用于差分迁移谱仪的射流注射器入口的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于执行差分迁移谱仪DMS的方法及设备，其包含减少离子在由所述DMS产生的边缘场内部所耗费的时间量。所述设备包含入口电极板，其密封地接合到所述DMS的入口，且与所述DMS的平行板电极电分离，所述入口电极板具有用于允许离子横越到所述DMS中的孔隙；其中所述孔隙的横截面积小于离子路径的横截面积，所述离子路径位于所述DMS的所述两个平行板电极之间。所述入口电极板还可具有施加到所述入口电极板以用于离子的聚焦的聚焦电势。
【专利说明】
用于差分迁移谱仪的射流注射器入口
[0001] 相关申请案
[0002] 本申请案主张2013年12月31日申请的序列号为61/922,275的美国临时申请案及 2014年2月4日申请的序列号为61/935，741的美国临时申请案的优先权益，两个申请案的全 部内容特此W引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本文中的教示设及将离子引入到差分迁移谱仪中的设备及方法。
【背景技术】
[0004] 基于气体中的迁移系数的差异，基于离子迁移的分析方法在高压条件下分离及分 析离子(相较于质谱仪）。差分迁移谱仪(DMS)(比如传统飞行时间离子迁移谱仪(IMS))基于 离子的迁移特性而分离及分析离子，但提供正交离子特性化。在IMS中，基于离子物种横截 面而发生离子分离，在DMS中，基于a参数而发生离子分离，a参数与不同强度的电场中的离 子迁移系数的差异相关。离子被脉动到IMS中且传递通过漂移管，同时经受恒定电场。随着 离子传递通过漂移区，离子可与漂移气体分子相互作用。运些相互作用对于样本的每一离 子物种是特定的，且取决于经分析的离子物种的横截面，从而导致基于不仅仅是质/荷比的 离子分离。归因于碰撞横截面的差异，不同离子物种具有朝向检测器板的不同漂移速度，从 而产生不同到达(或漂移)时间。
[0005] 与此对比，在飞行时间质谱仪(ToF-MS)的无碰撞真空条件下，离子通过MS飞行管 的飞行时间仅由离子的质荷比(m/z)确定。
[0006] DMS类似于IMS之处在于离子是在环境压力条件下在漂移气体中分离。然而，不同 于IMS, DMS使用施加于至少两个平行电极之间的不对称电场波形，离子W连续方式传递通 过所述至少两个平行电极，在输送气体流动流中掠过。在垂直于输送气体流动流的方向而 定向的强不对称波形RF电场的效应下发生离子分离。电场波形通常在所述波形的高场部分 处具有短持续时间且接着在处于相对极性的低场持续时间处具有较长时间。高场及低场部 分的持续时间经施加使得施加到DMS过滤器电极的净电压(针对一个完整周期的平均电压） 为零。在运些条件下，具有不同场依赖迁移系数的离子归因于其a参数而具有不同轨迹。
[0007] 在一些情况下，DMS已与质谱仪(MS)进行接口连接W向MS提供正交分离方法。包含 两种正交方法的此组合利用DMS的大气压力、气相及连续离子分离能力，W及DMS-MS系统的 增强型分析能力。
[000引通过将DMS与MS进行接口连接，已增强样本分析的众多区域，其包含蛋白质组学、 肤/蛋白质构形、药物动力学及代谢分析。除了医药及生物技术应用之外，基于DMS的分析仪 还已用于痕量级爆炸物检测及石油监测。
[0009]在DMS迁移单元之前添加逆流气体流动的情况下，DMS装置的分辨率会改进。在图1 中举例说明此类配置。通过将帘板放置于DMS的入口之前且施加 DC电势（通常为500到 1500V)来建立帘气体W推进离子跨越帘板孔隙与DMS入口之间的间隙。另外，此方法已被证 明为有助于在迁移率分析仪之前提供有效离子解溶剂化。
[0010] 已发现，主要地在将离子引入于DMS分析间隙中期间发生离子损失。此源于边缘电 场的存在，所述边缘电场源于DMS的分析间隙中的叠加分离(RF)及补偿化C)电场的存在。另 夕h还已发现，将离子引入到DMS单元中的效率可受到所施加的分离及补偿电压的绝对值影 响，其导致改变由系数迁移率、极性及电场依赖性(a参数）区分的离子的有效轨迹。在一些 装置中，举例来说，在具有窄分析间隙的系统中，此使其自身表现为在W透明模式(其中不 施加不对称或补偿电压)使用时所测量的显著缩减的信号，且引入具有高迁移系数的离子 与具有低迁移系数的离子之间的离子传输的区别。
【发明内容】
[0011] 在各种实施例中，在DMS的入口或/及出口上存在边缘电场会不可避免地减少通过 分析间隙的离子传输系数。此非想要的效应取决于DMS传感器的许多参数:分析间隙的物理 大小、通过间隙的离子的线速度(输送气体流动速率）、用于离子汇集的电极的几何形状，及 经分析的离子物种的迁移率。
[0012] 在各种实施例中，我们已发现，可通过缩减离子在DMS的有害区内的停留时间来实 现边缘电场区的区域中的离子损失的减少。我们建议两种方式来增强通过分析间隙的离子 传输:a)首先是经由使用快速注射，其通过提供迅速地将离子注射到DMS单元的入口中的气 体束射流而将离子快速地注射到分析间隙中；及/或b)在入口之前的区域中（在边缘电场为 活动的区域中）预聚焦离子，且将其聚焦朝向分析间隙的中屯、轴。在此实施例中，归因于额 外聚焦RF电场的谐波叠加效应而发生离子引入，输送气体流动，且促进离子到分析间隙中 的射流注射。气体束或射流用于克服存在于入口处的有害场，使得离子有效地注射到DMS单 元中。离子聚焦将离子束挤压到分析间隙的轴，其中缩减有害边缘电场的效应。在一些实施 例中，可通过在迁移率分析仪(其同时用于形成适当（通过调整其孔隙)射流)之前提供屏蔽 电极而最小化且甚至从DMS单元的入口移除有害边缘场的效应。可将额外电极密封到DMS组 合件中，其同时提供屏蔽及束/射流形成。可将气体束或射流引导到DMS单元的中屯、轴中W 确保大体上从DMS狭槽前部处的绝缘表面移除目标离子物种。
