離子遷移譜分析儀、包括其的氣體分析系統和確定化學品種的方法

2023-10-11 23:49:44 2

離子遷移譜分析儀、包括其的氣體分析系統和確定化學品種的方法
【專利摘要】離子遷移譜分析儀包括多個襯底，限定了用於接收單一層狀氣流的測量區域，而不需要任何載氣或鞘氣。測量區域包括與檢測區域連續的離子化區域。可以包括多個非對稱電極的離子化電極在離子化區域內在氣體樣品中產生離子。離子化電極可以向氣體樣品施加時變電壓以產生時間依賴的離子產生。場產生電極產生電場以偏轉氣體樣品中的離子，並且檢測電極陣列在檢測區域中對偏轉的離子進行檢測。控制器配置為基於檢測電極陣列對離子的檢測來確定離子品種。檢測電極陣列可以包括多個檢測電極，並且控制器可以配置為基於由哪一個檢測電極檢測哪一種離子來區分離子品種。
【專利說明】離子遷移譜分析儀、包括其的氣體分析系統和確定化學品種的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及使用離子遷移譜分析儀(IMS)對氣態樣品的化學成分進行定量分析的系統和方法。更具體地，本發明描述了一種具有簡化幾何形狀的IMS裝置，能夠實現單一樣品氣流而無需伴隨載氣(carrier gas)或鞘氣(sheath gas),並且能夠實現時間依賴的離子產生和檢測。
【背景技術】
[0002]離子遷移譜分析儀(MS)通過將空氣中的化學品種離子化、然後施加電場，使得可以測量由電場引起的漂移速度，來檢測化學品種。例如，商用IMS裝置用來在安全應用中檢測爆炸物和藥物殘留。
[0003]圖1 (a)中示出了傳統的離子遷移譜分析儀。如圖1 (a)所示，等離子色譜(IMS)腔室150包括電極的殼層152,所述電極包含一對間隔開的電極154和156。樣品氣體可以通過入口 158提供，並且通過腔室至出口 160。離子發生器161設置為與電極154相鄰，使得樣品氣體通過離子發生器。在電極154和156之間建立漂移電場，並且經由漂移氣體入口162來提供不起反應的漂移氣體。漂移氣體填充一對快門格柵(shutter grid) 164和166之間的腔室區域，該對快門格柵典型地形成為引線的格柵，其中各交替引線保持相等但是相反的電勢。第一快門格柵164具有混合離子品種群，在圖1(a)中由字母A、B和C表示。各種離子品種在漂移區域中分離，並且在電極156處收集，據此可以確定各種離子品種。如圖1 (a)所示的傳統MS裝置的示例如WernLund等人在1974年5月21日授權的美國專利3，812，355中公開的裝置。在這種裝置中，將空氣樣品離子化(通常通過放射現象或者放電)，然後離子通過與樣品氣流平行施加的電場而朝著檢測板加速。隨時間測量檢測板處的電流。具有高遷移率(當通過電場推動時具有高速度)的離子首先到達，而低遷移率離子隨後到達。離子遷移率在高電場中非線性地改變；因此，已經研發了通過使用一定範圍的不同施加電場強度來改進IMS識別不同化學品種的能力的方法。
[0004]這種類型MS裝置的設計是困難的，並且包含各種折衷。例如，在離子化期間通常必須禁閉氣體。否則，氣體沿漂移方向擴散，並且不能實現遷移率的精確測量。這使得難以管理高濃度的離子，並且限制了儀器的靈敏度。難以控制離子從離子化腔室到漂移管中的轉移。對這種設計進行小型化將改進離子損耗，並且產生更加均勻的電場，但是這也將減小解析度，因為離子的分離度與它們在漂移管中度過的時間成正比。
[0005]為了克服小型化的問題，已經開發了使用相對於氣流橫向施加的電場的替代設計。這種類型的裝置通過圖1(b)所示的裝置來示例說明。如圖1(b)所示，可能具有離子化品種的氣體可以進入到具有流道壁104的流道102中的測量區域108。通過源106產生由箭頭110表示的電場。源106可以包括多個對電極112，它們具有通過電源114施加的電壓。感測電極118可以由傳感元件120的組122構成。這種裝置類似於Murphy等人在2003年10月7日授權的美國專利6，630, 663,Sacristan在1995年10月3日授權的美國專利5，455，417以及Megerle等人在1999年10月12日授權的美國專利5，965，882中公開的裝置。在這種裝置中，不是將離子朝著漂移區域端部處的檢測器加速，而是通過氣流和電場驅動運動的組合將離子引導到感測電極的傳感元件上。這些設計仍然使用分離的離子化腔室和漂移區域。
