本申請是2008年02月05日提交的標題為“離子遷移譜儀與方法”、專利申請?zhí)枮?00880011496.5(國際申請?zhí)枮镻CT/US2008/053041)的分案申請。

相關(guān)申請的交叉參考

本申請要求于2007年2月5日遞交的申請?zhí)枮?0/888172的相應(yīng)美國臨時專利申請的利益和優(yōu)先權(quán)，該申請的全部內(nèi)容作為參考結(jié)合于此。

背景技術(shù)：

離子遷移譜儀(Ion mobility spectrometers，IMS)被廣泛地用在化學(xué)分析領(lǐng)域。IMS基于離子在給定介質(zhì)(氣體或液體)中的離子遷移率來對離子種類進行分離。IMS技術(shù)的近期發(fā)展產(chǎn)生了兩種形式的IMS儀器和系統(tǒng)。飛行時間(Time of Flight，TOF)IMS基于離子在恒定電場下的穩(wěn)態(tài)離子遷移率來對離子進行分離。利用IMS的高分析能力已經(jīng)通過TOF-IMS儀器實現(xiàn)。另一類裝置基于離子的遷移率在高場條件下的改變而對離子進行分離，諸如非對稱場離子遷移譜儀(Field asymmetric ion mobility spectrometer，F(xiàn)AIMS)或差分遷移譜儀(Differential mobility spectrometer，DMS)。這些裝置通過使用非線性遷移率(其在標準化電場的高值(E/n)處發(fā)生)對離子進行分離。標準化電場是指在空間中的給定位置施加的電場與中性粒子數(shù)目密度的比值。標準化電場是電離化氣體和等離子體中的關(guān)鍵參數(shù)，作為電離化離子的能量，擊穿電壓和保持電壓以及其他關(guān)鍵參數(shù)取決于該比值。FAIMS和/或DMS裝置具有實際上仍然比線性漂移管更差的敏感性和選擇性。

在很多情況下，在不太理想的操作環(huán)境中(特別地，具有高水分或其他特定場景干擾的環(huán)境)，譜儀(spectrometer)性能被大大限制。這些環(huán)境中的離子遷移譜儀的性能可以通過增加氣體的溫度而改善。高溫離子遷移譜儀在需要高分辨率分析(諸如，爆炸物檢測)的應(yīng)用中是常見的。不幸的是，IMS裝置中的高溫漂移管的使用導(dǎo)致高功率消耗、便攜性受限以及其他操作缺陷(包括從冷條件開始的緩慢啟動)。另外，在這些譜儀中通常需要干漂移氣體。該單元前面的除濕器已經(jīng)被用于通過顯著平衡來解決這些問題(作為水吸收器或作為疏水膜)。容量、重量和再生的需要利用了不切實際的除濕器單元，而疏水膜的使用降低了引入裝置的樣品的容量和數(shù)量，從而降低了其敏感性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明總地涉及用于在導(dǎo)致非熱平衡的離子遷移譜儀中向離子傳送額外能量的系統(tǒng)和方法。該設(shè)備被稱為提升能量的離子遷移譜儀(Elevated Energy Ion Mobility Spectrometer，EE-IMS)。在EE-IMS中，離子能量通過離子遷移譜儀的電離區(qū)、離子化學(xué)互相作用(反應(yīng))區(qū)、和/或分離區(qū)可以以非熱方式增加。在一個方面中，提升后的離子能量水平防止了離子與譜儀內(nèi)的中性分子團簇(clustering)。

在本發(fā)明的一個實施例中，在飛行時間類型的離子遷移譜儀(Time of Flight Type Ion Mobility Spectrometer，TOFIMS)中，額外的電場成分使得離子僅在垂直于正常漂移方向的方向上移動，從而譜儀可以保持它的正常性能(例如，分辨率)，同時避免了來自水和其他中性分子的干擾。在這個實施例中，與EE-IMS和其他離子遷移譜儀和非對稱場離子遷移譜儀結(jié)合的根本差別在于：(a)本發(fā)明不導(dǎo)致利用AC場的分析目的的離子分離；AC電場成分通常可以是對稱波形或者可以導(dǎo)致離子停留在提升后的能量水平的任何波形。波形的頻率可以在寬RF范圍內(nèi)，例如，在0.1-10MHz范圍內(nèi)乃至在微波范圍內(nèi)；(b)與離子部分時間停留在低能量水平的FAIMS或DMS相比，EE-IMS中的離子基本停留在高能量水平。(c)氣體流不對離子分離的氣體流有影響；TOFIMS中的傳統(tǒng)計數(shù)器的反向氣流僅被用于漂移管清潔。其不能被用作離子載氣或為離子分離用的平衡力；以及(d)分析目的離子分離僅基于漂移軸方向上離子的穩(wěn)態(tài)遷移率。在該申請中，術(shù)語AC和RF可以被交換使用。

本發(fā)明描述了一種在導(dǎo)致離子和背景氣體分子之間的非熱平衡的分布離子遷移分離器中向離子供應(yīng)能量的設(shè)備和方法。在一個非限制性的實例中，漂移管保護環(huán)(guard ring)由多個電極組成，以施加垂直于離子漂移方向的波形，并且被稱為分段保護電極。當(dāng)在所施加的DC電場的影響下IMS中的離子沿著漂移管的軸飛行時，AC電場被施加在垂直于離子漂移方向的第二方向上。第二個場下的高速運動使得離子在IMS中漂移的同時保持在較高能量水平。結(jié)果，在提升后的能量水平下的離子不再與譜儀中的中性分子團簇，或者使它們團簇的傾向降低。AC電場還可以被施加在電離區(qū)、離子化學(xué)反應(yīng)區(qū)以及離子分離(漂移)區(qū)中。