[0013] 在各种实施例中，提供一种差分迁移设备，其包括:外壳，其具有入口及出口；至少 两个平行板电极，其安置于所述外壳内且彼此分离达固定距离，所述两个电极之间的容积 界定离子路径，离子从所述入口通过所述离子路径流动到所述出口，所述离子路径具有垂 直于离子流动方向的横截面区域；电压源，其用于将RF及DC电压提供到所述平行板电极中 的至少一者W产生电场，所述电场用于基于迁移特性而传递通过选定离子物种;漂移气体 供应器，其用于供应通过所述入口流动到所述出口的气体;及至少一个入口电极板，其密封 地接合到所述入口，且与所述平行板电极电分离，所述至少一个入口电极板具有用于允许 离子及所述气体横越到所述外壳中的孔隙，其中所述孔隙的横截面区域小于所述离子路径 的横截面区域。
[0014] 在各种实施例中，提供一种分析差分迁移装置中的离子的方法，所述装置具有产 生电场的两个平行板电极，所述方法包括:将离子引入到漂移气体中且将所述漂移气体引 导朝向所述差分迁移装置的入口；随着所述漂移气体进入所述差分迁移装置而将所述漂移 气体加速且一旦所述漂移气体已进入所述差分迁移装置就将所述漂移气体减速;使用所述 差分迁移装置对所述离子执行差分迁移分离;及检测所述离子。
[0015] 在各种实施例中，提供一种差分迁移过滤器设备系统，其包括：电离源，其用于产 生离子;帘室，其由至少一个帘板界定，所述帘板含有帘板孔隙，所述离子流动通过所述帘 板孔隙；帘气体供应器，其与所述帘室进行流体连通;外壳，其安置于所述帘室内，所述外壳 具有开口及出口，所述开口与出口之间的容积界定离子路径，所述离子路径大体上与所述 帘板孔隙成一直线且所述开口与所述帘室进行流体连通;至少两个平行板电极，其安置于 所述外壳内且在所述离子路径的任一侧上彼此相对地定向且分离达固定距离；电压源及控 制器，其用于向所述平行板电极中的至少一者提供RF及DC电压W产生电场，所述电场用于 基于迁移特性而传递通过离子的选定部分;至少一个入口电极板，其密封地接合到所述开 口，且与所述平行板电极电分离，所述至少一个入口电极板具有用于允许离子及所述气体 横越到所述外壳中的孔隙，其中所述孔隙的横截面区域小于所述离子路径的横截面区域。
[0016] 在各种实施例中，所述差分迁移设备可W透明模式操作。
[0017] 在各种实施例中，所述一个入口电极板为可移除的。
[0018] 在各种实施例中，所述孔隙包含于虹膜光圈内且为可调整的W改变通过所述入口 的气体流量。
[0019] 在各种实施例中，所述至少一个入口电极板与所述平行板电极电分离，且其中控 制器及发电机连接到所述至少一个入口电极板W用于施加 RF聚焦电势及/或DC电势。
[0020] 在各种实施例中，所述差分迁移设备进一步包括真空源，所述真空源定位于所述 平行板电极下游。
[0021] 在各种实施例中，所述外壳由界定帘室的帘板环绕，且所述帘室与向所述帘室提 供帘气体的帘气体供应器进行流体连通，其中所述帘室中的所述帘气体变为所述漂移气体 供应器，所述帘室具有至少一个孔隙，其允许离子流动通过所述至少一个孔隙。
[0022] 在各种实施例中，所述孔口为圆形或狭缝状。
[0023] 在各种实施例中，所述两个电极板密封地接合到所述入口，且所述两个电极板中 的每一者与所述平行板电极电绝缘且所述两个电极板中的每一者彼此电绝缘，所述两个电 极板中的每一者连接到RF源及控制器W用于产生RF聚焦场。
[0024] 在各种实施例中，所述漂移气体的所述加速包括将所述漂移气体传递通过界定于 密封地接合到所述平行板的面的一或多个电极板内的孔隙，且通过使所述漂移气体在离开 所述孔隙后就膨胀来执行所述漂移气体的所述减速，其中所述孔隙的横截面小于所述差分 迁移装置的所述入口的横截面。
[0025] 在各种实施例中，所述漂移气体的所述加速还包括在所述两个平行板电极下游应 用抽吸，所述抽吸是由真空源提供。
[0026] 在各种实施例中，所述差分迁移装置仅使用DC电压而操作。
[0027] 在各种实施例中，所述差分迁移装置由界定帘室的帘板环绕，且所述帘室与向所 述帘室提供帘气体的帘气体供应器进行流体连通，其中所述帘气体变为流动到所述差分迁 移装置中的所述漂移气体，且所述帘板具有至少一个孔隙，其允许离子流动通过所述至少 一个孔隙。
[0028] 在各种实施例中，将RF聚焦电势施加到所述一或多个电极板W用于所述离子的聚 焦。
[0029] 在各种实施例中，所述入口电极位置包括虹膜光圈，所述虹膜光圈界定所述孔隙 且为可调整的W改变通过所述开口的气体流量。
[0030] 在各种实施例中，所述离子路径的横截面区域经界定为所述平行板电极之间的距 离乘所述平行板电极的宽度。
[0031 ]在各种实施例中，所述设备仅使用DC电压而操作。
[0032] 在各种实施例中，RF控制器及发电机连接到所述入口电极板W用于施加RF聚焦电 势。
