高场不对称波形离子迁移谱中的气体流动控制的制作方法

高场不对称波形离子迁移谱中的气体流动控制的制作方法
【专利摘要】一种高场不对称波形离子迁移谱装置，该装置包括(a)一个膨胀室，该膨胀室接收来自一个离子源的离子和来自一个气体入口的一个气体流动；(b)一个外部电极，该外部电极具有一个总体上凹形的内表面并且包括(i)一个离子入口孔，该离子入口孔可操作以接收来自一个离子源的离子和来自该膨胀室的气体流动的一部分，和(ii)一个离子出口；以及(c)一个内部电极，该内部电极具有一个凸形的外表面，该凸形外表面以相对于该外部电极的内表面间隔开且面对的安排进行布置以在其间限定一个离子分离区域，其中该气体流动的部分和这些离子的一部分从该离子入口被接收到该离子分离区域中，该装置的特征在于该离子入口孔的壁是在一个入口端与一个出口端之间凸形弯曲的。
【专利说明】高场不对称波形离子迁移谱中的气体流动控制

【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及在一种气体的存在下引导离子，并且更具体地涉及控制在场不 对称离子迁移谱仪和质谱仪中的气体流动和离子流动。

【背景技术】
[0002] 在离子迁移谱装置中，气相离子的分离是通过利用在由离子迁移率中的差异产生 的在外加电场下离子漂移速度的变化来完成的。一种众所周知类型的离子迁移谱装置是高 场不对称波形离子迁移谱（FAIMS)单元，也被称为术语差分离子迁移谱（DMS)单元，该迁移 谱单元基于在高场强度下离子的迁移率（通常表示为K h)相对于在低场强度下该离子的迁 移率（通常表示为K)的差异来分离离子。简要地描述，一个FAIMS单元包括一对间隔开的 电极，这对电极在其间限定一个分离区域，一个离子流被引导通过该分离区域。施加包括具 有相反极性的一"高电压分量和一个较低电压分量的一个不对称波形，与一个DC电压（被 称为补偿电压、或CV) -起，到这些电极之一上。当离子流包含若干种类的离子时，对于一 个给定的不对称波形峰值电压（被称为分散电压、或DV)和CV的组合仅一种离子种类被选 择性传输通过该FAMS单元。剩余的离子种类朝向这些电极表面之一漂移并且被中和。该 FAMS单元可以在单离子检测模式下进行操作，其中DV和CV维持在恒定值下，或替代地所 施加的CV可以随时间进行扫描以顺序传输具有不同迁移率的离子种类。FAIMS单元可以用 于多种目的，包括提供一个离子流在进入质量分析器之前的分离和过滤。
[0003] 图1示意性地描绘了用于分析离子的一个第一已知系统100,该系统包括一个 FAIMS装置155。类似于图1中示出的FAIMS装置155的一个FAIMS装置的一般结构和操 作由Guevremont和Purves在美国专利号6, 806, 466中进行了描述。电极结构和功能上 的变化由Guevremont等人在美国专利号6, 713, 758、美国专利号7, 034, 289和美国专利号 7,223,967中并且由Belford等人在美国专利号7,468,511中进行了描述。为该FAIMS装 置155提供用于去溶剂化和载气的一个去溶剂化室和多个分开的气体入口由Belford和 Dunyach在美国专利号7, 638, 765中进行了描述。穿过该外部电极并且以各种角度和位置 布置的一个或多个入口孔的使用由Belford和Dunyach在美国专利号7, 638, 315中进行了 描述。参见图1，将有待分析的一个样品溶液作为液滴喷雾经由大气压离子源11〇引入一个 电离室105内。电离室105相对于在离子路径下游的区域维持在高压下，典型地在大气压下 或接近大气压。大气压离子源110可以配置成一个电喷雾电离（ESI)探针，其中施加一个 高DC电压（正的或负的）到该样品溶液流动通过的毛细管或"针"上。可以使用代替ESI 的其他合适的电离技术，包括但不限于此类众所周知的技术如大气压化学电离（APCI)、加 热电喷雾电离（HESI)、和热喷雾电离。
[0004] 由该离子源产生的离子通过在一个入口板120中的一个孔口 117进入FAMS单元 155并且然后在穿过一个膨胀室111之后穿过一个入口孔150。该膨胀室被提供有一种气 体，典型地氦气或其他惰性气体，该气体经由一个气体导管113被引入到膨胀室111内。该 气体的一部分以与这些离子和液滴的反向流动通过入口板孔口 117流回到电离室105内并 且用于使带电液滴去溶剂化。该气体的另一部分与室ln中的分析物离子组合并且充当一 种通过FAIMS单元155的载气。该组合的离子/载气流动然后通过入口孔150进入FAIMS 单元155。该载气流动可以仔细计量以维持流速在预定极限内，该预定极限将取决于FAIMS 单元尺寸、电极几何结构、和操作考虑。在入口板12〇与FAIMS单元155之间维持一个电势 差，并且因此，在这些部件之间维持物理分离。因此，一个非导电密封元件173 (如一个垫片 或〇形环）维持在该装置内的FAIMS气体并且防止这种气体被外界空气污染。因为绘图空 间限制，所以这个密封元件未在附图的一些中明确展示。