在本發(fā)明的一些實施例中，向離子供應(yīng)非熱能的能量源是無線電頻率(RF)電場。所以，EE-IMS使用RF電場以非熱方式加熱離子。非熱意味著離子能量不與背景氣體平衡。增加的離子能量提供了修改線性漂移的方式，以最小化與TOFIMS有關(guān)的問題。本發(fā)明的EE-IMS使用高RF電場以增加離子的有效溫度，在一個方面最小化由于環(huán)境中的濕度或其他干擾而導(dǎo)致的離子的不利的化學(xué)或物理表現(xiàn)。還可以使用DC場和RF場的結(jié)合，從而使得使用DC場執(zhí)行離子分離，但是RF場被用于改變化學(xué)并防止與目前裝置相關(guān)聯(lián)的一些問題。

另外，在離子運輸和基于遷移率的分離過程中，RF加熱方法可以被用于FAIMS、DMS和/或其他演變形式，其中，RF電場被施加在垂直于導(dǎo)致基于離子遷移率的分離的(非對稱)電場的方向上。在一些實施例中，與EE-IMS和包括TOFIMS和FAIMS以及DMS的傳統(tǒng)IMS的根本不同點在于：(1)在離子運輸和基于遷移率的分離過程中，EE-IMS中的離子被RF電場保持在高有效溫度(高能量)條件下。(2)RF電場被用于連續(xù)保持提升后的離子能量，并且它不能導(dǎo)致分析目的的離子分離：RF電場成分可以是對稱的，只要其使得離子停留在提升后的能量水平。(3)在EE-IMS中，漂移氣體流不存在對于離子分離欄的漂移氣體流的影響：TOF-IMS中的傳統(tǒng)反向氣體流僅用于漂移管清潔。其不能被用作離子載氣或為用于離子分離用的平衡力；基于離子的穩(wěn)態(tài)遷移率，離子僅在DC電場方向被分離。(4)在包括EE-FAIMS和/或EE-DMS的EE-IMS中，RF場被施加在垂直于(或其他角度)在這些裝置中用于過濾離子的傳統(tǒng)的非對稱電場的方向上。

附圖說明

結(jié)合附圖，通過下面的描述可以更加完全地理解本發(fā)明的前述和其他方面、實施例和特征。貫穿各個附圖，圖中的相同的參考字符通常表示相同的特征和結(jié)構(gòu)元件。附圖不必須是按比例的，重點在于闡述本發(fā)明的原理。

圖1示出了EE-IMS中的離子運動的實例，其中，在RF和DC電場二者的影響下，離子被運輸通過漂移管；

圖2示出了使用利用DC和RF場二者進行偏壓后的電極的TOFIMS中的EE-IMS的示意圖；

圖3示出本發(fā)明的一方面的新儀器，示出了利用電感驅(qū)動來生成多個RF場的示意圖；

圖4a和圖4b示出了說明使用電感方式的RF加能的示意圖，其中，需要該RF驅(qū)動圖2和圖3中的儀器的保護電極；

圖5a和圖5b示出本發(fā)明的一方面的新儀器，示出了利用電容驅(qū)動來生成多個RF場的實施例；

圖6a和圖6b示出了具有由4個分段組成的分段保護電極的裝置的實施例的截面圖；圖6a使用單個RF電源，而圖6b使用多個RF電源；

圖7a-d示出了具有形成分段保護電極的分段的不同排列的裝置的實施例的四個截面圖；

圖8示出了使用高頻腔模式來建立本發(fā)明的RF場；

圖9示出了在載氣流和非對稱無線電頻率電場波形的同時影響下，F(xiàn)AIMS或DMS離子過濾器的上和下平行板電極之間的間隙中的離子的軌跡；

圖10a到圖10d示出了被用在現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明中的各種RF波形；

圖11示出了用于EE-IMS的波形的一個實施例，其中，RF電場被施加在垂直于具有基本相位偏移的另一個RF電場的方向的方向中；

圖12a-圖12b示出了使用2對電極生成旋轉(zhuǎn)RF電場的方式；

圖13示出了使用奇數(shù)組電極生成旋轉(zhuǎn)RF電場的方式；

圖14示出了使用多個電極在EE-IMS中生成相對均勻的RF電場的方式；

圖15示出了使用多個電極和多個波形在EE-IMS中生成旋轉(zhuǎn)的、相對均勻的RF電場的方式；

圖16示出了使用添加恒定延遲的相位延遲元件生成多個波形的方式；以及

圖17示出了使用添加多個頻率延遲的相位延遲元件生成多個波形的方式。

具體實施方式

術(shù)語“離子遷移分離器”、“離子遷移譜儀”以及“基于離子遷移率的譜儀”在本發(fā)明中可以交換使用，并且通常被稱為IMS，包括飛行時間(TOF)IMS、差分遷移譜儀(DMS)、非對稱場離子遷移譜儀(FAIMS)以及它們的演變形式。從廣泛意義上講，飛行時間離子遷移譜儀和它們的演變形式指基于離子飛過限定距離的時間來對離子進行表征的任何基于離子遷移率的分離設(shè)備。在高數(shù)值的標準化電場下，F(xiàn)AIMS、DMS以及它們的演變形式基于其離子遷移特性來對離子進行分離。

本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以利用“漂移管”。在這里，根據(jù)該術(shù)語在離子遷移譜儀領(lǐng)域中所接受的含義使用術(shù)語“漂移管”。漂移管是一種包括中性氣體的結(jié)構(gòu)，離子在電場的影響下移動通過該結(jié)構(gòu)。應(yīng)該理解，“漂移管”不需要是管或圓筒的形式。如本領(lǐng)域中所理解的，“漂移管”不限于在圓筒中得到的圓形或橢圓形截面，而可以具有包括但不限于正方形、矩形、圓形、橢圓形、半圓形以及三角形等在內(nèi)的任何截面形狀。在很多情況下，漂移管還被稱為FAIMS或DMS裝置的離子運輸和/或離子過濾器部分。

中性氣體通常被稱為載氣、漂移氣體、緩沖氣體等，并且這些術(shù)語在這里被認為是可以交換的。該氣體處于這樣的壓力下：所關(guān)心的一個或多個離子的平均自由程小于漂移管的尺寸。即，氣體壓力被選擇用于粘性流。在通道中的氣體的粘性流的條件下，條件是這樣的：平均自由程與通道的橫向尺寸相比非常小。在這些壓力下，流特性主要由氣體分子之間的碰撞(即氣體的粘性)來確定。該流可以是層流的或湍流的。優(yōu)選的，漂移管中的壓力足夠高，以至于離子將飛行相對于漂移管的縱向長度而言可忽略的距離，從而實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)離子遷移。

