多维度离子迁移谱装置和方法

专利名称：多维度离子迁移谱装置和方法
技术领域：
本申请要求美国临时专利申请(申请号60/766，226，申请日2006年I月2日)的权益和优先权，其全部内容在此引用作为参考。
背景技术：
自从十九世纪七十年代早期问世以来，离子迁移谱(MS)已经发展成为一种强有力的分析工具并应用在多个方面。这种装置的三种主要形式包括独立的化学检测系统，色谱检测器以及頂S和质谱(MS)的串联系统。MS作为一个独立的检测系统具有定性定量检测目标物质的能力，目标物质被离子化后再与漂移气体(亦即载气)相互作用而与其它背景物质分离，最后以离子的形式得以检测。作为一种色谱检测器，IMS对已被色谱分离出的物质进行多重的离子迁移谱分析。在串联的MS-MS系统中，在质谱分析之前使用MS作为分离手段对目标物质进行分离。然而，IMS的分辨率总的来说较低，因而这类仪器仅限于定性分析，或用于具有与所关注物质相比较低的干扰物水平的环境中。一个IMS系统的基本通用部件由一个离子化源,一个包括反应区的漂移管,一个离子开关格栅，一个漂移区和一个离子检测器组成。在气相分析中，待分析试样通过一种惰性载气被导入反应区，试样的离子化通常在使试样通过反应区和/或放射性63Ni源时完成。形成的离子在电场的作用下流向漂移区，该电场是施加于建立漂移区的漂移环上，然后通过离子开关格栅形成离子窄脉冲进入漂移区。一旦进入漂移区，试样的各种离子按照其与离子质量相关的离子迁移率被分离。但是，应当理解离子迁移率不仅与离子质量相关，而且从根本上与离子-漂移气体的潜在相互作用相关，该潜在相互作用并非仅仅取决于离子质量。IMS的主要用途之一是检测痕量的违禁化学品。痕量检测系统被广泛应用在目前的安全系统中用于爆炸物和化学药剂检测。典型的，该过程始于安全官员用取样签擦抹被检测物体表面，然后将取样签插入热解器中，使痕量的有机化合物挥发并导入到IMS中。在大部分的此类应用中，快速和精确地识别违禁化学品对于安全检查任务而言是必须的。便携而且高性能的检测系统仍是迫切需要并高度渴望的。

发明内容
本发明涉及多维度离子迁移谱(MDIMS)方法和装置的各个方面。在多种实施方式中，本发明的MDMS通过创新性地将多个基于多个分离步骤的离子迁移率集成于一台设备中从而使其有别于传统的离子迁移谱(MS)。在多种实施方式中，与传统的IMS设备和操作手段相比较，本发明提供了更高的分辨率和更高的灵敏度。本发明的多种实施方式提供了一种集成的多维度飞行时间离子迁移谱系统，该系统能够离子化、分离并基于其离子迁移率检测化学物种。这些系统通常包括(a)至少一个离子化源，(b)至少两个漂移区，和(C)至少一个离子检测装置。在多种实施方式中，这些系统在一个漂移维度中在一系列漂移条件下分离离子；接下来分离出的离子被导入更高的维度中在相同和不同系列的漂移条件下作进一步分离。在多种实施方式中，分离过程可以重复用于一个或多个附加的漂移维度。在多种实施方式中，第一漂移维度被用作系统的离子源、反应区或退溶剂化区和漂移区中的一个或多个。例如，在多种实施方式中，在第一漂移维度(第一漂移管)中的电场可以被用作带电液滴的退溶剂化区。本发明的装置和方法使用了 “漂移管”。在本文中使用的术语“漂移管”与在离子迁移谱中该术语的可接受的含义一致。漂移管是一种含有中性气体的结构，离子通过该中 性气体在电场作用下移动。可以理解“漂移管”并非需要为管状或圆柱状。正如本领域技术人员所了解的那样，“漂移管”不限于象圆柱体中的圆形或椭圆形截面，而是可以具有任意截面形状包括，但不限于，正方形，矩形，圆形，椭圆形，半圆形，三角形等。中性气体通常指一种载气，漂移气体，缓冲气体等等，而且这些术语在本文中认为是可以互换的。该气体具有一个压力使得关注的离子的平均自由程小于漂移管的尺寸。也就是说通过选择气体压力形成滞流。在通道中气体滞流的条件下，与通道的横向尺寸相t匕，平均自由程非常小。在这些压力下，流动特性主要由气体分子间的碰撞决定，即气体的粘度。流动可以是层流或湍流。优选漂移管内的压力足够高以使得在达到稳态离子迁移率之前，相对于漂移管的长度来说，离子自由移动的距离可以忽略不计。离子在电漂移场的作用下沿漂移管的轴线移动，该轴线在本文中被称为漂移轴线。该漂移轴线通常，但非必要地，是漂移管的长度方向上的轴线。在本发明的不同方面，对离子迁移谱仪的操作方法进行了说明。就某个方面而言，出于简明而非限制性的目的，正如连续第一维度离子化模式(CFDI)所述的那样描述操作方法。如同本领域技术人员了解的那样，电荷优选从一种离子化的化学物种传递到另一种具有更高亲和力的化学物种。这样的电荷传递过程会严重干扰甚至阻止所关注的化学物种的离子化，并因此而无法成功地通过IMS或其它形式的质谱来分析该物种。本发明的CFDI方法促进了低电荷亲和力离子的形成并由此，在多种实施方式中，增加了 MS的灵敏度。CFDI方法还增加了 MS的动态响应范围，并且为该仪器分析混合物试样提供更好的定量信肩、O在多种实施方式中，CFDI方法包括脉冲发送气相试样进入第一漂移管并通过气流以沿第一漂移管的至少一部分的第一方向输送试样脉冲。显然，该第一方向实质上平行于第一漂移管内载气的流动方向。使用逆向移动的反应性离子脉冲来离子化试样脉冲中的化学物种。可以在反应区或漂移区将试样脉冲导入仪器中。在一些操作模式中，载气和试样脉冲的速度可以接近于零，但是反应物离子向着试样脉冲移动。例如，第一组反应物离子脉冲进入第一漂移管内并被第一漂移管电场沿第二方向向着试样脉冲输送。第一组反应物离子优选在一个预定时间被脉冲发送进入第一漂移管。该预定时间的选择是至少可以粗略地选定试样脉冲和第一组反应物离子在第一漂移管中相互作用的位置。当第一组反应物离子与试样脉冲相互作用时，一种或多种化学物种被离子化并产生一种第一离子化的化学物种。通常，试样脉冲中具有最高的电荷亲和力的化学物种被优先离子化。第二组反应物离子在第一组之后，也优选在一个第二预定时间，被脉冲发送进入漂移管，并被第一漂移管的电场向试样脉冲输送。必须晚于第一组反应物离子的预定时间的第二预定时间的选择至少可以粗略地选定试样脉冲和第一组反应物离子在第一漂移管中相互作用的位置。在不同实施例中，第二预定时间的选择是为了将至少一部分的第一离子化的化学物种提取到第二漂移管中提供时间。当第二组反应物离子与试样脉冲相互作用时，试样脉冲中的一种或多种化学物种被离子化并且产生一种第二离子化的化学物种。通常，被离子化的第二化学物种是试样脉冲中具有第二高电荷亲和力的物种。该过程可以重复，例如，送入第三组反应物离子以产生一种第三离子化的化学物种，再一组的反应物离子以产生一种第四离子化的化学物种，等等，按照操作者的意愿，使关注的化学物种离子化。在多种实施方式中，至少一部分的第一漂移管内将被施以电场，以把第一漂移管中的至少部分的第一离子化的化学物种推 向第二漂移管内。因该电场从第一漂移管中移出离子，其在本文中通常是指“驱逐”脉冲或“驱逐”电场。通过选择诸如驱逐电场的施加的时间或空间区域或两者，使得驱逐电场仅施加于第一漂移管中实质上没有反应物离子的那一部分。例如，在不同实施例中，在第二化学物种被第二组的反应物离子离子化之前施加驱逐电场。在多种实施方式中，驱逐电场，在下一个，第(n+1)个离子化的化学物种形成之前施加于第n个离子化的化学物种以将其推出。在多种实施方式中，驱逐电场用于实质上同时提取两种或更多种离子化的化学物种。在多种实施方式中，采用选择将一个离子化的化学物种推出与将多个离子化的化学物种推出相结合的方式。相应地,在多种实施方式中,本发明的CFDI方法包括(a)在第一时间将气相试样脉冲发送至第一漂移管内；(b)沿第一漂移管的至少一部分的第一方向输送气相试样脉冲，该第一方向基本上平行于第一漂移管内载气的流动方向；(c)相对于第一时间按预定时间提供一系列脉冲的反应物离子进入第一漂移管内；(d)沿第一漂移管的至少一部分的第二方向通过电场输送反应物离子脉冲，该第二方向基本上逆平行于第一漂移管内载气的流动方向；(e)将气相试样脉冲与一组反应物离子，包括一系列脉冲的反应物离子中的一种或多种，相互作用以便在气相试样脉冲中离子化一种化学物种，所述反应物离子包括一系列脉冲的反应物离子中的一种或多种；和(f)重复气相试样脉冲与一组反应物离子相互作用的步骤直到关注的全部化学物种被离子化，其中不同电荷亲和力的化学物种沿第一方向位于不同的位置被电离。在多种实施方式中，该方法包括通过在一个和多个预定的驱逐时间在第一漂移管的至少一部分上施加一个电场，将第一漂移管内的至少一部分的离子化的化学物种推入第二漂移管内，第二漂移管具有一个长度方向上的轴线，其大致平行或垂直于第一漂移管长度方向上的轴线。优选地，一个和多个预定的驱逐时间的选择使得离子化的化学物种按照一定的时间间隔被推出，在该时间间隔期间推出化学物种的第一漂移管的区域实质上没有反应物离子。在多种实施方式中，本发明的CFDI方法使用一个第二漂移管；优选该第二漂移管的纵轴线优选大致与第一漂移管纵轴线垂直。在不同实施例中，从第二漂移管中提取出来的离子化的化学物种直接送到一个离子检测器，根据其到达离子检测器的抵达时间而被定性。离子的抵达时间至少取决于它们在第二迁移管环境中的离子迁移率。