[0006]如果離子在沿與場平行的方向較短的區域中進入漂移區域，那麼可以精確地測量離子的遷移率。在圖2中示出了這種系統。如圖2所示，MS 212包括離子發生器204和線性靜電計陣列210。氣體樣品202流過離子發生器204，離子發生器204將離子化的氣體樣品注入到MS 212的腔室中。將層狀未離子化氣流206 (本領域中也稱作鞘氣)注入到IMS中，其用作載氣。層狀氣流206使較大的離子比較小的離子移動得要快，並且所產生的電場208將離子朝著陣列210引導。電場208和層狀氣流206的組合效果使得不同的離子品種被引導至陣列的不同點，這實現了離子品種的區分。這種類型的裝置的示例如Wexler在2006年5月16日公布的US 2006/0054804中公開的裝置。
[0007]按照這種方式，可以使用鞘氣(或載氣)來實現離子遷移率的精確測量(也參見Zhang 等人在 Int.J.Mass Spec.258(2006)第 13-20 頁的文章；Zimmermann 等人在 Act.B125(2007)第428-434頁的文章)。然而，在這種結構中，必須對樣品和鞘氣流的流速進行均衡。這種方法的明顯缺點是進入到漂移區域中的氣體只有較小比例被離子化，減小了總檢測電流和信噪比。
[0008]已經開發了用於改進小型化裝置中解析度的其他方法。在場非對稱離子遷移譜分析儀(FAIMS)中，檢測電極設於漂移管的端部，並且在漂移管內施加高頻交流電場。所施加的電場使大多數離子轉向到流道壁中，並且只有特定遷移率的離子不會被該電場轉向從而到達檢測電極。在圖1(c)中示出了這種裝置。圖1(c)的FAIMS離子分離器包括由兩個平行電板138和140限定的分析區域144。電壓源136提供非對稱波形以在板之間產生電場。因此，當離子132經由氣流134進入分析區域144中時，離子將沿示例性的離子通道142行進。如上所述，離子將趨向於轉向至分析區域的壁並且被檢測到。儘管這種系統可以小型化並且包括在陣列中，但是在給定的時間只可以檢測單一離子遷移率，並且該技術對於環境影響更加敏感。這種類型的裝置的示例如Guevremont等人在2004年8月10日授權的美國專利6，774，360以及Zimmermann等人在2007年7月17日授權的美國專利7，244,931公開的裝置。

【發明內容】

[0009]本發明的目的是提供一種離子遷移譜分析儀的增強型系統和方法，以實現有效的化學解析度和靈敏度，而不需要載氣或者放射性元素。
[0010]i)所述的發明包括MS裝置，其中通過在連續流中不與漂移區域分離但在漂移區域上遊進行放電，來對單獨一層狀氣流進行離子化。於是，未離子化的樣品流充當鞘氣，從而當它們進入漂移區域時控制離子通道。施加與氣流橫切的電場以將離子朝著位於漂移區域底壁上的檢測器電極陣列偏轉，或者
[0011]ii)施加與氣流平行的電場，以將離子朝著漂移區域端部的檢測電極加速。
[0012]因為離子產生可以隨時間變化，所以可以在檢測電極處應用頻率分析或者鎖定技術，以減小背景電噪聲。[0013]上述設計的優勢包括:
[0014]?減小的離子損耗:因為不存在分離的離子化腔室並且使離子源和漂移區域之間的距離最小化，所以將檢測到大多數所產生的離子。因為精確地知曉離子產生的位置，所以改進了離子遷移率測量的精度。
[0015]?單一樣品氣流:由離子源的位置和通過離子源的層流所產生的
[0016]良好限定的離子通道意味著不要求第二氣流(鞘氣)。
[0017]改進的靈敏度:電學離子化方法、良好限定的氣流圖案以及離子產生和檢測之間的最小化距離的組合使得能夠使用時變離子產生機制以及使用這些時變機制的檢測策略來從測量信號中消除噪聲。
[0018]因此，本發明的一個方面是一種離子遷移譜分析儀(MS)。MS的示例性實施例包括多個襯底，限定了用於接收單一層狀氣體樣品流的測量區域，其中測量區域包括與檢測區域連續的離子化區域。離子化電極在離子化區域內在氣體樣品中產生離子。場產生電極產生電場以偏轉氣體樣品中的離子，並且檢測電極陣列在檢測區域中對偏轉的離子進行檢測。控制器配置為基於檢測電極陣列對離子的檢測來確定離子品種。