[0033] 在各种实施例中，所述设备进一步包括真空源，所述真空源连接于所述两个平行 板电极下游，所述真空源用于加速帘气体流动到所述外壳中且通过所述外壳。
[0034] 在各种实施例中，所述设备进一步包括额外装置，所述额外装置可操作地禪合到 所述出口，其中所述额外装置是选自质谱仪、拉曼谱仪及另一DMS装置。
[0035] 在各种实施例中，两个入口电极板密封地接合到所述入口，所述两个入口电极板 彼此电绝缘，所述入口电极板中的第一者界定第一切口部分且所述入口电极板中的第二者 界定第二切口部分，所述第一切口部分及所述第二切口部分协作W形成所述孔隙。
[0036] 在各种实施例中，RF聚焦电势从所述第一入口电极板施加到所述第二入口电极 板。
【附图说明】
[0037] 图1描绘典型DMS装置的布局。
[0038] 图2描绘常规DMS装置的入口处的离子轨迹的视图。
[0039] 图3描绘针对常规DMS装置的入口处的不同离子物种的离子轨迹的替代视图。
[0040] 图4描绘本教示的实施例中的入口处的离子轨迹的视图。
[0041] 图5描绘本教示的替代实施例中的入口处的离子轨迹的视图，其展示朝向分析间 隙的轴的离子汇集/聚焦。
[0042] 图6描绘DMS电极的入口处的离子束的污染效应。
[0043] 图7描绘对DMS的边缘效应的屏蔽对苯甲酯芽子碱响应的影响，借助于小非优化的 0.5mm的射流注射器。
[0044] 图8描绘对不同射流注射器配置的峰值宽度的影响。
[0045] 图9展示借助于常规DMS装置及各种射流模式注射器的若干化合物的MRM信号。
[0046] 图10描绘W不同注射器装置孔隙直径的化合物混合物的平均半峰全宽(FW歷)标 绘图。
[0047] 图11描绘相较于常规DMS装置的3.5mm(优化)注射器孔隙的电离图强度。
[0048] 图12描绘相较于常规DMS装置的借助于3.5mm(优化)注射器的若干分析物的标准 化电离图。两种情况下的补偿电压是类似的。
[0049] 图13描绘使用具有及不具有化学改性剂的射流注射器电极所分析的化合物利血 平及氯米帕明的电离图。
[0050] 图14描绘借助于常规DMS(左条块)及根据本教示而修改的DMS(右条块）的九种化 合物及W各种分离电压值的强度迹线的一系列标绘图。
[0051] 图15描绘使用常规DMS及根据本教示的DMS的脯氨酸及鄉氨酸分析物（高迁移系 数)的电离图。
[0052] 图16描绘使用各种条件及设备的=挫的数据。
[0053] 图17描绘在较高样本流动速率下使用各种条件及设备的=挫的电离图。
[0054] 图18描绘本射流辅助教示的实施例。
[0055] 图19描绘本射流辅助教示的替代实施例。
【具体实施方式】
[0056] 图1描绘典型DMS装置10的配置。外壳11环绕两个平行电极12,其中可施加不对称 电压及补偿电压。所述两个电极之间的空间界定具有容积的分析间隙。外壳11具有入口 13 (离子及气体可流动至入口 13中）及出口 14。入口与出口之间的区域界定路径15,离子流动 通过路径15。进入外壳11的离子16在两个平行电极12之间传递，其中离子16经受可分离具 有不同离子迁移性质的离子的不对称及补偿场。
[0057] 应理解，电极12连接到合适的电源及控制器，其允许通过电极12产生RF及DC场。虽 然本文中使用相同标识符来描述电极12,但应了解，所述电极可经配置使得可单独地将单 独的RF及/或DC电势传输到所述两个电极中的每一者，使得所述一对电极个别地作为不同 电极而操作。
[005引由帘板18界定的帘室17环绕外壳11。帘板18含有直接与外壳13的入口成一直线的 开口。帘气体供应器20由导管21流体连接到帘室17,且将帘气体供应到帘室17。帘气体填充 帘室，且流出帘室17的开口 19且流入外壳11的开口 13。外壳11经配置使得帘气体可借助于 外壳开口 13而仅进入及流过平行电极12。进入外壳11的帘气体变为漂移气体，且在两个平 行板电极12之间流动且通过外壳出口 14离开外壳11。
[0059] 来自合适电离源（例如电喷雾、化学品、MALDI等等）的离子16接近帘室17的入口 19,其中离子16传递通过来自离开的帘气体的逆流流动，此有助于所述离子的干燥。从合适 源施加到帘板18的电压将离子16跨越帘板18与入口 13之间的间隙推进到外壳11。在进入外 壳11后，离子16就在漂移气体中掠过，且施加到平行电极12的不对称电压致使基于离子迁 移性质而分离离子。离子16及漂移气体继续沿着离子路径15向下行进到出口 14,其中离子 可被检测或经受另外过程或装置作用(例如质谱术）。
[0060] 图2描绘在常规配置中帘板18的开口 19及到外壳11的入口 13W及离子轨迹30的简 化视图。两个平行板电极12及帘板边界18连同产生离子16的流的电喷雾离子源喷雾器的尖 端一起被展示。离子16传递通过帘板18且最终到达由两个平行电极12组成的DMS单元22的 入口 13。在帘板18( W约500V)与DMS入口 13之间建立的电场为发散的，从而引起到DMS 22中 的较低离子传输。特定来说，初始十五个流中的仅两个离子流进入DMS 22。剩余流撞击平行 板电极12的前面且被移除。
