專利名稱：縱向場(chǎng)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)致非對(duì)稱離子遷移過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)是1999年7月21日提交的申請(qǐng)?zhí)枮镹o.09/358,132申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)。
質(zhì)譜儀非常靈敏并具有高選選擇性，可以提供快速的反應(yīng)時(shí)間。然而，質(zhì)譜儀體積大并需要極大功率來(lái)操作。為了將離子從中性分子中分離來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)選定離子的檢測(cè)，它們還需要功率強(qiáng)大的真空泵來(lái)維持高真空度，所以它們還是非常昂貴的。
另一種簡(jiǎn)便的質(zhì)譜儀技術(shù)是快速離子遷移質(zhì)譜儀，它是一種目前使用在大多數(shù)便攜化學(xué)武器和爆炸物檢測(cè)器中的方法。檢測(cè)不僅依賴于質(zhì)譜，而且也依賴于分子電荷和截面。然而，由于這些不同的特性，對(duì)分子種類的識(shí)別不象質(zhì)譜儀一樣確定并精確。當(dāng)試圖減小快速離子遷移質(zhì)譜儀的大小時(shí)，即漂移管長(zhǎng)度小于2英寸，它們一般會(huì)有不可接受的分辨及靈敏性限制。在快速離子遷移中，分辨能力與漂移管長(zhǎng)度成正比。漂移管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，分辨能力越好，只要漂移管也足夠?qū)捯允顾须x子不會(huì)由于滲濾而損失到側(cè)壁。因此，一般地，最小化快速離子遷移系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。雖然這些裝置相對(duì)便宜并可靠，但它們還是有一些限制。首先，通過(guò)檢測(cè)器的樣品量少，所以要增加分光計(jì)的靈敏性，要么檢測(cè)器電子元件必須具有非常高的靈敏性，需要昂貴的電子元件，要么需要濃縮器，增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，要控制將離子注射到漂移管中，通常還需要控制門和門控電子元件。
FAIM分光計(jì)是前蘇聯(lián)20世紀(jì)80年代發(fā)展出來(lái)的。FAIM分光計(jì)允許選取的離子通過(guò)過(guò)濾器，而阻斷不需要離子的通過(guò)。傳統(tǒng)的FAIM分光計(jì)體積大并且昂貴，如整個(gè)裝置大小接近1立方英尺，造價(jià)超過(guò)25,000美元。這些系統(tǒng)不適于使用在需要小型檢測(cè)器的應(yīng)用中。這些系統(tǒng)也相對(duì)慢，產(chǎn)生完整的樣品氣體光譜需要一分鐘，它們制備起來(lái)很復(fù)雜并且不能批量制備。
并且，需要將樣品介質(zhì)抽入到分光計(jì)并提供載體氣體的泵相當(dāng)大并消耗大量能量。載體氣體必須與離子流動(dòng)方向相同，這樣需要一種將分析間隙與電離源隔開(kāi)的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的簡(jiǎn)述本發(fā)明的目的是提供FAIM過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)，其能比傳統(tǒng)FAIM裝置更快更精確地控制選取離子的流動(dòng)以制備樣品光譜。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)，其能在不需要掃過(guò)偏壓的情況下檢測(cè)多種預(yù)選取的離子。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)，其甚至能在沒(méi)有偏壓的情況下檢測(cè)選取的離子。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)，其能依據(jù)離子的軌跡空間檢測(cè)離子。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)，其具有高分辨能力。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)，其能比傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置要快速地檢測(cè)選取的離子。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)，其具有十億分之幾到萬(wàn)億分之幾的靈敏度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)，其可包裝在單一電路片中。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)，其具有實(shí)施及制備有效的成本。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)，其不需要通常與分光計(jì)相關(guān)的高流量，高功率消耗的泵。
本發(fā)明產(chǎn)生于這樣的事實(shí)，用來(lái)將樣品介質(zhì)(如氣體)抽入到FAIM分光計(jì)中并提供載體氣體流動(dòng)的泵可以制成較小的泵，或通過(guò)加入在所需離子運(yùn)動(dòng)通道的方向上產(chǎn)生縱向電場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)離子流向檢測(cè)器并通過(guò)作為離子過(guò)濾器橫向指向非對(duì)稱電場(chǎng)的離子流動(dòng)發(fā)生器來(lái)消除部分泵。