[0005] -般来说，FAIMS单元155包括具有径向上相对的表面的内部和外部电极165和 170,该内部和外部电极在其间限定了一个环形分离区域175 ( -个"分析间隙"），离子被传 输通过该环形分离区域。图1、以及在此其他图中描绘的FAIMS单元几何结构可以通常被 称为一种"横向（side-to-side)FAIMS单元，，，其中内部电极165和外部电极170的纵向轴 线（圆柱表面的轴线，被引导出该页面）相对于离子流动的总方向横向地定向。FAMS单元 的设计和操作原理已经由Guevremont等人在美国专利号6, 639, 212中并且由Guevremont 和Purves在美国专利号6, 504, 149中进行了广泛描述。简而言之，该载体和离子从入口孔 15〇流动通过分离区域175至出口孔185。离子分离在FAMS单元155的分离区域（分析间 隙）175内通过施加一个不对称波形进行，该不对称波形具有施加到内部或外部电极165、 175之一上的一个峰值电压（DV)和一个补偿电压（CV)。CV和DV的值设置为允许一种选定 的离子种类传输通过分离区域175。具有高场与低场迁移率的不同相对值的其他离子种类 将迁移至这些电极之一的表面并且被中和。
[0006] 仍参见图1，选定的离子通过出口孔185从FAIMS单元155出来并且穿过将FAMS 单元1δ5与一个质谱仪157分开的一个小间隙183。该载气的大部分通过在大气压下的间 隙183排出，而离子通过在质谱仪中的一个孔或通过一个离子传递管163被静电地引导到 质谱仪157的至少一个减压室188内。该至少一个减压室可以通过一个真空端口 191抽空。 离子传递管163的至少一部分可以被一个热源（如加热套167)包围并且与其良好热接触。 加热套167(可以采取常规电阻加热器的形式）可操作来升高离子传递管163的温度以促 进进入离子传递管163的液滴的进一步去溶剂化。
[0007] 从该至少一个减压室188,离子通过一个截取锥194的一个孔193被转移到相对于 减压室188维持在低压下的（典型地约1〇〇毫托）的一个髙真空室195内。高真空室1% 典型地通过涡轮泵或类似的高真空泵经由一个真空端口 197抽空。截取锥194可以从一种 导电材料来制造，并且可以施加一个偏移电压到截取锥194上以辅助离子传输通过界面区 域并且到截取锥孔193内。穿过穿过截取锥孔193的离子可以被聚焦或引导通过离子光学 组件198,该离子光学组件可以包括形成离子透镜、离子导向器、离子门、四极或八极杆组等 等的各种电极。离子光学组件198可以用于传输离子到一个用于质量分析的分析器199。 分析器199可以作为常规质量分析器中的任一种或组合来实施，这些常规质量分析器包括 (但不限于）四极质谱分析器、离子阱、或飞行时间分析器。
[0008] 计算和实验研究已经表明来自离子源的载有离子的气体流以高速度进入FAIMS 分离区域175。这种高速度气体流动导致该气体流（包括很大一部分的离子）在进入该分 析间隙之前撞击到内部电极165的直接面向入口孔150的部分上，因此在该内部电极上排 出相当大百分比的感兴趣的离子群体。流出该入口板并且进入该源区域的一个有角度的 气体流还可能使该离子束与faims入口偏斜且错位，从而使该离子束部分转向到该入口板 上，导致进一步的离子损失。
[0009] 计算和实验研究表明从离子源至FAIMS出口的较差的离子传输，例如对于溴氯乙 酸根阴离子[BCA，具有173的质荷比（m/z)]约10%的传输。例如，图2示出了在FAIMS 155 内的BCA阴离子的离子轨迹的计算模拟的结果，其中离子云区域127指示在其内大多数离 子流动的区域。图2中示出的模拟（包括在流动气体内的离子流动的模拟）表明显著的离 子损失发生在入口板120处以及内部电极165的暴露于FAMS入口 150的一部分上。图3 的曲线204展示了通过图2的已知FAMS装置的BCA阴离子的模拟CV扫描的结果。这可以 与曲线202进行对比，曲线202呈现了第二模拟的结果，其中离子被假设引入在这些FAMS 电极之间，而不遇到该入口板。离子从离子源到出口孔的总体传输是仅约1〇%。尽管离子 在FAMS入口附近损失，但很少离子在分析间隙175内部损失，因为，由于FAMS电极的圆 柱形状（图1)，在远离入口孔150的分析区域175内的离子经历一个非均匀电场，该非均匀 电场导致在该间隙中行进的离子的空间聚焦。作为扩散或该分离场的结果，这种离子聚焦 导致在传输过程中选定的离子种类的仅最小的离子损失。根据以上考虑，在离子传输和分 析的领域中对于用于控制气体流动对离子轨迹的影响的改进的装置存在需要。 发明的披露
