专利名称：纵向场驱动场致非对称离子迁移过滤器和检测系统的制作方法
相关申请本申请是1999年7月21日提交的申请号为No.09/358,132申请的部分继续申请。
质谱仪非常灵敏并具有高选选择性，可以提供快速的反应时间。然而，质谱仪体积大并需要极大功率来操作。为了将离子从中性分子中分离来实现对选定离子的检测，它们还需要功率强大的真空泵来维持高真空度，所以它们还是非常昂贵的。
另一种简便的质谱仪技术是快速离子迁移质谱仪，它是一种目前使用在大多数便携化学武器和爆炸物检测器中的方法。检测不仅依赖于质谱，而且也依赖于分子电荷和截面。然而，由于这些不同的特性，对分子种类的识别不象质谱仪一样确定并精确。当试图减小快速离子迁移质谱仪的大小时，即漂移管长度小于2英寸，它们一般会有不可接受的分辨及灵敏性限制。在快速离子迁移中，分辨能力与漂移管长度成正比。漂移管长度越长，分辨能力越好，只要漂移管也足够宽以使所有离子不会由于渗滤而损失到侧壁。因此，一般地，最小化快速离子迁移系统会导致系统性能下降。虽然这些装置相对便宜并可靠，但它们还是有一些限制。首先，通过检测器的样品量少，所以要增加分光计的灵敏性，要么检测器电子元件必须具有非常高的灵敏性，需要昂贵的电子元件，要么需要浓缩器，增加系统的复杂性。此外，要控制将离子注射到漂移管中，通常还需要控制门和门控电子元件。
FAIM分光计是前苏联20世纪80年代发展出来的。FAIM分光计允许选取的离子通过过滤器，而阻断不需要离子的通过。传统的FAIM分光计体积大并且昂贵，如整个装置大小接近1立方英尺，造价超过25,000美元。这些系统不适于使用在需要小型检测器的应用中。这些系统也相对慢，产生完整的样品气体光谱需要一分钟，它们制备起来很复杂并且不能批量制备。
并且，需要将样品介质抽入到分光计并提供载体气体的泵相当大并消耗大量能量。载体气体必须与离子流动方向相同，这样需要一种将分析间隙与电离源隔开的结构。
本发明的简述本发明的目的是提供FAIM过滤器和检测系统，其能比传统FAIM装置更快更精确地控制选取离子的流动以制备样品光谱。
本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其能在不需要扫过偏压的情况下检测多种预选取的离子。
本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其甚至能在没有偏压的情况下检测选取的离子。
本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其能依据离子的轨迹空间检测离子。
本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其具有高分辨能力。
本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其能比传统的检测装置要快速地检测选取的离子。
本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其具有十亿分之几到万亿分之几的灵敏度。
本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其可包装在单一电路片中。
本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其具有实施及制备有效的成本。
本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其不需要通常与分光计相关的高流量，高功率消耗的泵。
本发明产生于这样的事实，用来将样品介质(如气体)抽入到FAIM分光计中并提供载体气体流动的泵可以制成较小的泵，或通过加入在所需离子运动通道的方向上产生纵向电场以驱动离子流向检测器并通过作为离子过滤器横向指向非对称电场的离子流动发生器来消除部分泵。
这样的结果是可以加入低成本，低流量以及体积小的泵，甚至是微型机械泵；降低功率消耗，能在离子运动方向的相反方向使用清洁过滤的气体(如，除湿空气)来消除离子束以及分光计对湿度作用的敏感性。这样就不再需要用于源气体和清洁过滤气体的隔开的流动通道，这样减少了先有技术所教授的保持隔开流动通道所需的结构。并且，如果使用电喷嘴作为电离源，用来产生微小溶剂滴的电极可以除去，因为产生纵向和横向电场的电极的作用是运输离子及产生微小溶剂喷滴。