[0061] 图3展示针对五个不同离子由于将不同DC电势施加到两个DMS电极12(即，补偿电 压)所致的对通过边缘场的离子轨迹(31、32、33、34、35)的影响的更详细视图。所述轨迹证 明归因于施加不对称场的离子的振荡性质。中线点41上方的=个轨迹(31、32、33)表示带正 电的离子，且中线41点下方的两个轨迹(34、35)表示带负电的离子。在此图中，在进入含有 两个平行板电极12的DMS单元22之前，离子传递通过帘板18的孔隙19,且接着传递通过壁40 在其它方面与帘板孔隙19具有相同宽度且充当非导电绝缘体所处的区。将正DC补偿电压 (CoV)施加到底部电极，且源于此施加的边缘场影响离子在传递通过帘板孔隙19之后不久 的运动。正离子被偏转远离底部板，且负离子被吸引朝向底部板，从而引起不同极性离子在 进入DMS单元22之前分离。另外，边缘场效应限制对DMS单元22的接受区，运是因为位于DMS 的中屯、轴41上方的正离子将更有可能在顶部电极上损失，且位于DMS的中屯、轴41下方的负 离子将更有可能在底部电极上损失。由于边缘场的有害效应，离子轨迹已在离子进入DMS单 元22之前受损。虽然离子轨迹33中的一者能够恢复W横穿DMS单元22，但离子在其进入DMS 单元22时的初始定位归因于边缘场的存在而偏离中屯、。如果位于(例如)帘板孔隙19处的离 子流的初始定位在中点线41上方，那么此轨迹也可能会已通过接触上部电极而引起不稳定 路径。图3的建模结果还证明离子在传递通过帘板孔隙之后不久受到不对称RF电压影响，然 而，结果是到离子的轻微银齿状运动。相较于SV，源于补偿电压的存在的DC场对离子轨迹产 生大得多的有害效应。
[0062] 图4描绘由本教示体现的DMS设备50配置的实例。类似于图2所描绘的常规装置， DMS装置50含有:离子源喷雾器51，其产生离子流52;帘板53，其含有孔隙54;及平行板电极 55，其形成DMS的分析间隙。然而，DMS装置50含有额外射流注射器电极56，其定位于帘板53 与平行板电极55之间，在到外壳的入口处。注射器电极56由单个导电射流注射器板58组成， 单个导电射流注射器板58与平行板电极55电分离且另外与平行板电极55隔离，例如(举例 来说）由绝缘材料57，绝缘材料57防止施加到平行板电极55的电压传输到注射器电极56。射 流电极56含有孔口 59,其可为圆形、狭缝状或任何合适形状。孔口 59大体上与离子52的流、 帘板53的开口 54及DMS单元61的入口成一直线，使得从离子喷雾器51传递的离子传递通过 帘板54的开口、射流电极59的孔口且接着通过DMS单元61的入口。射流电极56可借助于电绝 缘材料57而与DMS平行电极55分离，且密封地接合到DMS电极55,从而防止除了通过孔口开 口61或从DMS单元的出日之外的气体流入或流出，在平行板电极55下游。替代地，可用静态 气隙部分地替换绝缘材料57,只要射流电极保持密封地接合到DMS电极W防止除了通过射 流注射器孔口 19之外的气体流入即可。射流电极56中的孔口 59的横截面区域62小于位于两 个平行板电极55之间的离子路径的横截面区域63。射流注射器电极56可W类似于或不同于 DMS单元的DC电势而操作W优化到DMS入口中的传输。已令人惊讶地发现，即使射流电极56 中的孔口 62的横截面区域低于两个平行板电极55之间的离子路径的横截面区域63,且较多 离子将被预期为撞击电极56的表面，此配置也引起较多离子流传输到DMS单元中，此是归因 于离子汇集。即，大量原始离子分布传输通过DMS装置。特定来说，在此实例中，四个离子流 传输到单元中。虽然不希望受到理论约束，但据信，归因于射流电极中的此可用孔口传输能 力减少(借助于横截面缩减）的离子损失不仅仅是由行进通过孔口的气体及离子的速度增 加 (归因于W固定气体流动的横截面区域减少)造成，此引起离子经历边缘场的有害效应的 时间减少。射流注射器DMS配置也改进DMS中的离子转移，运是由于较强（具有较高线速度） 气体流动用于将离子更多地引导朝向电极组的中屯、W改进传输。
[0063] 出于更大的澄清起见，当参考射流注射器电极56的横截面区域62及两个平行板电 极55之间的离子路径的横截面63区域时，所参考的区域可更容易在图18中可视化，其中呈 现射流辅助离子注射系统的图式。由单个射流注射器板58组成的射流注射器电极56的孔隙 59的横截面62区域小于两个平行板电极55之间的离子路径的横截面区域63。在两种情况 下，横截面区域为垂直于离子流动方向70的平面区域。射流注射器电极56的孔隙59的横截 面区域62大体上为圆形，而离子路径的横截面区域63大体上为矩形。两个横截面区域无需 为相同横截面形状。用于将平行板电极55与射流注射器板58分离的绝缘材料57已被切去W 允许内部的可视化。图19中描述另一实施例，其类似于图18所描述的实施例，但如下情形除 夕h孔隙59为狭缝状，且射流注射器电极56是由顶部注射器板65及底部注射器板66形成。运 两个板中的每一者由绝缘体材料67彼此分离。W此方式，可跨越两个电极产生RF场。两个注 射器板(65、66)形成具有狭缝形状且具有横截面区域64的孔口 59的顶部及底部部分。顶部 注射器板及底部注射器板两者皆具有切口，其一起协作W形成孔隙59。狭缝64的横截面区 域与离子路径的横截面区域63大体上具有相同形状。也可利用其它孔隙配置。
[0064] 图5描绘本教示的另一实施例。我们已发现，通过跨越射流形成孔隙施加额外周期 性/谐波RF/AC电场，可增加离子注射效率。归因于朝向射流孔隙的中屯、的离子聚焦(归因于 RF电场及气体流动的叠加效应)而发生此改进。此组合致使离子束挤压到孔口的入口及排 出口处的孔口的中屯、（如图5所描绘），其中离子束在离开射流注射器电极56后就变得越来 越窄，从而向上引导进入分析间隙。