[0010] 根据本传授内容的一个第一方面，提供了一种高场不对称波形离子迁移谱 (FAIMS)装置，其中该装置包括：(a) -个膨胀室，该膨胀室接收来自一个离子源的离子和 来自一个气体入口的一个气体流动；(b) -个外部电极，该外部电极具有一个总体上凹形 的内表面并且包括（i) 一个离子入口孔，该离子入口孔包括一个孔壁、一个孔入口端和一 个孔出口端，该离子入口孔可操作以接收来自一个离子源的离子和来自该膨胀室的气体流 动的一部分，和（ii) 一个离子出口；以及（c) 一个内部电极，该内部电极具有一个总体上 凸形的外表面，该凸形外表面以相对于该外部电极的内表面间隔开且面对的安排进行布置 以在其间限定一个离子分离区域，其中该气体流动的该部分和这些离子的一部分从该离子 入口被接收到该离子分离区域中并且从该离子入口行进穿过该离子分离区域至该离子出 口，并且其中该装置的特征在于，该离子入口孔壁是在该入口端与该出口端之间凸形地弯 曲的。
[0011] 该新颖的孔结构应用了柯安达（Coanda)效应的原理，柯安达效应是流体喷流总 体倾向于被引导朝向并且遵循一个弯曲固体表面的轮廓。当用作一个FMMS外部电极的 一个气体和离子入口时，该新颖的孔结构产一个载气流动的弯曲流线，这样使得该气流逐 渐远离该内部电极而进入一个FAMS间隙，以便总体上平行于该外部电极的内壁流动。该 孔构造为使得该外部电极孔的边缘是平滑弯曲的，使得该孔的内径朝向该孔的两个末端增 加。抵靠这个曲率流动的一个气体流将紧密附合该表面并且沿该曲率逐渐流动。当将这个 曲率结合到该电极几何结构中时，进入该 FAIMS的气流将缓慢流入该分析间隙内，而不是 撞击该内部电极。
[0012] 在不同的实施例中，该离子入口孔壁的曲率可以包括沿该离子入口孔的不同截面 的不同曲率半径。在不同的实施例中，该内部电极的一部分可以包括一个圆筒，使得该气体 流动和该离子的部分沿该圆筒的相对侧处的两个路径通过该离子分离区域从该离子入口 行进到该离子出口。在不同的实施例中，该孔壁的一部分可以凸出到该膨胀室内以便包括 一个围绕该孔的环。在此类情况下，该装置可以进一步包括一个入口板，该入口板具有一个 孔口，通过该孔口将这些离子提供到该离子入口孔，其中该气体流动穿过在该入口板的一 个平坦表面与该环之间的一个间隙。该间隙的宽度优选在0. 25mm至0. 75mm的范围内。
[0013] 根据本传授内容的另一个方面，提供了一种高场不对称波形离子迁移谱（FAMS) 装置，其中该装置包括：(a) -个离子源；(b) -个膨胀室；(c) 一个外部电极，该外部电极 具有一个总体上凹形的内表面并且包括（i) 一个离子入口，该离子入口可操作以接收来自 该离子源的离子并且接收来自该膨胀室的一个气体流动，和（ii) 一个离子出口；以及（d) -个内部电极，该内部电极具有一个总体上凸形的外表面，该凸形外表面以相对于该外部 电极的内表面间隔开且面对的安排进行布置以在其间限定一个离子分离区域，其中该气体 流动和这些离子的一部分从该离子入口被接收到该离子分离区域中并且从该离子入口行 进穿过该离子分离区域至该离子出口，并且其中该装置的特征在于，（e) -个第一和一个第 二气体入口，该第一和第二气体入口分别提供一个第一和一个第二气体流动到该膨胀室， 其中由该离子入口从该膨胀室接收的气体流动包括该第一和第二气体流动的组合部分。
[0014] 提供上述的双气体入口以维持在FAIMS装置内的压力平衡。此种双气体入口产生 在该FAIMS间隙内以及在一个相关联的离子源区域中的对称流动。在一个相关方面中，提 出一种电极组件的新设计以有助于该FAIMS入口周围的轻缓的气体流动。在不同的实施例 中，该第一和第二气体入口可以布置在该离子入口的相对侧处并且在该膨胀室内被引导朝 向彼此。在具有第一和第二气体入口的不同实施例中，该装置可以包括一个通过该外部电 极的孔，该孔具有一个孔壁、一个孔入口端和一个孔出口端，其中该孔壁是在该入口端与该 出口端之间凸形地弯曲的。该孔壁的一部分可以凸出到该膨胀室内以便包括一个围绕该孔 的环。该装置可以进一步包括一个入口板，该入口板具有一个孔口，通过该孔口这将些离子 提供到此种离子入口孔，其中该气体流动穿过在该入口板的一个平坦表面与该环之间的一 个间隙。该间隙的宽度优选在0. 25mm至0· 75mm的范围内。
[0015] 在不同的其他实施例中，提供一种高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS)装置，该 装置包括：(a) -个离子源；(b)至少一个气体入口； (c) 一个膨胀室，该膨胀室接收来自 该离子源的离子和来自该至少一个气体入口的一个气体流动；(d) -个第一电极，该第一 电极具有一个凸形弯曲的表面；(e) -个第二电极，该第二电极具有一个凹形弯曲的表面， 该凹形弯曲的表面以相对于该第一电极的凸形弯曲的表面间隔开且面对的安排进行布置 以在其间限定一个离子分离区域，该离子分离区域接收这些离子和来自该膨胀室的气体流 动的一部分，其中在进入该离子分离区域时的平均离子轨迹的偏转大于零度但实质上小于 九十度。 附图简要说明