[0019]本發明的另一個方面是一種利用離子遷移譜分析儀來確定離子品種的方法。該方法可以包括如下步驟:提供單一的層狀氣體樣品流；限定用於接收單一層狀氣體樣品流的測量區域，其中測量區域包括與檢測區域連續的離子化區域；對氣體樣品離子化以在離子化區域內在氣體樣品中產生離子；在檢測區域內產生電場以偏轉氣體樣品中的離子；利用檢測電極陣列在檢測區域對偏轉的離子進行檢測；以及基於檢測電極陣列對離子的檢測來確定尚子品種。
[0020]本發明的另一個方面是一種氣體分析系統，包括:泵，用於泵送單一層狀氣體樣品；以及所述的離子遷移譜分析儀，其中IMS從泵接收氣體樣品。
[0021]為了實現上述和相關目的，本發明包括下文中充分描述並且在權利要求中具體指出的特徵。以下描述和附圖詳細地闡述了本發明的一些說明性實施例。然而，這些實施例只是可以採用本發明原理的多種方式中的少數示意方式。結合附圖考慮本發明的以下詳細描述，本發明的其他目的、優勢和新穎特徵將變得清楚明白。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]在附圖中，相同的參考符號表示相同的部件或特徵:
[0023]圖1的(a)是示出了傳統離子遷移譜分析儀的示意圖。
[0024]圖1的(b)是示出了傳統交叉流動離子遷移譜分析儀的示意圖。
[0025]圖1的(C)是示出了傳統場非對稱離子遷移譜分析儀的示意圖。
[0026]圖2是示出了在微型化裝置中使用鞘氣流對離子軌跡的傳統控制的示意圖。
[0027]圖3是示出了根據本發明實施例的離子遷移譜分析儀的橫截面的示意圖，說明了通過層流與所施加電場的組合產生的良好限定的離子通道。
[0028]圖4是根據本發明實施例的針對在檢測區域中施加的電場的不同佔空因子的圖解說明。
[0029]圖5是示出了根據本發明實施例的在頂部和底部襯底晶片上具有非對稱離子產生電極的MS裝置的示意圖。[0030]圖6是示出了根據本發明實施例的在頂部襯底上以及電介質材料的任一側上具有非對稱離子產生電極的MS裝置的示意圖。
[0031]圖7是根據本發明實施例的在保持離子脈衝的適當分離的同時調製所施加的高電壓頻率以確保離子產生的圖解說明。
[0032]圖8是示出了根據本發明實施例的在不同的施加電場強度/極性下進行同時離子檢測的多層離子遷移譜分析儀的示意圖。
[0033]圖9是示出了根據本發明實施例的合併到完整樣品準備和分析系統中的IMS的示意圖。
【具體實施方式】
[0034]圖3中示出了描述本發明第一實施例的示意圖。圖3示出了包括兩個玻璃晶片308的離子遷移譜分析儀(IMS) 350，玻璃晶片308構成多個襯底，這些襯底限定了用於接收單一層狀氣體樣品流的測量區域305。IMS可以包括:離子化電極301，包括用於離子產生的非對稱電極302 ;以及檢測電極陣列203，檢測電極陣列303包括多個檢測電極304。
[0035]在測量期間，將無微粒非離子化的樣品空氣300的單一流泵入到入口區域310中。入口區域具有足夠的長度以確保氣流在到達非對稱電極302之前是層流。將負的高電壓施加在非對稱電極之間，以產生負放電。這通過由放電直接離子化的離子與樣品的其他化學成分之間的二次反應，將空氣樣品離子化。這種離子化機制只在靠近襯底308中的頂部襯底處產生了小體積的離子化空氣。其餘的空氣樣品仍然是非離子化的，並且具有與如上所述的鞘氣或漂移氣體相當的功能。
[0036]測量區域305包括離子化區域320和檢測區域321，在離子化區域320中如上所述對部分氣體樣品離子化。由於離子化區域320和檢測區域321之間不存在物理分離或障礙，所以就此而言離子化區域320與檢測區域321是連續的。這種結構與將離子化腔室或區域與檢測區域分離設置的傳統結構不同。利用測量區域包括連續的離子化區域和檢測區域的結構，氣體樣品可以作為單一層流氣體通過整個測量區域305，而不需要提供額外的載氣或鞘氣。換句話說，在單一氣體樣品流中，非離子化的氣體部分用作離子化氣體部分的載體。為了確保可以在進入檢測區域之前完成用來將空氣樣品中的化學品種離子化的所有二次反應，離子化區域320的從離子化電極到檢測區域321的距離優選地是測量區域的距離的一半以下。離子化區域320的距離將依賴於多個實驗參數，包括例如空氣速度、溼度和溫度。