這樣的結(jié)果是可以加入低成本，低流量以及體積小的泵，甚至是微型機(jī)械泵；降低功率消耗，能在離子運(yùn)動(dòng)方向的相反方向使用清潔過(guò)濾的氣體(如，除濕空氣)來(lái)消除離子束以及分光計(jì)對(duì)濕度作用的敏感性。這樣就不再需要用于源氣體和清潔過(guò)濾氣體的隔開(kāi)的流動(dòng)通道，這樣減少了先有技術(shù)所教授的保持隔開(kāi)流動(dòng)通道所需的結(jié)構(gòu)。并且，如果使用電噴嘴作為電離源，用來(lái)產(chǎn)生微小溶劑滴的電極可以除去，因?yàn)楫a(chǎn)生縱向和橫向電場(chǎng)的電極的作用是運(yùn)輸離子及產(chǎn)生微小溶劑噴滴。
如果需要，可將分光計(jì)制成非常小的，并可使用在化學(xué)和軍事應(yīng)用中，作為質(zhì)譜儀的過(guò)濾器，作為氣體套色復(fù)制的檢測(cè)器，作為分辨率增加的飛行時(shí)間離子遷移分光計(jì)的前末端，或作為flexural plate wave device的過(guò)濾器。
本發(fā)明產(chǎn)生于這樣的事實(shí)，即非常小，精確并快速的FAIM過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)使用一對(duì)隔開(kāi)的基片在樣品入口和出口之間界定流動(dòng)通道并在流動(dòng)通道中安置離子過(guò)濾器來(lái)獲得，過(guò)濾器包括一對(duì)隔開(kāi)的電極(一個(gè)電極與一個(gè)基片相連)和控制器(控制器用來(lái)選擇性地在電極間施加偏壓和非對(duì)稱周期電壓以控制通過(guò)過(guò)濾器的離子通道)。
本發(fā)明產(chǎn)生于這樣的事實(shí)，即通過(guò)提供一組過(guò)濾器，每個(gè)過(guò)濾器與不通的偏壓相連，過(guò)濾器可用來(lái)在沒(méi)有掃過(guò)偏壓的情況下檢測(cè)多種選取的離子。
本發(fā)明產(chǎn)生于這樣的事實(shí)，即通過(guò)改變周期電壓的負(fù)載循環(huán)，而不需要偏壓。
本發(fā)明產(chǎn)生于這樣的事實(shí)，即通過(guò)分段檢測(cè)器，通過(guò)依據(jù)當(dāng)離子離開(kāi)過(guò)濾器時(shí)離子的軌跡空間檢測(cè)離子，離子檢測(cè)可高精確度和高分辨能力地實(shí)施。
本發(fā)明的特點(diǎn)是一種離子遷移分光計(jì)，包括用于離子化樣品介質(zhì)并產(chǎn)生離子電離源；分析間隙；用來(lái)產(chǎn)生非對(duì)稱電場(chǎng)以過(guò)濾離子的位于電離源的下游分析間隙中的離子過(guò)濾器；用來(lái)產(chǎn)生橫向于非對(duì)稱電場(chǎng)方向的電場(chǎng)的離子流動(dòng)發(fā)生器；其是縱向的用來(lái)驅(qū)動(dòng)離子通過(guò)非對(duì)稱電場(chǎng)；以及用來(lái)感應(yīng)沒(méi)有被離子過(guò)濾器過(guò)濾的離子的離子檢測(cè)器離子檢測(cè)器一般位于最接近離子流動(dòng)發(fā)生器的位置。分光計(jì)可以是放射源，紫外線燈，電暈放電裝置，或是電噴嘴。
離子過(guò)濾器優(yōu)選地與電控制器連接，用來(lái)給離子過(guò)濾器施加偏壓和非對(duì)稱周期電壓。離子過(guò)濾器一般包括一對(duì)隔開(kāi)的電極，用來(lái)在它們之間產(chǎn)生非對(duì)稱電場(chǎng)。離子流動(dòng)發(fā)生器一般包括與這些電極相隔離的多個(gè)隔開(kāi)的離散電極，用來(lái)產(chǎn)生橫向電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)離子通過(guò)非對(duì)稱電場(chǎng)并到達(dá)檢測(cè)器。
可替換地，離子流動(dòng)發(fā)生器包括隔開(kāi)的電阻層，在每層施加電壓以產(chǎn)生縱向電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)離子通過(guò)非對(duì)稱電場(chǎng)并到達(dá)檢測(cè)器。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，離子過(guò)濾器包括與電控制器電連接的多個(gè)第一離散電極，電控制器對(duì)電極施加非對(duì)稱周期電壓。離子流動(dòng)發(fā)生器包括分散在離子過(guò)濾器電極中的并與電源連接的多個(gè)第二離散電極，電源在多個(gè)第二離散電極上施加梯度電壓。
分析間隙通常由殼體包著。離子過(guò)濾器包括在殼體內(nèi)表面上的電極，離子流動(dòng)發(fā)生器包括接近離子過(guò)濾器電極但又與其隔開(kāi)的電極。離子檢測(cè)器也包括最接近離子過(guò)濾器和離子流動(dòng)發(fā)生器的殼體的內(nèi)表面上的電極。
分析間隙通常由殼體包著，離子過(guò)濾器可以包括在殼體外表面上的電極，離子流動(dòng)發(fā)生器包括在殼體內(nèi)表面上的電阻層。在每個(gè)電阻層上施加電壓以產(chǎn)生縱向電場(chǎng)?；蛘撸x子過(guò)濾器和離子流動(dòng)發(fā)生器結(jié)合在一起，并包括一系列離散傳導(dǎo)元件，每個(gè)元件在不同相位受到電源的激發(fā)。