[0016] 从下面仅通过非限制性实例的方式并且参照未按比例绘制的附图所给出的说明 中，本发明的以上指出的和各种其他的方面将变得清楚，在附图中：
[0017] 图1是描绘用于分析离子的一个第一已知系统的示意图，该系统包括一个离子迁 移装置；
[0018] 图2示出了从离子源区域进入并且通过类似于图1中描绘的那个的一个标准配置 横向FAIMS装置的离子流动区域的模拟；
[0019] 图3展示了穿过图2的FAMS装置的溴氯乙酸根（BCA)阴离子的模拟CV扫描，与 其中离子被假设引入这些FAIMS电极之间的一个第二模拟相比较；
[0020]图4示出了从离子源区域进入并且通过根据本传授内容的具有新颖的双气体入 口的一个横向FAIMS装置的离子流动区域的模拟；
[0021]图5示出了从离子源区域进入并且通过根据本传授内容的具有一个新颖的FAIMS 电极组件的一个横向FAIMS装置的离子流动区域的模拟；
[0022]图6展示了通过根据本传授内容的一个FAIMS装置的流动通道的气体流动流线， 如通过计算流体动力学进行建模；
[0023] 一图7展示了通过一个FAMS装置的流动通道的气体流动流线，如通过计算流体动 力学进行建模，该FAIMS装置具有一个入口电极，该入口电极被修改以便利用柯安达效应； [0024]图8展示了从离子源区域进入并且通过一个横向 FAIMS装置的离子流动区域的模 拟，该横向FAIMS装置被修改以便利用柯安达效应；
[0025]图9展示了对应于图2和图8的FAMS装置的模拟CV扫描之间的比较；
[0026]图10A展示了根据本传授内容的另一个FAMS装置的双剖开透视图；
[0027]图10B展示了图10A的FAMS装置的入口板和外部电极的一部分的截面图（上图 和下图）并且示意性地展示了在该装置的气体膨胀室内的流动矢量（下图）；
[0028]图11展示了在图1〇的FAIMS装置内计算的气体流动速度的等值线图；并且 [0029]图12展示了在图10的FAIMS装置内的内部气体体积的视图，该视图展示了在用 于产生图11中示出的数据的流体动力学计算中使用的有限元网格。 实施本发明的方式
[0030]以下说明的提出是为了使本领域的任何技术人员能够制造和使用本发明，并且是 在特定的应用及其要求的背景下提供的。对于本领域技术人员来说，对所描述的实施例的 各种修改将是显而易见的，并且在此的一般原则可以应用到其他实施例。因此，本发明并非 旨在局限于所示出的实施例和实例，而是要根据所示出和所描述的特征和原则而给予可能 的最宽范围。结合以下说明，参照附图1_ 9,本发明的具体特征和优点将变得更加清楚。
[0031]图4示意性地展示了代表图1_2中示出的装置的一个第一修改的FAIMS装置的一 个实施例。与FAIMS装置I55中使用的单一气体导管113(图1)相比，FAIMS装置101 (图 4)使用两个气体导管ll：3a、113b，这两个气体导管同时递送气体流动到膨胀室ill并且对 称地围绕入口孔150被布置。装置101内的这种对称气体引入消除了在常规装置内离子 的一部分被来自单一导管113的气体流动推动朝向该装置中线的一侧的趋势。该组合的 静电和流体动态建模的结果（表示为离子云U3)显示了从源至FAMS入口的离子对称 流动，而很少有或没有在入口板120上的损失。在此应当指出在本文件中参考的所有流 体动态计算使用从C0MS0L公司（美国加州，洛杉矶Suite 800,威尔夏大道10850号，邮 编 90024(10850Wilshire Boulevard，Suite 800Los Angeles，CA 90024USA))可商购的 C0MS0L MultiphysiCS?工程模拟软件来进行。电场和带电颗粒轨迹使用从美国新泽西州灵 哥期1老约克路1〇27号，〇8551_1〇54的科学仪器服务公司（Scientific Instrument Services of 102701d York Rd.Ringoes NJ 0855l_l〇54USA))可商购的SIMIQN?带电颗粒光学模 拟软件进行计算。组合的流体动力学和离子轨迹计算通过使用COMSOL 软件 首先计算本体气体流动并且然后输入结果到该SIMTQN?包内的一个碰撞模型中来进行。
[0032] 尽管至该入口板的离子损失在装置101 (图4)内被最小化,但一个不可忽略部分 的离子仍通过在外部电极170的离子入口孔处并且在内部电极1阳的面向该离子入口孔的 一部分处中和而损失。计算流体动力学计算表明在图4中示出的配置中使用两个气体入口 导管增加了进入分析间隙的气流的速度并且因此使离子加速。过度的离子速度导致与该内 部电极的碰撞，产生通过装置101的低离子传输。