[0065] 在此实施例中，可通过将聚焦RF电势施加到射流电极56上来实现离子传输的甚至 更多的改进，但其在其它方面类似于图4所描述的实施例。如图5所证明，传输甚至更多数目 个离子(六个流）。
[0066] 射流注射器板也可由两个单独电极组成，所述两个单独电极彼此绝缘W便形成双 电极系统。此外，可利用=个或=个W上电极，其中两个或两个W上所述电极彼此绝缘。
[0067] 在离开平行板电极55之后，离子可进一步输送到其它装置W供操纵及/或过滤及/ 或检测。在一些实施例中，帘室具有大体上与外壳的出口成一直线的出口孔隙及允许离子 离开帘室的离子路径，离子在帘室中可接着传递到其它装置上。此类装置的示范性实例包 含检测器、质量过滤器、质谱仪、其它类型的谱仪(例如拉曼或IR)及其它基于迁移的装置 (例如另一 DMS系统）、高场不对称波形离子迁移谱仪及离子迁移谱仪装置。
[0068] 图6展示比较针对标准DMS配置的污染效应与针对射流注射器DMS配置的污染效应 的实验结果。在每一种情况下，将包括未稀释的汉克缓冲溶液的样本W~75化/min的速度 直接注入在质谱仪上达约15小时。汉克缓冲液为具有极高盐含量的细胞培养介质，且在DMS 电极上留下与气体流动相关的清晰碎屑图案。在每一种情况下，使用正交于DMS入口而定向 的AB Sciex化rbo V?离子源来执行运些实验。图6所展示的两个电极来自标准DMS单元配 置(顶部边框)及射流注射器DMS配置(底部边框）。首先参考标准DMS单元，碎屑块体的轮廓 已被绘制W便于可视化且碎屑块体位于DMS入口的下半部上，与喷雾的正交性质一致。鉴于 此配置使用密封到孔口的DMS单元来建立沿着所述单元的长度向下的层流条件，可预期显 著信号损失，此是归因于显著分率的离子进入接近于单元保持架壁的较低速度区。相反地， 在使用射流注射器的情况下，碎屑相对于DMS电极大致居中，且形成与气体射流一致的图 案。在此情况下，离子进入单元中的最佳位置W供传输(即，在单元的轴上）。
[0069] 利用一系列经修改的DMS保持架来评估对在常规DMS之前的射流注射器电极的并 入的影响。具有小孔隙的平板被针焊到陶瓷DMS保持架的前部上。相较于用于常规DMS中的 30mm，DMS电极的长度为28mm，其用于最小化飞弧效应。对于运些实验，各种孔隙大小从 0.5mm到3.5mmW〇. 25mm增量而变化。射流注射器电极屏蔽离子免受施加到DMS电极的DC电 势的影响，且归因于其密封到保持架中而将气体束或射流产生到DMS电极的前部中，从而最 小化由离子在边缘场中所耗费的时间。
[0070]图7中描绘边缘场效应的一个实例，其中比较使用0.5mm射流注射器电极而配置的 DMS与典型DMS系统。此图证明针对化合物苯甲酯芽子碱用增加的分离电压(SV)而获取的数 据。在为零的SV处，与W透明模式操作的DMS-致，针对W193，043CP S的常规DMS装置（图1或 2所描绘）的信号比借助于在存在W68，377CPS的0.5mm射流注射器的情况下修改的DMS所观 察的信号大仅约2.8倍，尽管入口横截面区域在经修改的系统中小约20.4倍。
[0071 ]对于具有常规DMS配置的此化合物，增加SV会给予略大于两倍的信号提升，从而有 助于恢复入口边缘场中损失的信号。相反地，在借助于射流注射器电极的情况下，经修改的 DMS如理论上所预测而表现(克雷洛夫EV.化rylov EV.)/'平面与同轴场不对称波形离子迁 移谱仪（FAIMS)的比较（Comparison of the Planar and Coaxial Field Asymmetrical Waveform Ion Mobility Spectrometer(FAIMS))"质谱仪，2003,225,39-51。），其 中随着SV增加而未看到信号增加，此是归因于由射流形成电极的存在而引起的屏蔽效应。 运些结果证明射流注射器电极可提供一种有效地屏蔽离子免受有害边缘场的影响的方法， 而无论其由在维持于较高电势的上游透镜元件(例如帘板)的存在造成还是由DMS电极之间 的DC偏移（即，CoV)造成。此证明针对DMS装置的射流注射器电极入口的两个优点；电极可屏 蔽DMS单元免受可发生于DMS入口与维持于高电势的上游电极之间的边缘效应的影响，且建 立到DMS的前部中的组合屏蔽及气体束/射流可提供离子的更有效输送。
[0072] 图8展示使用一系列具有Imm的分析间隙宽度的不同DMS配置（其包含常规DMS装 置，及13种具有不同孔口大小的不同射流注射器配置)针对14种化合物的混合物所观察的 透明模式总离子电流(TIC)的比较。
