離子遷移率分析器和其組合設(shè)備以及離子遷移率分析方法
【專利摘要】本發(fā)明提出離子遷移率分析器和其組合設(shè)備以及離子遷移率分析方法。該離子遷移率分析器包含圍繞分析空間的電極系統(tǒng)，以及對(duì)該電極系統(tǒng)附加延一空間軸方向運(yùn)動(dòng)的離子遷移電勢(shì)場(chǎng)的電源裝置。在待測(cè)離子遷移率分析過(guò)程中，通過(guò)將待測(cè)離子始終置于該運(yùn)動(dòng)遷移電場(chǎng)中，并保持該遷移場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向與待測(cè)離子在該遷移場(chǎng)所受的電場(chǎng)力方向始終相同，理論可以形成無(wú)限長(zhǎng)的遷移路徑，區(qū)分遷移率或粒徑差異極小的離子。通過(guò)該遷移場(chǎng)的非線性化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種遷移率離子的同時(shí)空間束縛與分離效果。該分析裝置可以與多種離子源，檢測(cè)器，質(zhì)量分析器，其他離子遷移率分析器及色譜光譜分析手段結(jié)合，并易于通過(guò)復(fù)用電源與電極形成大規(guī)模分析器陣列。
【專利說(shuō)明】離子遷移率分析器和其組合設(shè)備以及離子遷移率分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種離子遷移率分析器，特別涉及一種在某一運(yùn)動(dòng)分析空間中的相對(duì)位置上選擇富集特定遷移率的離子，使其與其他不同遷移率的離子相區(qū)分的儲(chǔ)存型離子遷移率分析器。
【背景技術(shù)】
[0002]離子遷移譜是一種可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行快速篩選分離和檢測(cè)的生化分析檢測(cè)裝置。近些年來(lái)，全世界各國(guó)不斷加強(qiáng)對(duì)軍械走私，販毒買賣，公共安防，國(guó)土安全等領(lǐng)域的監(jiān)查力度，人們迫切希望有一種儀器可以兼具快速檢測(cè)，方便攜帶，易于操作，同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)高選擇性和高靈敏度的檢測(cè)。由于離子遷移譜在以上領(lǐng)域的出色表現(xiàn)，近些年來(lái)人們對(duì)離子遷移譜技術(shù)的研究興趣越來(lái)越濃厚，其整體性能也得了到不斷的提升，與此同時(shí)人們對(duì)其在各種應(yīng)用場(chǎng)合下的要求也變得越來(lái)越高。此外，由于離子遷移譜的分離機(jī)制基于離子的在氣相環(huán)境下遷移率的不同，其本質(zhì)是離子大小和形狀的差異，所以離子遷移譜提供了一種不同于色譜和質(zhì)譜儀器的分離方法。在傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域里，離子遷移譜同色譜或者質(zhì)譜的聯(lián)用裝置可以極大地提高原有裝置對(duì)離子的鑒別能力，降低假陽(yáng)性的發(fā)生概率。同時(shí)，離子遷移譜還可以測(cè)定離子的大小，所以其在大氣氣溶膠檢測(cè)和生物大分子結(jié)構(gòu)研究(如蛋白組學(xué))等領(lǐng)域也發(fā)揮出了重要的作用，并展示出了巨大的潛能。
[0003]目前，主流的質(zhì)譜廠商已經(jīng)商業(yè)化的離子遷移譜儀器主要有兩種:離子遷移譜(IMS)和差分遷移譜(DMS)。對(duì)前者而言，其最典型的裝置是將很多環(huán)形電極堆疊并隔離開來(lái)組成所謂的遷移管結(jié)構(gòu)，并在其內(nèi)部充有一定氣壓的氣體(通常氣壓在I~20Torr)，并在堆疊的環(huán)形電極上施加軸向電壓分布，因此在遷移管內(nèi)部存在沿軸向的遷移電場(chǎng)。離子在遷移電場(chǎng)和中性氣體分子碰撞的雙重作用下，除了各向都有的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，還會(huì)有沿軸向的定向遷移運(yùn)動(dòng)。根據(jù)離子遷移方程，
【權(quán)利要求】
1.一種離子遷移率分析器，其特征在于，具有: 圍繞分析空間的電極系統(tǒng)； 第一電源裝置，對(duì)所述電極系統(tǒng)附加電壓，用以在所述分析空間的至少一部分形成一個(gè)延一空間軸方向運(yùn)動(dòng)的離子遷移電勢(shì)場(chǎng)，在待測(cè)離子的離子遷移率分析過(guò)程中，所述待測(cè)離子始終位于該運(yùn)動(dòng)離子遷移電勢(shì)場(chǎng)內(nèi)，且所述離子遷移電勢(shì)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向與待測(cè)離子在所述離子遷移電勢(shì)場(chǎng)內(nèi)所受的電場(chǎng)力方向始終相同。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的離子遷移率分析器，其特征在于， 包含: 約束電極結(jié)構(gòu)； 第二電源裝置，對(duì)該約束電極結(jié)構(gòu)附加電壓，用以在至少一個(gè)基本垂直于所述空間軸方向的方向上，限制離子在所述離子遷移率分析器中的運(yùn)動(dòng)。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1的離子遷移率分析器，其特征在于， 所述空間軸為曲線軸。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求3的離子遷移率分析器，其特征在于， 所述曲線軸至少包括一段封閉曲線軸。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求3的離子遷移率分析器，其特征在于， 進(jìn)一步包括第三電源裝置，對(duì)所述電極系統(tǒng)附加不同組合的電壓，使在不同時(shí)間段內(nèi)，所述曲線軸發(fā)生分叉。`