[0037]測量區域305中處於離子化區域外的部分形成了檢測區域321，檢測區域321包括檢測電極陣列。在測量區域305的檢測區域321中，在檢測電極304和場產生電極306之間與氣流垂直地施加正電場。因此，正電場具有與離子化電極相比相反的電壓極性，因此將負離子朝著包括多個檢測電極304在內的檢測電極陣列303偏轉。層狀氣流和施加電場的組合用於使離子根據它們的遷移率來沿檢測電極陣列在空間上分離。典型地，高遷移率離子312比低遷移率離子316偏轉更大，結果是在更靠近MS入口的電極處檢測到高遷移率離子。如圖3所示，例如離子312可以沿離子通道314偏轉，並且離子316可以沿離子通道318偏轉，使得與檢測到離子316的電極304相比，更靠近MS入口區域310的電極304檢測到離子312。[0038]在每一個電極陣列元件處檢測的離子電流的大小與空氣樣品中給定離子品種的濃度相關，並且因此可以確定空氣樣品中所有化學品種的濃度。例如，IMS可以包括控制器322，配置為基於通過檢測電極陣列對離子的檢測來確定離子品種。具體地，因為檢測電極陣列包括多個檢測電極，所以控制器可以配置為根據哪一個檢測電極檢測哪一種離子來區分離子品種。控制器322可以設置為可以執行在機器可讀介質中存儲的程序代碼的控制電路或者處理裝置的形式。在不脫離本發明範圍的情況下，也可以經由專用硬體、固件、軟體或其組合實現這種控制器功能。
[0039]如現有技術中已知，在檢測區域中施加的電場可以改變，以便利用離子遷移率的非線性響應，並且產生針對每一種化學品種的唯一指紋。
[0040]在本發明的另一示例性實施例中，向離子化電極301 (非對稱電極302)施加時變電壓，使得向氣體樣品施加時變電場以產生時間依賴的離子產生。在包括時變電壓的示例性實施例中，離子化電極的施加電壓在離子化閾值電壓周圍振蕩，導致了按照施加的頻率接通和關斷離子產生，其中空氣樣品中的化學品種在所述離子化閾值電壓下趨向於離子化。在這種情況下，產生離子，並且離子以脈衝的形式流到檢測區域321中。在該實施例中，控制器322可以執行檢測電極陣列電極處電流的頻率分析，這使得可以隔離由於離子脈衝而導致的電流以及去除以無關頻率檢測到的電流。所施加的時變高電壓波形與離子電流檢測電極的檢測波形之間也可以存在相位差。可能是由於離子化機制而產生的這些相位差也可以用於指向特定的離子信號，並且增強電流信噪比。
[0041]在本發明的另一示例性實施例中，場產生電極306可以在測量區域305的檢測區域321中施加時變電場。通過改變所施加的場的佔空因子，可以在較短時間段內使用高的場。例如，圖4示出了在三分之一時間段內施加三倍大的場強。這導致漂移區域內離子的平均速度具有相同的量級，而無論施加高的場還是低的場。利用時變電場具有這樣的優點:可以針對高場和低場測量使用相同的實驗參數(例如，幾何形狀、流速等)。在本發明的另一示例性實施例中，向非對稱電極302施加的時變電壓可以使得離子產生在負極性和正極性之間切換。本領域普通技術人員應理解，改變放電極性提供了對化學品種進行區分的另一種機制，從而改善了所述發明的解析度。
[0042]在本發明的另一示例性實施例中，將電極304和306之間施加的電場的極性反轉，以便將正離子偏轉到檢測電極304上。這種電場反轉不必與放電的極性反轉相一致。
[0043]圖5示出了離子遷移譜分析儀(IMS) 350的另一示例性實施例。在圖5的實施例中，多個非對稱電極可以包括位於多個襯底中的第一襯底上的第一非對稱電極和位於多個襯底中的第二襯底上的第二非對稱電極。例如，如圖5所示，用於離子產生的非對稱電極可以位於玻璃晶片308的頂部襯底(電極502)和底部襯底(電極504)上。電極對準可以是在彼此正上或者可以偏移以考慮氣流的變化。
[0044]圖6示出了離子遷移譜分析儀(MS) 350的另一示例性實施例。在圖6的實施例中，多個非對稱電極可以包括位於多個襯底之一上處於測量區域外的第一非對稱電極以及位於多個襯底中的該襯底上處於測量區域內的第二非對稱電極。例如，如圖6所示，用於離子產生的非對稱電極位於頂部襯底606上。具體地，非對稱電極604可以處於流道或測量區域305外位於襯底606的頂部上，一個或多個非對稱電極602位於流道或測量區域內。在這種結構中，襯底606是厚度適於高電壓操作的電介質，並且所施加的電壓應該是頻率適於實現放電的時變電壓。所施加的頻率對於電介質勢壘放電的效果對於本領域普通技術人員是已知的(參見 Kogelschatz, Eliasson 和 Egli, J.Phys IV France 7(1997)C4-47-C4-66)。