本發(fā)明的示圖簡(jiǎn)述從下列對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案和所附示圖的描述，此領(lǐng)域中的技術(shù)人員會(huì)想到其他目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是依據(jù)本發(fā)明的微型機(jī)過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)的示意方框圖；圖2示意表示當(dāng)離子流過(guò)圖1所示的過(guò)濾器電極流向檢測(cè)器時(shí)的離子；圖3A圖示了檢測(cè)丙酮所需的偏壓和可獲得的靈敏度；圖3B，如同圖3A，圖示了檢測(cè)二乙基甲基胺所需的偏壓；圖4是依據(jù)本發(fā)明的隔開(kāi)的微型機(jī)過(guò)濾器的剖視圖；圖5是包裝的微型機(jī)過(guò)濾器和檢測(cè)系統(tǒng)的三維視圖，包括流體流動(dòng)泵，演示了可以實(shí)現(xiàn)的最小尺寸；
圖6是依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的分解圖，其中過(guò)濾器檢測(cè)器組安置在單一流動(dòng)通道中；圖7如同圖6，是分離圖，其中過(guò)濾器組是重疊的，一個(gè)過(guò)濾器和檢測(cè)器與單一流動(dòng)通道相連。
圖8是圖7所示排列的過(guò)濾器和檢測(cè)器系統(tǒng)的單一流動(dòng)通道的剖視圖。
圖9演示了苯和丙酮的同時(shí)多檢測(cè)。
圖10如圖1是示意方框圖，其中過(guò)濾器沒(méi)有偏壓補(bǔ)償，而周期電壓的負(fù)載循環(huán)變化以控制通過(guò)過(guò)濾器的離子流動(dòng)；圖11圖示了具有變化的負(fù)載循環(huán)的非對(duì)稱周期電壓，其在沒(méi)有偏壓的情況下施加在圖9的過(guò)濾器上以過(guò)濾選取的離子；圖12是過(guò)濾器和檢測(cè)器系統(tǒng)的示意圖，其中檢測(cè)器是分段的，以在離子離開(kāi)過(guò)濾器時(shí)空間檢測(cè)離子。
圖13是典型先有技術(shù)分光計(jì)的示意圖。
圖14是本發(fā)明的縱向場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子遷移分光計(jì)的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
圖15是本發(fā)明的縱向場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子遷移分光計(jì)的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
圖16是本發(fā)明的縱向場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子遷移分光計(jì)的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
圖17是本發(fā)明的分光計(jì)的離子過(guò)濾器，檢測(cè)器和離子流動(dòng)發(fā)生器部分的示意圖。
圖18是本發(fā)明的分光計(jì)的離子過(guò)濾器，檢測(cè)器，和離子流動(dòng)發(fā)生器部分的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
圖19是本發(fā)明的分光計(jì)的離子過(guò)濾器，檢測(cè)器，和離子流動(dòng)發(fā)生器部分的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
圖20是本發(fā)明的分光計(jì)的離子過(guò)濾器，檢測(cè)器，和離子流動(dòng)發(fā)生器部分的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
圖21是本發(fā)明的分光計(jì)的離子過(guò)濾器，檢測(cè)器，和離子流動(dòng)發(fā)生器部分的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案在圖1中，F(xiàn)AIM分光計(jì)10，通過(guò)泵14抽氣(由箭頭12表示)通過(guò)入口16進(jìn)入電離區(qū)域18來(lái)操作。電離氣體通過(guò)平行的電極板20和22之間，其包括離子過(guò)濾器24，之后的流動(dòng)通道26。當(dāng)氣體離子通過(guò)板20和22之間時(shí)，氣體離子暴露在由電壓發(fā)生器28對(duì)電子控制器30反應(yīng)而施加在板上的電壓誘導(dǎo)的電極板20和22之間的電場(chǎng)中。電場(chǎng)優(yōu)選地是非對(duì)稱的并是隨時(shí)間而振蕩。
當(dāng)離子通過(guò)過(guò)濾器24時(shí)，一些離子被板20和22中和，而其他離子通過(guò)并被檢測(cè)器32感應(yīng)到。檢測(cè)器32包括在預(yù)定電壓的頂部電極33和一般接地的底部電極35。頂部電極33使離子向下偏斜向電極35。然而，哪個(gè)電極能檢測(cè)離子取決于離子和施加在電極上的電壓。并且，通過(guò)使用頂部電極33作為一個(gè)檢測(cè)器以及底部電極作為第二檢測(cè)器可以檢測(cè)多種離子。電子控制器30可以包括，如放大器34和微處理器36。放大器34放大檢測(cè)器34的輸出，其是檢測(cè)器34收集的電荷的函數(shù)，并將輸出提供給微處理器36進(jìn)行分析。類似地，可以提供放大器34’(虛線中所示的)，其中電極33也用作為檢測(cè)器。