[0033] 进一步的设计修改在图5中展示以便进一步减少在FAIMS入口附近的离子损失。 因此，图5中示出的FAIMS装置103代表相对于图4的FAIMS装置101的进一步改进。在 常规的横向FAIMS装置155(图1-2)以及装置101 (图4)两者中，通过使用包括一个具有 圆形截面的圆筒的内部电极165指定的圆柱对称性导致载气和感兴趣的离子在穿过离子 入口孔150之后发散至两个不同的路径。该几何结构这样使得一个不可忽略部分的离子针 对内部电极165被中和。图5中示出的FAIMS装置103通过分别用一个第一电极166和一 个第二电极171替换内部电极165和外部电极170部分地克服了这个问题，其中该第一电 极166具有一个凸形弯曲的表面11并且该第二电极171具有一个凹形弯曲的表面13。该 第一和第二电极这样布置使得表面11、13以间隔开的相面对的布置进行安排以便在这些 表面之间限定一个环形通道186。FAMS装置103保留了如之前描述的两个气体导管113a、 113b。然而，诸位发明人已经确定如果这些气体导管将气体流动用在与离子流动相同方向 上的一个流动分量递送到膨胀室111内，或换句话说，这些气体管道递送来自如图5中示出 的膨胀室的离子源侧的气体，则性能得以改进。
[0034] 当施加分散电压（DV)和补偿电压（CV)到FAMS装置103的第一和第二电极166、 171之一上时，那么环形通道186充当一个分析间隙，如关于图1中示出的常规横向FAIMS 155以及关于其他已知FA頂S装置设计众所周知的。然而，因为FAIMS 103不包括圆柱形内 部电极并且仅包括一个单一分析间隙186,如由离子云125指示的气体和离子流动不分开 到发散路径中，如对于常规横向FAIMS装置发生的。
[0035] FAIMS装置103的电极表面11、13的几何结构是这样，使得在进入分析间隙186 时，离子的平均流动在不直接朝向且不垂直于限定通道186的表面11、13中任一个的方向 上。相反，该几何结构是这样，使得到通道186内的入口孔150与膨胀室111相交成一个这 样的角度，使得离子的平均流动方向在它们进入该通道时改变实质上小于九十度。这展示 在图5的插图83中，该插图示出了 FAIMS装置103的一个放大部分。在该插图中，进入膨 胀室111朝向这两个电极的离子的平均或总体轨迹示出为轨迹85,而在进入通道（分析间 隙）185时的平均离子轨迹示出为轨迹87。因此平均离子轨迹的偏转角大于零度但实质上 小于九十度。其结果是，该组合的静电和流体动态模拟显示了至任一电极的非常少的离子 损失，因此表明图5中示出的新颖的FAMS设计以高效率将离子递送到FAIMS间隙186中。
[0036] 图6提供了一种双气体入口 FAIMS装置107的另一个示意性截面图，在某种程度 上类似于先前图4中示出的装置。在图6中示出的装置107与图4中示出的装置101之间 的一个差异是，在FAniS装置107中，从这些气体导管113a、113b到膨胀室111内的气体进 入是从该膨胀室的入口板侧（或，等价地，从该离子源侧）而不是从与该入口板相对一侧被 引导。按图6中示出的方式引入气体减少了到离子源区域内的气体反向流动的程度，因此 产生到分析间隙175内的更大的载气流动。在图6中，提供四个流动矢量以便指示在离子 膨胀室111和分析间隙175内的计算的气体流动。这些矢量仅指示气体流动（如从流体动 力学原理计算的），并且不结合离子运动。离子入口孔150在图6中指示为穿过外部电极 170的一个简单的圆柱形钻孔。图6中示出的离子入口孔的这种形状类似于其在常规横向 FAIMS装置155中的形状（图1)。所得到的流动特征是高速度并且直接对准在内部电极 165上，在此处这个电极面向离子入口孔150。实验数据还显示这种现象处于化学物质在该 内部电极上积累的形式。图6中图解地示出的流体动力学计算还表明在离子入口孔150的 任一侧的分析间隙内存在某一程度的回流流动。此类回流可能导致在内部和外部电极两者 上的不想要的离子中和。
[0037] 图7示出了到一个电极组内的FAMS气体流动，将该电极组进行修改以便减少直 接到内部电极上的气体流动的体积和速率。图7中示意性示出的FAIMS装置109与图6中 示出的FAIMS装置107相同，除了关于离子入口孔的形状。图7的插图300展示了 FAIMS 109的离子入口孔151的附近区域的放大视图。注意如图7中示出的外部电极的离子入口 孔151的壁如与常规电极组中的成方形的孔150 (例如，图6)相比轻微扩大并且被修圆。 FAIMS装置109的离子入口孔151的壁301是在孔入口端302与孔出口端303之间凸形弯 曲的。因此，该离子入口孔的内径在该孔内处于一个最小值。因为曲率，该内径在远离最小 直径区域的两个方向上（即，朝向该孔的两端）向外平滑增加或张开。