优选地，电场强度与气体数密度的比值(E/N值)在第一漂移管中，第二漂移管中，或在两者中大致是一个恒量。优选地，电场强度在第一漂移管中，第二漂移管中，或在两者中大致是一个恒量。然而，应当了解的是，第一和第二漂移管中的条件可以不同。例如，在不同实施例中，一种或多种载气、载气密度、载气流率、电场强度和温度在第一和第二漂移管中是不同的。在多种实施方式中，本发明的CFDI方法具有多种实际应用。例如，作为MDIMS操作之一的连续第一维度离子化方法(CFDI)有助于克服传统的IMS的基本缺点，如在离子化源和/或离子迁移谱仪的反应区的电荷竞争，因此在不同的实施方式中使电荷亲和力相差很大的物质都有机会被离子化。可以使用CFDI方法的多种实施方式，例如，隔离带电荷的 物质并防止它们将电荷传递到其它共存的物质而丧失电荷；并由此增加系统对关注物质的灵敏度。本发明从多个方面提供了一种包括三个漂移管的离子迁移谱仪和用于该装置的方法。在某个方面，提供的操作方法被称为双极性离子提取方法(DPIE)，这是为简便起见，并非局限于名称的本身涵义。在多种实施方式中，本发明提供一种包括三个漂移管的多维度离子迁移谱仪，第一漂移管可作为第一维度的MS分析，可用于形成离子(例如，通过CFDI)，或两者兼具，两个附加的漂移管(第二和第三漂移管)用于第二维度的頂S分析。在多种实施方式中，通过不同的配置组合和操作方法第二和第三漂移管可以针对不同极性的离子进行第二维度的IMS分析；或进行不同漂移管条件下的IMS分析，或两者同时实现。例如，在图I和6-9中对本发明的这种MDMS方法的不同实施方式的实施例进行了图示性的说明。为简便而非限制起见，称这样的离子迁移谱仪系统为双第二维度离子迁移谱仪(DSDIMS)。相应地，在多种实施方式中，本发明提供了一种离子迁移谱仪包括(a) —个具有第一漂移轴线的第一漂移管；(b) —个具有第二漂移轴线的第二漂移管，具有与第一漂移管流体连通的入口，其第二漂移轴线大致垂直于第一漂移轴线；(C) 一个具有第三漂移轴线的第三漂移管，具有与第一漂移管流体连通的入口，其第三漂移轴线大致平行于第二漂移轴线，并大致垂直于第一漂移轴线；(d)与第二漂移管入口相对布置的一个电极；和(e)与第三漂移管入口相对布置的一个电极。该第二和第三漂移管可以以多种方式布置。在多种实施方式中，第二漂移管和第三漂移管大致以彼此相对且横过第一漂移管的方式布置。这种实施方式的实施例之一包括，但不限于，图8所示的实施方式。相对布置的第二和第三漂移管能够提供如下结构，与第二漂移管入口相对布置的电极包括第三漂移管的入口；而与第三漂移管入口相对布置的电极包括第二漂移管的入口。在多种实施方式中，第二漂移管和第三漂移管大致并列布置。这样的实施方式的实施例包括，但不限于，图1，6，7，和9所示的实施方式。在多种实施方式中，第二和第三漂移管的邻近导致一个优选的实施方式，其中与第二漂移管入口相对布置的电极跟与第三漂移管入口相对布置的电极结构相同。例如，在各种实施方式中，施加一个电势V到该电极上，并且将一个较低的电势施加到第二漂移管的入口。到在第三漂移管的入口施加较高电势以便将不同极性的离子吸引到第二和第三漂移管中。本发明的双第二维度离子迁移谱仪(DSDIMS)可以包括更高维度的IMS。在多种实施方式中，本发明的一种DSDMS还包括(a) —个第四漂移管，其具有与第二漂移管流体连通的入口，和大致垂直于第二漂移轴线的第四漂移轴线；和(b) —个第五漂移管，其具有与第三漂移管流体连通的入口，和显著垂直于第三漂移轴线的第五漂移轴线。这样的实施方式的实施例之一包括，但不限于，图I所示的实施方式。在多种实施方式中，第四漂移轴线和第五漂移轴线均显著垂直于第一漂移轴线。范围广泛的离子源和离子检测器配置可以用于本发明的多维度MS系统。例如，在多种实施方式中，本发明的DSDMS还包括与第一漂移管的第一端流体连通的离子源和位于与第一漂移管的第一端相对一端的离子检测器。这样的实施方式的实施例之一包括，但不限于，图I所示的实施方式。在各种实施方式中，本发明的DSDMS还包括与第一漂移管的第一端流体连通的第一离子源和位于与第一漂移管的第一端相对一端的第二离子源。这样的实施方式的实施例之一包括，但不限于，图7所示的实施方式。在多种实施方式中，本发明的DSDMS还包括位于第二漂移管入口和第三漂移管入口之间的一个离子源。该离子源与第一漂移管流体连通；而且第一离子检测器位于第一漂移管的第一端。在多种实施方式中，第二离子检测器位于与第一漂移管的第一端相对的一端。这样的实施方式的实施例之一包括，但不限于，图9所不的实施方式。在多个方面，本发明提供了操作DSDIMS的方法。在某个方面，为简便而非限制起见，提供的方法称为双极性离子提取(DPIE)。在多种实施方式中，本发明的MDIMS，包括DSDIMS，能进行包括离子贮存在内的操作。例如，在多种实施方式中，能够减少或避免在传统的MS设计中遇到的在离子化过程和漂移室中的离子损失。例如，以DPIE模式操作的MDIMS能够大致同时分析阳离子和阴离子，该技术可用在过氧化物和硝基爆炸物的检测中。在多种实施方式中，这样的操作提供了超越传统的MS手段之上的灵敏度。在多种实施方式中，本发明的DSDMS结构可以非常紧凑，适用作手持仪表。这样的手持装置在国家安全领域有广泛的应用。相应地，在多种实施方式中，本发明提供了用于离子迁移谱仪的操作方法，例如，DSDIMS，其中离子迁移谱仪包括(a) —个具有第一漂移轴线的第一漂移管；(b) —个具有第二漂移轴线的第二漂移管，其第二漂移轴线大致垂直于第一漂移轴线；(C) 一个具有第三漂移轴线的第三漂移管，其第三漂移轴线大致平行于第二漂移轴线，并大致垂直于第一漂移轴线；(d)与第二漂移管入口相对布置的第一电极；和(e)与第三漂移管入口相对布置的第二电极。在多种实施方式中的方法包括如下步骤(a)向第一漂移管提供一个包括阳离子化学物种和阴离子化学物种的气体试样；(b) —种或多种化学物种与第一漂移管中的第一 载气互相碰撞，并沿第一轴线在空间上分离；(C)在与第三漂移管的入口相对布置的第一电极间施加电势差以便将至少一部分的阳离子化学物种移动到第二漂移管内，并大致同时将至少一部分的阴离子化学物种移动到第三漂移管内；(d) —种或多种阳离子化学物种在第二漂移管中通过与第二载气碰撞沿第二漂移轴线在空间上分离，至少一部分分离出的阳离子化学物种被输送到一个离子检测器 '及(e) —种或多种阴离子化学物种在第三漂移管中通过与第三载气碰撞沿第三漂移轴线在空间上分离，至少一部分分离出的阴离子化学物种被输送到一个离子检测器。
该方法可以用于，例如通过单次测量来判断一种或多种化学物种在一个试样中存在与否，例如与过氧化物基爆炸物和硝基爆炸物相关的化学物种。可以根据离子抵达第二漂移管，或第三漂移管的检测器的到达时间或两者做出这样的判断。在第一、第二和第三漂移管中的漂移条件可以大致相同或不同。例如，在多种实施方式中，在第一漂移管，第二漂移管和第三漂移管中的任何两个漂移管之间，其漂移条件，诸如载气、载气密度、载气流率、电场强度和温度中的任何一个可以是不同的。在多种实施方式中，使用不同的漂移条件是本发明的多种实施方式的一个方面。例如，对相同试样，本发明的多种实施方式可以在一次数据采集循环中获得多个不同条件下以离子迁移率为基础的分离。这些条件包括漂移气体种类、温度、压力、电场强度、流速等等。可以通过调整这些条件来改变某种物质的基于离子迁移率的分离特性。由此，在各种实施方式中，在传统的頂S中不能被分离开的物质能够在MDIMS中得到分离；尤其是可以在一次数据采集循环中实现。在多种实施方式中，本发明提供了用于操作离子迁移谱仪一例如DSDIMS-的方法，其中该离子迁移谱仪包括(a) —个具有第一漂移轴线的第一漂移管；(b) —个具有第二漂移轴线的第二漂移管，其第二漂移轴线大致垂直于第一漂移轴线；(C) 一个具有第三漂移轴线的第三漂移管，其第三漂移轴线大致平行于第二漂移轴线，并大致垂直于第一漂移轴线；(d)与第二漂移管入口相对布置的第一电极；和(b)与第三漂移管入口相对布置的第二电极。