离子迁移光谱仪和离子迁移光谱测定方法与流程

本申请是申请日为2014年03月12日、申请号为201480027747.4、发明名称为“离子修饰”的中国发明专利申请的分案申请。

本公开涉及装置和方法，且尤其涉及光谱仪和光谱测定方法。

背景技术：

离子迁移光谱仪(ims)能够通过将感兴趣的样本中的材料(例如分子、原子等等)电离以及测量由此产生的离子在已知电场中行进已知距离所耗费的时间来识别该材料。离子的飞行时间能够通过检测器测量，并且该飞行时间与离子迁移性相关联。离子迁移性与离子的质量和几何结构相关。由此，通过在检测器中测量离子的飞行时间，可以推断出离子的标识(identity)。这些飞行时间可以作为等离子谱图以图形或数值的方式显示。

技术实现要素：

在一些情况下，一些离子能够用射频rf电场进行修饰(例如通过将其分段)，以便提供附加信息，该附加信息能够被用于推断出这些离子的标识。这在离子的测量中提供了附加的自由度，并且由此可以提升对难以区分的离子间的差异性进行解决的能力。如果测量是在存在污染物或者艰难的操作条件下进行的，或者如果样本包含了具有相似的几何结构和质量等等的样本，ims的离子检测、离子识别及离子修饰的能力将是解决这些问题的一种途径。

附图说明

现在将参考附图来仅以举例的方式描述本公开的实施方式，其中：

图1是光谱仪的例图；

图2a-2e是用于示出图1所示的光谱仪的变体的光谱仪示例的示意图；以及

图3是示出操作光谱仪的方法的流程图。

具体实施方式

本公开的实施方式涉及的是结合诸如rf之类的交变电场来有选择地施加热能，以便修饰来自感兴趣的样本的离子。与单独使用电场和热能相比，这样做能够使用较少的能量来修饰离子。这样做能够更高效地操作便携式光谱仪装置，例如手持和/或电池供电的装置。

离子迁移光谱仪能够确定样本是否包含具有第一特性(例如与感兴趣的一种或多种物质相关联的飞行时间)的离子。然后，通过操作该离子迁移光谱仪，能够对母离子施加热能以及射频rf电场，由此获取子离子。然后，所述子离子能够具有第二特性(例如第二飞行时间)，并且这样做能够基于第一特性和第二特性来确定母离子的标识或候选标识选集。

作为本公开的另一个示例，离子迁移光谱仪能够包括被配置成对处于光谱仪区域(例如与离子修饰器相邻的预先定义的区域)中的离子施加rf电场的离子修饰器；被配置成加热该区域的加热器；以及被配置成在操作离子修饰器施加rf电场之前对加热该区域的加热器进行操作的控制器。这种加热处理可被区域化，以使所述区域的加热超出光谱仪的其他区域。例如，离子修饰器可被布置成对处于光谱仪漂移室的区域的离子施加rf电场，并且加热器可被配置成对该区域的加热超出对漂移室的其他区域的加热。

图1是包含了与漂移室104通过闸门106分离的电离室102的离子迁移光谱仪(ims)100的例图。闸门106能够控制从电离室102进入漂移室104的离子的通道。在图1中，电离源110被布置成将电离室102中的材料电离。如所示，ims100包括能将材料从感兴趣的样本引入电离室102的入口108。

在图1所示的示例中，漂移室104处于电离室102与检测器118之间，以使离子能够穿过漂移室到达检测器118。该漂移室104可以包括一系列的电极102a-d，这些电极会在漂移室中施加电场，以便将离子从电离室沿着漂移室104移动至检测器118。

ims100可被配置成在与离子行进至检测器118的路径大致相反的方向上提供漂移气体流。举例来说，该漂移气体能够从邻近检测器118的位置朝着闸门106流动。如所示，漂移气体入口122和漂移气体出口124能够用于使得漂移气体穿过漂移室。例示的漂移气体包括但不限制于氮、氦、空气、再循环空气(例如经过清洁和/或干燥的空气)等等。

检测器118可被耦合成向特性确定器200提供信号。该特性确定器200能够使用来自检测器118的电流来推断出离子已经达到检测器118，并且离子的特性能够基于该离子从闸门106沿着漂移室104到达检测器118的时间而被确定。检测器118的示例被配置成提供用于指示离子已经到达检测器118的信号。举例来说，该检测器可以包括可被带电以捕获离子的法拉第盘(faradayplate)。