离子入口孔151的 修圆壁的附近区域的气体流动展示了所谓的柯安达效应，柯安达效应是流体喷流总体倾向 于被引导朝向并且遵循一个弯曲固体表面的轮廓。通过柯安达效应，进入FAMS装置109 的分析间隙175的载体流动（图7)保持得比其他情况下更接近入口孔的曲率。这种行为 允许通过气体流动矢量平滑发散远离中心电极165并且到分析间隙175内而将气流结合到 该间隙内并且远离如图7中所指示的内部电极。载气平滑发散远离中心电极并且到分析间 隙175内预期沿着类似路径驱动离子，从而减少由于与该中心电极碰撞而损失的离子的比 例。如由流体动力学计算表明的,该平滑发散还导致在该分析间隙内的一个更大的层流区 域，具有在该入口孔附近的减少的回流。
[0038] 图8示出了通过FAIMS装置109的组合的流体动力学和离子轨迹建模的结果。图 9示出了在具有弯曲入口孔151的且在图8中示出的装置的传输效率（曲线212)与图1和 2中示出的现有FAIMS装置的传输效率（曲线214)之间的比较。从图8中的离子云129的 形状中可以看出，该弯曲的孔设计促进了比对于非弯曲孔设计所表明的围绕该中心电极并 且到该分析间隙内的更平滑的离子流动分岔。该更平滑的流动分岔看起来具有减少刚在穿 过入口孔之后与该分析间隙相关的气体回流流动的作用，从而显著减少在内部和外部电极 两者处的离子中和（例如，将图8与图1进行比较）。
[0039] 应该指出的是，除了提供一个弯曲入口孔之外，图8中示出的FAMS装置109的设 计通过提供在入口板1 2〇中的一个更宽的孔口 117以及通过入口离子孔151的轻微变宽 (在其最小宽度的点处测量的）进一步不同于已知FAIMS装置（图1)的设计。具体地，入 口板孔口 117的宽度在FAIMS 109中大了约60%并且该离子入口孔的宽度（在其最小直径 处测量的）比已知FAIMS装置155(图1和2)中对应的孔口宽度大了约26%。这些更宽的 孔口例如维持离子云I 29在其穿过新颖的FAIMS 109 (图8)的离子入口孔的区域处的宽度 与其在其穿过已知FAMS(图2)(其中它几乎完全填充该孔）的离子入口孔的区域处的宽 度相同。
[0040] 该离子入口孔的截面形状的简单重新设计-如由图7与图6的比较表明的-改进 了通过该FAIMS装置的载气流动的均匀性。这种更平滑的流动这样使得相对于常规FAIMS 装置155 (图2)，存在直接到这些电极上的载气（以及夹带的离子）的大幅度减少的流速。 这种更平滑的流动据信在产生图9的结果中具有主要作用，其中通过FAMS 109和通过 FAIMS 155的模拟的CV扫描分别示出为曲线212和214。相对于常规的横向FAIMS，计算的 约10倍的传输上的改进是通过总体装置尺寸或形状的最小重新设计实现的。在一些实现 方式中，这种现有FAMS设计的简单修改可能比使用不同形式的FAIMS装置（如图5的装 置103)是更令人希望的。
[0041] 图10A展示了根据本传授内容的另一个FAIMS装置201的透视截面图（一个四分 之一截面图）。这个图中的图解是双剖开视图，该双剖开视图是在包括FAIMS内部电极165 的圆柱轴线177的一个平面（x- z平面）中剖开的并且还是在垂直于圆柱轴线177的一个 平面（y-z平面）中剖开的。每个此类截面将整个FAIMS装置201平分，并且因此图10A中 示出的视图是一个四分之一截面图。图10B展示了图10A的FAMS装置的入口板和外部电 极的一部分的截面图（图10B的上图和下图两者）。图10B还示意性地展示了（仅下图） 在装置201的气体膨胀室111内的流动矢量。
[0042] FAIMS装置201的许多元件类似于在此先前所述的其他FAIMS装置中的对应元件。 然而，FAIMS装置201关于离子入口孔152、气体膨胀室111以及在入口孔152与气体膨胀 室111之间的关系的配置不同于先前所述的装置。如所示出的，装置201还包括凹陷到入 口板120内并且围绕入口板孔口 117的一个去溶剂化室115。
[0043] 与在此先前所述的装置相比，装置201的膨胀室111按一种方式形成在入口板120 内的一个凹部以便圆周地围绕离子入口孔152。进一步地，这样提供该膨胀室凹部使得离子 入口孔152的壁的一部分突出到膨胀室111内以便形成圆周地围绕离子入口孔152的一部 分的一个环119。在入口板120与该离子入口孔的入口端302之间的空间包括在该入口板 与该离子入口孔的入口端之间的一个窄间隙I 26。入口板120这样配置使得入口板的界定 膨胀室111的一个面的一个重叠部分128延伸超过该膨胀室以便也面向离子入口孔I 52的 壁的环部分119。