离子迁移谱仪可以在第二漂移管和第三漂移管不同的漂移条件下操作。该操作包括如下步骤(a)向第一漂移管提供一个包括离子化学物种的气体试样；(b)在第一漂移管中在第一系列漂移条件下通过与第一载气碰撞使一种或多种化学物种沿第一漂移轴线在空间上得到分离；(C)在与第三漂移管的入口相对位置上的第一电极间施加电势差以便将至少一部分的离子化的化学物种移动到第二漂移管内，并大致同时将至少一部分的离子化的化学物种移动到第三漂移管内；(d)在第二漂移管中在第二系列漂移条件下通过与第二载气碰撞使一种或多种化学物种沿第二漂移轴线在空间上得到分离，并输送其中至少一部分分离出的离子化的化学物种到一个离子检测器上；及(e)在第三漂移管中在第三系列漂移条件下通过与第三载气碰撞使一种或多种阴离子化学物种沿第三漂移轴线在空间上得到分离并输送其中至少一部分分离出的离子化的化学物种到一个离子检测器上；其中第二和第三系列的漂移条件是不同的。在多个方面，本发明提供了包括三个或更多维度的MS的多维度离子迁移谱系统。在多种实施方式中，MDMS包括(a) —个具有第一漂移轴线的第一漂移管，和一个与第一漂移管流体连通的离子源，；(b) —个具有第二漂移轴线的第二漂移管，该第二漂移轴线大致垂直于第一漂移轴线；(C) 一个具有第三漂移轴线的第三漂移管，该第三漂移轴线大致垂直于第二漂移轴线；和(d) —个与第三漂移管流体连通的第一离子检测器。在多种实施方式中，第三漂移轴线大致垂直于第二漂移轴线和第一漂移轴线。在多个方面，本发明提供了用于操作包括两个或更多维度的MS的多维度MS系统的方法。应当了解的是，例如，CFDI的方法可以与本发明中包括的第一漂移管(维度)的IMS的任意实施方式一起使用。应当了解的是，例如，在本发明的任意的实施方式中，第一漂移管(维度)可以用作系统的离子源、反应区或退溶剂化区和漂移区中的一个或更多、个用途。还应当了解的是本发明的方法可以包括一个将化合物加入一个或更多个漂移维度的步骤，该化合物促进手性化学物种的分离。本发明的多种实施方式在痕量物质检测中被认为是有价值的工具和方法。本发明的多种实施方式与传统的单维度頂S系统相比从一方面或多方面改进了分辨率和灵敏度，这仅是其中的例子而非局限于此。
例如在分辨率方面，在本发明的多维度系统的多种实施方式中的分辨能力预期为约80到100之间。与传统的商业化的痕量检测仪所提供的10-30的分辨能力相比，本发明的多种实施方式在理论上实际能够在一个离子迁移谱中分辨出比传统的頂S系统多63种化学物种。例如，假设一个商业化的系统中TNT的漂移时间为10ms，并且半峰宽为0. 5ms,则传统的系统具有的分辨能力(R = t/wl/2)为20，峰容量为2个峰/ms。若是在迁移谱仪中适用的漂移时间范围是9ms，那么该系统能够理论上在一个迁移谱中区分18种化合物。作为比较，对于分辨能力为90的系统来说，理论上能够区分的峰的总数为81。这样的改进在理论上能够使得更高分辨率的系统能够将干扰物从目标爆炸物中分开；由此，例如，在被污染的操作环境中降低误报警率。例如在灵敏度方面，本发明的多种实施方式提供了独特的多维度方案，其有利于改善离子迁移谱仪内部的离子传递效率并从而改善系统的灵敏度。通过改善的分辨能力，可用进一步降低检测门槛。在多种实施方式中，本发明的MDIMS系统的系统灵敏度在目标操作环境(并非仅在试验室条件下)中能够到亚纳克范围。在多个方面，本发明提供了尺寸紧凑的基于多维度IMS的检测系统。在多种实施方式中，本发明的仪器能用作用于化学物质检测的便携式痕量检测系统，例如，在交通安全方面用于检测爆炸物质或其它用途。优选地，本发明的新的检测系统具有相同或相似的操作控制，并使用与目前的系统相似的用户界面。在多种优选的实施方式中，提供了一种结构紧凑的高性能痕量检测系统，能够在包括军事/工业的复杂环境中胜任爆炸物痕量检测任务的挑战。例如，本发明的多种实施方式能够提供一种结构紧凑的MDIMS，，其痕量检测的性能堪比甚至优于某些传统的桌面单元，例如Smiths Detection制造的Smith 500DT。结构紧凑的仪器实施方式的设计降低了系统的总重量和能耗。本发明的紧凑设计(或手持式)的MDMS的一种具体实施方式
的尺寸为大约12wX8hX4d英寸，重量低于12磅，并且在某些实施方式中远远低于10磅。本发明的多种实施方式中包括一个离子检测器。广泛的离子检测器适用于本发明，包括但不限于，Faraday板，电子倍增器，光倍增器，光电转换器，电耦合器(CCD)等等。应当理解在本发明中无论哪里使用的离子检测器，都可以用离子检测器系统代替；这里提到的离子检测器系统包括离子检测器以及布置在离子检测器和本发明的IMS维度之间的质谱仪。对此适用的质谱仪包括，但不限于，飞行时间(TOF)和RF多极质谱仪。在另一方面，提供了制造的部件，其中本发明的方法的功能嵌入在计算机可读介质中，例如但不限于，软磁盘，硬盘，光盘，磁带，PROM, EPROM, CD-ROM，DVD-ROM，或驻留在计算机或处理器的内存中。嵌入在计算机可读介质中的方法的功能可以是通过任意数量的计算机可读的指令或语言，例如；F0RTRAN，PASCAL, C，C++，BASIC和，汇编语言。更进一步地，计算机可读的指令可以，例如，写成手工指令，宏指令，或功能型地嵌入在商用软件(例如EXCEL 或 VISUAL BASIC)中。通过以下带有附图的说明能够更充分地理解本发明的前述的和其它的方面，实施方式和特点。附图中类似的参考数字通常是指在不同附图中的类似的特征和结构部件。附图无需按照比例，而是用来说明本发明的原则。


附图IA和IB图示了本发明的三维度多维度离子迁移谱仪(MDIMS)设备的一种实施方式的截面图。附图IC显示了在将离子从第一维度“驱逐”到第二维度过程中，IMS的第一维度和第二维度之间模拟的电势线，第 二维度可以用于，例如，单和/或双极性模式操作。附图2是离子迁移谱，其显示了 TNT从4，6-二硝基-O-甲酚(4，6DN0C)中的分辨了出来，其中后者是因飞机尾气而常见于机场环境的酸雾化合物。该离子迁移谱是由按照本发明配置的MDMS得到的。附图3图示了 SFDI过程的各种概念。附图4A和4B图示了本发明的具有两个垂直的电场区的多维度离子迁移谱仪的多种实施方式，其中附图4A是MDIMS的前截面图，而附图4B是其侧截面图。附图5A-C表示了在附图4A-4B中的MDMS的模拟电场分布。附图5A描述了在两个维度的第一和第二漂移区的漂移电场。附图5B是在第一维度的迁移率测量过程中第一维度电场的侧截面图。附图5C是当施加“驱逐”电压将离子带入第二维度时第一维度电场分布的侧截面图。附图6A是SDSIMS的多种实施方式的不意图。在多种实施方式中，第一维度中的正离子和负离子能够被提取进入第二维度的两个分离漂移区，而且正离子和负离子由此能够被大致同时测量。附图6B和6C是在第二维度中的电场分布的模拟结果。附图6B显示了施加“驱逐”脉冲之前和/或之后的电场。附图6C显示了 “驱逐”脉冲施加过程中的电场。附图7是具有处于平行位置的多个第二维度和多个离子化源的SDSMS的多种实施方式的示意图。附图8是具有处于相对位置的多个第二维度的SDSBlS的多种实施方式的示意图。附图9是具有一单个试样源和多个第一维度室的SDSMS的多种实施方式的示意图，其可以用于，例如，不同的极性物质。附图10是以离子形式取样和/或来自外部离子化源的MDIMS的多种实施方式的
示意图。附图IlA和IlB是适用于，例如，引入SII和MSn的MDMS的多种实施方式的示意图。附图12A-12C表示了根据本发明的多种实施方式中用于便携式三维度仪器的单MDMS配置方式的多种实施方式。附图12A和12B提供了二维度截面示意图而附图12C提供了三维度截面示意图。附图13A和13B是附图14A-14B的MDMS系统的比例示意图。附图14A-14B是包含本发明的多种实施方式的便携式MDMS的一个优选实施方式的比例示意图