在這里的說明書和權(quán)利要求中使用的短語“和/或”應(yīng)該被理解為意思是如此結(jié)合的元件的“二者之一或二者”，即，在一些情況中元件是結(jié)合地出現(xiàn)的，而在其他情況中元件是分別出現(xiàn)的。

除非在本文件中另外指定，否則術(shù)語“粒子”用于指化學(xué)和/或生物的單個或多個亞原子粒子、原子、分子、大或高分子、納米粒子、或其他物質(zhì)，這些物質(zhì)是追隨流動介質(zhì)的蒸氣、液滴、氣霧、液體、固體，其中該介質(zhì)可以是氣體、液體、超臨界流體和/或其他流體材料。

本發(fā)明總地涉及使用能量源向離子供應(yīng)能量以將離子保持在高于給定操作溫度下的熱能的能量水平的系統(tǒng)和方法。在一組實施例中，在離子運輸和/或基于遷移率的分離過程中，連續(xù)供應(yīng)能量，從而使得離子能量總是高于熱能水平。在另一組實施例中，在離子運輸和/或基于遷移率的分離過程中以一種方式提供能量而防止離子連續(xù)停留在該熱能水平大體上長于1μs。

本發(fā)明的一方面涉及用于防止離子與周圍的中性分子團簇或降低離子與周圍的中性分子團簇的傾向的系統(tǒng)和方法。目前應(yīng)該理解，高濕度會通過團簇的作用過程而干擾IMS設(shè)備的性能。與團簇相關(guān)聯(lián)的能量大約為200kcal/mol(對于質(zhì)子化的水團簇H3O+)，團簇越大，能量越低(對于n～2是30-40kcal/mol，隨著團簇尺寸而降低)。

已經(jīng)證實，用于防止高濕度對IMS檢測器的作用影響的方法是利用在提升后的溫度下操作漂移管來實現(xiàn)的。高溫操作需要功率并限制了設(shè)備的暫態(tài)操作(其需要相當(dāng)長的時間以使通過整個儀器達到均勻溫度)。這里描述的該新方法的一個實施例涉及一種在以非熱方式向離子添加額外能量(即，對它們加熱)的同時，除在保持背景氣體的室內(nèi)溫度外，通過傳統(tǒng)的離子遷移譜儀實現(xiàn)分離的方法。向離子提供動能打破了離子-水團簇，最小化或去除了由于高濕度和其他中性分子導(dǎo)致的干擾。

需要非常高的場來完全游離水團簇，但是提供足夠的能量來游離n>1的水團簇M+(H2O)n相對比較容易。一般認為沒有必要提供完全解團簇(diclustering)，即使在使用吸收器或薄膜的儀器中，低數(shù)量團簇也會發(fā)生。與高濕度相關(guān)聯(lián)的問題發(fā)生在當(dāng)團簇相當(dāng)大時，以至于妨礙離子化學(xué)(ion chemistry)。需要數(shù)Townsends(E/n)的標準化場強度以提供游離能量，因而大氣壓下需產(chǎn)生大約10kV/cm的電場。通過本發(fā)明的各種實施例，可以通過向離子提供一定數(shù)量的能量來控制特定數(shù)量的中性分子與離子結(jié)合。從而，在給定的能量水平下，一種離子可以保持與已知數(shù)量的中性分子進行團簇。通過調(diào)節(jié)能量水平，控制團簇的程度。

在本發(fā)明的某些實施例中，向離子供應(yīng)非熱能量的能量源是無線電頻率(RF)電場，但是不僅限于這種能量源。能量源可以被調(diào)諧以提供用于以下目的但又不限于以下目的的能量水平：控制團簇、解團簇、控制離子-分子反應(yīng)的程度。在一些情況下，標準化RF電場大于2Townsend，或者標準化RF電場大于40Townsend，并且RF電場頻率在10kHz到2MHz之間，或者RF電場在500MHz到3GHz之間。

使用高密度電場只對離子提供能量需要非常小的功率而且是接近瞬時的(不需要等待儀器暖機)，并且具有提供可以被用來控制離子化學(xué)的額外旋鈕的額外益處。當(dāng)離子在中性背景中消散它們的能量時，存在對于中性背景的一些加熱，但是與這種機制相關(guān)聯(lián)的加熱功率是非常小的(<100microW)。

由于在本發(fā)明的一些應(yīng)用中，線性無線電頻率(RF)場需要在每個周期中在短時間內(nèi)經(jīng)過0兩次，所以提高頻率以最小化在低電場周期內(nèi)離子游蕩的時間非常重要。大氣壓下的團簇現(xiàn)象的時間常數(shù)大約為1微秒等級。從而，大約為數(shù)百KHz或更高等級的頻率是優(yōu)選的。可以防止RF場降低到零的一個實施例使用了相互垂直的兩個RF場。因為這兩個波形具有這樣的相位差：當(dāng)一個RF場降低到零時，另一個場處于其最大值。所以，在該疊加電場中飛行的離子可以被保持在高能量水平。

在一組實施例中，以防止離子在離子傳輸和/或以遷移率分離的過程中連續(xù)停留在該熱能水平大體上長于1μs的方式提供能量。這通過使用高于數(shù)百kHz的RF電場頻率來實現(xiàn)。在一個非限制性實例中，通過在軸向使用低強度DC來實現(xiàn)分離和漂移，同時垂直于低強度電場的方向上的高強度場防止了離子在漂移管的電離區(qū)、反應(yīng)區(qū)和/或漂移區(qū)中團簇。RF場是對稱的，與諸如DMS或FAIMS設(shè)備(圖9)的橫向場IMS(其使用非對稱的RF場(圖10a)，用于通過非線性遷移對離子進行分離)相反。圖1示意性地示出了在漂移部106和化學(xué)作用(反應(yīng))區(qū)104中在結(jié)合的DC和RF電場的影響下離子100的離子運動軌跡101。為了圖1中清楚，示出的額外元件是：限定漂移管中的電場的一系列保護電極103、生成初級離子的電離源105、加能的門(energizing gate)116以及離子檢測器110。振蕩漂移可能比圖1所示的更加明顯，離子運動可能在所描述的飛行期間經(jīng)歷更多振蕩，所以RF場中的離子飛行的相對距離可能是IMS的典型橫截面尺寸的很小一部分。