[0045]在一些情況下，產生放電所要求施加的高電壓的頻率對於檢測電極處的頻率分析技術而言可能太高。在太高的頻率下，離子脈衝分離的距離可以小於離子在可用時間內能夠漂移的距離。這可以抑制測量電流在調製頻率下的分量。圖7示出了可以應用於克服這些問題的調製電壓。如圖7所示，可以按照兩個分離的頻率對所施加的電壓進行調製，第一頻率具有大於離子化電壓的電壓，在大於離子化電壓的電壓期間產生離子，並且第二頻率用於提供期間不產生離子的分離時間段。從圖7中可以看出，這種調製技術確保了存在電壓大於閾值離子化電壓700的時間段，並且因此在通過合適的離子脈衝分離時間段704而分開的離子產生脈衝702期間產生離子。
[0046]圖8示出了離子遷移譜分析儀(IMS) 350的另一示例性實施例。在圖8的實施例中，至少三個襯底用於產生多個測量區域，並且在圖8的實施例中具體地是兩個測量區域805。測量區域的高度由三個襯底之間的分離來限定。例如，第一測量區域設置在上部襯底308和中間襯底606之間，並且第二測量區域設置在下部襯底308和中間襯底606之間。中間襯底606 是電介質材料，並且包括用於離子產生的非對稱電極804和806在內的離子化電極位於中間襯底606的相對側面上。電介質襯底應該具有適於高電壓操作的厚度，並且所施加的電壓應該是頻率適於實現放電的時變電壓。合適時變高電壓的施加使得能夠在兩個測量區域中都產生離子。
[0047]兩個外部襯底308分別可以包含多個檢測電極304和802的陣列303和803，與前述實施例類似，所述陣列在相距非對稱電極合適距離的下遊。如圖8進一步所示，分開樣品氣流800，使得在到達非對稱電極804和806之前，在第一和第二測量區域中都包含層流。在第一測量區域中，施加正電場以將負離子偏轉到檢測電極陣列803的檢測電極802上。在第二測量區域中，施加負電場以將正離子偏轉到檢測電極陣列303的檢測電極304上。這允許正離子和負離子兩者的同時檢測。
[0048]在本發明的另一示例性實施例中，兩個檢測區域可能已經施加了相同極性、但是在每一個區域中具有不同的施加強度或者佔空因子的電場。這允許在不同場強下離子遷移率的同時測量。
[0049]圖9示出了示例性氣體分析系統950，該氣體分析系統可以包括根據上述各種實施例的IMS裝置。在諸如圖9所示的系統中，為了確保在延長的時間段上離子遷移譜分析儀的正確操作，希望樣品氣體在進入到MS裝置之前經歷準備處理。圖9示出了包括MS裝置的系統實施例，其中通過控制微處理器912來管理樣品準備和引入。使用合併到電極結構中的晶片上電子裝置對每一個電極陣列元件處的電流進行放大/測量，並且使用控制微處理器處理和輸出數據。圖9的系統的示例性部件可以包括:
[0050]?該系統可以包括氣泵900，該氣泵將氣態樣品泵入系統中。例如，氣泵900可以是現有技術中已知的機械泵、微(薄膜)泵或者電氫動力(electrohydrodynamic)流(離子風)。
[0051]?接下來，該系統可以包括溼度控制器902，用於調節樣品空氣的溼度。放電的效能受到氣氛溼度的影響；因此控制溼度有助於提供穩定的離子產生。[0052]?接下來，該系統可以包括離子阱904，用於去除在空氣樣品中最初可能存在的離子化品種。去除空氣樣品中預先存在的離子確保了樣品空氣中僅存在通過放電產生的離子，這最小化了背景噪聲。採用離子阱的可能方法可以包括施加大電場或者離子交換樹脂。
[0053]?接下來，該系統可以包括微粒篩或計數器906形式的過濾器，該過濾器對空氣樣品進行過濾以去除空氣傳播的微粒。過濾器906也可以提供用於測量微粒的尺寸和數量的機制，這也可以使用虛擬撞擊器或微粒計數器來執行。
[0054]?此外，該系統可以包括尤其適於加熱液體或固體樣品的加熱元件914。具體地，可以加熱固體和液體以產生進而進行分析的氣體樣品。這種加熱通過增加感興趣的品種的濃度實現了低揮發性化學品種的分析或者改進了靈敏度。 [0055]?最後，如上所述，該系統可以包括檢測電子裝置910，該檢測電子裝置包括根據上述各種實施例中一個或多個實施例的頂S裝置908。IMS裝置可以與額外的離子化機制相結合。例如，一些化學品種可能通過放電方法不會足夠地離子化，因此可以結合該IMS裝置採用諸如光致電離之類的備選離子化技術。