如果需要，可将分光计制成非常小的，并可使用在化学和军事应用中，作为质谱仪的过滤器，作为气体套色复制的检测器，作为分辨率增加的飞行时间离子迁移分光计的前末端，或作为flexural plate wave device的过滤器。
本发明产生于这样的事实，即非常小，精确并快速的FAIM过滤器和检测系统可通过使用一对隔开的基片在样品入口和出口之间界定流动通道并在流动通道中安置离子过滤器来获得，过滤器包括一对隔开的电极(一个电极与一个基片相连)和控制器(控制器用来选择性地在电极间施加偏压和非对称周期电压以控制通过过滤器的离子通道)。
本发明产生于这样的事实，即通过提供一组过滤器，每个过滤器与不通的偏压相连，过滤器可用来在没有扫过偏压的情况下检测多种选取的离子。
本发明产生于这样的事实，即通过改变周期电压的负载循环，而不需要偏压。
本发明产生于这样的事实，即通过分段检测器，通过依据当离子离开过滤器时离子的轨迹空间检测离子，离子检测可高精确度和高分辨能力地实施。
本发明的特点是一种离子迁移分光计，包括用于离子化样品介质并产生离子电离源；分析间隙；用来产生非对称电场以过滤离子的位于电离源的下游分析间隙中的离子过滤器；用来产生横向于非对称电场方向的电场的离子流动发生器；其是纵向的用来驱动离子通过非对称电场；以及用来感应没有被离子过滤器过滤的离子的离子检测器离子检测器一般位于最接近离子流动发生器的位置。分光计可以是放射源，紫外线灯，电晕放电装置，或是电喷嘴。
离子过滤器优选地与电控制器连接，用来给离子过滤器施加偏压和非对称周期电压。离子过滤器一般包括一对隔开的电极，用来在它们之间产生非对称电场。离子流动发生器一般包括与这些电极相隔离的多个隔开的离散电极，用来产生横向电场，驱动离子通过非对称电场并到达检测器。
可替换地，离子流动发生器包括隔开的电阻层，在每层施加电压以产生纵向电场，驱动离子通过非对称电场并到达检测器。
在另一个实施方案中，离子过滤器包括与电控制器电连接的多个第一离散电极，电控制器对电极施加非对称周期电压。离子流动发生器包括分散在离子过滤器电极中的并与电源连接的多个第二离散电极，电源在多个第二离散电极上施加梯度电压。
分析间隙通常由壳体包着。离子过滤器包括在壳体内表面上的电极，离子流动发生器包括接近离子过滤器电极但又与其隔开的电极。离子检测器也包括最接近离子过滤器和离子流动发生器的壳体的内表面上的电极。
分析间隙通常由壳体包着，离子过滤器可以包括在壳体外表面上的电极，离子流动发生器包括在壳体内表面上的电阻层。在每个电阻层上施加电压以产生纵向电场。或者，离子过滤器和离子流动发生器结合在一起，并包括一系列离散传导元件，每个元件在不同相位受到电源的激发。
本发明的示图简述从下列对优选实施方案和所附示图的描述，此领域中的技术人员会想到其他目的，特点和优点。
图1是依据本发明的微型机过滤器和检测系统的示意方框图；图2示意表示当离子流过图1所示的过滤器电极流向检测器时的离子；图3A图示了检测丙酮所需的偏压和可获得的灵敏度；图3B，如同图3A，图示了检测二乙基甲基胺所需的偏压；图4是依据本发明的隔开的微型机过滤器的剖视图；图5是包装的微型机过滤器和检测系统的三维视图，包括流体流动泵，演示了可以实现的最小尺寸；
图6是依据本发明的一个实施方案的分解图，其中过滤器检测器组安置在单一流动通道中；图7如同图6，是分离图，其中过滤器组是重叠的，一个过滤器和检测器与单一流动通道相连。
图8是图7所示排列的过滤器和检测器系统的单一流动通道的剖视图。
图9演示了苯和丙酮的同时多检测。
图10如图1是示意方框图，其中过滤器没有偏压补偿，而周期电压的负载循环变化以控制通过过滤器的离子流动；图11图示了具有变化的负载循环的非对称周期电压，其在没有偏压的情况下施加在图9的过滤器上以过滤选取的离子；图12是过滤器和检测器系统的示意图，其中检测器是分段的，以在离子离开过滤器时空间检测离子。
图13是典型先有技术分光计的示意图。
图14是本发明的纵向场驱动离子迁移分光计的一个实施方案的示意图。