圖2示出了使用利用DC和RF場施加偏壓后的電極的飛行時間離子遷移譜儀中的EE-IMS的示意圖。一小群離子被引入用于基于離子的穩(wěn)態(tài)離子遷移率來分離離子種類的漂移區(qū)206。通過場分離器格柵(gate，門)214的適當(dāng)偏壓應(yīng)用DC場，將由電離源212在電離區(qū)202中產(chǎn)生的一種極性的離子與另一種極性的離子分離。電離源212可以是放射源、光電離源、電暈源、電噴霧電離源或其他在電離區(qū)202中從中性氣體生成兩種極性的離子的任何裝置。在很多情況下，212、202以及其他周圍元件的結(jié)合被統(tǒng)稱為電離源。這些離子(主要是初級離子或反應(yīng)離子)進入化學(xué)反應(yīng)區(qū)204，在該反應(yīng)區(qū)中，這些離子與未在圖2中示出的通過樣品供給(sample feed)引入的樣品進行相互作用。該樣品也可以被引入電離室區(qū)202。一種或兩種極性的離子導(dǎo)入化學(xué)反應(yīng)區(qū)204，通過門214。作為另一個替代實施例，可以將區(qū)域202和204結(jié)合起來。可以通過給加能的門214或216或分段保護電極236a和236b加能向DC場添加RF電場，在漂移管的反應(yīng)區(qū)中生成RF電場。可以通過給分段保護電極230a和230b加能或給門214和源元件212加能，將RF場添加至電離室。反應(yīng)區(qū)204的目的在于用于使離子化學(xué)進展到在包括樣品分子的反應(yīng)區(qū)204中存在的反應(yīng)離子、產(chǎn)物離子以及氣體分子之間達到穩(wěn)態(tài)分布的點。離子門216將短期離子云引入漂移區(qū)206，在DC場漂移的作用下，樣品離子在恒定電場下根據(jù)他們的線性遷移率進行分離。在根據(jù)遷移率進行分離后，離子被由孔徑格柵208遮蔽的離子檢測器電極210收集。雖然這里描述了具有線性管的傳統(tǒng)離子遷移譜儀的操作，但是本發(fā)明不限于這種形式。例如，對于一個或多個額外漂移維度，可以重復(fù)EE-IMS系統(tǒng)和方法。通過DC場和RF場的結(jié)合，對分段保護電極220a和220b進行偏壓。電壓階梯是這樣的，電極222a的DC偏壓與222b的相同，224a的偏壓與224b的相同，226a的偏壓與226b的相同，等。所以，DC場在漂移區(qū)206中建立了適用于離子分離的均勻場，并且在電離室區(qū)202和反應(yīng)區(qū)204中提供足夠的偏壓。然而，電壓分布是這樣的，電極222a具有與222b的RF電場相差180度(即，極性)的RF電場，電極222b具有與224b的RF電場相差180度的RF電場，等。

在電離區(qū)和/或化學(xué)反應(yīng)區(qū)中也可以使用強RF電場。理想的離子化學(xué)將導(dǎo)致正被識別的種類的離子中的大量帶高分比的電荷。由于遷移譜儀中獲益的種類的高電子親和性和質(zhì)子親和性，正常條件下的電荷優(yōu)先附加到這些種類，導(dǎo)致儀器對這些種類非常敏感。不利條件下的團簇可以阻止離子化學(xué)的進展，這可能會嚴重降低甚至阻止這些種類的檢測。通過提供高能量反應(yīng)離子，團簇被最小化并且離子化學(xué)繼續(xù)?？梢酝ㄟ^直接向門214和216以及電離源212或分段保護電極230a-230b、236a-236b施加RF電壓，來生成強RF場。

如在傳統(tǒng)的TOFIMS設(shè)備中，由于飛行時間單元(time of flight cell)206中的DC場而實現(xiàn)了軸向分離240。分辨率應(yīng)該比得上或優(yōu)于傳統(tǒng)的IMS設(shè)備，但是，由于避免了使用降低向譜儀引入樣品的薄膜，可導(dǎo)致敏感性大大增加(可能是高出～2個數(shù)量級)。

在該非限制性實例中，EE-IMS設(shè)備和其他橫向場IMS(FAMIS或DMS)之間的差別為：(a)離子分離是通過線性漂移管而不是通過非對稱RF場。(b)離子解團簇是通過高強度RF場實現(xiàn)的。(c)需要相對慢的氣體運動(主要是漂移管清潔所需)，但是這不應(yīng)該對儀器分辨率有影響。

在一些實施例中，對離子進行分離的方法包括：將離子引入基于離子遷移率的譜儀，在向離子供應(yīng)能量的同時運輸和/或分離離子，以將它們保持在高于給定操作溫度下的熱能水平的能量水平，并且防止離子在運輸和/或分離過程中連續(xù)停留在該熱能水平大體上長于1μs。該能量水平可以被控制和/或調(diào)節(jié)到不同水平進行一系列離子遷移率測量。該方法還可以包括防止或降低離子與周圍的中性分子團簇的步驟。另外，該方法可以包括防止或降低離子在電離區(qū)和/或化學(xué)反應(yīng)區(qū)中與周圍的中性分子團簇的步驟。從而，通過RF電場提供能量。在一些情況下，RF電場在來自不同源的相同頻率下操作，和/或在其他情況下，通過利用由相互間存在相位偏移的波形驅(qū)動的多個分段保護電極，RF電場在空間上是均勻的。