在圖2中，當(dāng)離子38通過(guò)交變非對(duì)稱電場(chǎng)40時(shí)，其相對(duì)氣體流動(dòng)12是橫向的，電場(chǎng)40使離子沿著42a，42b，和42c通道“擺動(dòng)”。電場(chǎng)40一般是±(1000-2000)伏范圍的直流電，具有最大場(chǎng)強(qiáng)度為40,000伏/厘米。具體離子占據(jù)的通道是其質(zhì)量，大小，截面和電荷的函數(shù)。一旦離子達(dá)到電極20或22，離子就被中和。通過(guò)施加在板20和22上的偏壓，也通過(guò)電壓發(fā)生器28(圖1中)對(duì)微處理器36反應(yīng)，在電極20和22之間同時(shí)誘導(dǎo)第二偏壓或補(bǔ)償場(chǎng)44，一般在±2000伏/厘米或±100伏范圍的直流電，以使預(yù)先選取的離子種類通過(guò)過(guò)濾器24到檢測(cè)器32。補(bǔ)償場(chǎng)44是恒定偏壓，其彌補(bǔ)交變非對(duì)稱場(chǎng)40以允許預(yù)先選取的離子，如離子38通過(guò)檢測(cè)器32。這樣，使用適當(dāng)?shù)钠珘?，具體離子種類將會(huì)跟隨通道42c，而不需要的離子將會(huì)跟隨通道42a和42b(當(dāng)它們遇到電極板20和22時(shí)就會(huì)中和)。
FAIM分光計(jì)10的輸出是對(duì)于給定偏壓44檢測(cè)器32上電荷量的測(cè)量。在給定補(bǔ)償偏壓下設(shè)置的過(guò)濾器24越長(zhǎng)，在檢測(cè)器32上聚集的電荷越多。然而，用預(yù)先確定的電壓范圍掃過(guò)補(bǔ)償電壓44，樣品氣體12的完整光譜就可獲得。對(duì)于給定的氣體樣品，依據(jù)本發(fā)明的FAIM分光計(jì)一般需要少于30秒及少到1秒就可制備完整的光譜。
通過(guò)改變補(bǔ)償偏壓44，可以改變要檢測(cè)的種類以提供氣體樣品的完整光譜。例如，使用-3.5伏偏壓，如圖3A中濃度峰值46所示，檢測(cè)丙酮濃度低到十億分之八十三。相反，在-6.5伏偏壓時(shí)，如圖3B中峰值48所示，檢測(cè)二乙基甲基胺濃度低到十億分之二百八十。
在圖4中，過(guò)濾器24大小約為1英寸。分光計(jì)10包括隔開(kāi)的基片52和54(如玻璃，從Corning Glass，Corning N.Y獲得的Pyrex)，以及分別安裝在基片52和54上的電極20和22(其可以是如金，鈦，或鉑)?；?2和54被間隔物56a和56b隔開(kāi)，間隔物可通過(guò)蝕刻或切割硅晶片制備。間隔物56a-b的厚度確定了電極20和22之間的距離。并且，在硅間隔物56a-b上施加相同的電壓，一般為±(10-1000伏直流電)，將間隔物56a和56b轉(zhuǎn)化為電極，電極產(chǎn)生吸持電場(chǎng)58，為了獲得更好的樣品光譜，吸持電場(chǎng)將離子通道導(dǎo)引或吸持到流動(dòng)通道26的中心，如圖1所示。為了吸持離子，間隔物電極56a-b必須施加相同的電壓，以便將離子“推動(dòng)”到流動(dòng)通道26的中心。通過(guò)保留更多的離子以致更多的離子撞擊檢測(cè)器34，這樣可以提高系統(tǒng)的靈敏度。但是，這不是本發(fā)明必需的限制。
為了保持精確并可靠地操作分光計(jì)10，聚集在電極板20和22上的中和離子必須清除掉。這可通過(guò)加熱流動(dòng)通道26來(lái)實(shí)施。例如，在圖1中控制器30可以包括電源29(在虛線中所示)，其對(duì)微處理器36反應(yīng)提供給電極板20和22電流I，以加熱板除去聚集的分子。同樣地，在圖4中電流I可以替換地施加在間隔物電極56a和56b上，以加熱流動(dòng)通道26并清潔板20和22。
在圖5中包裝的FAIM分光計(jì)10可以一英寸地一英寸地減小到一英寸。泵14安裝在基片52上，用來(lái)將氣體樣品12抽入到入口16中。在圖1中，在電離氣體樣品前或后，可通過(guò)再循環(huán)泵14將清潔干燥的空氣引入到流動(dòng)通道26中。電子控制器30可以噬刻到硅控制層60中，硅控制層60與基片52和54結(jié)合形成分光計(jì)10的外殼?；?2和54和控制層60可以結(jié)合在一起，如使用陽(yáng)極鍵合，以提供極其小的FAIM分光計(jì)。微型泵14和14a提供大體積吞吐量，其進(jìn)一步加速了氣體樣品12的分析。泵14和14a可以是裝配有小型離心空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的傳統(tǒng)微型轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或是微型機(jī)泵，其產(chǎn)生每分鐘1到4升的流量。泵14的一個(gè)實(shí)例是從Florida，Clearwater，Sensidyne有限公司獲得的泵。
雖然依據(jù)本發(fā)明的FAIM分光計(jì)能快速產(chǎn)生具體氣體樣品的光譜，但使用過(guò)濾器組32能進(jìn)一步減少作這些所需的時(shí)間。在圖6中，F(xiàn)AIM分光計(jì)10可以包括過(guò)濾器組62和單一流動(dòng)通道26。樣品氣體28在通過(guò)電離源18后，通過(guò)吸持電極56a-h引導(dǎo)到過(guò)濾器組62中，電離源18可以包括紫外線光源，放射裝置或電暈放電裝置。過(guò)濾器組62包括如成對(duì)的過(guò)濾器電極20a-e和22a-e，可以通過(guò)在每對(duì)電極施加不同的補(bǔ)償偏壓44(如圖2中)以及用不同電壓范圍掃過(guò)每對(duì)電極(大大降低掃過(guò)時(shí)間)同時(shí)檢測(cè)多種離子種類。然而，根據(jù)分光計(jì)的大小，過(guò)濾器組62可以包括任何數(shù)量的過(guò)濾器。包括檢測(cè)器32a-e的檢測(cè)器組64同時(shí)檢測(cè)多種選取的離子種類，從而降低了獲得氣體樣品12的光譜所需的時(shí)間。電極對(duì)享用相同的非對(duì)稱周期交流電電壓40。