[0073] 参考图8,具有仅低于2,000,000邱S的信号计数率的菱形展示W透明模式使用常 规DMS装置所获取的TIC数据。可看出，借助于使用射流注射器电极，将射流注射器电极的孔 口大小从0.5mm增加到约2.25mm在信号方面是有益的，此显示针对透明模式的约3X的优于 常规DMS的最大增加。射流注射器电极的直径的进一步增加会导致信号缩减，然而，具有 3.5mm的最大射流注射器电极孔口的透明模式TI讨目较于常规DMS装置(其不具有射流注射 器)显示高约1.6倍的强度。运些数据在图9中针对混合物成分中的每一者被单独地标绘，图 9展示针对在各种射流注射器电极孔口大小下的混合物的每一成分及针对常规DMS的经测 量的MRM强度的标绘图。对于每一化合物，显示一系列条块图。从左到右，条块中的每一者对 应于1) W透明模式操作的常规DMS(无分离电压及补偿电压），2)使用分离场操作的常规DMS (~115.5Td )，3) 0.5mm的射流注射器电极，4) 0.75mm的射流注射器电极，5) 1. Omm的射流注 射器电极，6)1.2mm的射流注射器电极，7)1.5mm的射流注射器电极，8)1.778mm的射流注射 器电极，9) 2. Omm的射流注射器电极，10) 2.25mm的射流注射器电极，11) 2.5mm的射流注射器 电极，12)2.75mm的射流注射器电极，13)3. Omm的射流注射器电极，14)3.25mm的射流注射器 电极，15)3.5mm的射流注射器电极。不将分离电压施加到运些电极中的任何者。
[0074] 相较于常规DMS系统，大多数射流注射器数据点显示较大信号计数。另外，此证明 针对DMS所利用的射流注射器入口可提供增加的离子传输。
[0075] 如图10所展示，也使用射流注射器电极修改的DMS装置来评估DMS峰值宽度效应。 使用各种射流注射器电极孔口大小配置来标绘十四种化合物混合物的平均观察峰值宽度。 关于未修改的DMS的值为y轴的原点（即，1.68V的半峰全宽(FWHM))。鉴于略微较短的DMS电 极长度(28mm对30mm)，可预期约0.2V的FWHM增加。如图10所展示，关于0.5mm射流注射器的 平均FWHM为5.34V，从而证明相对于未修改的装置的大量分辨率损失。随着射流注射器孔隙 增加W匹配于DMS间隙高度（Imm),峰值进一步展宽。此时，经修改的DMS响应的强度变得接 近于常规DMS的强度。然而，射流孔隙直径的进一步增加会导致DMS峰值宽度变窄，且同时增 加信号，此是大概归因于进入DMS的前部的气体射流分布缩减且较小分率的射束实际地冲 击入口狭槽。事实上，当射流注射器孔隙增加到3.5mm时，所观察的FWHM非常接近于针对未 修改的装置的预期值，尽管事实是电极短2mm。
[0076] 存在于图10中的结果证明DMS的射流注射器电极入口的额外潜在优点。通过使用 可改变孔隙的大小的电极，可W类似方式将分辨率与灵敏度之间的有限控制维持到(例如） 第8,084,736号美国专利(其W引用的方式并入本文中）中所实现的控制，而无需提供额外 气体流动(例如节流阀气体)或抽吸/真空。可(例如)通过物理地取代不同射流注射器电极 或通过使用虹膜光圈控制系统来实现孔隙的大小的改变。虹膜光圈流动控制系统在概念上 类似于摄像机上的透镜中的控制进入摄像机的光的量的孔隙系统。虹膜系统一般由围绕流 动路径沿圆周布置的=个或=个W上指状物组成，所述=个或=个W上指状物可移动到流 动区域中W阻碍气体流动。一般来说，W复杂性增加为代价，所利用的指状物越多，则所形 成的孔隙就越圆。
[0077] 如图11及12所证明，在施加~115.5Td的分离场的情况下，使用3.5mm射流注射器 装置(顶部迹线）所观察的分辨率类似于使用未修改的DMS装置（下部迹线）所观察的分辨 率。图11展示针对借助于运两个装置的十四种化合物混合物的电离图的比较，其中已类似 地按比例调整y轴W证明使用射流注射器(顶部边框)对标准DMS(底部边框)所观察的信号 增益。图12呈现与图11中相同的信息，但如下情形除外:数据已经标准化W证明借助于两个 迁移单元观察到类似分辨率。
[0078] 本文中所描述的修改也可用于使用化学改性剂来增加分辨率的DMS系统。图13展 示使用根据本教示的射流注射器电极的含有氯米帕明及利血平的混合物的两个电离图标 绘图。上部电离图标绘图是在不使用化学改性剂的情况下所绘制，而下部电离图是使用 1.5%的异丙醇化学改性剂予W获得，从而证明射流注射器电极对用于DMS系统的化学改性 剂的有用性几乎不产生影响，其展示具有射流注射器的DMS与化学改性剂一起运行。
[0079] 进行一系列实验W验证具有从OV到4000V(~132Td)的各种SV设置的多化合物混 合物的传输特性。图14展示在各种分离电压下的长压定、小築碱、奋乃静、甲基组胺、下螺环 酬、脯氨酸、苯甲酯芽子碱、特非那定及利血平的传输强度。在每一分离电压处的第一条块 是针对常规DMS配置，而第二条块是针对借助于3.5mm孔隙射流注射器电极而修改的DMS。相 较于未修改的DMS，针对射流注射器所观察的增益的范围为从约1.38X到2. OOX。
[0080] 当在高流动速率条件下利用时，也观察到通过使用本文中的教示的性能改进。通 过借助于雾化器辅助电喷雾离子源的W流动速率为500uL/min的流动注射分析(FIA)来分 析各种化合物，其中针对化合物中的每一者将源加热器优化到75(TC。将热交换器并入到帘 板中W将帘气体/输送气体的溫度增加到~150°C。在表1中总结数据W计算具有每一配置 的五个注射的平均值。首先比较借助于标准未修改的DMS单元的传输与标准质谱仪仪器，取 决于化合物而存在4.5到9.7X的灵敏度缩减。当代替地使用射流注射器电极组时，运些损失 平均缩减约为2的因子。
[0083] 表1.针对不具有DMS的标准质谱仪、具有标准DMS的标准质谱仪及具有射流注射器 DMS的标准质谱仪的FIA结果。