在各種實施例中，描述了生成多個RF/DC場的三種方式：電感、電容、以及諧振。一種使用電感耦合提供關(guān)于DC偏壓的RF場，并且在圖3中示出。另一種使用電容耦合來提供加在RF場上的DC偏壓場，并在圖5a和圖5b中示出。圖3示出了驅(qū)動圖2中描述的電極220a-220b的電氣系統(tǒng)的示意圖。高電壓電源330被用于生成電壓階梯(voltage ladder)，該電壓階梯導(dǎo)致了漂移室306中的均勻DC場分布和反應(yīng)區(qū)304和電離室302中的適當(dāng)場分布。通過利用由電容器階梯332和電阻器階梯334組成的電容器/電阻器階梯來劃分高電壓。注意，當(dāng)RF繞組中沒有RF場時，相反電極322a和322b、324a和324b等處于相同的電位。以適當(dāng)?shù)姆群皖l率將RF施加至初級芯。多個繞組336被作為獨立的次級繞組(原則上為相同的芯)?？蛇x地，可以使用多個芯，初級繞組經(jīng)過整個芯。

針對圖3，使用高電壓DC電源330對兩個電極階梯進行偏壓。通過使用包括電容階梯332和電阻階梯334的DC電壓階梯，順序地對分段保護電極進行偏壓。下面將要描述的一個或多個變壓器的次級繞組被用于生成對所耦合的電極對進行加能所需的多個RF場。電感耦合將需要單個鐵氧體變壓器，同時多個繞組具有DC偏壓。這種方式最小化儀器的尺寸和重量。可選地，電路具有多個具有串聯(lián)的初級繞組的磁芯，每個磁芯利用其自身的次級繞組來驅(qū)動裝置的每個部分。在圖4a或圖4b的情況下，每個次級繞組的中間抽頭被附接到DC電壓階梯的適當(dāng)元件的DC偏壓，同時反向?qū)Ь€(opposite leads)被附接到耦合的分段保護電極。需要生成大量AC電壓，以短路DC偏壓，圖4a-圖4b示出了生成多個電壓的方式(能夠在不同的DC偏壓下操作)。在圖4a中，存在單個初級繞組440，同時次級繞組436圍繞單個芯442。在圖4b中，存在多個芯446，并且每個芯的初級繞組444被串聯(lián)驅(qū)動。圖4a和圖4b示出了次級的共同中間抽頭，其可以被連接至DC偏壓(圖3中未示出)。在圖4b中，所有的繞組都由同樣的信號驅(qū)動，但并不總是這樣。

圖5a-圖5b示出了通過電容方式提供AC加能的方式。為了說明目的，在圖5a和圖5b中，電噴霧電離源512被用作電離源以及電離區(qū)502、化學(xué)作用區(qū)504、漂移區(qū)506、收集器孔徑508、離子檢測器510和高電壓電源530。上面分別描述了電容階梯和電阻階梯532和534。RF電源510驅(qū)動變壓器520的初級，并且次級線圈的一側(cè)(中間抽頭)對一個電極階梯進行加能，并且次級線圈的另一側(cè)對另一個電極階梯進行加能。在圖5a中，到圖2中描述的電極階梯220a和220b的DC偏壓分別通過電阻器518a和518b提供，同時這些相同階梯的RF加能通過電容階梯514a和514b來提供。

圖5b示出了不同方法，其中，圖5a中描述的電容階梯514a和514b被具有并聯(lián)電容器的布置代替。電容器524a提供電極階梯220a的RF加能，而電容器524b提供電極階梯220b的RF加能。

重要的是，不管在電容性驅(qū)動還是電感驅(qū)動的情況下，相同的相位被連接至相同的電極階梯。這在圖5a和圖5b中示出的電容性驅(qū)動電路的情況下被清楚地示出，而在圖3中所示的電感性驅(qū)動的情況下沒有被清楚示出。

另外，盡管圖3-7中示出的電路被用于使用利用振蕩器的驅(qū)動器，但是也可以使用諧振來建立RF電場，通過在來自低功率/場電源的諧振處進行操作而實現(xiàn)高電壓。低頻諧振電路，如圖3、圖4、圖5、圖6和圖7中示出的所需的電路，可以通過使用離散組件實現(xiàn)。使用離散組件，還可以實現(xiàn)利用具有相位偏移的多個波形的操作所需的相位偏移元件。

圖6a-圖6b示出了分段保護電極的電位布置。在圖6a的情況下，不是圓形或半圓形線圈，而是分段保護電極被置于正方形(或矩形)布置上。通過元件612(從DC階梯)提供DC偏壓。RF電源610利用相反的AC極性對分段保護電極624進行加能，而分段保護電極626不由任何RF加能。由該布置生成的電場近似為電偶極子。

在圖6b中，使用了兩組RF源，以利用RF電壓對所有的分段保護電極進行加能。耦合的保護電極624由RF電源610加能，同時耦合的保護電極626由RF電源611加能。

圖7a-圖7d示出了非限制性配置，其中分段保護電極也可以被利用。例如，可以以圓形、笛卡兒(Cartesian)正方形、矩形、或平行板圖案(但不限于這些)來排列DC偏壓的分段保護電極。在圖7a中，傳統(tǒng)的圓形電極防護圈被分為兩個半圓形的分段保護電極，由電源710提供的RF進行加能，并從DC階梯通過元件712被DC偏壓。電極數(shù)目不必要僅為一對，并且圖7b示出了2對分段保護電極772和768的情況。在圖7b中，僅有一對分段保護電極通過RF進行加能，類似于圖6a的情況。圖7c-圖7d示出了矩形圖案或笛卡兒正方形的分段保護電極的情況。圖7c示出了圖7a中示出的那些的可替代的一組分段保護電極776，并且圖7d示出了圖7b中示出的那些的可替代的一組分段保護電極792和786。分段保護電極被用于向漂移管施加RF電場，分段可以被配置為各種圖案；并且如圖7中所示，不需要平均劃分。

在單個頻率處可以使用單個發(fā)生器，或者具有多個頻率的多個發(fā)生器可以被使用。電極可以使這些波形疊加，或者如圖6b中所示，不同的電極以具有不同頻率的波形操作。

在數(shù)百MHz以致高達2.45GHz的更高的頻率處，在腔中建立諧振模式的諧振耦合也是可能的。特別有吸引力的是在750MHz、900MHz、1.8GHz和2.45GHz處的應(yīng)用，其中廉價、小型、且有效率的固態(tài)驅(qū)動器是可以得到的。