在圖5中，通過(guò)再循環(huán)泵14a可將清潔干燥的空氣經(jīng)清潔干燥空氣入口66引入到流動(dòng)通道26中。抽進(jìn)清潔干燥空氣有助于降低FAIM分光計(jì)對(duì)濕度的靈敏度。并且，如果分光計(jì)在沒(méi)有清潔干燥的空氣下操作并將已知的氣體樣品引入到裝置中，那么裝置可能被用作為濕度感應(yīng)器，由于產(chǎn)生的光譜會(huì)隨著濕度濃度的變化而發(fā)生改變，與給定樣品的標(biāo)準(zhǔn)光譜不同。
然而，在圖7中，除了過(guò)濾器組62的每個(gè)過(guò)濾器32a-e享用相同的流動(dòng)通道26，也可提供個(gè)體流動(dòng)通道26a-e，這樣每個(gè)流動(dòng)通道與它相連，如入口16，電離源18a，吸持電極56a’，56b’，離子過(guò)濾器電極對(duì)20a，22a，檢測(cè)器電極對(duì)33a，35a和出口68a。
在操作中，如圖8所示，樣品氣體12進(jìn)入入口16a，并由電暈放電裝置18a電離。電離的樣品通過(guò)吸持電極56a導(dǎo)引到過(guò)濾器24a中。當(dāng)離子通過(guò)離子過(guò)濾器電極20a和22a時(shí)，不需要的離子被中和，而選取的離子經(jīng)通過(guò)過(guò)濾器24a由檢測(cè)器32a檢測(cè)。
如在圖9中所示，鑒別混合物的個(gè)體組成是通過(guò)不同的苯(峰值50)和丙酮(峰值51)來(lái)演示的。
已發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償偏壓不是檢測(cè)選取的離子種類或多種離子種類所必需的。在圖10中，通過(guò)改變施加在過(guò)濾器24的電極20和22上的非對(duì)稱周期電壓的負(fù)載循環(huán)，就不需要在板電極20和22上施加恒定偏壓。對(duì)控制電子元件30反應(yīng)，電壓發(fā)生器28改變非對(duì)稱交變電壓40的負(fù)載循環(huán)。在圖11中，通過(guò)改變周期電壓40的負(fù)載循環(huán)，可以控制選取離子的通道32c。作為實(shí)例，而不是作為限制，電場(chǎng)40的負(fù)載循環(huán)可以是四分之一25％高，波峰70和25％低，波谷72，離子38c接近板20被中和。然而，通過(guò)將電壓40a改變?yōu)?0％，波峰70a，離子38c通過(guò)板20和22，沒(méi)有被中和。通常負(fù)載循環(huán)在10％-50％高和90％-50％低范圍變化。因此，通過(guò)改變電場(chǎng)40的負(fù)載循環(huán)，在沒(méi)有偏壓情況下可以控制離子通道。
為了更進(jìn)一步改善FAIM分光計(jì)的分辨能力，在圖12中，檢測(cè)器32可以分段。這樣，當(dāng)離子通過(guò)過(guò)濾器電極20和22之間的過(guò)濾器24時(shí)，個(gè)體離子38c’-38c””可被空間地檢測(cè)，離子具有根據(jù)離子的大小、電荷和截面確定的其軌跡42c’-42c””。檢測(cè)器段32’將具有一種濃度的一種離子種類的離子，而檢測(cè)器段32”會(huì)具有不同的離子種類濃度，由于每段可以檢測(cè)特殊的離子種類，這樣就增加了光譜的分辨能力。
圖13中，一種先有技術(shù)離子遷移分光計(jì)200(參考美國(guó)專利No.5,420,424)包括由內(nèi)縱向電極204和外縱向電極206之間的間隔界定的分析間隙202。樣品介質(zhì)或源氣體通過(guò)泵212的作用抽吸通過(guò)入口210，并由電離源214離子化。載體氣體通過(guò)泵216抽吸入分析間隙202中。由電離源214產(chǎn)生的離子在電極202的作用下運(yùn)動(dòng)通過(guò)孔218，進(jìn)入到分析間隙202中，一直到達(dá)檢測(cè)器224。
這樣的結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)泵212和216，用于源氣體和載體氣體的隔開(kāi)的流動(dòng)通道201和203。因此，先有技術(shù)遷移分光計(jì)200不能制成非常小的，并需要足夠的功率以操作泵212和216。
在本發(fā)明中，對(duì)泵212和216的需求要么不存在，要么泵可以制成非常小的泵，例如甚至可以使用微型泵。并且，源氣體和載體氣體所需的隔開(kāi)的流動(dòng)通道也不需要，清潔的過(guò)濾氣體如除濕空氣可以以與離子運(yùn)動(dòng)的方向相反的方向引入，以消除離子簇，并改善(降低)分光計(jì)對(duì)濕度作用的敏感性。
圖14中，根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)非對(duì)稱離子遷移分光計(jì)230包括在結(jié)構(gòu)234中的分析間隙232，其可以是園形管或小扁平殼，壁面界定了內(nèi)腔。電離源236離子化通過(guò)泵238的作用抽吸入分析間隙232中的樣品介質(zhì)或氣體，泵238可以是微型泵，流量比先有技術(shù)通常所需的1-4升每分鐘要小的多，因此比先有技術(shù)功率節(jié)約了1-5瓦。
離子過(guò)濾器240位于電離源236下游的分析間隙232中，用來(lái)產(chǎn)生由向量242所表示的非對(duì)稱電場(chǎng)，以過(guò)濾電離源236產(chǎn)生的離子，如上面所討論的。
離子過(guò)濾器240通常包括一對(duì)隔開(kāi)的電極248和246，電極248和246與對(duì)電極246和248施加偏壓和非對(duì)稱周期電壓的電控制器相連，參看圖1-2。