[0056]根據上述描述，本發明的一個方面是一種離子遷移譜分析儀(IMS)。MS的示例性實施例包括:多個襯底，限定了用於接收單一層狀氣體樣品流的測量區域，其中所述測量區域包括與檢測區域連續的離子化區域。離子化電極在離子化區域內在氣體樣品中產生離子。場產生電極產生電場以偏轉氣體樣品中的離子，並且檢測電極陣列在檢測區域中對偏轉的離子進行檢測。控制器配置為基於檢測電極陣列對離子的檢測來確定離子品種。
[0057]在MS的另一示例性實施例中，檢測電極陣列包括多個檢測電極，並且控制器配置為基於由哪一個檢測電極檢測哪一種離子來區分離子品種。
[0058]在離子遷移譜分析儀MS的另一示例性實施例中，離子化電極包括多個非對稱電極。
[0059]在MS的另一示例性實施例中，所述多個非對稱電極包括位於多個襯底中的第一襯底上的第一非對稱電極和位於多個襯底中的第二襯底上的第二非對稱電極。
[0060]在IMS的另一不例性實施例中，所述多個非對稱電極包括位於多個襯底中的一襯底上處於測量區域外的第一非對稱電極和位於多個襯底中的該一襯底上處於測量區域內的第二非對稱電極。
[0061]在頂S的另一示例性實施例中，場產生電極產生電壓極性與離子化電極的電壓極性相反的電場。
[0062]在MS的另一示例性實施例中，測量區域包括離子化區域和檢測區域，在離子化區域中通過離子化電極對氣體樣品離子化，檢測區域包括檢測電極陣列。
[0063]在MS的另一示例性實施例中，MS包括限定了多個測量區域的至少三個襯底，其中每一個測量區域接收單一的層狀氣體樣品流。
[0064]在IMS的另一示例性實施例中，三個襯底中的中間襯底包括位於中間襯底的相對側面上的多個離子化電極，使得離子化電極位於各測量區域內。
[0065]在MS的另一示例性實施例中，三個襯底中的外部襯底每一個均包括用於檢測偏轉離子的檢測電極陣列。
[0066]本發明的另一方面是一種利用離子遷移譜分析儀來確定離子品種的方法。該方法可以包括如下步驟:提供單一層狀氣體樣品流；限定用於接收單一層狀氣體樣品流的測量區域，其中所述測量區域包括與檢測區域連續的離子化區域；對氣體樣品離子化以在離子化區域內在氣體樣品中產生離子；在檢測區域內產生電場以偏轉氣體樣品中的離子；利用檢測電極陣列在檢測區域中對偏轉的離子進行檢測；以及基於檢測電極陣列對離子的檢測來確定離子品種。
[0067]在確定離子品種的方法的另一示例性實施例中，檢測電極陣列包括多個檢測電極，並且確定離子品種包括基於由哪一個檢測電極檢測哪一種離子來區分離子品種。
[0068]在確定離子品種的方法的另一示例性實施例中，對氣體樣品離子化包括向氣體樣品施加時變電壓來產生時間依賴的離子產生。
[0069]在確定離子品種的方法的另一示例性實施例中，所施加的離子化電壓在離子化閾值電壓周圍振蕩，以產生按振蕩的頻率接通和關斷的離子生產，其中在所述離子化閾值電壓下，氣體樣品中的化學品種趨向於離子化。
[0070]在確定離子品種的方法的另一示例性實施例中，確定離子品種還包括執行檢測電極陣列處的電流的頻率分析。
[0071]在確定離子品種的方法的另一示例性實施例中，以包括第一頻率和第二頻率的兩個頻率來調製離子化電壓，其中第一頻率具有大於離子化電壓的電壓，在大於離子化電壓的電壓期間產生離子，並且第二頻率用於提供期間不產生離子的分離時間段。
[0072]在確定離子品種的方法的另一示例性實施例中，對氣體樣品離子化包括施加在負極性和正極性之間切換的時變電壓。
[0073]在確定離子品種的方法的另一示例性實施例中，在檢測電極內產生電場包括在檢測區域中施加時變電場。
[0074]本發明的另一方面是一種氣體分析系統，包括:泵，用於泵送單一層狀氣體樣品；以及如上所述的離子遷移譜分析儀IMS，其中MS從泵接收氣體樣品。
[0075]在氣體分析系統的另一示例性實施例中，該氣體分析系統還包括:溼度控制器，用於控制氣體樣品的溼度；離子阱，用於在氣體樣品進入離子遷移譜分析儀之前去除氣體樣品中預先存在的離子；以及過濾器，用於從氣體樣品中去除微粒。
[0076]在氣體分析系統的另一示例性實施例中，該氣體分析系統還包括加熱元件，用於加熱固體或液體材料以產生氣體樣品。