图15是本发明的纵向场驱动离子迁移分光计的另一个实施方案的示意图。
图16是本发明的纵向场驱动离子迁移分光计的另一个实施方案的示意图。
图17是本发明的分光计的离子过滤器，检测器和离子流动发生器部分的示意图。
图18是本发明的分光计的离子过滤器，检测器，和离子流动发生器部分的另一个实施方案的示意图。
图19是本发明的分光计的离子过滤器，检测器，和离子流动发生器部分的另一个实施方案的示意图。
图20是本发明的分光计的离子过滤器，检测器，和离子流动发生器部分的另一个实施方案的示意图。
图21是本发明的分光计的离子过滤器，检测器，和离子流动发生器部分的另一个实施方案的示意图。
本发明的优选实施方案在图1中，FAIM分光计10，通过泵14抽气(由箭头12表示)通过入口16进入电离区域18来操作。电离气体通过平行的电极板20和22之间，其包括离子过滤器24，之后的流动通道26。当气体离子通过板20和22之间时，气体离子暴露在由电压发生器28对电子控制器30反应而施加在板上的电压诱导的电极板20和22之间的电场中。电场优选地是非对称的并是随时间而振荡。
当离子通过过滤器24时，一些离子被板20和22中和，而其他离子通过并被检测器32感应到。检测器32包括在预定电压的顶部电极33和一般接地的底部电极35。顶部电极33使离子向下偏斜向电极35。然而，哪个电极能检测离子取决于离子和施加在电极上的电压。并且，通过使用顶部电极33作为一个检测器以及底部电极作为第二检测器可以检测多种离子。电子控制器30可以包括，如放大器34和微处理器36。放大器34放大检测器34的输出，其是检测器34收集的电荷的函数，并将输出提供给微处理器36进行分析。类似地，可以提供放大器34’(虚线中所示的)，其中电极33也用作为检测器。
在图2中，当离子38通过交变非对称电场40时，其相对气体流动12是横向的，电场40使离子沿着42a，42b，和42c通道“摆动”。电场40一般是±(1000-2000)伏范围的直流电，具有最大场强度为40,000伏/厘米。具体离子占据的通道是其质量，大小，截面和电荷的函数。一旦离子达到电极20或22，离子就被中和。通过施加在板20和22上的偏压，也通过电压发生器28(图1中)对微处理器36反应，在电极20和22之间同时诱导第二偏压或补偿场44，一般在±2000伏/厘米或±100伏范围的直流电，以使预先选取的离子种类通过过滤器24到检测器32。补偿场44是恒定偏压，其弥补交变非对称场40以允许预先选取的离子，如离子38通过检测器32。这样，使用适当的偏压，具体离子种类将会跟随通道42c，而不需要的离子将会跟随通道42a和42b(当它们遇到电极板20和22时就会中和)。
FAIM分光计10的输出是对于给定偏压44检测器32上电荷量的测量。在给定补偿偏压下设置的过滤器24越长，在检测器32上聚集的电荷越多。然而，用预先确定的电压范围扫过补偿电压44，样品气体12的完整光谱就可获得。对于给定的气体样品，依据本发明的FAIM分光计一般需要少于30秒及少到1秒就可制备完整的光谱。
通过改变补偿偏压44，可以改变要检测的种类以提供气体样品的完整光谱。例如，使用-3.5伏偏压，如图3A中浓度峰值46所示，检测丙酮浓度低到十亿分之八十三。相反，在-6.5伏偏压时，如图3B中峰值48所示，检测二乙基甲基胺浓度低到十亿分之二百八十。
在图4中，过滤器24大小约为1英寸。分光计10包括隔开的基片52和54(如玻璃，从Corning Glass，Corning N.Y获得的Pyrex)，以及分别安装在基片52和54上的电极20和22(其可以是如金，钛，或铂)。基片52和54被间隔物56a和56b隔开，间隔物可通过蚀刻或切割硅晶片制备。间隔物56a-b的厚度确定了电极20和22之间的距离。并且，在硅间隔物56a-b上施加相同的电压，一般为±(10-1000伏直流电)，将间隔物56a和56b转化为电极，电极产生吸持电场58，为了获得更好的样品光谱，吸持电场将离子通道导引或吸持到流动通道26的中心，如图1所示。为了吸持离子，间隔物电极56a-b必须施加相同的电压，以便将离子“推动”到流动通道26的中心。通过保留更多的离子以致更多的离子撞击检测器34，这样可以提高系统的灵敏度。但是，这不是本发明必需的限制。