具体实施例方式在多个方面，本发明提供了多维度离子迁移谱(MDIMS)系统及该系统的操作方法，所述系统集多维度电场设计于一个仪器之中。在多种实施方式中，与传统的单维度漂移管相比，MDIMS系统和/或方法提供了改进的灵敏度和分辨率。在多种实施方式中，可以通过使用第一维度作为离子储存区以改善系统的有效循环来改进灵敏度。在多种实施方式中，MDIMS系统和/或方法提供了改进的迁移率分辨率。在多种实施方式中，分辨率的改进可以通过使用漂移区来进一步分离那些通过离子迁移率已经或正被分离的离子来达到。在多种实施方式中，通过把正在第一维度进行分离中的离子转移至第二维度(例如，使用驱逐脉冲)以降低离子间的库仑排斥。因此，在多种实施方式中，在第二维度中就能够获得更高的迁移率分辨率。在多种实施方式中，第一维度能够被用作离子反应区，在其中可以实现进一步的离子转化。在MDMS的多种实施方式中，通过施以适当的电场，MDMS可以用于大 致同时检测正离子和负离子。在对本发明的多种详细的实施方式作进一步说明之前，针对一个三维度MDMS装置的实施例讨论，有助于更充分地理解本发明的装置和方法的多种实施方式。附图1A-1C显示了三维度MDMS系统的多种实施方式。附图IA是第一维度漂移区102和第二维度漂移区104的侧视图。附图IB是第二维度漂移区104和第三维度漂移区106的侧视图。在附图1A-1C中，第二维度包括两个漂移管104a，104b，和每一个第二维度漂移管相连的分离的第三维度漂移管106a，106b。第二维度104可以用于单极性或双极性模式操作。在MDMS的多种实施方式中，应当理解优选的实施方式是将各个维度的漂移轴线以正交方式布置，然而，漂移轴线也可以布置成平行，逆向平行或两者间形成角度而取得相似的结果。应当理解在本MDMS装置和方法中的所有的MS维度中的电漂移场强度与气体数密度的比率(E/N值，通常以Townsend单位表示)的选择是旨在建立一个稳态的漂移环境，有时是指较低的场环境。通过本发明的MDMS，离子迁移谱可以通过，例如，2-D或3-D图的形式表达，并且能够使用非线性检测窗口。化学品能够通过其1_D，2-D或3-D迁移率图而被鉴定。这种迁移率谱图方法能够提供额外的信息，因而为化合物(例如，爆炸物)的鉴定提供更高的可信度。在多种实施方式中，一种DPIE操作模式使用第一维度102作为流过室，正离子和负离子从第一维度102中通过气流被带入第一漂移室，而第一维度的漂移电压关闭(即，大致没有漂移场存在)。在一个预定的时间，离子被驱逐到第二维度，优选的方案是将第一维度的正离子和负离子被大致同时分别推入第二维度104的两个分开的漂移室104a，104b内。离子在第二维度内被分离后，可在第三个106或更高的维度中被进一步分离并检测。在多种实施方式中，离子化的试样被导入和/或在第一漂移区102中形成并基于迁移率进行第一轮分离(类似于传统的MS)。在一个设定的预定时间，在第一维度(第一漂移管)中分离出的离子被驱逐到第二漂移维度104的漂移区中，沿大致垂直于第一漂移方向的方向被分离。如果需要MS更进一步的维度，相同的过程可以在更高的维度继续进行。附图IC表示附图IA和IB中SDSMS的一种DPIE过程的电场分布的模拟结果。在附图IC中，第一维度102中的三个壁(左边，底部，和右边)处于1，000V的电压，而门格栅分别设置为OV和2，000V。图中标出了等电势线。运载离子通过第一维度的试样气体流可以被排出，例如，在第一维度检测器114后排出。离子在第二维度104中被分离后，可施加一个驱逐电压以便将分离出的离子带入第三维度106。在一个连续试样检测的状况下，该顺序将被重复。对于可能形成正离子和负离子的混合物而言，DPIE技术的多种实施方式能够将超过50%的正离子和负离子推入第二维度。在各种实施方式中，MDMS装置能够在每一个维度之间传输离子而不会显著地降低分辨能力。参照附图11，在多种实施方式中，当离子在第一维度中被分离后；它们看上 去象一张薄片1110。为将其移动到垂直于第一维度的方向，在微秒范围内变化适当的电极(通常一个与出口相对的电极，出口自身，或两者)上的电压。在这些驱逐时刻期间，可以操作电场以产生暂时的低和高电场区。在高电场区的薄片1110被压缩成在第二维度的低场区的一条细线1120。本发明应用的领域之一是痕量化学品的检测，例如在安全应用方面经常要求的，例如毒品和爆炸物筛查。由于各种各样的原因，这样的任务在实际上是可能难于完成的。例如，在一个高度污染的环境中检测痕量爆炸物对目前的基于IMS的痕量检测系统来说成为一个巨大的挑战。污染物既能够引起对爆炸物的误肯定也能够引起误否定。在商业应用MS系统中观察到的会导致这些问题的几种常见现象是I.具有与目标爆炸物相似的离子迁移率的化学品在爆炸物检测窗口中产生的重叠峰或毗邻峰，这会导致误肯定；2.未定义的离子迁移率峰覆盖爆炸物检测窗口会导致误肯定；以及3.来自污染物的较高的化学背景噪声会导致爆炸物检测的误否定；本发明的系统和方法的多种实施方式能够促进克服在痕量化学品检测中的这些问题。可以通过使用按照本发明的多种实施方式中的MDMS来降低上面提到的第一种现象(重叠或毗邻峰)。附图2显示了高分辨率MS的性能的范例。附图2是TNT和4，6-二硝基-O-甲酚(4，6DN0C)的离子迁移谱。化合物4，6-二硝基-O-甲酚(4，6DN0C)是因飞机尾气而常见于机场环境的酸雾化合物。可以看到尽管TNT和4，6DN0C具有极为相似的离子迁移率，分别为I. 59和I. 54，仅需约60的分辨率，它们就能被分离并被正确鉴定。在MDMS系统中，正如上面的实施例所示的那样，可以使用两个高分辨率漂移室来同时产生正离子和负离子的两维度迁移率谱图。该两维度离子迁移率数据为爆炸物检测提供了更高的可信度。作为一种实践操作手段，可以要求第一维度迁移谱具有更高的筛选处理能力；当爆炸物检测窗口中检测出来自第一漂移室的峰时，随后把它们送入第二漂移室加以确认。在漂移区中的离子簇和中性分子会引起上面提到的第二种现象(未定义的离子迁移率峰覆盖爆炸物检测窗口而导致误肯定)。在传统的IMS中，使用逆流漂移流动流体设计来降低这种效应，然而，由于传统MS设计的空间限制，未能将中性的反应性分子完全从漂移区中去除。在按照本发明的MDMS的一种操作方法中，设定漂移流体以使得实际上没有未离子化的试样被导入漂移室。第三种现象(来自污染物的较高的化学背景噪声导致爆炸物检测的误否定)代表了现有的基于MS的检测系统的另一个重要问题。离子化源中的电荷竞争可以引起这个问题；例如，干扰物能够降低试样的离子化效率并由此降低检测灵敏度。就现有的基于IMS的痕量检测系统而言，在设定爆炸物检测窗口的门槛时要考虑这种掩蔽效应。通过本发明的MDIMS系统和操作方法的多种实施方式的更高的分辨率，可以将报警门槛设定在一个较低的水平。在本发明的多种实施方式中，MDIMS的一种CFDI应用于在亚秒时间框架内对不同电荷亲和力的化学物种的初分离。相应地，在获得的2-D离子迁移率谱图中，具有与爆炸物不同的电荷亲和力的干扰物/掩蔽剂将位于谱图中的不同的位置，并且成为区分和确认过程的一个部分。
MDIMS装置和操作方法的进一步详细说明附图4是一个双第二离子迁移维度的多维度离子迁移谱仪的多种实施方式的示意图。附图4A是MDMS的前剖视图而附图4B是其侧剖视图。在多种实施方式中的一个MDMS包括一个离子化源401用来例如，(a)产生反应物离子和一个反应区，在该反应区中反应物离子可以与试样反应并形成产品离子用来进行试样识别检测；(b)产生试样离子用于检测；(c)或两者。反应区可以被离子导向器护卫，后者产生一个大致连续的电场来，例如引导离子进入第一维度漂移区418 (第一漂移管)中。多步分离(MSS)樽式在MSS模式操作中，通过打开离子门403来产生一个离子脉冲，将其导入第一维度漂移区418 ;在第一漂移管418中的一个大致连续的电漂移场的引导下，基于其迁移率分离离子。在一种实施例中，通过一系列的离子导向器404产生电场。每一个离子导向器都可以包括一个或多个电极；并且可以在每个电极上施加不同的电压来建立沿第一漂移管的电势差。例如，附图4表示每个第一维度离子导向器使用四个电极。在MSS模式操作的多种实施方式中，当第一组离子到达第一维度检测器矩阵405时，施加一个驱逐电压以产生一个垂直于第一维度漂移场的高的电场；由此在第一维度中分离出的离子被移入第二维度漂移区420。电场分离器屏406用于帮助在第二维度中限定电场。被导入第二场的离子继续沿第二维度漂移区420漂移并得到进一步分离。例如，若需要第三维度分离时，在第二维度420中的离子导向器407可以布置成与第一维度离子导向器404相似的方式。如果需要第三维度，可用完全方形的电极作为离子导向器。可以由检测器408检测在第二维度中分离出的离子。根据要求的仪器特定的分辨率，该检测器可以包括多个检测器或单个检测器。在多种实施方式中，当离子从第一维度导入第二维度时，可以进行部分的驱逐操作。如果仅是一部分的离子被驱逐，第一维度的迁移率测量可以在驱逐后恢复。因此，也可以独立地通过第一维度获得离子迁移谱。由于完全的驱逐可以增加第二维度中灵敏度，这些操作方法之间的交替使用是有益的。此外，清空操作，例如，通过在一个延长的时间周期内应用驱逐电场来去除漂移室内的全部离子，也可以加入到检测循环中。