电极120a-d可被布置成将离子引导至检测器118，举例来说，电极120a-d可以包括围绕漂移室104布置而将离子聚焦到检测器118的环形物。虽然图1的示例包括多个电极120a-d，但在一些示例也可以只使用两个电极，或者可以将单个电极与检测器118结合使用，以便通过施加电场来将离子引导至检测器118。其他的电极配置也是可行的，其示例包括但不限制于具有其他几何结构形状的电极以及具有连续涂层之类的电阻和/或导电(例如电阻性导电体)涂层的电极。

射频rf电极126可被布置成横跨漂移室104，以使从电离室传递至检测器的离子经过rf电极。该rf电极可以包括导体网格，所述导体网格可以包括金属，例如镍。在一个示例中，该导体的直径可以是20微米。并且在一个示例中，这些导体可以间隔30微米。rf电极可以包括相互间隔的两个电极，例如两个网格。在一个示例中，这两个网格之间的间隔可以是250微米。rf电极可以使处于漂移室104的区域的离子遭遇到rf电场。如果rf电极126包括两个电极，那么该区域可以由这两个电极之间的间隔来提供。

在图1中，rf电极126包括加热器127，其被布置成向漂移室的区域提供热能，该区域中，rf电极被布置以使离子遭遇到rf电场。在图1的示例中，加热器127包括可作为rf电极126的一部分的电阻性电导体。

在图1所示的示例中，特性确定器200与控制器202耦合，并且该控制器能被配置成有选择地控制向rf电极126施加的rf电压；以及控制加热器127的加热。相应地，该控制器202能够基于特性确定器200所确定的离子特性来控制热能和/或rf电场的施加。

光谱仪100可以包括防护装置123，该防护装置可以包括被布置成通过提供等电位丝网来禁止与离子相关联的电场在离子实际到达检测器之前到达该检测器的导体。这样做可以禁止检测器在离子到达检测器118之前错误地检测到离子的到来。该防护装置123可以用以网格的形式布置的导电材料来提供。并且该防护装置123可以与选定的电压相耦合，例如由控制器202耦合。

光谱仪100可以包括用于感测漂移室104中的温度并且基于感测到的温度来向控制器202提供信号的传感器105。该传感器105可被部署在漂移室104中，举例来说，该传感器105可以附在漂移室的壁部。该温度传感器105可以包括任何传感器，例如包含了热敏电阻或热电偶的电学传感器(例如电子传感器)。控制器202可被配置成获取来自温度传感器105的信号，并且会在温度低于选定的阈值温度的情况下启用加热器127施加热能的操作。举例来说，该控制器202可被配置成除非温度低于选定的阈值温度，否则不操作加热器127。

在光谱仪100的工作过程中，来自样本的材料能够经由入口108而被引入电离室104，并且会在电离室中由电离源110电离。然后，控制器202能够通过操作闸门106来将离子引入漂移室104，由此特性确定器202能够确定离子的特性(例如基于离子在漂移室104中的飞行时间)。

在特性确定器200确定来自样本的离子具有选定特性(例如与感兴趣的物质相关联的飞行时间)的情况下，控制器202可被配置成执行推断这些离子的标识的判定处理。该判定处理可以包括获取来自样本的更多离子，并且通过操作闸门106来将这些离子引入漂移室104。然后，控制器202能够通过操作rf电极126或加热器127来修饰离子，例如将离子分段以及随后确定这些离子的第一特性，例如这些离子的飞行时间。

在经过修饰的离子的第一特性包含了选定特性(例如与感兴趣的物质相关联的飞行时间)的情况下，该控制器还能够被配置成同时施加rf电场和热能，以便修饰来自样本的离子来确定第二特性，所述第二特性可以是关于这些经过修饰的离子的相同属性(例如与经过修饰的离子相关联的飞行时间)的后续量度。

施加热能以及rf电场的可以包括：控制器202被配置成在操作闸门106来将离子引入漂移室之前，通过操作加热器127而在选定的时段中施加热能。在实施方式中，控制器可被配置成通过操作闸门106来将离子引入漂移室104，以便施加热能以及电场，然后通过操作加热器127来将热能施加于rf电极周围的区域。

