离子迁移率分析器和其组合设备以及离子迁移率分析方法
【专利摘要】本发明提出离子迁移率分析器和其组合设备以及离子迁移率分析方法。该离子迁移率分析器包含围绕分析空间的电极系统，以及对该电极系统附加延一空间轴方向运动的离子迁移电势场的电源装置。在待测离子迁移率分析过程中，通过将待测离子始终置于该运动迁移电场中，并保持该迁移场运动方向与待测离子在该迁移场所受的电场力方向始终相同，理论可以形成无限长的迁移路径，区分迁移率或粒径差异极小的离子。通过该迁移场的非线性化，可以实现对多种迁移率离子的同时空间束缚与分离效果。该分析装置可以与多种离子源，检测器，质量分析器，其他离子迁移率分析器及色谱光谱分析手段结合，并易于通过复用电源与电极形成大规模分析器阵列。
【专利说明】离子迁移率分析器和其组合设备以及离子迁移率分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种离子迁移率分析器，特别涉及一种在某一运动分析空间中的相对位置上选择富集特定迁移率的离子，使其与其他不同迁移率的离子相区分的储存型离子迁移率分析器。
【背景技术】
[0002]离子迁移谱是一种可以实现对物质进行快速筛选分离和检测的生化分析检测装置。近些年来，全世界各国不断加强对军械走私，贩毒买卖，公共安防，国土安全等领域的监查力度，人们迫切希望有一种仪器可以兼具快速检测，方便携带，易于操作，同时又可以实现高选择性和高灵敏度的检测。由于离子迁移谱在以上领域的出色表现，近些年来人们对离子迁移谱技术的研究兴趣越来越浓厚，其整体性能也得了到不断的提升，与此同时人们对其在各种应用场合下的要求也变得越来越高。此外，由于离子迁移谱的分离机制基于离子的在气相环境下迁移率的不同，其本质是离子大小和形状的差异，所以离子迁移谱提供了一种不同于色谱和质谱仪器的分离方法。在传统的应用领域里，离子迁移谱同色谱或者质谱的联用装置可以极大地提高原有装置对离子的鉴别能力，降低假阳性的发生概率。同时，离子迁移谱还可以测定离子的大小，所以其在大气气溶胶检测和生物大分子结构研究(如蛋白组学)等领域也发挥出了重要的作用，并展示出了巨大的潜能。
[0003]目前，主流的质谱厂商已经商业化的离子迁移谱仪器主要有两种:离子迁移谱(IMS)和差分迁移谱(DMS)。对前者而言，其最典型的装置是将很多环形电极堆叠并隔离开来组成所谓的迁移管结构，并在其内部充有一定气压的气体(通常气压在I~20Torr)，并在堆叠的环形电极上施加轴向电压分布，因此在迁移管内部存在沿轴向的迁移电场。离子在迁移电场和中性气体分子碰撞的双重作用下，除了各向都有的扩散运动，还会有沿轴向的定向迁移运动。根据离子迁移方程，
【权利要求】
1.一种离子迁移率分析器，其特征在于，具有: 围绕分析空间的电极系统； 第一电源装置，对所述电极系统附加电压，用以在所述分析空间的至少一部分形成一个延一空间轴方向运动的离子迁移电势场，在待测离子的离子迁移率分析过程中，所述待测离子始终位于该运动离子迁移电势场内，且所述离子迁移电势场的运动方向与待测离子在所述离子迁移电势场内所受的电场力方向始终相同。
2.一种根据权利要求1的离子迁移率分析器，其特征在于， 包含: 约束电极结构； 第二电源装置，对该约束电极结构附加电压，用以在至少一个基本垂直于所述空间轴方向的方向上，限制离子在所述离子迁移率分析器中的运动。
3.一种根据权利要求1的离子迁移率分析器，其特征在于， 所述空间轴为曲线轴。
4.一种根据权利要求3的离子迁移率分析器，其特征在于， 所述曲线轴至少包括一段封闭曲线轴。
5.一种根据权利要求3的离子迁移率分析器，其特征在于， 进一步包括第三电源装置，对所述电极系统附加不同组合的电压，使在不同时间段内，所述曲线轴发生分叉。`
6.一种根据权利要求1的离子迁移率分析器，其特征在于， 所述电源装置产生的运动离子迁移电势场的运动速度，始终与所述分析器中至少一种特定待测离子在所述离子迁移电势场内的平衡迁移速度相同。
7.一种根据权利要求1的离子迁移率分析器，其特征在于， 所述离子迁移率分析器是离子储存装置， 所述第一电源装置产生的运动的离子迁移电势场的运动速度，始终与所述分析器中待测离子中的至少一种特定迁移率的待测离子在所述离子迁移电势场内的平衡迁移速度相同，所述特定迁移率的待测离子在所述离子迁移率分析器中的运动轨线被约束在所述分析空间内。