仪器的低维度操作可以作为快速筛选方法使用以产生一个对来自离子化源的离子物种的快速检验。结合MSS模式的正常操作，对离子物种的快速检验可以作为指导更高维度的操作的指标。这种检验模式操作也可以用于选择性驱逐感兴趣的离子，简化更高维度离子迁移谱，并节省整个分析。对于每一个维度可以建立不同的漂移/分离条件，例如，在不同的维度中可以使用不同的漂移气体，或在不同的维度中使用不同的漂移气体温度。MDIMS可以以这样的方式操作，采集多个多维度正离子迁移率数据，然后收集多个多维度负离子迁移率数据。例如，通过改变离子迁移谱仪中电场的极性可以实现该顺序。附图5表示了大致与附图4A-4B类似的MDMS内部的电场布置的模拟结果。附图5A表示了在MDMS中布置两个垂直电场。在附图5B和5C中，作为实施例模拟了两个半方形离子导向器。附图5B表示了第一维度漂移区的侧视图。当离子漂移到该区时，两个半方形电极都设定到相同的电压；由此实质上没有电场垂直于漂移场。参照附图5C，当第一维度的离子被驱逐进入到第二维度时，不同的电压施加到半方形离子导向器上从而产生驱逐 电场506。在该特定的模拟中，上部半方形离子导向器的电势比下部半方形离子导向器的电势低1，000V。例如，可以毫秒或秒的范围实现该驱逐操作。在MSS模式操作期间，漂移气体流的方向可以设定为逆流于离子移动或横过离子移动。例如，在多种实施方式中，气体接口 413可以作为第二维度漂移气体入口而接口 412作为第一维度漂移气体入口，接口 409作为试样流入口而接口 410作为清扫气流出口。其它接口在不使用时优选封死或移开。每个接口的尺寸可以根据达到仪器内部流动模式所需的流体而定，并且优选的漂移流清扫整个漂移区并且去除过多的试样分子和任何其它反应性中性分子。在多种实施方式中，漂移气体可以以大致平行于较低维度的方向供应到较高的维度中。例如，接口 415可以用作第二维度漂移气体入口，接口 414作为第二维度漂移气体出口，接口 412可以用作第一维度漂移气体入口，接口 410作为第一维度漂移气体出口。在线性流动条件和平行流动模式下，例如，预期在维度界面附近漂移气体的混合将是有限的。贮存和猝发分析(SBA)模式在SBA模式操作中，通过接口 409将试样送入仪器中。通过离子化源401，通过气体流将离子化的试样带入第一维度漂移区418。在仅仅关注单极性的离子的情况下，可以从接口 412或接口 411排出流体。在SBA操作模式的多种实施方式中，第一维度漂移管可以用作离子贮存装置来，例如，增加装置的有效循环。在多种实施方式中，当既关注正离子也关注负离子时，可以使用双极性离子提取(DPIE)方法。附图5A和5B表示了在离子贮存和DPIE操作中产生的电场。例如，附图5C表示了第一维度中的三个壁(左边，底部，和右边)处于1，000V的电势，而门格栅分别设置为OV和2，000V。附图5B表示的电场分布表明气体流被用作输送离子通过第一维度502的外力，第一区418，502中的电场在一个驱逐脉冲形成之前被设置成大致为零。在使用接口412作为试样流出口的情况下，当反应区416和第一漂移区418中的电场被移开后，仅仅由气体流携带试样离子穿过第一维度。在多种实施方式中，当检测器405检测到足够的离子流水平时，会向第二维度420，504进行完全的驱逐。在连续试样源检测的状况下，该顺序将被重复。诜择件的较高维度离子监测樽式在多种实施方式中，在较高维度检测器矩阵的特定电极处选择性监测离子流，而消除在同一检测器矩阵中的其它电极上的非关注的离子能够改进系统的选择性。离子迁移率谱图可以根据来自一系列电极的信号使用选择性监测方法来构建。在多种实施方式中，在较高维度检测器矩阵的特定电极处选择性监测离子流，而消除在同一检测器矩阵中的其它电极上的非关注的离子能够改进系统的选择性。在MDMS的多种实施方式中，较高维度的漂移室长度可以较小。在这些实施方式中，装置被简化。在较低维度中实现基于离子迁移率的分离并且通过在较高维度中的进一步分离后在较高维度检测器矩阵中进行检测。例如，离子能够在第一和第二维度中被分离，并且随后在第三维度检测器矩阵中被检测而无需在第三维度中被进一步分离。在这种情况下，通过控制“驱逐”时机来移动离子到具有最佳的离子迁移率分辨率和离子数量的较高维度以使系统的性能最佳。连续第一维度离子化(CFDI)樽式在CFDI描述操作的多种实施方式中，试样作为气体脉冲自接口 412被导入仪器。试样气体脉冲的形成可以通过多种方式，例如，通过从一个表面上热脱附化学物质，并像色谱分离的分出物那样通过以短的时间周期将试样泵入仪器中，或通过脉冲阀导入等等。在许多实施方式中，在线性流条件下的气流和“活塞式”的气相试样通过气流被从接口 412导向离子化源401。反应物离子(优选具有高密度)的脉冲在离子化源401中产生并在电漂移场的引导下向“活塞式”的试样漂移。当反应物离子的脉冲和试样在第一维度418中交会时，一部分的试样被离子化。当试样在同一个捕获周期内与多个反应物离子脉冲遭遇时，试样“活塞”中的化学物质被离子化。具有不同性质(例如，电荷亲和力)的化学物质由此被分离并在检测器矩阵408中的不同位置被检测。这种气相滴定的方法可以改进具有不同性质的化学物质共存的离子混合物的离子化效率。通过这种方法，可以检测出在传统的MS中不能被检测到的化学物质。参照附图3A-D，对在漂移区302的CFDI过程进行了图示说明。气相试样304在第一时间被脉冲送入漂移管302并以第一方向305沿至少一部分漂移管输送，其中第一方向大致平行于载气在漂移管中的流动方向。载气流和气相试样的速度等于或大于零厘米/秒。在与第一时间相关的预定时间，反应物离子306的一系列脉冲也被导入漂移管302并在第二方向307上沿漂移轴线308由电漂移场输送，其中第二方向307大致逆平行于漂移管中载气流305的方向。气体试样304与第一组反应物离子310 (包括一个或多个系列的反应物离子)反应以使得气相试样脉冲304中的某种化学物种离子化并且产生一个第一离子化的化学物种314。在多种实施方式中，施加一个驱逐电场(例如，通过向电极318，320和322施加一个驱逐电压)沿方向316将离子314移出漂移管并且进入另一个漂移维度。在多种实施方式中，对其它组的离子311，312重复该过程，使其与气体试样304反应产生进一步离子化的化学物种。在多种实施方式中，如附图4所示，CFDI还可以在反应区416中进行。当脉冲试样自气体接口 410被导入仪器时，通过脉冲离子门419产生反应物离子的一系列脉冲。在这个执行过程中，离子门403被移开或保持开启。反应区416中产生的脉冲离子在第一维度漂移区417中被分离，如果需要的话，随后分离出的离子将被送入并在较高维度漂移区418中进行进一步的离子迁移率分析。在多种实施方式中，CFDI方法可以用作独立的离子化源，以串联或垂直于漂移电场方向，直接连接到不同仪器上，例如差示迁移谱仪，离子迁移谱仪或质谱仪。在CFDI用作单IMS的实施方式中，使用开关格栅419代替格栅403。离子化的化学物种在反应区416中形成后，继续在漂移区417中漂移。类似的，与其它诸如差示迁移谱仪、离子迁移谱仪或质谱仪的仪器的接口，也可以通过将这些仪器的试样入口直接安置、在反应区后来实现。CFDI模式可以使用具有不同化学性质的反应物离子来完成。例如，使用各种化学试剂与初始反应物离子反应对离子的化学性质进行改性，而产生具有不同化学性质的反应物离子。这些离子化的物种可以用于，例如，离子化导入仪器的试样。类似的效果也可以通过，例如，使用一种能够产生不同离子物种或带电粒子或液滴的离子源来获得。在多种实施方式中，改变电离化学过程显然可用于实现试样中关注的化学物质的选择性离子化。例如，一系列的具有不同化学性质的离子脉冲可以用于使试样中具有详尽的离子化性质的化学物质离子化。