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1的離子遷移率分析器，其特征在于， 所述電源裝置產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)離子遷移電勢(shì)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度，始終與所述分析器中至少一種特定待測(cè)離子在所述離子遷移電勢(shì)場(chǎng)內(nèi)的平衡遷移速度相同。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1的離子遷移率分析器，其特征在于， 所述離子遷移率分析器是離子儲(chǔ)存裝置， 所述第一電源裝置產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)的離子遷移電勢(shì)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度，始終與所述分析器中待測(cè)離子中的至少一種特定遷移率的待測(cè)離子在所述離子遷移電勢(shì)場(chǎng)內(nèi)的平衡遷移速度相同，所述特定遷移率的待測(cè)離子在所述離子遷移率分析器中的運(yùn)動(dòng)軌線被約束在所述分析空間內(nèi)。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1的離子遷移率分析器，其特征在于， 所述運(yùn)動(dòng)的離子遷移電勢(shì)場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度在沿所述空間軸的展開方向上存在梯度變化。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求8的離子遷移率分析器，其特征在于， 至少兩種以上不同離子遷移率的離子在沿所述空間軸的展開方向的不同位置上運(yùn)動(dòng)，其在所述離子遷移電勢(shì)場(chǎng)內(nèi)的平衡遷移速度與該離子遷移電勢(shì)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度保持一致。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求9的離子遷移率分析器，其特征在于， 所述運(yùn)動(dòng)的離子遷移電勢(shì)場(chǎng)的強(qiáng)度梯度在正極性或者負(fù)極性待測(cè)離子的電場(chǎng)遷移力方向上逐漸降低。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求2的離子遷移率分析器，其特征在于， 所述對(duì)該約束電極結(jié)構(gòu)附加的電壓使得在所述空間軸上產(chǎn)生周期性變化的電位梯度。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求2的離子遷移率分析器，其特征在于， 所述第二電源裝置包括一頻率在IOHflOMHz的交流電壓源。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求1的離子遷移率分析器，其特征在于， 所述第一電源裝置至少包括一輸出電平在至少兩個(gè)電平間切換的數(shù)字開關(guān)電壓源，其開關(guān)頻率從DC到IOMHz。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求13的離子遷移率分析器，其特征在于， 所述運(yùn)動(dòng)的離子遷移電勢(shì)場(chǎng)由所述電極系統(tǒng)的各電極附加至少兩個(gè)不同幅度電平，且占空比可變的波形而形成。
15.一種根據(jù)權(quán)利要求1的離子質(zhì)量分析裝置，其特征在于，在該離子遷移率分析器的上游或下游的至少一側(cè)串聯(lián)一個(gè)離子質(zhì)荷比分析裝置，構(gòu)成離子遷移譜串聯(lián)質(zhì)譜分析裝置。
16.一種基于權(quán)利要求15的離子質(zhì)量分析裝置，其特征在于，在該離子遷移率分析器與串聯(lián)離子質(zhì)荷比分析裝置之間增加離子導(dǎo)引裝置，使得不同工作氣壓區(qū)間的隔斷發(fā)生在遠(yuǎn)離所述離子遷移率分析器的位置。
17.一種基于權(quán)利要求1的使用該離子遷移率分析器的樣品分析設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括至少一個(gè)用于電離化所述樣品的離子源，并采用以下方法的至少一種來(lái)穩(wěn)定該離子遷移率分析器的性能， A)所述離子源工作在與所述離子遷移率分析器類似的工作背景氣壓； B)在所述離子源和所述離子遷移率分析器之間增加離子導(dǎo)引裝置，使不同工作氣壓區(qū)間之間的隔斷和氣流擾動(dòng)發(fā)生在遠(yuǎn)離所述離子遷移率分析器的位置。