在一些實施例中，對離子進行分離的方法包括：將離子引入基于離子遷移率的譜儀，運輸和/或分離離子的同時向離子供應(yīng)能量以將它們保持在高于給定操作溫度下的熱能水平，并且在運輸和/或分離過程中防止離子連續(xù)停留在該熱能水平大體上長于1μs。能量是被在時間上幅度相對恒定的RF電場提供的，其中，旋轉(zhuǎn)的RF電場是由不同電極和RF驅(qū)動器生成的場疊加的結(jié)果。另外，RF驅(qū)動器在相同頻率但不同相位下操作。

存在多個生成對稱RF場的方法。圖6a-圖6b和圖7a-圖7d中示出了一些可能的幾何形狀。圖7a示出了飛行時間遷移譜儀的電配置，其中，電極被用作保護電極和振蕩器以提供給定波形的RF電場。RF電場大致垂直于用于離子分離的DC電場。在圖6a-圖6b和圖7a-圖7d中，RF電場基本垂直于DC場。

在另一個非限制性的實例中，RF電場基本平行于DC場，并且RF場由諧振腔生成。圖8示出了帶有諧振腔的離子遷移譜儀，其使用微波范圍內(nèi)的頻率的RF場。圖8中收集器孔徑和離子檢測器位于RF腔820內(nèi)，但是這僅用于說明目的，離子孔徑(ion aperture)可以是RF腔的一部分，并且離子檢測器僅位于該腔的外部。所示出的腔示出了導(dǎo)致軸向電場的TM010模式的電場結(jié)構(gòu)815，但是并不必須是這種情況，而可以使用其他模式。圖8示出了RF腔內(nèi)部的漂移管的結(jié)構(gòu)，如TM010腔所示，其中，該RF腔還可以包括收集器孔徑808和離子檢測器810。高頻可以被用來生成通過天線或波導(dǎo)管耦合的高值RF電場。通過使用高Q腔來降低RF功率。在這種情況下，RF電場在軸向上恒定，但在徑向上降低。所以，僅該腔的中心區(qū)域被用于離子運輸?？梢允褂闷渌Ｊ胶推渌粠缀涡螤?。為了最小化該腔的尺寸，可能需要高于500MHz的場。例如，諧振頻率可以在500MHz到3GHz之間。廉價、高效的電源(磁電管、固態(tài)組件)存在于這個頻率范圍內(nèi)。

操作用于進行離子過濾的FAIMS或DMS設(shè)備的通常被接受的方法和設(shè)備在圖9中示出。載氣流901將離子903運輸通過離子引入部902，沿長軸方向到漂移管(離子過濾器部909)在上905和下907平行板電極之間的縫隙中，然后在離子檢測部911中被檢測。如果非對稱的RF電場被施加至電極，則離子將在RF電場的影響下，在與載氣流向的垂直方向上振蕩的同時隨載氣在漂移管中向下移動。在這期間，同時受到載氣流和非對稱的RF電場波形影響。簡化的非對稱的RF電場波形在圖10a中示出。

圖10a-10d示出了不同的波形。圖10a示出了傳統(tǒng)FAIMS或DMS設(shè)備的波形，主要包括非對稱AC場與可變的DC偏壓。本發(fā)明使用對稱AC場，如圖10b示出的方波，但是可以使用其他類型的波形，諸如正弦波形。使用對稱的正弦波形的很大好處在于諧振電路可以被用于生成RF，從而大大簡化電源供應(yīng)器。圖10c示出了應(yīng)用的另一個實施例。不必要在所有電極中使用相同的頻率?？梢允褂萌鐖D6b中所示的多個RF電源供應(yīng)器在不同頻率操作?？蛇x地，在差分遷移譜儀中，波形可以是對稱的和非對稱的波形的疊加，如圖10d中所示。在這個非限制性的實例中，高頻波形被用于供應(yīng)能量，而低頻非對稱場被用于引起基于離子遷移率的分離。

在FAIMS或DMS中，該場在周期的一小部分中高，而在周期的其余部分低，在低場期間，團簇現(xiàn)象會影響離子，并且作者已經(jīng)描述了該過程允許在這些設(shè)備中進行離子分離。與FAIMS或DMS設(shè)備對比，在本發(fā)明的一個實施例中，RF場在周期的所有部分都應(yīng)該為高，以防止團簇。這些RF場被用于將離子設(shè)置在特定能量水平，以在實際應(yīng)用中最小化離子的團簇。RF場可以與非對稱電場處于相同方向，或者它們可以在垂直于它們的方向。這樣，圖11可以將非對稱電場施加于源1107用于基于FAIMS的分離，并將對稱RF場施加于源1109用于能量提升。圖11示出可以被分別提供給RF場源1107和1109的兩個波形1101和1103。在這個非限制性的實例中，當(dāng)它們被分別施加于電極1111和1115時，設(shè)備內(nèi)的離子經(jīng)歷由波形1101和1103產(chǎn)生的RF電場。在該圖中還示出，這兩個波形在相互垂直(90度)1105的方向上振蕩。該實例還示出這兩個波形具有相位偏移1113。在將該波形配置應(yīng)用于FAIMS設(shè)備的情況下，一個波形(例如，1101)可以是實現(xiàn)分離(在這種情況下，電極1111被用作現(xiàn)有技術(shù)DMS中的平行板)所需的非對稱的，而另一個波形(例如，1103)可以是對稱的，用于向離子供應(yīng)能量。