[0044] 作为图10A-10B中示出的配置的结果，致使通过气体导管113进入膨胀室111的 气体围绕环119的圆周流动并且然后流入并且通过间隙 126。装置201这样配置使得间隙 126的宽度显著小于膨胀室111的宽度，其中该间隙的宽度在入口板12〇与离子入口孔152 的入口端302之间进行测量，并且室1丨1的宽度在入口板 120与界定该室的外部电极170 的相面对的表面之间进行测量。因为这些不同的宽度，致使当气体流入该间隙内时气体压 力和流动速度两者增加。然后该速度增加的气体流动通过圆周地围绕离子入口孔 152的入 口端的间隙126的全部进入离子入口孔152的入口端302。离子穿过在该入口板中的孔口 117并然后跨过间隙126并且进入离子入口孔 152中，在该离子入口孔处它们被夹带在气体 流动中。该入口板的重叠部分128将气体限制在间隙126内并且使得实现流动速度上的增 加。
[0045] 如图湖中的下图中示出的，由挤压气体流动到间隙126内产生的增加的气体流 动速度导致针对离子入口孔I52的凸形弯曲内壁形成一个高速度边界层，从而导致该尚速 度气体根据柯安达效应遵循这些壁的弯曲表面。因此，如先前关于图 7-8中示出的装置109 讨论的，该高速度气体流动（以及，结果，该气体本身的大部分）转向进入分析间隙175内 以便避免撞击内部电极165。这些夹带的离子的大多数与该气体一起被运载，从而改进通过 该FAIMS装置的离子通过量。
[0046] FAIMS装置201的离子入口孔152的内壁的曲率（图10A)与FAIMS装置109的入 口孔151的壁的曲率（图7_8)的不同之处在于入口孔152的壁包括在不同截面中的不同 曲率半径。在取为平行于内部电极的圆柱轴线177的1 2截面中，该壁的曲率半径是ri，而 在取向为垂直于轴线177的y-z截面中，该曲率半径是1" 2，其中r2>ri。在不同方向上的壁 曲率中的这种差异的原因是，在y-z平面中，在y方向上要求的气体喷流的偏转大于在 x-z 平面中的X方向上必须的或希望的偏转量。y-ζ平面中要求的更大的偏转程度是环形分析 间隙175的几何结构的简单结果。例如，考虑在膨胀室111中沿负y方向接近离子入口孔 152的气体。为了完全转向进入分析间隙175内，流动方向必须转向以便具有在正y方向 上的一个分矢量。对于在膨胀室111中沿例如正X方向接近离子入口孔152的气体不存在 此类要求。在这后一种情况下，最重要的要求是维持大部分气体流动在靠近从离子入口孔 152到离子出口孔185的一条轴线（未示出）的分析间隙内。在y-z截面上的更大半径r2 允许充分逐渐地完成所要求的气体喷流的更大角偏转量，这样使得该边界层不与该弯曲壁 分离。
[0047] 图11展示了在图10的FAMS装置201的环形分析间隙175内的计算的气体流动 速度的等值线图，沿y-z平面示出的。具有逐渐更大的流动速度的区域用逐渐更暗的阴影 示出。这些计算使用一种利用图12中示出的有限元网格图案的计算流体动力学路线来进 行。图12中的网格图案叠加在图10的FAMS装置内的内部气体体积上。注意未在图12 中示出装置元件。该网格或格网间距不是均匀的。更紧密间隔的格网用于在这些弯曲孔壁 周围以及在从该离子入口孔至该离子出口孔的轴线的附近区域内的区域中，以便准确地建 模在这些区域中的气体流动，其中速度和流动流线快速改变。在该弯曲壁表面周围的这些 格网单元的平均品质是0. 85。
[0048] 如图1中所示出的，FAIMS装置常常与质谱仪结合使用，以便消除在质谱分析之前 来自离子流的千扰性背景离子。出于实际原因，存在对于以此种方式接合至质谱仪的FAIMS 装置的尺寸限制。从一个实际角度来看，该FAIMS装置的尺寸这样受限使得内部电极的直 径受限于约20mra或更小，并且分析间隙的宽度受限于约20圓或更小。因此，进行附图中示 出的流体动力学计算以便建模在这个尺寸范围内的FAIMS装置。这些流体动力学计算表明 减少间隙126(图10B)的宽度产生对应于在这些弯曲入口孔壁周围的更好偏转以及更好的 总通过量的更大的气体射流速度。如果该间隙宽度大于0. 75mm，那么这些流线发散并且与 该弯曲壁表面分离。然而，出于实际原因，该间隙的宽度优选大于约0.25mm。而且，增加气 体流动速率给出了更高的通过量，其条件是该气体流动不变成湍流的。在该建模的装置中 的流动的雷诺数对于0. 5m/s的内部流动速率是约70并且对于5. Om/s的内部流动速率是 约2〇9,因此该流动保持为层状的。然而，通过量需要与随着流动速率增加而减少的FAMS 分析分辨率相平衡。
[0049] 本申请中所包括的论述是旨在用作基本的说明。尽管已经根据所显示和描述的不 同实施例对本发明进行了说明，但本领域的普通技术人员将容易认识到，可以存在对这些 实施例的变更，这些变更在权利要求的范围之内。作为一个实例，图10展示了一个FAIMS装 置，该FAIMS装置包括一个离子入口孔152并且还包括多个气体入口导管113,该离子入口 孔具有弯曲的壁且突出到一个气体膨胀室内，该多个气体入口导管从相对的侧提供至该膨 胀室的FAMS浴气体。尽管这两个特征是有益的，但该新颖的离子入口孔配置的益处还可 以使用一个常规的单一气体入口导管来实现。作为另-个实例，尽管该 FAIMS浴气体示出 为通过"导管"来提供，但任何形式的气体入口可以是足够的，如例如，气体导管"孔口，，。类 似地，尽管该离子入口在此被描述为一个"孔"，它可以同等地采取或被描述为一个"孔口"、 或（在一些实施例中）一个"导管"的形式。