8.一种根据权利要求1的离子迁移率分析器，其特征在于， 所述运动的离子迁移电势场的电场强度在沿所述空间轴的展开方向上存在梯度变化。
9.一种根据权利要求8的离子迁移率分析器，其特征在于， 至少两种以上不同离子迁移率的离子在沿所述空间轴的展开方向的不同位置上运动，其在所述离子迁移电势场内的平衡迁移速度与该离子迁移电势场的运动速度保持一致。
10.一种根据权利要求9的离子迁移率分析器，其特征在于， 所述运动的离子迁移电势场的强度梯度在正极性或者负极性待测离子的电场迁移力方向上逐渐降低。
11.一种根据权利要求2的离子迁移率分析器，其特征在于， 所述对该约束电极结构附加的电压使得在所述空间轴上产生周期性变化的电位梯度。
12.一种根据权利要求2的离子迁移率分析器，其特征在于， 所述第二电源装置包括一频率在IOHflOMHz的交流电压源。
13.一种根据权利要求1的离子迁移率分析器，其特征在于， 所述第一电源装置至少包括一输出电平在至少两个电平间切换的数字开关电压源，其开关频率从DC到IOMHz。
14.一种根据权利要求13的离子迁移率分析器，其特征在于， 所述运动的离子迁移电势场由所述电极系统的各电极附加至少两个不同幅度电平，且占空比可变的波形而形成。
15.一种根据权利要求1的离子质量分析装置，其特征在于，在该离子迁移率分析器的上游或下游的至少一侧串联一个离子质荷比分析装置，构成离子迁移谱串联质谱分析装置。
16.一种基于权利要求15的离子质量分析装置，其特征在于，在该离子迁移率分析器与串联离子质荷比分析装置之间增加离子导引装置，使得不同工作气压区间的隔断发生在远离所述离子迁移率分析器的位置。
17.一种基于权利要求1的使用该离子迁移率分析器的样品分析设备，其特征在于，进一步包括至少一个用于电离化所述样品的离子源，并采用以下方法的至少一种来稳定该离子迁移率分析器的性能， A)所述离子源工作在与所述离子迁移率分析器类似的工作背景气压； B)在所述离子源和所述离子迁移率分析器之间增加离子导引装置，使不同工作气压区间之间的隔断和气流扰动发生在远离所述离子迁移率分析器的位置。
18.一种基于权利要求1的离子迁移率分析器的离子迁移率分析方法，包括以下步骤，向该离子迁移率分析器中引入来自样品的离子，` 通过所述第一电源装置对所述围`绕分析空间的电极系统附加电压，在所述分析空间的至少一部分形成一个延一空间轴方向运动的离子迁移电势场，并保持所述离子迁移电势场的运动方向与所述待测离子在所述离子迁移电势场内所受的电场力方向始终相同， 其中，构建所述运动迁移电势场时，去除对应样品中基质化学噪音离子迁移率的电场强度部分， 之后，使用以下两种方法中的至少一种除去基质化学噪音离子， a)使其在随该运动的迁移电势场的运动中失去所述电势场的空间轴的方向的运动稳定性而去除； b)在剩下的多段运动迁移电势场间附加径向偏转或运动激发交变电场，使这些噪音离子通过径向出射而去除。
19.根据权利要求1的一种离子迁移率分析器，其特征在于，可以同时进行正负离子迁移率的分析， 在所述运动的离子迁移电势场中沿其运动方向施加极性方向交替变化的电势梯度分布， 使选定迁移率的正负离子可分别被运动约束于与迁移电势场运动方向同向和反向的电场梯度运动区间内，并根据其平衡电势梯度进行基于各自迁移率的分离。
20.一种根据权利要求2的离子迁移率分析器的引出分析离子的方法，包括以下步骤， 在所述离子迁移率分析器的一部分约束电极结构上附加高压径向偏转电场，当已迁移分离的离子运行到这些电极的对应位置时，使其沿径向高速引出。
21.一种基于权利要求1的离子迁移率分析器的离子迁移率分析方法，包括以下步骤， 将指定一个或多个迁移率的离子连续或间歇地注入该离子迁移率分析器， 通过所述第一电源装置对所述围绕分析空间的电极系统附加电压，在所述分析空间的至少一部分形成一个延一空间轴方向运动的离子迁移电势场，并保持所述离子迁移电势场的运动方向与所述待测离子在所述离子迁移电势场内所受的电场力方向始终相同， 使所述待测离子中至少一部分的指定离子富集在与其迁移率对应的运动区域内，并使其富集一定时间， 使富集的离子运动到所述离子迁移率分析器的一部分约束电极结构的位置，在该位置出射，且检测出射的离子。