诜择件离子导入(SII)和頂Sn樽式在选择性离子导入(SII)模式操作中，一个或多组选定的离子被驱逐进入一个较高的维度。选择性驱逐可以通过在预定时间将驱逐电压施加到某个区来实现，而所关注的离子在给定的时机经过该区。在多种实施方式中，并不必须将驱逐脉冲施加于整个较低维度的选择区，但是较高维度的漂移室并不仅仅在较低维度的一部分长度与较低维度相交；由此，例如，选择的位置可以仅允许将一小组离子驱逐到第二维度中。通过控制驱逐时机和执行多个采集循环，可以达到与MSS模式中所述的相类似的结果。在多种实施方式中，SII模式在狭窄的漂移时间范围内有效地分辨离子。例如，假定第一漂移维度用作筛选扫描，并检测所关注的可能存在的化合物(例如，TNT)。为进一步确认在检测窗口(时间窗口)中响应的离子是关注的化合物，可以选择性地将该检测窗口中的峰驱逐到第二维度中作进一步分离。落入选择的窗口中的离子可以被从第二维度驱逐到第三维度中。如果需要这样的话，该过程可以重复直至离子流被耗尽。多漂移室条件在多种方法和操作模式中，每一个漂移室都在独立的和/或不同的漂移条件下操作。这些条件包括，但不限于，不同种类的漂移气体，具有不同的化学改性剂的漂移气体，不同的温度，不同的压力，不同的电场强度，不同的流率，不同相的漂移介质和方向，等等。在多种实施方式中，改变这些条件的目的是利用离子物种独特的化学和/或物理性质以及在漂移条件下的变化和由此导致的在迁移谱仪中的迁移率的变化来实现离子物种的分离。例如，使用不同的漂移气体测量离子迁移率已经证明，具有不同性质的离子在同样的迁移谱仪中有着不同的漂移时间(见，例如(I)William F. Siems, Ching ffu, Edward E. Tarver,and Herbert H. Hill, Jr. , P. R. Larsen and D. G. McMinn,，，Measuring the ResolvingPower of Ion Mobility Spectrometers”，Analytical Chemistry,66,1994,4195-4201 ；(2)Ching ffu,WiIIiam F. Siems,G. Reid Asbury and Herbert H. Hill Jr. ,HectrosprayIonization High Resolution Ion Mobility Spectrometry”， Analytical Chemistry,70,1998,4929-4938 ; (3)Ching ffu, West E.Steiner, Pete S.Tornatore, Laura M.Matz,William F. Siems, David A. Atkinson and Herbert H. Hill, Jr. ,，，Construction andCharacterization of a High-Flow, High-Resolution Ion Mobility Spectrometersfor Detection of Explosives after Personnel Portal Sampling，，Talanta,57,2002,124-134 ；and(4)G. Reid Asbury and Herbert H. Hill,，，Using Different Drift Gasesto Change Separation Factors (a ) in Ion Mobility Spectrometry”，AnalyticalChemistry, 72，2000，580-584 ;上述全部内容在此引作参考)。
在MDIMS系统的多种实施方式中，较高维度的漂移区，例如第二维度区，可以在不同相的漂移介质一例如气相或液相中操作。液相漂移室可以构建成具有两个平行的板或格栅而不是传统的漂移管结构。液相漂移室可以是一薄层液体并具有横跨该层的电场。较高维度漂移室具有的漂移轴线大致平行或大致垂直于第一维度漂移轴线。较高维度漂移室具有大致垂直于较低维度漂移轴线的多个隔室(通道)。较高维度漂移室可以用于选择性收集从较低维度漂移管分离出的试样。较高维度漂移室可以进一步连接到其它分离和检测装置，包括但不限于电泳，色谱，UV吸收和其它光谱设备。在本发明的MDMS系统的多种实施方式中，在MDMS的不同漂移管和/或不同维度中使用不同的漂移气体以便在较高维度(例如，第二维度)中分离出那些在较低维度(例如，第一维度)漂移气体中未能充分分离出的物种离子。应当理解漂移气体可以是两种气体或多种气体的混合物。类似的分离也可以通过变化漂移室的其它条件来完成。 MDIMS结构配置的讲一步的实施例附图7显示了 MDMS的多种实施方式，其中多个较高维度漂移室704a，704b大致平行布置并且使用多个离子化源706a，706b，例如，产生具有正极性和负极性的离子。例如使用CFDI模式操作，试样自位于第一维度中心的接口 708b被导入离子迁移谱仪；使用不同极性的两个离子化源产生高密度的反应物离子，后者由电场导入第一维度室702a，702b,该电场将反应物离子向着第一维度的中心移动。当使用电喷雾电离源时，例如，带电的液滴可以用于通过二次电喷雾原理离子化试样。被离子化后的化学品被带入较高维度704a，704b用于迁移率测量。这一实施方式可以使用上文实施例中所述的不同的离子化源分析同样的试样，所述不同的离子化源采用不同的离子化模式和/或漂移条件。例如，该装置可以具有两个以上的第一维度反应室与较高维度漂移室的结合来，以便利用更多的离子化方法。较高的维度可以在单极性或双极性模式(例如，DPIE)下操作来提取来自第一维度的离子。附图8是一种MDIMS的多种实施方式的图示，其具有一个沿与较低维度802相对的方向延伸的较高的维度804a，804b。如前面所述，第二维度可以在单极性或双极性模式下操作。第一维度可以，例如，作为用于离子贮存的离子流室。这种配置可以使用，例如，以使得具有不同极性的离子在SBA模式操作下可以被驱逐到相对的较高维度漂移室中。在较高模式漂移室是双模式室时的多种实施方式中，例如，当双模式漂移室能够在不同的漂移条件下操作时，可以使用DPIE方法来将离子释放到两个双模式室中进行独立分析。附图9是一种MDMS的多种实施方式的简图，其具有一个离子化源906和试样进口 908位于第二维度904a，904b的漂移管的进口之间。在该离子化源906中形成的离子，例如，可以被提取到第一维度902a，902b的两个不同部分中。每一个部分都可以在正极性模式或负极性模式下操作。例如，在多种实施方式中，MDIMS的第一维度的每一个部分都用作第一维度漂移室。第一维度的每一个部分都能够具有其各自的较高维度漂移室用于进一步的离子分离。附图10简要描述了以离子形式或从外部离子化源取样化学物质的本发明的MDIMS的多种实施方式。这样的实施方式包括离子源1102，其通过界面1106与第一漂移管1104流体连通。本发明针对于离子的操作方法以及在此所述的操作模式可用于这样实施方式中。该实施方式消除了 IMS系统的内部离子化源和反应区的必要性。离子化的化学物质既可以通过电场(在本实施例中，离子化源1104和界面1106设定成具有不同的电势)被带入界面1106，也可以通过气流带入界面1006(在本例中，离子1008由取样泵1109泵入)。一旦试样离子1108被移入界面1106，其通过离子门1003被脉冲导入第一漂移维度1002。其既可以被第一离子检测器1012检测，也可以随后被驱逐到第二维度漂移区1010并被检测器1014，1005和1011检测。頂Sn和联结系统附图IlA和IlB图示了在IMSn上实现SII模式操作使用的多种实施方式的实施例。通过减少更高维度的物理尺寸和控制驱逐脉冲的时机，流入驱逐区1112的被选定的一组离子1114可以被带入较高维度漂移室1118以 便进一步分离。同样的过程可以继续直至在不同的漂移室内完成第n次分离。相互连接的漂移室的几何构型可以是二维的(附图11B)或三维的(附图11A)，这样，较高维度漂移分离的次数不必受迁移谱仪可用的物理空间的限制。在不同实施方式中，附图IIA表示了三维度MDMS，并以此来说明SII模式操作。当气相试样被导入位于离子门1103和1108之间的第一维度漂移管的反应区后，试样通过CFDI或传统的离子化方法被离子化源1102产生的反应物离子离子化。与反应物离子混合的试样离子被脉冲送入第一漂移区1104。在离子导向器1106产生的电场的引导下，离子混合物在第一维度中被分离。在关注的离子1114流入驱逐区1112的预定时机，在一系列电极(包括诱导离子导向器1116和格栅1130)上施加驱逐电压以将离子提取到第二维度中。由于离子1114在驱逐区1112和第二维度漂移区1118的界面处被压缩，从而在第二维度漂移区1118的起始部分产生了多种分离的离子1120的窄脉冲。离子脉冲1120在离子导向器1119的引导下在漂移区1118中被分离。进一步分离后的离子1124被从第二离子驱逐区1122提取到第三漂移室，该漂移室具有一个漂移方向1126(指向纸内面)，该方向大致垂直于第一和第二维度。提取出的离子在第三维度或更高维度中重复上述过程。在多种实施方式，附图IlB表示了具有两个维度结构的MDMS以SII模式操作。