为了保持精确并可靠地操作分光计10，聚集在电极板20和22上的中和离子必须清除掉。这可通过加热流动通道26来实施。例如，在图1中控制器30可以包括电源29(在虚线中所示)，其对微处理器36反应提供给电极板20和22电流I，以加热板除去聚集的分子。同样地，在图4中电流I可以替换地施加在间隔物电极56a和56b上，以加热流动通道26并清洁板20和22。
在图5中包装的FAIM分光计10可以一英寸地一英寸地减小到一英寸。泵14安装在基片52上，用来将气体样品12抽入到入口16中。在图1中，在电离气体样品前或后，可通过再循环泵14将清洁干燥的空气引入到流动通道26中。电子控制器30可以噬刻到硅控制层60中，硅控制层60与基片52和54结合形成分光计10的外壳。基片52和54和控制层60可以结合在一起，如使用阳极键合，以提供极其小的FAIM分光计。微型泵14和14a提供大体积吞吐量，其进一步加速了气体样品12的分析。泵14和14a可以是装配有小型离心空气压缩机转子的传统微型转盘驱动发动机或是微型机泵，其产生每分钟1到4升的流量。泵14的一个实例是从Florida，Clearwater，Sensidyne有限公司获得的泵。
虽然依据本发明的FAIM分光计能快速产生具体气体样品的光谱，但使用过滤器组32能进一步减少作这些所需的时间。在图6中，FAIM分光计10可以包括过滤器组62和单一流动通道26。样品气体28在通过电离源18后，通过吸持电极56a-h引导到过滤器组62中，电离源18可以包括紫外线光源，放射装置或电晕放电装置。过滤器组62包括如成对的过滤器电极20a-e和22a-e，可以通过在每对电极施加不同的补偿偏压44(如图2中)以及用不同电压范围扫过每对电极(大大降低扫过时间)同时检测多种离子种类。然而，根据分光计的大小，过滤器组62可以包括任何数量的过滤器。包括检测器32a-e的检测器组64同时检测多种选取的离子种类，从而降低了获得气体样品12的光谱所需的时间。电极对享用相同的非对称周期交流电电压40。
在图5中，通过再循环泵14a可将清洁干燥的空气经清洁干燥空气入口66引入到流动通道26中。抽进清洁干燥空气有助于降低FAIM分光计对湿度的灵敏度。并且，如果分光计在没有清洁干燥的空气下操作并将已知的气体样品引入到装置中，那么装置可能被用作为湿度感应器，由于产生的光谱会随着湿度浓度的变化而发生改变，与给定样品的标准光谱不同。
然而，在图7中，除了过滤器组62的每个过滤器32a-e享用相同的流动通道26，也可提供个体流动通道26a-e，这样每个流动通道与它相连，如入口16，电离源18a，吸持电极56a’，56b’，离子过滤器电极对20a，22a，检测器电极对33a，35a和出口68a。
在操作中，如图8所示，样品气体12进入入口16a，并由电晕放电装置18a电离。电离的样品通过吸持电极56a导引到过滤器24a中。当离子通过离子过滤器电极20a和22a时，不需要的离子被中和，而选取的离子经通过过滤器24a由检测器32a检测。
如在图9中所示，鉴别混合物的个体组成是通过不同的苯(峰值50)和丙酮(峰值51)来演示的。
已发现，补偿偏压不是检测选取的离子种类或多种离子种类所必需的。在图10中，通过改变施加在过滤器24的电极20和22上的非对称周期电压的负载循环，就不需要在板电极20和22上施加恒定偏压。对控制电子元件30反应，电压发生器28改变非对称交变电压40的负载循环。在图11中，通过改变周期电压40的负载循环，可以控制选取离子的通道32c。作为实例，而不是作为限制，电场40的负载循环可以是四分之一25％高，波峰70和25％低，波谷72，离子38c接近板20被中和。然而，通过将电压40a改变为40％，波峰70a，离子38c通过板20和22，没有被中和。通常负载循环在10％-50％高和90％-50％低范围变化。因此，通过改变电场40的负载循环，在没有偏压情况下可以控制离子通道。
为了更进一步改善FAIM分光计的分辨能力，在图12中，检测器32可以分段。这样，当离子通过过滤器电极20和22之间的过滤器24时，个体离子38c’-38c””可被空间地检测，离子具有根据离子的大小、电荷和截面确定的其轨迹42c’-42c””。检测器段32’将具有一种浓度的一种离子种类的离子，而检测器段32”会具有不同的离子种类浓度，由于每段可以检测特殊的离子种类，这样就增加了光谱的分辨能力。