[0077]儘管已經針對一定的實施例示出和描述了本發明，但是本領域普通技術人員在閱讀和理解本說明書和附圖時，可以進行等價的替代和修改。具體地，關於由上述元件(部件、組件、裝置、成分等)執行的各種功能，除非另有說明，否則用於描述這些元件的術語(包括對於「裝置」的引述)意在對應於執行所述元件的指定功能的任意元件(即，功能上等價)，即使結構上不等價於此處所公開的本發明示例性實施例中執行該功能的結構。此外，儘管以上可能已經針對若干實施例中的一個或多個描述了本發明的具體特徵，但是這些特徵可以與其他實施例的一個或多個其他特徵相結合，這對於任意給定或具體應用可能是所需或者有利的。
[0078]工業應用性
[0079]本發明涉及對氣態樣品的化學成分進行採樣的任意分析技術。這些技術可以是對環境空氣的直接採樣，或者包含樣品準備步驟，例如將固體或液體樣品加熱以產生正常非揮發性化學品的蒸汽。可能的工業應用包括空氣品質監測裝置、需求控制通風傳感器和醫療診斷呼吸分析儀，以及在安全應用中檢測爆炸物和藥物殘留。
[0080]附圖標記說明
[0081]102:流道
[0082]104:流道壁
[0083]106:電場的源
[0084]108:測量區域
[0085]110:電場
[0086]112:對電極
[0087]114:電源
[0088]116:氣流的方向
[0089]118:感測電極
[0090]120:傳感元件
[0091]122:感測電極組
[0092]132:離子
[0093]134:氣流
[0094]136:電壓源
[0095]138:平行板
[0096]140:平行板
[0097]142:離子通道
[0098]144:分析區域
[0099]150:等離子體色譜儀(MS)腔室
[0100]152:電極殼層
[0101]154:產生電場的電極(一對之一)
[0102]156:產生電場的電極(一對之一)
[0103]158:樣品氣體入口
[0104]160:出口
[0105]161:離子發生器
[0106]162:非反應(漂移)氣體入口
[0107]164:快門格柵(一對之一)
[0108]166:快門格柵(一對之一)
[0109]202:樣品氣流
[0110]204:離子發生器
[0111]206:層狀氣流(鞘氣)
[0112]208:施加的電場
[0113]210:線性靜電計陣列
[0114]212:離子遷移譜分析儀
[0115]300:層狀樣品氣流
[0116]301:離子化電極
[0117]302:用於離子產生的非對稱電極[0118]303:檢測電極陣列
[0119]304:檢測電極
[0120]305:測量區域
[0121]306:用於施加電場的電極
[0122]308:玻璃晶片
[0123]310:入口區域
[0124]312:高遷移率離子
[0125]314:高遷移率離子通道
[0126]316:低遷移率離子
[0127]318:低遷移率離子通道
[0128]320:離子化區域
[0129]321:檢測區域
[0130]322:控制器
[0131]350:離子遷移譜分析儀
[0132]502:非對稱電極-離子尖端
[0133]504:非對稱電極-對電極
[0134]602:非對稱電極-離子尖端
[0135]604:非對稱電極-對電極
[0136]606:由厚度適於獲得放電的電介質材料製成的晶片
[0137]700:離子產生閾值
[0138]702:離子產生脈衝
[0139]704:離子脈衝之間的時間段
[0140]800:分離層狀氣流
[0141]802:檢測電極
[0142]803:附加的檢測電極陣列
[0143]804:非對稱電極-離子尖端
[0144]805:測量區域
[0145]806:非對稱電極-第二離子尖端
[0146]900:氣泵
[0147]902:溼度控制器
[0148]904:離子阱
[0149]906:微粒篩/計數器
[0150]908:離子遷移譜分析儀
[0151]910:檢測電子裝置
[0152]912:控制微處理器
[0153]914:加熱元件
[0154]950:氣體分析系統
【權利要求】
1.一種離子遷移譜分析儀，包括: 多個襯底，限定了用於接收單一層狀氣體樣品流的測量區域，其中所述測量區域包括與檢測區域連續的離子化區域； 離子化電極，用於在離子化區域內在氣體樣品中產生離子； 場產生電極，用於產生電場以偏轉氣體樣品中的離子； 檢測電極陣列，用於在檢測區域中對偏轉的離子進行檢測；以及 控制器，配置為基於檢測電極陣列對離子的檢測來確定離子品種。
2.根據權利要求1所述的離子遷移譜分析儀，其中所述檢測電極陣列包括多個檢測電極，並且所述控制器配置為基於由哪一個檢測電極檢測哪一種離子來區分離子品種。