分光計(jì)230所特有的是離子流動(dòng)發(fā)生器250，用來(lái)產(chǎn)生向量252所表示的縱向電場(chǎng)?？v向電場(chǎng)252的強(qiáng)度可以在時(shí)間和空間上是恒定的，或者也可以隨時(shí)間和空間的變化而變化，縱向電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子通過(guò)非對(duì)稱電場(chǎng)242。
在一個(gè)實(shí)施方案中，離子離開(kāi)發(fā)生器250包括離散電極260，262，264和266，這些電極通過(guò)絕緣介質(zhì)268與電極246和離散電極248隔開(kāi)。在一個(gè)實(shí)施例中，電極260的電壓為1000伏特，電極266的電壓為10伏特，電極262和264的電壓分別為500伏特和100伏特，這些電壓值可以根據(jù)分光計(jì)230的具體實(shí)施來(lái)變化。施加在電極261，263，265和267上的電壓通常與施加在電極260，262，264和266上的電壓相匹配?？梢杂懈嗷蚋俚谋舜讼鄬?duì)的電極形成離子流動(dòng)發(fā)生器250。電極對(duì)(260，261)，(262，263)，(264，265)，和(266，267)可以每個(gè)是環(huán)形電極，也可以是離散平面電極。
在任何情況中，縱向電場(chǎng)252的強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)由電離源236產(chǎn)生的離子通過(guò)非對(duì)稱電場(chǎng)242并到達(dá)檢測(cè)器270，因此消除或降低了圖13的先有技術(shù)中泵212和216對(duì)流量和功率的需求。
通常，檢測(cè)器270靠近離子流動(dòng)發(fā)生器250放置，電極260，262，264，266，261，263，265，和267優(yōu)選地占據(jù)大體上與離子過(guò)濾器240電極246和248相對(duì)于分析間隙232的相同的物理空間。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，如圖15中，分光計(jì)300包括界定流動(dòng)通道302和分析間隙304并在兩者之間帶有開(kāi)孔306的結(jié)構(gòu)。源氣體通過(guò)泵310抽吸入流動(dòng)通道302并通過(guò)電離源208離子化。通過(guò)偏轉(zhuǎn)電極312和313離子偏轉(zhuǎn)通過(guò)開(kāi)孔306并進(jìn)入到分析間隙中，其中放置離子流動(dòng)發(fā)生器250和離子過(guò)濾器240。離子流動(dòng)發(fā)生器250驅(qū)動(dòng)離子通過(guò)有過(guò)濾器240產(chǎn)生的非對(duì)稱離子場(chǎng)，如上面所描述的。在這種方法中，泵312僅需要提供很低流量的除濕空氣到分析間隙304中，不需要先有技術(shù)中所教授的載體氣體。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，如圖16中所示，在殼體320中提供除濕劑，小泵324是僅需的將源氣體通過(guò)小孔326抽吸入到殼體320中的泵。電離源328產(chǎn)生離子，離子借助位于接近檢測(cè)器330處的離子流動(dòng)發(fā)生器250產(chǎn)生的縱向電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)通過(guò)過(guò)濾器240。
在一個(gè)實(shí)施方案中，如圖14中所示，檢測(cè)器270包括隔開(kāi)的電極272，274，如圖17，與圖1中電極33和35的結(jié)構(gòu)相似。圖17的離子過(guò)濾器包括隔開(kāi)的電極276和278，用來(lái)產(chǎn)生橫向電場(chǎng)280。離子流動(dòng)發(fā)生器包括隔開(kāi)的離散電極，如所示的電極282和284，和電極286和288。電極282和284的電壓可以為1000伏特，電極286和288的電壓可以為0伏特。絕緣介質(zhì)290和292將電極282，284，286和288與電極276和278隔絕。電極對(duì)(282，284)到(286，288)或更多個(gè)電極對(duì)可以是環(huán)形電極。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，如圖18，離子過(guò)濾器包括隔開(kāi)的電阻層300和302，電阻層與Pyrex基片上的電極276和278通過(guò)絕緣介質(zhì)290和292隔絕，如低溫氧化物材料。
電阻層300和302可以是位于絕緣層290和292上的電阻陶瓷物料。末端電極312，314，316和318與每層電阻層接觸，在每層電阻層間施加電壓降，以產(chǎn)生縱向電場(chǎng)。因此，電極312和316的電壓為1000伏特，而電極314和318的電壓可以為0伏特。這個(gè)實(shí)施方案可以通過(guò)將電極312和316制成環(huán)形電極，電極314和318制成環(huán)形電極，電阻層300和302制成開(kāi)放式圓柱形而擴(kuò)大使用為圓柱形幾何形狀。