22.一种根据权利要求2的离子迁移率分析器的引出分析离子的方法，包括以下步骤，将径向偏转或交流离子运动激发电场同时施加在所述约束电极结构的多个约束电极乃至全部的约束电极上， 使不同迁移率的离子在各自对应的运动平均位置从径向逐出， 使用对一个位置敏感的检测器获取分析样品离子的上的离子迁移率谱或其串级谱，所述检测器可为以下几类中的至少一种， A)对单个位置敏感的大面积检测器； B)检测器阵列； C)质量分析器阵列。
23.一种根据权利要求1装置的色谱分析方法，其特征在于，使用所述离子迁移率分析器作为色谱类分析装置的后级样品`测器。
24.一种根据权利要求1装置的分析方法，其特征在于使用所述离子迁移率分析器与至少一种质量分析器联用。
25.一种根据权利要求2的离子迁移率分析器，其特征在于，可在各局部约束电极或其之间附加射频电压，使原离子迁移率分析器各处形成多个局部的约束相互间离子扩散的离子阱。
26.一种根据权利要求2装置的光谱分析法，其特征在于，通过约束电极之间的空隙或在约束电极上开有的口将发射光源或激发光源光束注入该分析器，对得到的吸收光信号或荧光等信号在输入光源对侧或正交方向上进行光谱检测，获得指定波长范围的光吸收或发射信号，在开口处形成指定迁移率范围的离子的光谱。
27.一种根据权利要求1的离子迁移率分析器，其特征在于，采用了层叠电极结构形成该离子迁移率分析器的电极系统，该层叠电极结构是环绕同一运动的迁移电势场的空间轴，沿轴分布的多个环形组件，其中每个环形组件由N个分立的分段电极围成，每个环形组件中N的取值可相同或不同，其中N为大于等于2的自然数。
28.一种根据权利要求1的离子迁移率分析器，其特征在于，采用平行长条电极对形成该离子迁移率分析器的电极系统结构，运动迁移电势场的运动方向为正交于该电极长度方向的方向。
29.一种根据权利要求1的离子迁移率分析器阵列装置，其特征在于，具有多个具有相同或类似离子迁移率分析功能的平行结构单元，其中平行结构单元的至少一部分电极共用一部分或全部驱动电源。
30.一种根据权利要求29的离子迁移率分析器阵列装置，其特征在于，相邻平行结构单元间至少复用一部分约束电极结构。
31.一种根据权利要求1装置的可串联的离子分析方法，其特征在于， 在单个结构单元或多个平行结构单元构成的离子迁移率分析器中，对在某一结构单元中已空间分离的至少一种或多种迁移率的离子，对其所在空间附近的电极附加与运动迁移电势场运动方向基本正交的方向上施加逐出电压， 该电压为直流偏转电压或交流共振激发电压， 该电压使得离子离开该结构单元，转移到临近的平行结构单元，或直接逐出该离子迁移率分析器。
32.一种根据权利要求1装置的串联离子迁移率分析方法，其特征在于，在串联的至少两个离子迁移率分析过程中的至少一个过程，使用该离子迁移率分析器作为不同迁移率离子的分离装置。
33.一种根据权利要求2的串联离子迁移率分析方法，其特征在于，在所述约束电极结构的至少一部分结构单元内，基本正交于该运动迁移电势场运动的方向上施加具有至少一个正负非对称交流电压波形，从而在迁移电势场运动方向上发生迁移率分离的同时，在所述离子迁移率分析装置中选择保留具有特定差分离子迁移率的离子。
34.一种根据权利要求33的串联离子迁移率分析方法，其特征在于， 在所述离子迁移率分析装置的不同部分或多个所述离子迁移率分析装置间，施加不同的分析条件，这些不同的条件包括背景碰撞气体组分，背景气压，背景气体温度，背景气体湿度，迁移电势场速度，迁移电势场梯度变化，径向束缚电压电源波形及背景碰撞气体流速等条件的至少一种，形成至少两种基于不同迁移率分离条件的离子空间分布。
35.一种根据权利要求1的离子迁`移率分析装置，其特征在于，离子迁移率分析装置的工作气压为以下范围中的至少一个:I) IO7-1O6Pa ；2) IO6-L 5xl05Pa ;3) 3xl05~3xl04Pa ；4)9xl04~IxlO4Pa ；5) IxlO4~IxlO3Pa ；6) IxlO3~IxlO2Pa ；7) IxlO2~IOPa ；8) <10Pa。
【文档编号】G01N27/62GK103871820SQ201210530144
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月10日 优先权日:2012年12月10日
【发明者】蒋公羽, 程玉鹏, 张小强, 孙文剑 申请人:株式会社岛津制作所