過(guò)離子檢測(cè)器檢測(cè)其中至少 一部分分離出的負(fù)離子化學(xué)物種。
56. 如權(quán)利要求55所述的方法，其中試樣中某種化學(xué)物種的存在與 否是基于分離出的正離子化學(xué)物種的離子在抵達(dá)檢測(cè)器的到達(dá)時(shí)間來(lái) 決定。
57. 如權(quán)利要求55所述的方法，其中試樣中某種化學(xué)物種的存在與 否是基于分離出的負(fù)離子化學(xué)物種的離子抵達(dá)檢測(cè)器的到達(dá)時(shí)間來(lái)決 定。
58. 如權(quán)利要求55所述的方法，其中試樣中某種化學(xué)物種的存在與 否是基于在檢測(cè)分離出的正離子和負(fù)離子化學(xué)物種抵達(dá)離子檢測(cè)器的 到達(dá)時(shí)間來(lái)決定。
59. 如權(quán)利要求55所述的方法，其中第一載氣，第二載氣，和第三 載氣中的一種或多種是相同的載氣。
60. 如權(quán)利要求55所述的方法，進(jìn)一步包括將一種或多種化合物導(dǎo) 入載氣以促進(jìn)化學(xué)物種在第一漂移管，第二漂移管，和第三漂移管的一 個(gè)或多個(gè)中的分離。
全文摘要
本發(fā)明公開了多維度離子遷移率分析儀的不同實(shí)施例，其中該分析儀具有多于一個(gè)的漂移室并且能夠捕獲物質(zhì)的多維度離子遷移率的譜圖。例如，該裝置的漂移室能夠在獨(dú)立的操作條件下操作以基于帶電顆粒的可辨別的化學(xué)/物理性質(zhì)來(lái)分離帶電顆粒。根據(jù)分析儀的操作模式，該裝置的第一維度漂移室可以用作貯存設(shè)備，反應(yīng)室，和/或漂移室。還對(duì)離子遷移譜儀的方法的多種實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明，其包括，但不限于，連續(xù)的第一維度離子化方法能夠使得試樣中全部的化學(xué)組分被離子化而不論其電荷親和力。
文檔編號(hào)H01J49/40GK101427130SQ200680050198
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月2日
發(fā)明者青 吳 申請(qǐng)人:卓漂儀譜公司