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，如圖19，離子過(guò)濾器包括與電控制器(如圖1所示)連接的多個(gè)高頻高壓電極330，332，334和336，電控制器施加非對(duì)稱周期電壓以產(chǎn)生離子過(guò)濾電場(chǎng)，離子流動(dòng)發(fā)生器包括第二種多個(gè)離散電極338，340，342和344，這些離散電極位于所示離子過(guò)濾器的離散電極中但與離子過(guò)濾器的離散電極隔絕，離散電極338，340，342和344與電壓源連接，電壓源在這些離散電極中施加梯度電壓施加，以產(chǎn)生離子驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，其指向橫向與離子過(guò)濾電場(chǎng)的方向。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，如圖20，提供非對(duì)稱離子過(guò)濾電場(chǎng)的高頻電極350，352位于壁面354和356的外側(cè)，高頻電極350和352由絕緣材料制成，如Pyrex，其界定了分析間隙358。電阻層360和362可以是分別位于絕緣壁面354和356的內(nèi)壁面的電阻陶瓷材料。末端電極364和366，以及368和370與每層電阻層接觸，在每層電阻層間施加電壓降以產(chǎn)生離子驅(qū)動(dòng)縱向電場(chǎng)。因此，電極364和368中每個(gè)的電壓可以為1000伏特，而電極366和370的電壓為0伏特。
在圖21所示的設(shè)計(jì)中，離散電極380-386和387-394產(chǎn)生橫向和縱向電場(chǎng)來(lái)過(guò)濾及驅(qū)動(dòng)離子。表達(dá)式Vcos(wt-kz)的移動(dòng)波形電壓，其中k＝2π/λ是波數(shù)，其與橫向電場(chǎng)和縱向電場(chǎng)有關(guān)。對(duì)于平面系統(tǒng)，每組連續(xù)的對(duì)立電極由電壓源以不同于施加在相鄰對(duì)立電極上的的電壓源的固定相激活。
這樣，電極380和387用vcos(wt)電壓激活，而電極381和388用vcos(wt+120)電壓激活，等等，如圖21中所示。移動(dòng)波形電壓需要多相電壓激活，最簡(jiǎn)單的是兩相電壓激活。因此，兩個(gè)導(dǎo)體帶也能圍著界定分析間隙的管纏繞，一個(gè)導(dǎo)體在vcos(wt)激活，另一個(gè)在vsin(wt)激活。如果導(dǎo)體帶有三個(gè)導(dǎo)體，那么可使用三相激活。
由于某些電極可同時(shí)用作為向檢測(cè)器電極運(yùn)送離子的縱向電場(chǎng)的源頭，和產(chǎn)生微小溶劑噴滴來(lái)離子化源氣體和樣品介質(zhì)的的電極，所以主體設(shè)計(jì)非常適用于電噴電離源噴嘴。
因此，依據(jù)本發(fā)明，如圖13先有技術(shù)，泵216和212可以消除，或至少尺寸減小，流量和功率的需求降低。通過(guò)加入產(chǎn)生所需離子運(yùn)動(dòng)方向的縱向電場(chǎng)的離子流動(dòng)發(fā)生器，離子被驅(qū)動(dòng)到檢測(cè)器并通過(guò)橫向指向的用作為離子過(guò)濾器的非對(duì)稱電場(chǎng)。在優(yōu)選實(shí)施方案中，泵不需要抽吸離子化氣體樣品通過(guò)分光計(jì)移液管進(jìn)行分析。相反，施加在移液管長(zhǎng)度方向上的縱向電場(chǎng)可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)離子沿移液管向下通過(guò)離子過(guò)濾器到檢測(cè)器。通過(guò)消除使用在先有技術(shù)分光計(jì)中的高流量(1-4升每分鐘)泵，可以實(shí)現(xiàn)顯著減少泵的功率消耗，尺寸和成本，使得分光計(jì)可以真正地小型化到芯片上。
這種設(shè)計(jì)的第二種好處在于清潔過(guò)濾空氣流可以以離子運(yùn)動(dòng)的方向相反的方向使用。在這種方法中，任何在樣品氣體中沒(méi)有離子化的中性物質(zhì)都偏轉(zhuǎn)離開(kāi)，不會(huì)離子分析區(qū)域。這樣消除離子簇的問(wèn)題和感應(yīng)器的濕度敏感性。因?yàn)榱髁康?，加入集成微型泵成為可能?br>
由于僅需要離子進(jìn)入到分析區(qū)域，在離子過(guò)濾器和檢測(cè)器區(qū)域不需要?dú)怏w流動(dòng)。分子篩可以在靠近分析區(qū)域的入口的位置安放，以吸收分析區(qū)域中任何中心分子并預(yù)防離子簇。與先有技術(shù)不同，在離子過(guò)濾器(分析器)區(qū)域不需要泵送空氣流的獨(dú)立源頭，先有技術(shù)加入高流量泵，其消耗大量功率(1-5瓦)，高流量泵增加了系統(tǒng)的尺寸，并/或可能失敗。在本發(fā)明中，相同方向的中性氣體流，如從要進(jìn)行檢測(cè)的樣品氣體產(chǎn)生的離子種類不再需要。相反可以加入與離子流動(dòng)方向相反方向的氣體流以保持離子過(guò)濾器區(qū)域不含不需要的中性物質(zhì)和濕氣。不需要通過(guò)離子過(guò)濾器(移液管)時(shí)的高流量氣體。相反，通過(guò)有小的梯度電壓產(chǎn)生的z方向的縱向電場(chǎng)離子向下沿著z軸通過(guò)離子過(guò)濾器(移液管)。在圖17所示設(shè)計(jì)中，僅需要由向量252表示的縱向電場(chǎng)方向的低流量流動(dòng)，以使離子最接近電極282和284。由于縱向電場(chǎng)252，在離子過(guò)濾器和檢測(cè)器區(qū)域中不需要?dú)怏w流動(dòng)。同樣，如果需要低流量的清潔過(guò)濾氣體可以以與縱向電場(chǎng)相反的方向提供，以保持離子過(guò)濾器和檢測(cè)器區(qū)域不含中性物質(zhì)。分壓電阻環(huán)路提供電極282，284間的梯度電壓，這樣，電極282和284的電壓為1000伏特，而電極286和288的電壓為0伏特。在圖19中的設(shè)計(jì)中，所以高頻電極330，332等都是電連接的，而產(chǎn)生縱向電場(chǎng)的電極338，340等都在它們間有梯度電壓。在一個(gè)實(shí)施方案中，施加在電極上的電壓可以是變化的，這樣首先施加電壓產(chǎn)生橫向電場(chǎng)，然后施加電壓產(chǎn)生縱向電場(chǎng)。