附图IlB表明被第一维度漂移管分离的一个峰1114b被提取到第二维度中，并随后第二维度漂移管分离的一个峰被提取到第三维度1132中，其漂移方向大致垂直于第二维度并且大致逆平行于第一维度。在该实施例中，所有维度的漂移轴线都在同一个平面内。例如，在多种实施方式中，附图IlA和IlB的配置可以连接到其它检测器，例如质谱仪。IMS-MS系统通常被用于在质谱分析之前完成基于迁移率的分离。与质谱仪的连接可以是沿离子漂移方向串联在检测器矩阵后，例如1122或1136。附图IlB表示了与质谱仪1128a的连接，其是通过第二维度检测器矩阵1138的开口，或垂直于漂移方向使用一个驱逐脉冲将离子推动到界面1128b和1128c。在后一种情况下可以预期有较高的离子传递效率。取样设备试样既可以连续地进入流体流，也可以以脉冲形式，也可以以两者结合的形式被导入MDIMS。脉冲取样方法可以用于多种操作模式。仪器前部的热脱附室可以用于提供试样。例如，对于来自取样签的试样，脱附室可以连续加热取样签并随后将高浓度的化学品蒸气泵入MDIMS。可以使用阀门来控制允许进入离子迁移谱仪的试样的数量。按照上述操作模式，可以使试样连续流入具有一个离子化源的MDIMS。脱附室中可以含有吸收材料用于试样预浓缩操作步骤。例如，作为导入到该室内的低浓度的或复合的混合物试样，吸收剂可以选择性地收集关注的化合物并随后将其脱附进入MDIMS。取样签有多种方法可以改进取样效率。在多种实施方式中，不使用干取样签而是使用“湿”取样签有利于完整采集试样。湿取样签通过增加取样签和表面之间的接触有助于采集效率，并提供了对试样更好的物理采集。通过选择适用的溶剂混合物，作为目标的爆炸物也可以溶解在取样签上，由此实现更高的取样效率。为便于湿取样签操作，可以使用一种匹配的取样签和脱附器设计。取样签优选设计成具有疏水和亲水表面的样式用于指定使用的溶剂或溶剂混合 物。该样式可以与例如脱附器内部加热器的样式匹配。在一种实际的选择方案中，使用干的和湿的取样签通常取决于待取样的表面。由于湿取样签具有更高的采集效率，其可以用于，例如，确认性测试以分辨来自干取样签的警报；其可以用于“完全擦拭操作”以采集低水平的爆炸物颗粒，等等。由于爆炸物可以浸入或附着在取样签中，其也可以用于保留试样作为证据。宇气取样在多种实施方式中，本发明的MDMS系统可以对周围环境的蒸气连续进行取样操作。取样频率可以预设以便用于例如对高浓度的爆炸物早期报警和其它安全关注之处的目标。通常的挥发性爆炸物，例如硝化甘油，TATP甚至是爆炸性跟踪剂(Taggants)，都可以在气相中被检测。由此，本发明的MDIMS系统的多种实施方式可以用于“嗅”检。取样浓度在多种实施方式中，取样能力和/或脱附效率的提高可以通过使用高化学亲和力化合物，对化学物质低吸附的表面，或在解吸室内壁同时使用以上两者的方式。高化学亲和力化合物涂饰的表面可以用来预浓缩气相中的蒸气和/或在其它化合物存在时选择性采集目标化合物，其它化合物是例如用于湿取样的溶剂。解吸部分的加热元件可以布置成，例如，加热那些施加了高化学亲和力化合物涂层的区域。这样的有选择的加热手段可以用于，例如，减少用于脱附的热量，并由此减少检测系统的总的能量消耗。试样离子化本发明的MDMS系统可以包括一个或多个离子化源。离子化源可以用于产生反应物离子，直接离子化目标化学物质，或兼有以上两者。适用的离子源包括但不限于射线电离源，电喷雾电离源，解吸电喷雾电离源，表面电离源，和电晕电离源。电喷雾电离是无机爆炸物检测中优选的离子源之一。可以使用ESI-MDMS以较高的可信度检测氯基爆炸物和黑火药。基于湿取样方式，例如，电喷雾电离可以用于通过将采集的试样直接喷雾到MDMS中来处理湿的试样。实现该方法一种方案包括将湿的试样放入试样夹中，所述试样夹具有一个电喷雾针和施加一个电喷雾电压的电极。由于试样被密封在试样夹内，压力直接或间接地施加到试样夹/浸泡的取样签，溶剂和溶解的试样到达电喷雾针，并被电喷射从而形成高度带电的液滴。电喷雾的试样离子可以被导入MDIMS进行分析。湿取样和直接电喷雾电离的结合用于MDMS可以提供，例如，对无机和有机爆炸物和其它关注的化学品的检测能力。增加的检测系统适用件改进的系统易用性。尽管现有的基于MS的痕量检测系统通常能够满足在机场操作环境中的不严格状况下的处理要求，但当高度污染的试样被导入系统时，其对于试样的处理能力是有限的。系统中污染物的累积要求较长的烘烤时间和/或使用有机溶剂的复杂的清洗步骤。除了系统的试样传送部分内的活性表面和冷点及检测器外，用于锁定低分子量的污染物和湿气的膜入口(例如，该部件可见于GE Security制造的VaporTracer和Smiths Detection制造的Sabre 4000上)是累积较高分子量污染物的最普通的部件之一。为消除这个主要的“记忆效应”的来源，本发明的MDMS的多种实施方式中使用了脉冲入口系统。在脉冲入口的多种实施方式中，检测器仅在极短的时间周期内暴露于外界，通常少于约20秒。阀仅仅在试样室中的试样达到最高浓度时开启。该室可以周期性地闪动加 热以清除累积的化学品。脉冲试样入口操作原理适用于与本发明的MDMS系统的多种实施方式并且帮助控制导入漂移室的湿气的总量。湿度传感器也构成了系统的一个部分来提供用于系统处理附加校正信息。在传统系统中最常见的用户错误之一是误校正。本发明的优选的系统提供了一种自校正/自诊断机理，当其启动时能够校正系统并且是周期性的而无需操作者关注。在多种实施方式中，优选校正化合物使其在仪器的寿命周期内长存。这一特点能够进一步改进系统的易用性。本发明的设备能构造成高度便携的仪器。如同任何分析设备那样，在操作特点的数量和系统便携性之间通常存在一个折衷。在本发明的MDMS设计和操作方法的多种实施方式中，能够减少总的能耗和检测器尺寸。相对较高的一部分能量分配给前端使用，包括试样脱附和有效的清洁操作。低能耗的基于系统的计算机，例如，现代化的PDA设计或类似物优选用作便携系统的一个元件。在从便携性和可用特点之间进行选择的平衡过程中，本发明的多种实施方式提供了一种MDMS检测系统，其尺寸合理，重量低于10磅，甚至不到8磅。在MDMS的多种实施方式中，附图12A-C表示了紧凑的MDMS的一个实施例。该设备配置成三个维度，包括第一维度室1202,两个第二维度室1204a, 1204b和两个第三维度室1206a，1206b，其一个维度上的最大尺寸< 10cm。附图12C是这种MDMS的按比例的三维视图。该配置可以以SII模式实现CFDI和DPIE。在CFDI操作中，反应物离子在离子源中形成后被脉冲送入反应区1208来选择性离子化脉冲的试样1212。离子化的试样在第一维度漂移区1202中被分离并随后在更高维度漂移区1204和1206中被进一步分离。在DPIE操作中，在离子化源1210和反应区1208中形成的正离子和负离子均被载体流载入第一维度1202而无电场排气。正离子和负离子分别被提取到第二维度漂移室1204a和1204b中。根据仪器的用途及其控制软件，试样离子在第一维度1214，第二维度1216或第三维度1218a和1218b中的检测器矩阵中被检测。对于快速筛选操作而言，离子在较低维度检测器中被检测以达到高的处理速度。在需要最高分辨率时，离子在第三维度检测器中被测量。该配置的工程图如附图13A和13B所示。实际应用的单元包括试样入口1302，试样入口控制阀1304，离子化源1306a和1306b，和第一维度漂移区1308。漂移流被设计成横扫过第二漂移区1320，1320b和第三漂移区1318a，1318b。在漂移气体入口 1310和1312，使用流动分布系统以确保漂移流均匀地流过整个漂移室。漂移气体清扫接口 1314和 1316。