在另一組實施例中，在離子運輸/基于遷移率的分離過程中，連續(xù)供應(yīng)能量，從而使得離子的能量總是在熱能水平之上。如果提供線性電場，則RF離子運動是沿著RF場方向的，并且處于振蕩運動的結(jié)尾處的離子丟失了它們的額外能量(在一個周期中兩次，在振蕩路徑的每個結(jié)尾處)并且變成熱能的，團簇在該處可以開始。可以通過使用電場的疊加來將離子保持在提升后的能量。圖12a-圖12b示出了具有生成在不同方向上的電場的兩組電極的實施例。通過使用具有相位差(在圖12a-圖12b的情況中為90度)的RF波形來進行加能，可以獲得幅度相對恒定但是正在改變方向的電場(類似于電磁波的線性對圓極化)。離子運動通常是橢圓形(而不是直線)的，并且如果RF電壓和電極間距相同，則運動是圓形的。所以離子一直被保持在高能量處，并且RF電場幅度在周期內(nèi)的任何時間都不跨過0。這個實施例的很大好處在于可以使用較低頻率。在這個實施例中，可以使用從數(shù)十kHz開始的頻率。

圖12a-圖12b示出了一個實施例，其中，RF電場總是在施加的狀態(tài)而不存在當(dāng)RF電場值通過0時發(fā)生的較短時間段。圖12a示出了具有不同的波形V1和V2的兩個源。單個電源供應(yīng)器生成電壓，但是信號是分開的，每條引線(leg)承載不同的延遲。圖12b示出了當(dāng)V2被相位延遲90度時的情況。示出了在波形的半周期內(nèi)的RF電場結(jié)構(gòu)。在時間t1，RF電場結(jié)構(gòu)是這樣的：場是垂直的，而頂電極1200具有最高RF電壓(電極1204具有最低RF電壓)，電極1202和1206不具有任何RF電壓。時間t2(45度后)示出了當(dāng)電極1200的RF電壓較低并與電極1202的RF電壓相同，同時電極1204和1206具有相反極性時的條件。RF電場旋轉(zhuǎn)了45度。在時間t3，電極1202具有最高RF電壓，并且電場旋轉(zhuǎn)了90度。隨后在圖12b中示出了135度和180度的場。應(yīng)該注意，離子在該場中不是經(jīng)歷線性振蕩運動，而是以圓形運動。如果電壓V1和V2的幅度不同，或者耦合的電極1200、1204和電極1202、1206之間的間距不同，則離子以橢圓形運動。圖12b示出了RF場不必要跨過0值，其中，離子能量的缺乏會改變離子的團簇特性。相位延遲的選擇確定了RF電場的旋轉(zhuǎn)方向。V2相對于V1延遲，RF場逆時針方向旋轉(zhuǎn)。如果V2相對于V1被延遲，則RF場順時針方向旋轉(zhuǎn)。

一個可選的實施例，圖11中示出的配置可以被用作用于TOFIMS的一組保護電極。在這種情況下，兩個波形都是對稱的。利用這兩個RF波形之間的相位偏移1113，在譜儀中的離子運輸和分離過程中，離子將被連續(xù)保持在提升后的能量水平。

在一些實施例中，用于對離子進行分離的方法可以包括：將離子引入基于離子遷移率的譜儀，然后進行離子的運輸和/或分離，同時向離子供應(yīng)能量以將它們保持在高于給定操作溫度下的熱能水平。在圖11和圖12中示出的實施例中描述了實例。在離子遷移譜儀中的電離、反應(yīng)、分離和/或其他運輸過程中，離子可以連續(xù)停留在提升后的水平。

應(yīng)該強調(diào)的是，創(chuàng)新的優(yōu)點在于對于離子運動的空間RF場的相對均勻，從而使得所有離子具有相同性征。所以，如圖12b所示，電場是類似雙極的，而不是可以被用于聚焦或選擇離子的類似四極的。

在FAIMS或DMS設(shè)備中，高RF電場僅存在于分離區(qū)中。在新的EE-IMS中，高RF電場還存在于電離室和/或反應(yīng)區(qū)中，以在進入分離區(qū)之前，準備在給定能量水平的離子，在一個實施例中，能量水平可以基本類似于被供應(yīng)給分離區(qū)的能量水平。

可以修改差分遷移譜儀的操作方法，以通過應(yīng)用對稱波形來獲取在本申請中描述的優(yōu)點?？梢詫ΨQ波形與非對稱波形相疊加。離子化學(xué)和溫度可以通過對稱波形來調(diào)整，而分離可以通過非對稱波形來實現(xiàn)。對稱RF場的電場方向可以在與非對稱場的方向相同的方向上，或它們可以在正交的方向上。圖6b示出了對稱場和非對稱場的方向基本相互垂直的情況。在波形被施加于同一組電極的情況下，所施加的波形在圖10d中示出。對稱波形被疊加在非對稱波形上?？梢栽谑┘佑陔姌O的最終電壓上施加DC偏壓。

由于漂移管不必須被小型化，在DMS設(shè)備的情況下，可以使用較低頻率。在那些設(shè)備中，頻率需要為高，以最小化離子在半周期中從一個方向到相反方向的漂移。檢測器中使用的較低頻率導(dǎo)致簡化了電子設(shè)備，需要廉價組件，并降低基于鐵素體的變壓器中的損耗。需要5-15kV/cm等級的RF場在100kHz-500kHz等級的頻率處操作。相對較大尺寸的儀器允許頻率低至數(shù)10kHz。需要相對簡單的波形(正弦或方波)，可使用傳統(tǒng)的MOSFET技術(shù)和高效的小型鐵氧體放大來簡單地生成。

圖1-圖7中示出的示意圖在RF和DC電場基本垂直的模式下操作。特別地，附圖部分中的圖描述了在基本垂直于DC電場的方向上提供AC場的實例。不必須是這種情況。可以是DC和RF場基本對準的幾何形狀。這種配置存在好處，尤其是對于減小尺寸的漂移管。希望包括這種操作模式作為所提出的不同實施例。

為了說明本發(fā)明中的RF電場的性質(zhì)，圖13示出了具有奇數(shù)個電極的電場。圖13中示出了三個電極。該圖用于示出操作原理；電極的尺寸和形狀可以被改變以在漂移管內(nèi)生成希望的電場并防止來自漂移管外部的干擾。通過不同波形V1、V2或V3(它們相對于彼此被相位延遲)對每個電極進行加能。在時間t1，電極1320具有最高電壓，并且電極1324和1328具有相反極性的相等電壓。在時間t2(60度后)，電極1320和1324具有相同極性，電極1328具有最低電壓，并且場方向和形狀被改變。最后，在時間t3(120度后)，電極1324具有最高電壓，電極1320和1328具有相反極性的電壓。在這種情況下離子以接近圓形運動。