盡管本發(fā)明的具體特點(diǎn)在一些示圖中顯示，而沒(méi)有在另一些示圖中顯示，這僅是為了方便，依據(jù)本發(fā)明每種特點(diǎn)都可以結(jié)合任何或所有其他特點(diǎn)。
此領(lǐng)域中的技術(shù)人員會(huì)想到其他實(shí)施方案，這些實(shí)施方案包括在下列權(quán)利要求書(shū)中。
權(quán)利要求
1.一種非對(duì)稱場(chǎng)離子遷移分光計(jì)，包括電離源，用來(lái)離子化樣品介質(zhì)并產(chǎn)生離子；分析間隙；位于電離源下游的分析間隙中的離子過(guò)濾器，用來(lái)產(chǎn)生非對(duì)稱對(duì)稱以過(guò)濾離子；離子流動(dòng)發(fā)生器，用來(lái)產(chǎn)生橫向于非對(duì)稱電場(chǎng)的電場(chǎng)，來(lái)驅(qū)動(dòng)離子通過(guò)非對(duì)稱電場(chǎng)；以及離子檢測(cè)器，用來(lái)感應(yīng)沒(méi)有被離子過(guò)濾器過(guò)濾的離子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中離子檢測(cè)器最接近離子流動(dòng)發(fā)生器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分光計(jì)，其中電離源是放射源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中電離源包括紫外線燈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中電離源包括電暈放電裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中電離源包括電噴噴嘴。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中離子過(guò)濾器與電控制器連接，用來(lái)給離子過(guò)濾器施加偏壓和非對(duì)稱周期電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中離子過(guò)濾器包括一對(duì)隔開(kāi)的電極，用來(lái)產(chǎn)生非對(duì)稱電場(chǎng)，離子流動(dòng)發(fā)生器包括與隔開(kāi)的電極隔絕的多個(gè)隔開(kāi)的離散電極，用來(lái)產(chǎn)生橫向的強(qiáng)度變化的電場(chǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中離子流動(dòng)發(fā)生器包括隔開(kāi)的電阻層，在每層電阻層施加電壓以產(chǎn)生縱向電場(chǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中離子過(guò)濾器包括與電控制器電連接的多個(gè)第一離散電極，電控制器對(duì)電極施加非對(duì)稱周期電壓，其中離子流動(dòng)發(fā)生器包括分散在離子過(guò)濾器電極中的并與電源連接的多個(gè)第二離散電極，電源在多個(gè)第二離散電極上施加梯度電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中分析間隙由殼體包著，離子過(guò)濾器包括在殼體內(nèi)表面上的電極，離子流動(dòng)發(fā)生器包括接近離子過(guò)濾器電極但又與其隔開(kāi)的電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中離子檢測(cè)器包括最接近離子過(guò)濾器和離子流動(dòng)發(fā)生器的殼體的內(nèi)表面上的電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中分析間隙由殼體包著，離子過(guò)濾器包括在殼體外表面上的電極，離子流動(dòng)發(fā)生器包括在殼體內(nèi)表面上的電阻層，在每個(gè)電阻層上施加電壓以產(chǎn)生縱向電場(chǎng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光計(jì)，其中離子過(guò)濾器和離子流動(dòng)發(fā)生器結(jié)合在一起，并包括一系列離散傳導(dǎo)元件，每個(gè)元件在不同相位受到電源的激發(fā)。
全文摘要
一種帶有離子化樣品介質(zhì)并產(chǎn)生離子的電離源(18)的非對(duì)稱場(chǎng)離子遷移分光計(jì)(10),一種離子過(guò)濾器(24)位于電離源下游的分析間隙中以產(chǎn)生非對(duì)稱電場(chǎng)來(lái)過(guò)濾離子。一種產(chǎn)生橫向于(26)方向的電場(chǎng)的離子流動(dòng)發(fā)生器,其驅(qū)動(dòng)離子通過(guò)非對(duì)稱電場(chǎng)流向檢測(cè)器(32)。
文檔編號(hào)H01J49/10GK1390361SQ00815609
公開(kāi)日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2000年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月12日
發(fā)明者拉安安·A·米勒, 馬克斯·澤赫恩 申請(qǐng)人:查爾斯斯塔克布料實(shí)驗(yàn)室公司