3.根據權利要求1至2中任一項所述的離子遷移譜分析儀，其中所述離子化電極包括多個非對稱電極。
4.根據權利要求3所述的離子遷移譜分析儀，其中所述多個非對稱電極包括位於所述多個襯底中的第一襯底上的第一非對稱電極以及位於所述多個襯底中的第二襯底上的第二非對稱電極。
5.根據權利要求3所述的離子遷移譜分析儀，其中所述多個非對稱電極包括位於所述多個襯底中的一襯底上處於測量區域外的第一非對稱電極以及位於所述多個襯底中的該襯底上處於測量區域內的第二非對稱電極。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的離子遷移譜分析儀，其中所述場產生電極產生電壓極性與離子化電極的電壓極性相反的電場。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的離子遷移譜分析儀，其中所述測量區域包括離子化區域和檢測區域，在所述離子化區域中通過離子化電極對氣體樣品離子化，所述檢測區域包括檢測電極陣列。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的離子遷移譜分析儀，包括限定了多個測量區域的至少三個襯底，其中每一個測量區域接收單一的層狀氣體樣品流。
9.根據權利要求8所述的離子遷移譜分析儀，其中三個襯底中的中間襯底包括位於中間襯底的相對側面上的多個離子化電極，使得離子化電極位於各測量區域內。
10.根據權利要求9所述的離子遷移譜分析儀，其中三個襯底中的外部襯底每一個均包括用於檢測偏轉離子的檢測電極陣列。
11.一種利用離子遷移譜分析儀來確定離子品種的方法，包括如下步驟: 提供單一的層狀氣體樣品流； 限定用於接收單一層狀氣體樣品流的測量區域，其中所述測量區域包括與檢測區域連續的離子化區域； 對氣體樣品離子化以在離子化區域內在氣體樣品中產生離子； 在檢測區域內產生電場以偏轉氣體樣品中的離子； 利用檢測電極陣列在檢測區域中對偏轉的離子進行檢測；以及 基於檢測電極陣列對離子的檢測來確定離子品種。
12.根據權利要求11所述的確定離子品種的方法，其中所述檢測電極陣列包括多個檢測電極，並且確定離子品種包括基於由哪一個檢測電極檢測哪一種離子來區分離子品種。
13.根據權利要求11至12中任一項所述的確定離子品種的方法，其中對氣體樣品離子化包括向氣體樣品施加時變電壓來產生時間依賴的離子產生。
14.根據權利要求13所述的確定離子品種的方法，其中所施加的離子化電壓在離子化閾值電壓周圍振蕩，以產生按振蕩的頻率接通和關斷的離子產生，其中在所述離子化閾值電壓下，氣體樣品中的化學品種趨向於離子化。
15.根據權利要求14所述的確定離子品種的方法，其中確定離子品種還包括執行檢測電極陣列處的電流的頻率分析。
16.根據權利要求15所述的確定離子品種的方法，其中以包括第一頻率和第二頻率的兩個頻率來調製離子化電壓，其中第一頻率具有大於離子化電壓的電壓，在大於離子化電壓的電壓期間產生離子，並且第二頻率用於提供期間不產生離子的分離時間段。
17.根據權利要求13所述的確定離子品種的方法，其中對氣體樣品離子化包括施加在負極性和正極性之間切換的時變電壓。
18.根據權利要求11至17中任一項所述的確定離子品種的方法，其中在檢測電極內產生電場包括 在檢測區域中施加時變電場。
19.一種氣體分析系統,包括: 泵，用於泵送單一層狀氣體樣品；以及 根據權利要求1至10中任一項所述的離子遷移譜分析儀(MS)，其中所述MS從泵接收氣體樣品。
20.根據權利要求19所述的氣體分析系統，還包括: 溼度控制器，用於控制氣體樣品的溼度； 離子阱，用於在氣體樣品進入離子遷移譜分析儀之前去除氣體樣品中預先存在的離子；以及 過濾器，用於從氣體樣品中去除微粒。
21.根據權利要求19至20中任一項所述的氣體分析系統，還包括:加熱元件，用於加熱固體或液體材料以產生氣體樣品。
【文檔編號】G01N27/62GK103650102SQ201280033949
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年7月10日 優先權日:2011年7月29日
【發明者】西尼德·瑪麗·馬修斯, 菜斯利·安妮·帕裡-瓊斯, 阿蘭·伊文斯 申請人:夏普株式會社