附图14A和14B表示了基于附图12和附图13所述的检测器的便携系统的工程图。该便携的组合包括气动系统1406，电子和计算机控制1404，用户界面和显示器1410，电池电源 1408，和 MD頂S1402。在本发明的MDIMS中优选使用模块化的设计方法以便于进一步升级。例如，不同的离子化源可能用于不同的用途。这样的离子源可以例如是电晕电离源，电喷雾电离源，解吸电喷雾电离源。模块设计的规范能够便于离子源的更换。在另一方面，上述的一种或多种方法的功能可能借助计算机可读的指令通过一般目的的处理器或计算机来实现。计算机可以是与MDMS系统分开的，连接的或是集成于其中的。计算机可读的指令可以是以多种高级语言中的任意一种编写，例如；F0RTRAN，PASCAL, C，C++，BASIC。更进一步地，计算机可读的指令可以，例如，写成手工指令，宏指令，或功能型地嵌入在商用软件中，例如EXCEL或VISUAL BASIC此外，计算机可读的指令可以是以直接指向计算机中微处理器驻留的汇编语言来实现。例如，如果该指令是在IBM PC或PC系配置运行的话，计算机可读指令可以通过Intel80x86汇编语言实现。在一种实施方式中，计算机可读的指令可以嵌入在一个制造的部件中，该部件包括，但不限于，计算机可读的程序介质，例如，软磁盘，硬盘，光盘，磁带，PROM, EPR0M，或CD-ROM (或任意其它类型的数据贮存介质)。在本申请中列举的全部文献和类似的材料，包括，但不限于，专利，专利申请，文章，书籍，论文，和网页，无论这些文献和类似的材料的格式，在此全文引作参考。当引用的文献和类似的材料中的一个或多个与本发明不同或发生冲突时，包括但不限于术语的定义，术语的应用，描述技巧，或类似方面，以本申请为准。在此使用的各章标题仅处于方便组织之目的，并非构成对主题的限制。权利要求不应视为对所述目的和要素的限制，除非另有说明。尽管通过结合多种实施方式和实施例对本发明进行了说明，但并非意味着本发明限于这些实施方式和实施例。相反的，本发明包含了多种变化，改进和等同物，正如本领域技术人员所理解的那样。权利要求
1.一种操作离子迁移谱系统的方法，该方法包括 a将气相试样在第一时间脉冲导入第一漂移管； b输送气相试样脉冲使其经过第一漂移管的至少一部分；c按相对于第一时间的预定时间将一系列脉冲的反应物离子送入第一漂移管内；d产生一个电场用以输送反应物离子脉冲并使其经过第一漂移管的至少一部分；和e —组反应物离子，包括一个或多个系列的反应物离子脉冲，与气相试样脉冲反应以使得气相试样脉冲中的一种化学物种被离子化。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，进一步包括重复反应物离子组与气相试样脉冲反应的步骤，直至所有的关注的化学物种都被离子化，其中不同电荷亲和力的化学物种在第一漂移管中在不同的时间被离子化。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，进一步包括通过在一个或多个预定的提取时间产生至少作用于一部分的较低维度漂移管的电场，将较低维度漂移管中离子化的至少一部分的化学物种提取到较高维度漂移管中，该较高维度漂移管的漂移轴线与较低维度漂移管的漂移轴线介于大致平行和大致逆平行之间，特别是大致垂直。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，提取到较高维度漂移管中的离子化的化学物种被导入离子检测器，并且根据它们到达离子检测器的到达时间而被定性，到达时间至少基于其在较高维度漂移管条件下的迁移率。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，在较高维度漂移管中的漂移管条件中至少一项，包括载气类型，载气密度，载气流率，载气压力，漂移介质的相，电场强度，和温度，是不同于较低维度漂移管的漂移管条件的。
6.一种用于离子迁移谱法的方法，该方法包括 a将试样导入第一漂移管； b离子化至少一部分试样以形成离子化的化学物种； c通过将离子化的化学物种与第一载气在第一系列漂移条件下相互作用，沿第一漂移轴线分离至少一部分离子化的化学物种； d于第二漂移管附近产生一个电场以便将离子化的化学物种提取到第二漂移管中；e通过将离子化的化学物种与第二载气在第二系列漂移条件下相互作用，沿第二漂移轴线分离至少一部分离子化的化学物种； f使用离子检测器检测至少一部分已被分离的离子化化学物种。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，至少一部分离子化的化学物种的分离是离子化的化学物种时间上的分离。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，至少一部分离子化的化学物种的分离是离子化的化学物种的空间上的分离。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，导入离子化的化学物种包括按预定时间导入离子化的化学物种。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，预定时间的选择使得离子化的化学物种中基本上不含有反应物离子。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第二系列条件与第一系列条件相同。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第二系列条件和第一系列条件中的至少两者之一包括电场取向，电场强度，漂移气体组成，漂移气体的相，漂移气体温度，漂移气体压力，漂移气体流率，和漂移气体相对于电场方向的流动方向中的至少一项。
13.如权利要求6所述的方法，进一步包括离子化的化学物种与第三漂移气体在第三系列的漂移条件下相互作用，其中至少一部分离子化的化学物种沿第二漂移轴线空间分离，最后被离子检测器检测。
14.如权利要求6所述的方法，进一步包括测量在第一和第二漂移管中的漂移时间并构建多维度离子迁移率谱图，并以此鉴定化学物种。
15.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使用离子检测器检测至少一部分分离出的离子化的化学物种包括选择性地检测待定离子。
16.如权利要求6所述的方法，进一步包括在第一维度漂移管中累积大量的试样离子并随后将其驱逐进入第二漂移管中。
17.如权利要求6所述的方法，进一步包括鉴定被检测的离子化的化学物种的特征根据其检测到达时间至少基于其在第二漂移条件下的迁移率。
18.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括在具有附加漂移轴线的一个或多个附加的漂移管中分离离子。
19.如权利要求6所述的方法，其特征在于，可以通过脉冲或连续的液体流将试样导入第一漂移管。
20.一种制品，包括计算机可读介质，该计算机可读介质上嵌入有用于执行权利要求6所述方法的计算机可读指令。
21.一种取样设备，包括具有疏水和亲水表面式样的取样签，并且该取样签浸有至少一种溶剂。
22.—种试样导入方法,包括以浸有至少一种溶剂的取样签对表面进行取样；将试样转移至试样夹；对试样进行电喷射从而形成带电的液滴。
23.—种离子化试样的方法,该方法包括 d将试样在第一时间导入漂移管； e按相对于第一时间的预定时间将一系列脉冲的反应物离子送入漂移管内； f 产生一个电场用以将反应物离子脉冲传递至漂移管中的试样；以及 g —组反应物离子，包括一个或多个系列的反应物离子脉冲，与试样脉冲反应以使得试样中的一种或多种物种被离子化。
24.如权利要求23所述的方法，进一步包括重复反应物离子组与试样脉冲反应的步骤，直至所有的关注的化学物种都被离子化，其中，不同特性的化学物种在漂移管中在不同的时间被离子化。
25.如权利要求23所述的方法，进一步包括使用多种化学反应物与原始反应物离子进行化学反应以改变离子的化学性质，从而产生具有不同化学特性的反应物离子对试样进行离子化。
26.如权利要求25所述的方法，其中具有不同化学特性的反应物离子被用以基本上实现试样中定向化学品的选择性离子化。
27.如权利要求24所述的方法，其中化学物种的特性包括，但不仅限于，电荷亲和力。
28.如权利要求23所述的方法，进一步包括在一个或多个预定的提取时间产生至少作用于一部分的第一漂移管的电场，将第一漂移管中离子化的至少一部分的物种提取到第二漂移管中。
29.如权利要求23所述的方法，其中在第二漂移管中的漂移管条件中至少一项，包括载气类型，载气密度，载气流率，载气压力，漂移介质的相，电场强度，和温度，是不同于第一漂移管中的漂移管条件的。
全文摘要
本发明公开了多维度离子迁移率分析仪的不同的实施例，其中该分析仪具有多于一个的漂移室并且能够捕获物质的多维度离子迁移率的谱图。例如，该装置的漂移室能够在独立的操作条件下操作以基于带电颗粒的可辨别的化学/物理性质来分离带电颗粒。根据分析仪的操作模式，该装置的第一维度漂移室可以用作贮存设备，反应室，和/或漂移室。还对离子迁移谱仪的方法的多种实施方式进行了说明，其包括，但不限于，连续的第一维度离子化方法能够使得试样中全部的化学组分被离子化而不论其电荷亲和力。
文档编号H01J49/00GK102646570SQ20121004635
公开日2012年8月22日 申请日期2006年12月29日 优先权日2006年1月2日
发明者吴青 申请人:卓漂仪谱公司