图13中，一种先有技术离子迁移分光计200(参考美国专利No.5,420,424)包括由内纵向电极204和外纵向电极206之间的间隔界定的分析间隙202。样品介质或源气体通过泵212的作用抽吸通过入口210，并由电离源214离子化。载体气体通过泵216抽吸入分析间隙202中。由电离源214产生的离子在电极202的作用下运动通过孔218，进入到分析间隙202中，一直到达检测器224。
这样的结构需要两个泵212和216，用于源气体和载体气体的隔开的流动通道201和203。因此，先有技术迁移分光计200不能制成非常小的，并需要足够的功率以操作泵212和216。
在本发明中，对泵212和216的需求要么不存在，要么泵可以制成非常小的泵，例如甚至可以使用微型泵。并且，源气体和载体气体所需的隔开的流动通道也不需要，清洁的过滤气体如除湿空气可以以与离子运动的方向相反的方向引入，以消除离子簇，并改善(降低)分光计对湿度作用的敏感性。
图14中，根据本发明的场非对称离子迁移分光计230包括在结构234中的分析间隙232，其可以是园形管或小扁平壳，壁面界定了内腔。电离源236离子化通过泵238的作用抽吸入分析间隙232中的样品介质或气体，泵238可以是微型泵，流量比先有技术通常所需的1-4升每分钟要小的多，因此比先有技术功率节约了1-5瓦。
离子过滤器240位于电离源236下游的分析间隙232中，用来产生由向量242所表示的非对称电场，以过滤电离源236产生的离子，如上面所讨论的。
离子过滤器240通常包括一对隔开的电极248和246，电极248和246与对电极246和248施加偏压和非对称周期电压的电控制器相连，参看图1-2。
分光计230所特有的是离子流动发生器250，用来产生向量252所表示的纵向电场。纵向电场252的强度可以在时间和空间上是恒定的，或者也可以随时间和空间的变化而变化，纵向电场驱动离子通过非对称电场242。
在一个实施方案中，离子离开发生器250包括离散电极260，262，264和266，这些电极通过绝缘介质268与电极246和离散电极248隔开。在一个实施例中，电极260的电压为1000伏特，电极266的电压为10伏特，电极262和264的电压分别为500伏特和100伏特，这些电压值可以根据分光计230的具体实施来变化。施加在电极261，263，265和267上的电压通常与施加在电极260，262，264和266上的电压相匹配。可以有更多或更少的彼此相对的电极形成离子流动发生器250。电极对(260，261)，(262，263)，(264，265)，和(266，267)可以每个是环形电极，也可以是离散平面电极。
在任何情况中，纵向电场252的强度驱动由电离源236产生的离子通过非对称电场242并到达检测器270，因此消除或降低了图13的先有技术中泵212和216对流量和功率的需求。
通常，检测器270靠近离子流动发生器250放置，电极260，262，264，266，261，263，265，和267优选地占据大体上与离子过滤器240电极246和248相对于分析间隙232的相同的物理空间。
在另一个实施方案中，如图15中，分光计300包括界定流动通道302和分析间隙304并在两者之间带有开孔306的结构。源气体通过泵310抽吸入流动通道302并通过电离源208离子化。通过偏转电极312和313离子偏转通过开孔306并进入到分析间隙中，其中放置离子流动发生器250和离子过滤器240。离子流动发生器250驱动离子通过有过滤器240产生的非对称离子场，如上面所描述的。在这种方法中，泵312仅需要提供很低流量的除湿空气到分析间隙304中，不需要先有技术中所教授的载体气体。
在另一个实施方案中，如图16中所示，在壳体320中提供除湿剂，小泵324是仅需的将源气体通过小孔326抽吸入到壳体320中的泵。电离源328产生离子，离子借助位于接近检测器330处的离子流动发生器250产生的纵向电场运动通过过滤器240。