【权利要求】
1. 一种高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS)装置，包括：(a) -个膨胀室，该膨胀室接 收来自一个离子源的离子和来自一个气体入口的一个气体流动；(b) -个外部电极，该外 部电极具有一个总体上凹形的内表面并且包括（i) 一个离子入口孔，该离子入口孔包括一 个孔壁、一个孔入口端和一个孔出口端，该离子入口孔可操作以接收来自一个离子源的离 子和来自该膨胀室的气体流动的一部分，和（ii) 一个离子出口；以及（c) 一个内部电极，该 内部电极具有一个总体上凸形的外表面，该凸形外表面以相对于该外部电极的内表面间隔 开且面对的安排进行布置以在其间限定一个离子分离区域，其中该气体流动的该部分和这 些离子的一部分从该离子入口被接收到该离子分离区域中并且从该离子入口行进穿过该 离子分离区域至该离子出口，该装置的特征在于： 该离子入口孔壁是在该入口端与出口端之间凸形弯曲的。
2. 如权利要求1所述的FAMS装置，其中该内部电极的一部分包括一个圆筒，这样使得 该气体流动和该离子的部分沿该圆筒的相对侧处的两个路径通过该离子分离区域从该离 子入口行进至该离子出口。
3. 如权利要求1-2中任一项所述的FAIMS装置，其中该孔壁的一部分突出到该膨胀室 内以便包括一个围绕该孔的环。
4. 如权利要求3所述的FAMS装置，进一步包括一个入口板，该入口板具有一个孔口， 通过该孔口将该离子提供到该离子入口孔，其中该气体流动穿过在该入口板的一个平坦表 面与该环之间的一个间隙。
5. 如权利要求4所述的FAMS装置，其中该间隙的宽度是在0. 25mm至0. 75mm的范围 内。
6. 如权利要求1-2中任一项所述的FAMS装置，其中该曲率包括沿该离子入口孔的不 同截面的不同曲率半径。
7. -种高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS)装置，包括：(a) -个离子源；(b) -个膨 胀室；（c) 一个外部电极，该外部电极具有一个总体上凹形的内表面并且包括（i) 一个离子 入口，该离子入口可操作以接收来自该离子源的离子并且接收来自该膨胀室的一个气体流 动，和（ii) 一个离子出口；以及⑷一个内部电极，该内部电极具有一个总体上凸形的外 表面，该凸形外表面以相对于该外部电极的内表面间隔开且面对的安排进行布置以在其间 限定一个离子分离区域，其中该气体流动和这些离子的一部分从该离子入口被接收到该离 子分离区域中并且从该离子入口行进穿过该离子分离区域至该离子出口，该装置的特征在 于： (e) -个第一和一个第二气体入口，该第一和第二气体入口分别提供一个第一和一个 第二气体流动到该膨胀室，其中由该离子入口从该膨胀室接收的气体流动包括该第一和第 二气体流动的组合部分。
8. 如权利要求7所述的FAIMS装置，其中该第一和第二气体入口布置在该离子入口的 相对侧处并且在该膨胀室内被引导朝向彼此。
9. 如权利要求7-8中任一项所述的FAIMS装置，其中该内部电极的一部分包括一个圆 筒，这样使得该气体流动和这些离子的该部分沿该圆筒的相对侧处的两个路径通过该离子 分离区域从该离子入口行进至该离子出口。
10. 如权利要求9所述的FAIMS装置，其中该离子入口包括一个通过该外部电极的孔， 该孔具有一个孔壁、一个孔入口端和一个孔出口端，其中该孔壁是在该入口端与该出口端 之间凸形弯曲的。
11. 如权利要求10中所述的FAIMS装置，其中该孔壁的一部分突出到该膨胀室内以便 包括一个围绕该孔的环。
12. 如权利要求11所述的FAMS装置，进一步包括一个入口板，该入口板具有一个孔 口，通过该孔口将该离子提供到该离子入口孔，其中该组合的气体流动穿过在该入口板的 一个平坦表面与该环的之间的一个间隙。
13. 如权利要求12所述的FAMS装置，其中该间隙的宽度是在0. 25mm至0. 75mm的范 围内。
14. 如权利要求10所述的FAMS装置，其中该曲率包括沿该离子入口孔的不同截面的 不同曲率半径。
【文档编号】H01J49/00GK104285274SQ201380024847
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年5月3日 优先权日:2012年5月18日
【发明者】S·普拉萨德, M·W·贝尔福德, J·J·邓亚驰 申请人:萨默费尼根有限公司