18.一種基于權(quán)利要求1的離子遷移率分析器的離子遷移率分析方法，包括以下步驟，向該離子遷移率分析器中引入來(lái)自樣品的離子，` 通過(guò)所述第一電源裝置對(duì)所述圍`繞分析空間的電極系統(tǒng)附加電壓，在所述分析空間的至少一部分形成一個(gè)延一空間軸方向運(yùn)動(dòng)的離子遷移電勢(shì)場(chǎng)，并保持所述離子遷移電勢(shì)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向與所述待測(cè)離子在所述離子遷移電勢(shì)場(chǎng)內(nèi)所受的電場(chǎng)力方向始終相同， 其中，構(gòu)建所述運(yùn)動(dòng)遷移電勢(shì)場(chǎng)時(shí)，去除對(duì)應(yīng)樣品中基質(zhì)化學(xué)噪音離子遷移率的電場(chǎng)強(qiáng)度部分， 之后，使用以下兩種方法中的至少一種除去基質(zhì)化學(xué)噪音離子， a)使其在隨該運(yùn)動(dòng)的遷移電勢(shì)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)中失去所述電勢(shì)場(chǎng)的空間軸的方向的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性而去除； b)在剩下的多段運(yùn)動(dòng)遷移電勢(shì)場(chǎng)間附加徑向偏轉(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)激發(fā)交變電場(chǎng)，使這些噪音離子通過(guò)徑向出射而去除。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的一種離子遷移率分析器，其特征在于，可以同時(shí)進(jìn)行正負(fù)離子遷移率的分析， 在所述運(yùn)動(dòng)的離子遷移電勢(shì)場(chǎng)中沿其運(yùn)動(dòng)方向施加極性方向交替變化的電勢(shì)梯度分布， 使選定遷移率的正負(fù)離子可分別被運(yùn)動(dòng)約束于與遷移電勢(shì)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向同向和反向的電場(chǎng)梯度運(yùn)動(dòng)區(qū)間內(nèi)，并根據(jù)其平衡電勢(shì)梯度進(jìn)行基于各自遷移率的分離。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求2的離子遷移率分析器的引出分析離子的方法，包括以下步驟， 在所述離子遷移率分析器的一部分約束電極結(jié)構(gòu)上附加高壓徑向偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，當(dāng)已遷移分離的離子運(yùn)行到這些電極的對(duì)應(yīng)位置時(shí)，使其沿徑向高速引出。
21.一種基于權(quán)利要求1的離子遷移率分析器的離子遷移率分析方法，包括以下步驟， 將指定一個(gè)或多個(gè)遷移率的離子連續(xù)或間歇地注入該離子遷移率分析器， 通過(guò)所述第一電源裝置對(duì)所述圍繞分析空間的電極系統(tǒng)附加電壓，在所述分析空間的至少一部分形成一個(gè)延一空間軸方向運(yùn)動(dòng)的離子遷移電勢(shì)場(chǎng)，并保持所述離子遷移電勢(shì)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向與所述待測(cè)離子在所述離子遷移電勢(shì)場(chǎng)內(nèi)所受的電場(chǎng)力方向始終相同， 使所述待測(cè)離子中至少一部分的指定離子富集在與其遷移率對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)，并使其富集一定時(shí)間， 使富集的離子運(yùn)動(dòng)到所述離子遷移率分析器的一部分約束電極結(jié)構(gòu)的位置，在該位置出射，且檢測(cè)出射的離子。
22.一種根據(jù)權(quán)利要求2的離子遷移率分析器的引出分析離子的方法，包括以下步驟，將徑向偏轉(zhuǎn)或交流離子運(yùn)動(dòng)激發(fā)電場(chǎng)同時(shí)施加在所述約束電極結(jié)構(gòu)的多個(gè)約束電極乃至全部的約束電極上， 使不同遷移率的離子在各自對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)平均位置從徑向逐出， 使用對(duì)一個(gè)位置敏感的檢測(cè)器獲取分析樣品離子的上的離子遷移率譜或其串級(jí)譜，所述檢測(cè)器可為以下幾類中的至少一種， A)對(duì)單個(gè)位置敏感的大面積檢測(cè)器； B)檢測(cè)器陣列； C)質(zhì)量分析器陣列。
23.一種根據(jù)權(quán)利要求1裝置的色譜分析方法，其特征在于，使用所述離子遷移率分析器作為色譜類分析裝置的后級(jí)樣品`測(cè)器。
24.一種根據(jù)權(quán)利要求1裝置的分析方法，其特征在于使用所述離子遷移率分析器與至少一種質(zhì)量分析器聯(lián)用。