在一个实施方案中，如图14中所示，检测器270包括隔开的电极272，274，如图17，与图1中电极33和35的结构相似。图17的离子过滤器包括隔开的电极276和278，用来产生横向电场280。离子流动发生器包括隔开的离散电极，如所示的电极282和284，和电极286和288。电极282和284的电压可以为1000伏特，电极286和288的电压可以为0伏特。绝缘介质290和292将电极282，284，286和288与电极276和278隔绝。电极对(282，284)到(286，288)或更多个电极对可以是环形电极。
在另一个实施方案中，如图18，离子过滤器包括隔开的电阻层300和302，电阻层与Pyrex基片上的电极276和278通过绝缘介质290和292隔绝，如低温氧化物材料。
电阻层300和302可以是位于绝缘层290和292上的电阻陶瓷物料。末端电极312，314，316和318与每层电阻层接触，在每层电阻层间施加电压降，以产生纵向电场。因此，电极312和316的电压为1000伏特，而电极314和318的电压可以为0伏特。这个实施方案可以通过将电极312和316制成环形电极，电极314和318制成环形电极，电阻层300和302制成开放式圆柱形而扩大使用为圆柱形几何形状。
在另一个实施方案中，如图19，离子过滤器包括与电控制器(如图1所示)连接的多个高频高压电极330，332，334和336，电控制器施加非对称周期电压以产生离子过滤电场，离子流动发生器包括第二种多个离散电极338，340，342和344，这些离散电极位于所示离子过滤器的离散电极中但与离子过滤器的离散电极隔绝，离散电极338，340，342和344与电压源连接，电压源在这些离散电极中施加梯度电压施加，以产生离子驱动电场，其指向横向与离子过滤电场的方向。
在另一个实施方案中，如图20，提供非对称离子过滤电场的高频电极350，352位于壁面354和356的外侧，高频电极350和352由绝缘材料制成，如Pyrex，其界定了分析间隙358。电阻层360和362可以是分别位于绝缘壁面354和356的内壁面的电阻陶瓷材料。末端电极364和366，以及368和370与每层电阻层接触，在每层电阻层间施加电压降以产生离子驱动纵向电场。因此，电极364和368中每个的电压可以为1000伏特，而电极366和370的电压为0伏特。
在图21所示的设计中，离散电极380-386和387-394产生横向和纵向电场来过滤及驱动离子。表达式Vcos(wt-kz)的移动波形电压，其中k＝2π/λ是波数，其与横向电场和纵向电场有关。对于平面系统，每组连续的对立电极由电压源以不同于施加在相邻对立电极上的的电压源的固定相激活。
这样，电极380和387用vcos(wt)电压激活，而电极381和388用vcos(wt+120)电压激活，等等，如图21中所示。移动波形电压需要多相电压激活，最简单的是两相电压激活。因此，两个导体带也能围着界定分析间隙的管缠绕，一个导体在vcos(wt)激活，另一个在vsin(wt)激活。如果导体带有三个导体，那么可使用三相激活。
由于某些电极可同时用作为向检测器电极运送离子的纵向电场的源头，和产生微小溶剂喷滴来离子化源气体和样品介质的的电极，所以主体设计非常适用于电喷电离源喷嘴。
因此，依据本发明，如图13先有技术，泵216和212可以消除，或至少尺寸减小，流量和功率的需求降低。通过加入产生所需离子运动方向的纵向电场的离子流动发生器，离子被驱动到检测器并通过横向指向的用作为离子过滤器的非对称电场。在优选实施方案中，泵不需要抽吸离子化气体样品通过分光计移液管进行分析。相反，施加在移液管长度方向上的纵向电场可以用来驱动离子沿移液管向下通过离子过滤器到检测器。通过消除使用在先有技术分光计中的高流量(1-4升每分钟)泵，可以实现显著减少泵的功率消耗，尺寸和成本，使得分光计可以真正地小型化到芯片上。
这种设计的第二种好处在于清洁过滤空气流可以以离子运动的方向相反的方向使用。在这种方法中，任何在样品气体中没有离子化的中性物质都偏转离开，不会离子分析区域。这样消除离子簇的问题和感应器的湿度敏感性。因为流量低，加入集成微型泵成为可能。