優(yōu)選的RF電場是在離子飛行的空間內(nèi)相對均勻的。以此方式，在設(shè)備的截面上的離子的非熱能量是均勻的。所以，使用非均勻場(諸如，四極場)的概念與本申請無關(guān)。那些場被用在用于聚集離子的其他概念中?？梢允褂糜刹煌ㄐ悟?qū)動的大量分段保護電極生成均勻的RF電場。圖14示出了具有由一個源生成的相位偏移后的電波形驅(qū)動的12個電極的一個實例。也可以使用多個源。不需要是偶數(shù)個電極，并且圖13示出了使用奇數(shù)個電極的概念。

圖14示出了生成基本均勻的電場的方法。多組分段保護電極(圖14的情況中為12個)位于離子遷移譜儀的周圍。如圖13中的情況，電極由對于不同電極存在不同延遲的RF波形進行加能。圖14中僅示出了4個波形，Va、Vb、Vc和Vd，分別用于對電極1440、1442、1444和1446進行加能。通過適當(dāng)?shù)剡x擇相位延遲，可以在離子遷移譜儀的空間內(nèi)生成基本均勻的RF場。在圖14所示的情況中，不同的電極已經(jīng)被相對于最接近的一個逆時針延遲30度。在圖14和15所示的時間t1，電極1440和1550具有最高電壓，并且電場方向垂直，并且相對均勻的場指向圖14中的電極1440和在圖15中的電極1550的方向。圖15示出了電場的時間演進。僅示出了被施加至電極1550的RF電壓。在時間t2(30度后的時間)，電極1550中的RF電壓已經(jīng)降低，但是電極1552具有最高RF電壓。相對均勻的場在指向電極1552的徑向上逆時針旋轉(zhuǎn)。類似地，在時間t3和t4，在徑向中電場分別指向電極1554和1556。

圖16和圖17示出了通過使用相位延遲元件從單個源獲取多個單一頻率RF波形的方法。在圖16中，存在多個相位延遲元件1680。相位延遲元件是串聯(lián)的，并且相位延遲加起來生成具有多個延遲的多個波形。在圖17中，信號和相位延遲元件1780并聯(lián)。每個相位延遲元件提供不同的延遲。

通過調(diào)整電場的RF成分的幅度來控制EE-IMS中的離子的動能。可以選擇多個頻率和幅度用于實現(xiàn)離子的不同能量水平或有效溫度。在分析樣品混合物期間可以使用掃過頻率或幅度范圍的方法來識別具有不同的離子-分子結(jié)合能量水平的離子?？梢允褂秒x子在結(jié)合/離解能量方面的不同來辨別具有相同的穩(wěn)態(tài)遷移率的離子。

還可以使用離子遷移譜儀和提升在電場中飛行的帶電粒子的能量方法來改進用于電噴霧電離過程的去溶劑過程(desolvation process)，其中電噴霧的離子是在離子遷移率漂移管中的漂移區(qū)之前的去溶劑區(qū)(代替了其他種類的電離源IMS的反應(yīng)區(qū))中形成的。對于FAIMS系統(tǒng)，去溶劑區(qū)被排列在離子分析器前面。

EE-IMS中的RF場的波形不是非常重要，只要它在兩個極性上都足夠高。如果RF場對稱是最好的。盡管使用諧振電路生成正弦波更容易，為了最小化在半衰期之間的電場反轉(zhuǎn)的時間，基本方波的RF場為更佳選擇。用于化學(xué)作用的時間被認為約數(shù)微秒，所以在跨過0-V RF場的時間應(yīng)該在這個時間數(shù)量級上。超過100kHz的高頻或者是較低頻率的方波是所期望的。

如圖5a中所示，通過使用AC電場成分的不同波形，添加在反應(yīng)區(qū)和漂移區(qū)中的能量水平可以顯著不同。波形可以是寬范圍的RF波形，其可以在10KHz到10GHz的范圍內(nèi)，特別是在1MHz-10MHz的范圍內(nèi)，特別是在數(shù)百MHz到數(shù)GHz的范圍內(nèi)，特別地，RF電場頻率在10kHz到2MHz之間，特別是RF電場在500MHz到3GHz之間。通常，只要離子停留在高能量水平，即，離子停留在低能量水平的時間顯著短并且在該時間段內(nèi)沒有形成團簇，RF電場可以處在一個從基本平行到反平行于DC電場的方向上。特別地，附圖部分中的圖描述了在垂直于DC電場的方向上提供AC場的實例。

在各種實施例中，EE-IMS可以被開發(fā)為一種真正的小型檢測系統(tǒng)。相比于已經(jīng)被部署的IMS檢測器，基于EE-IMS的系統(tǒng)免除使用膜進樣(其導(dǎo)致IMS敏感性丟失和殘留樣品的影響)和干燥材料(其增加了儀器尺寸和消耗品的費用)，而提供了更好的敏感性和分辨率。通過去除團簇干擾和操作溫度沖突，也將提供用于爆炸物和CWA的檢測的最佳譜儀條件。該系統(tǒng)可以具有更好的特性，包括：(a)IMS對于水分干擾的免疫，(b)低功耗-沒有譜儀加熱的必要，(c)同時進行爆炸物粒子和蒸汽檢測，以及(d)改善的IMS敏感性。在可選的實施例中，EE-IMS系統(tǒng)可以被構(gòu)造在較大規(guī)模的研究級系統(tǒng)。所以，系統(tǒng)將提供工具以研究離子遷移譜儀的電離室(區(qū))、反應(yīng)區(qū)和/或漂移區(qū)中的氣相離子化學(xué)?？梢酝ㄟ^用噴鍍不導(dǎo)電管的內(nèi)部區(qū)域來制造漂移管?？梢栽趪婂冞^程中或通過在管的均勻噴鍍之后進行加工/研磨來生成電極所需的圖案。

可以認識到，這里公開的本發(fā)明的修改和變形對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是顯而易見的，并且希望所有這樣的修改和變形都被包括在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。