[0084] 还已发现，本文中的教示在与展现戏剧性的a行为的化合物一起使用时具有显著 益处。具有极睹a曲线的化合物可需要极高补偿电压值W传输通过DMS。运些化合物将最易 于发生入口边缘场问题，尤其在其具有大的低场迁移率的情况下。当在存在异丙醇改性剂 的情况下利用时，运些类型的化合物的实例为脯氨酸及鄉氨酸离子。图15展示针对借助于 与射流注射器DMS-起利用的射流注射器电极及未利用具有相同设置（SV = 3500V，DMO = 60V，帘气体= 20psi)的射流电极的标准DMS单元的脯氨酸(顶部)及鄉氨酸(底部)所获取的 电离图的实例。在运些条件下，其中CoV值相当大，射流注射器电极的益处变得显著。
[0085] 虽然本文中所描述的教示提供对第8,084,736号美国专利(其W引用的方式并入 本文中）中所描述的增加分辨率的方法的替代，但两种方法并不相互排斥且可W协同的方 式一起使用W改进分辨率。
[0086] S挫为在常规DMS装置中具有不良传输特性的极低质量化合物，且据信此是部分 地归因于本文中所描述的DMS装置的入口边缘场效应的存在及由离子展现的相对高迁移特 性。W l(kiL/min注入S挫样本，且将源加热器优化到300°C。图16的顶部边框展示针对此化 合物借助于标准质谱仪系统所获取的注入数据，从而证明约1.SXlO6CPS的信号强度。图16 的中间边框展示借助于配备有在优化条件下操作的常规DMS单元的质谱仪系统所产生的电 离图，其证明相较于不具有DMS单元的标准仪器的几乎20X信号缩减。图16的底部边框展示 借助于配备有在各种条件下安装射流注射器电极的常规DMS单元的质谱仪系统所获得的电 离图。不具有额外气体流动的底部边框中的迹线证明优于标准常规DMS单元装置的约2.4倍 的改进，但在灵敏度方面仍比无DMS的仪器低约8倍。其它两个迹线展示使用借助于增加了 化/min及化/min的通过所述装置的气体流动所分析的射流注射器电极所获取的数据。借助 于射流注射器电极及增加了化/min的气体流动所实现的信号强度在标准仪器的约2倍内。 此表示优于使用未修改的DMS装置所获取的数据的几乎10倍的增益。
[0087] 图17展示使用S挫化合物在500uL/min下WFIA的所执行的类似实验。在使用标准 质谱仪装置的情况下，=挫化合物的峰值区域为166,927个计数(图17的顶部边框）。图17的 中间边框展示在安装常规DMS单元之后的结果，从而证明由于DMS单元所致的~21 X的灵敏 度缩减。底部边框展示借助于射流注射器及各种输送气体流动速率所实现的结果。针对标 准射流注射器的数据展示于(A)迹线中，其中相较于常规DMS单元，S挫化合物的信号改进 了~2X。（B)、（C)及(D)电离图证明借助于通过射流注射器的气体流动所获取的数据分别增 加了化/min、化/min及化/min。当使用高达化/min的气体流动增加时，相较于标准DMS单元 的总信号增益约为6 X。
[0088] 射流注射器DMS单元与增加的气体流动的组合在高流动的情形下对其它化合物也 有益。表2展示针对5种不同化合物在500uL/min下进行流动注射分析的所获取的数据。相较 于先前描述的=挫化合物，运些化合物在存在标准DMS单元时展现较小损失，从而证明相对 于标准5500下降4.5到9.7X的范围。射流注射器单元将传输改进约2倍，然而，增加通过射流 注射器单元的气体流动会进一步将性能改进了另外的约2倍。借助于射流注射器及化/min 所实现的信号相对于标准仪器下降从1.3到2.OX的范围，从而证明优于标准射流注射器单 元的显著改进。
[0089]
[0090] 表2.使用若干不同分析配置的5种不同化合物的相对峰值区域。
[0091] 应理解，已出于说明及描述的目的而呈现本文中对众多实施例的描述。其不为穷 尽性的且不希望将所主张的本发明限于所掲示的精确形式。依据上文描述而可能得到或可 根据实践本发明而获取修改及变化。举例来说，虽然已特定地掲示射流注射器电极为电极 的实施例，但应了解，当使用绝缘体材料W代替射流注射器电极时，也将存在射流注射器性 质及离子在边缘场内所耗费的时间的缩减，但其仍W其它方式含有孔隙且密封地接合到平 行板电极。权利要求书及其等效物界定本发明的范围。另外，也可针对不包含在DMS单元之 后的低压区的系统实现射流注射器的益处。在此情况下，在所述单元后面将不存在抽吸W 将输送气体拉过分析仪。相反地，可增加在射流注射器孔隙之前的区中的压力W致使输送 气体流动通过DMS单元。在此情况下，将从前部"推动"而非从后部"拉动"输送气体流动。
【主权项】
1. 一种差分迀移设备，其包括： 外壳，其具有入口及出口； 至少两个平行板电极，其安置于所述外壳内且彼此分离达固定距离，所述两个电极之 间的容积界定离子路径，离子从所述入口通过所述离子路径流动到所述出口，所述离子路 径具有垂直于离子流动方向的横截面区域； 电压源，其用于将RF及DC电压提供到所述平行板电极中的至少一者以产生电场，所述 电场用于基于迀移特性而传递通过选定离子物种； 漂移气体供应器，其用于供应通过所述入口流动到所述出口的气体;及 至少一个入口电极板，其密封地接合到所述入口，且与所述平行板电极电分离，所述至 少一个入口电极板具有用于允许离子及所述气体横越到所述外壳中的孔隙； 其中所述孔隙的横截面区域小于所述离子路径的横截面区域。2. 根据权利要求1所述的差分迀移设备，其中所述设备以透明模式操作。3. 根据权利要求1所述的差分迀移设备，其中所述至少一个入口电极板为可移除的。