由于仅需要离子进入到分析区域，在离子过滤器和检测器区域不需要气体流动。分子筛可以在靠近分析区域的入口的位置安放，以吸收分析区域中任何中心分子并预防离子簇。与先有技术不同，在离子过滤器(分析器)区域不需要泵送空气流的独立源头，先有技术加入高流量泵，其消耗大量功率(1-5瓦)，高流量泵增加了系统的尺寸，并/或可能失败。在本发明中，相同方向的中性气体流，如从要进行检测的样品气体产生的离子种类不再需要。相反可以加入与离子流动方向相反方向的气体流以保持离子过滤器区域不含不需要的中性物质和湿气。不需要通过离子过滤器(移液管)时的高流量气体。相反，通过有小的梯度电压产生的z方向的纵向电场离子向下沿着z轴通过离子过滤器(移液管)。在图17所示设计中，仅需要由向量252表示的纵向电场方向的低流量流动，以使离子最接近电极282和284。由于纵向电场252，在离子过滤器和检测器区域中不需要气体流动。同样，如果需要低流量的清洁过滤气体可以以与纵向电场相反的方向提供，以保持离子过滤器和检测器区域不含中性物质。分压电阻环路提供电极282，284间的梯度电压，这样，电极282和284的电压为1000伏特，而电极286和288的电压为0伏特。在图19中的设计中，所以高频电极330，332等都是电连接的，而产生纵向电场的电极338，340等都在它们间有梯度电压。在一个实施方案中，施加在电极上的电压可以是变化的，这样首先施加电压产生横向电场，然后施加电压产生纵向电场。
尽管本发明的具体特点在一些示图中显示，而没有在另一些示图中显示，这仅是为了方便，依据本发明每种特点都可以结合任何或所有其他特点。
此领域中的技术人员会想到其他实施方案，这些实施方案包括在下列权利要求书中。
权利要求
1.一种非对称场离子迁移分光计，包括电离源，用来离子化样品介质并产生离子；分析间隙；位于电离源下游的分析间隙中的离子过滤器，用来产生非对称对称以过滤离子；离子流动发生器，用来产生横向于非对称电场的电场，来驱动离子通过非对称电场；以及离子检测器，用来感应没有被离子过滤器过滤的离子。
2.根据权利要求1所述的分光计，其中离子检测器最接近离子流动发生器。
3.根据权利要求2所述的分光计，其中电离源是放射源。
4.根据权利要求1所述的分光计，其中电离源包括紫外线灯。
5.根据权利要求1所述的分光计，其中电离源包括电晕放电装置。
6.根据权利要求1所述的分光计，其中电离源包括电喷喷嘴。
7.根据权利要求1所述的分光计，其中离子过滤器与电控制器连接，用来给离子过滤器施加偏压和非对称周期电压。
8.根据权利要求1所述的分光计，其中离子过滤器包括一对隔开的电极，用来产生非对称电场，离子流动发生器包括与隔开的电极隔绝的多个隔开的离散电极，用来产生横向的强度变化的电场。
9.根据权利要求1所述的分光计，其中离子流动发生器包括隔开的电阻层，在每层电阻层施加电压以产生纵向电场。
10.根据权利要求1所述的分光计，其中离子过滤器包括与电控制器电连接的多个第一离散电极，电控制器对电极施加非对称周期电压，其中离子流动发生器包括分散在离子过滤器电极中的并与电源连接的多个第二离散电极，电源在多个第二离散电极上施加梯度电压。
11.根据权利要求1所述的分光计，其中分析间隙由壳体包着，离子过滤器包括在壳体内表面上的电极，离子流动发生器包括接近离子过滤器电极但又与其隔开的电极。
12.根据权利要求1所述的分光计，其中离子检测器包括最接近离子过滤器和离子流动发生器的壳体的内表面上的电极。
13.根据权利要求1所述的分光计，其中分析间隙由壳体包着，离子过滤器包括在壳体外表面上的电极，离子流动发生器包括在壳体内表面上的电阻层，在每个电阻层上施加电压以产生纵向电场。
14.根据权利要求1所述的分光计，其中离子过滤器和离子流动发生器结合在一起，并包括一系列离散传导元件，每个元件在不同相位受到电源的激发。
全文摘要
一种带有离子化样品介质并产生离子的电离源(18)的非对称场离子迁移分光计(10),一种离子过滤器(24)位于电离源下游的分析间隙中以产生非对称电场来过滤离子。一种产生横向于(26)方向的电场的离子流动发生器,其驱动离子通过非对称电场流向检测器(32)。
文档编号H01J49/10GK1390361SQ00815609
公开日2003年1月8日 申请日期2000年11月10日 优先权日1999年11月12日
发明者拉安安·A·米勒, 马克斯·泽赫恩 申请人:查尔斯斯塔克布料实验室公司