25.一種根據(jù)權(quán)利要求2的離子遷移率分析器，其特征在于，可在各局部約束電極或其之間附加射頻電壓，使原離子遷移率分析器各處形成多個(gè)局部的約束相互間離子擴(kuò)散的離子阱。
26.一種根據(jù)權(quán)利要求2裝置的光譜分析法，其特征在于，通過(guò)約束電極之間的空隙或在約束電極上開有的口將發(fā)射光源或激發(fā)光源光束注入該分析器，對(duì)得到的吸收光信號(hào)或熒光等信號(hào)在輸入光源對(duì)側(cè)或正交方向上進(jìn)行光譜檢測(cè)，獲得指定波長(zhǎng)范圍的光吸收或發(fā)射信號(hào)，在開口處形成指定遷移率范圍的離子的光譜。
27.一種根據(jù)權(quán)利要求1的離子遷移率分析器，其特征在于，采用了層疊電極結(jié)構(gòu)形成該離子遷移率分析器的電極系統(tǒng)，該層疊電極結(jié)構(gòu)是環(huán)繞同一運(yùn)動(dòng)的遷移電勢(shì)場(chǎng)的空間軸，沿軸分布的多個(gè)環(huán)形組件，其中每個(gè)環(huán)形組件由N個(gè)分立的分段電極圍成，每個(gè)環(huán)形組件中N的取值可相同或不同，其中N為大于等于2的自然數(shù)。
28.一種根據(jù)權(quán)利要求1的離子遷移率分析器，其特征在于，采用平行長(zhǎng)條電極對(duì)形成該離子遷移率分析器的電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)遷移電勢(shì)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎挥谠撾姌O長(zhǎng)度方向的方向。
29.一種根據(jù)權(quán)利要求1的離子遷移率分析器陣列裝置，其特征在于，具有多個(gè)具有相同或類似離子遷移率分析功能的平行結(jié)構(gòu)單元，其中平行結(jié)構(gòu)單元的至少一部分電極共用一部分或全部驅(qū)動(dòng)電源。
30.一種根據(jù)權(quán)利要求29的離子遷移率分析器陣列裝置，其特征在于，相鄰平行結(jié)構(gòu)單元間至少?gòu)?fù)用一部分約束電極結(jié)構(gòu)。
31.一種根據(jù)權(quán)利要求1裝置的可串聯(lián)的離子分析方法，其特征在于， 在單個(gè)結(jié)構(gòu)單元或多個(gè)平行結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的離子遷移率分析器中，對(duì)在某一結(jié)構(gòu)單元中已空間分離的至少一種或多種遷移率的離子，對(duì)其所在空間附近的電極附加與運(yùn)動(dòng)遷移電勢(shì)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向基本正交的方向上施加逐出電壓， 該電壓為直流偏轉(zhuǎn)電壓或交流共振激發(fā)電壓， 該電壓使得離子離開該結(jié)構(gòu)單元，轉(zhuǎn)移到臨近的平行結(jié)構(gòu)單元，或直接逐出該離子遷移率分析器。
32.一種根據(jù)權(quán)利要求1裝置的串聯(lián)離子遷移率分析方法，其特征在于，在串聯(lián)的至少兩個(gè)離子遷移率分析過(guò)程中的至少一個(gè)過(guò)程，使用該離子遷移率分析器作為不同遷移率離子的分離裝置。
33.一種根據(jù)權(quán)利要求2的串聯(lián)離子遷移率分析方法，其特征在于，在所述約束電極結(jié)構(gòu)的至少一部分結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，基本正交于該運(yùn)動(dòng)遷移電勢(shì)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向上施加具有至少一個(gè)正負(fù)非對(duì)稱交流電壓波形，從而在遷移電勢(shì)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生遷移率分離的同時(shí)，在所述離子遷移率分析裝置中選擇保留具有特定差分離子遷移率的離子。
34.一種根據(jù)權(quán)利要求33的串聯(lián)離子遷移率分析方法，其特征在于， 在所述離子遷移率分析裝置的不同部分或多個(gè)所述離子遷移率分析裝置間，施加不同的分析條件，這些不同的條件包括背景碰撞氣體組分，背景氣壓，背景氣體溫度，背景氣體濕度，遷移電勢(shì)場(chǎng)速度，遷移電勢(shì)場(chǎng)梯度變化，徑向束縛電壓電源波形及背景碰撞氣體流速等條件的至少一種，形成至少兩種基于不同遷移率分離條件的離子空間分布。
35.一種根據(jù)權(quán)利要求1的離子遷`移率分析裝置，其特征在于，離子遷移率分析裝置的工作氣壓為以下范圍中的至少一個(gè):I) IO7-1O6Pa ；2) IO6-L 5xl05Pa ;3) 3xl05~3xl04Pa ；4)9xl04~IxlO4Pa ；5) IxlO4~IxlO3Pa ；6) IxlO3~IxlO2Pa ；7) IxlO2~IOPa ；8) <10Pa。
【文檔編號(hào)】G01N27/62GK103871820SQ201210530144
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月10日
【發(fā)明者】蔣公羽, 程玉鵬, 張小強(qiáng), 孫文劍 申請(qǐng)人:株式會(huì)社島津制作所