4. 根据权利要求1所述的差分迀移设备，其中所述孔隙包含于虹膜光圈内且为可调整 的以改变通过所述入口的气体流量。5. 根据权利要求1所述的差分迀移设备，其中所述至少一个入口电极板与所述平行板 电极电分离，且其中控制器及发电机连接到所述至少一个入口电极板以用于施加 RF聚焦电 势及/或DC电势。6. 根据权利要求1所述的差分迀移设备，其进一步包括真空源，所述真空源定位于所述 平行板电极下游。7. 根据权利要求1所述的差分迀移设备，其中所述外壳由界定帘室的帘板环绕，且所述 帘室与向所述帘室提供帘气体的帘气体供应器进行流体连通，其中所述帘室中的所述帘气 体变为所述漂移气体供应器，所述帘室具有至少一个孔隙，其允许离子流动通过所述至少 一个孔隙。8. 根据权利要求1所述的差分迀移设备，其中所述孔口为圆形或狭缝状。9. 根据权利要求1所述的差分迀移设备，其中两个电极板密封地接合到所述入口，且所 述两个电极板中的每一者与所述平行板电极电绝缘且所述两个电极板中的每一者彼此电 绝缘，所述两个电极板中的每一者连接到RF源及控制器以用于产生RF聚焦场。10. -种分析差分迀移装置中的离子的方法，所述装置具有产生电场的两个平行板电 极，所述方法包括： 将离子引入到漂移气体中且将所述漂移气体引导朝向所述差分迀移装置的入口； 随着所述漂移气体进入所述差分迀移装置而将所述漂移气体加速且一旦所述漂移气 体已进入所述差分迀移装置就将所述漂移气体减速； 使用所述差分迀移装置对所述离子执行差分迀移分离;及 检测所述离子。11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述漂移气体的所述加速包括将所述漂移气体 传递通过界定于密封地接合到所述平行板的面的一或多个电极板内的孔隙，且通过使所述 漂移气体在离开所述孔隙后就膨胀来执行所述漂移气体的所述减速，其中所述孔隙的横截 面小于所述差分迀移装置的所述入口的横截面。12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述漂移气体的所述加速还包括在所述两个平 行板电极下游应用抽吸，所述抽吸是由真空源提供。13. 根据权利要求10所述的方法，其中所述差分迀移装置仅使用DC电压而操作。14. 根据权利要求10所述的方法，其中所述差分迀移装置由界定帘室的帘板环绕，且所 述帘室与向所述帘室提供帘气体的帘气体供应器进行流体连通，其中所述帘气体变为流动 到所述差分迀移装置中的所述漂移气体，且所述帘板具有至少一个孔隙，其允许离子流动 通过所述至少一个孔隙。15. 根据权利要求11所述的方法，其中将RF聚焦电势施加到所述一或多个电极板以用 于所述离子的聚焦。16. -种差分迀移过滤器设备系统，其包括： 电离源，其用于产生离子； 帘室，其由至少一个帘板界定，所述帘板含有帘板孔隙，所述离子流动通过所述帘板孔 隙； 帘气体供应器，其与所述帘室进行流体连通； 外壳，其安置于所述帘室内，所述外壳具有开口及出口，所述开口与出口之间的容积界 定离子路径，所述离子路径大体上与所述帘板孔隙成一直线且所述开口与所述帘室进行流 体连通； 至少两个平行板电极，其安置于所述外壳内且在所述离子路径的任一侧上彼此相对地 定向且分离达固定距离； 电压源及控制器，其用于向所述平行板电极中的至少一者提供RF及DC电压以产生电 场，所述电场用于基于迀移特性而传递通过离子的选定部分； 至少一个入口电极板，其密封地接合到所述开口，且与所述平行板电极电分离，所述至 少一个入口电极板具有用于允许离子及所述气体横越到所述外壳中的孔隙； 其中所述孔隙的横截面区域小于所述离子路径的横截面区域。17. 根据权利要求16所述的差分迀移过滤器设备，其中所述入口电极位置包括虹膜光 圈，所述虹膜光圈界定所述孔隙且为可调整的以改变通过所述开口的气体流动。18. 根据权利要求16所述的设备，其中所述离子路径的横截面区域经界定为所述平行 板电极之间的距离乘所述平行板电极的宽度。19. 根据权利要求16所述的设备，其中所述设备仅使用DC电压而操作。20. 根据权利要求16所述的设备，其中RF控制器及发电机连接到所述入口电极板以用 于施加 RF聚焦电势。21. 根据权利要求16所述的设备，其进一步包括真空源，所述真空源连接于所述两个平 行板电极下游，所述真空源用于加速帘气体流动到所述外壳中且通过所述外壳。22. 根据权利要求1所述的设备，其进一步包括额外装置，所述额外装置可操作地耦合 到所述出口，其中所述额外装置是选自质谱仪、拉曼谱仪、差分迀移谱仪、高场不对称波形 离子迀移谱仪及离子迀移谱仪装置。23. 根据权利要求1所述的设备，其中两个入口电极板密封地接合到所述入口，所述两 个入口电极板彼此电绝缘，所述入口电极板中的第一者界定第一切口部分且所述入口电极 板中的第二者界定第二切口部分，所述第一切口部分及所述第二切口部分协作以形成所述 孔隙。24.根据权利要求23所述的设备，其中RF聚焦电势从所述第一入口电极板施加到所述 第二入口电极板。
【文档编号】B01D59/44GK105916571SQ201480071266
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年11月18日
【发明人】布拉德利·B·施耐德, 托马斯·R·柯维, 尔钦琼·那扎罗夫
【申请人】Dh科技发展私人贸易有限公司