在图1中，rf电极126包括加热器127。例如，rf电极127的一个或多个导体可被耦合成接收用于电极的欧姆(ohmic)加热的电流，该电流可以包括作为用于施加rf电场的rf电压的补充而被提供的电流，举例来说，dc电流可以流经rf电极的一个或多个导体，以便提供加热。

rf电极126可以不包括加热器127。作为补充或替换，加热器可以包括跨漂移室布置的导体网格。在rf电极126包含网格的实施方式中，加热器网格的间距(例如相邻导体之间的间隔)可以基于rf电极126的间距而被选择。例如，加热器127中的导体的间距可以是与rf电极126的导体的间距相同的，或者rf电极126的导体的间距可以是加热器中的导体的间距的整数倍，反之亦然。在这些示例中，加热器127和rf电极126的导体排列可以布置成是对应的，作为示例，由此，可供离子穿过的漂移室的截面不会因为加热器的存在而减小。导体网格可以包括平行排列的平直导体，举例来说，该导体可以采用点阵的形式布置，以使其相互交叉，或者网格的导体可被布置成使其不会交叉。

如果rf电极126不包括加热器127，那么加热器127可被布置以使耦合在加热器127与rf电极126之间的电学交互作用(例如电容和/或电感)不会阻碍rf电极126修饰离子。

加热器127可以与rf电极126隔开选定的距离，以使加热器127不会阻碍rf电极126修饰离子。作为补充或替换，加热器相对于rf电极的几何结构和/或方位可被选择，以使加热器不会阻碍rf电极修饰离子。并且作为补充或替换，加热器127的电位可以基于rf电极126的电位被选择，以使加热器127的存在不会阻碍rf电极126修饰离子。在一些示例中，加热器127是相对于rf电极126布置的，由此禁止加热器127与rf电极126之间的电容和/或电感耦合。在一些示例中，加热器12的电压和/或阻抗可被选择，以便禁止加热器127与rf电极126之间的电容和/或电感耦合。

加热器127可被布置在漂移气体入口122与rf电极126之间，举例来说，防护装置123可以包括加热器127。该加热器可被布置在rf电极126与漂移气体出口124之间，举例来说，闸门106可以包括加热器。在实施方式中，电极120a、120b、120c可以包括加热器。该加热器可被布置在漂移气体入口122，以便在漂移气体进入漂移室104的时候或是之前加热漂移气体。该加热器127可以包括辐射热源，例如红外辐射源，举例来说，激光器可被布置成将热能引导至具有被适配成施加rf电场的rf电极的漂移室的区域。

施加热能可以包括将rf电极周围的区域加热至在没有施加rf电场的情况下不足以修饰离子的温度。举例来说，施加热能可以包括将区域加热到至少30℃的温度，例如至少35℃，例如至少40℃，和/或加热至小于120℃的温度，例如小于100℃。控制器202可被配置成基于来自温度传感器的信号来控制加热器127。

特性确定器200可以包括定时器，并且该特性确定器可被耦合成确定将离子引入漂移室与通过检测器118检测一个或多个离子之间的时间。将离子引入漂移室的定时可以基于闸门106的操作来确定。

特性确定器可以包括查找表，以便能够基于该定时来确定离子的特性。所确定的离子特性可以包括从包含下列各项的列表中选择的一个或多个特性：离子飞行时间，离子的电荷，离子的质量，离子的迁移性，以及离子的质量/电荷比。举例来说，飞行时间可以是将离子引入漂移室104与离子到达检测器之间的时间，例如通过操作闸门106来允许离子进入漂移室104与离子到达检测器118之间的时间。

控制器202和/或特性确定器200可以由任何恰当的控制器来提供，例如模拟和/或数字逻辑，现场可编程门阵列，fpga，专用集成电路asic，数字信号处理器dsp，或是加载到可编程通用处理器中的软件。

图2a-2e是用于示出图1所示的光谱仪的变体的光谱仪示例的示意图。

在图1和图2a-2e中，相同的数字用于指示相同的部件。

图2a示出了光谱仪100-a，其包括部署在检测器118与rf电极126之间的漂移室104中的加热器127。该加热器127可以包括电阻加热器，例如跨漂移室布置的导体网格。

图2b示出了光谱仪100-b，其包括部署在电离室102与rf电极126之间的漂移室104。加热器127可以包括电阻加热器，例如跨漂移室布置的导体网格。

图2c示出了光谱仪100-c，其包括部署在漂移室104周围并附在漂移室104的壁部的加热器127-c。该加热器127-c可以包括薄膜加热器，例如包括用于加热rf电极126周围的漂移室104的区域的电阻薄膜或电阻带。

图2d示出了光谱仪100-d，其包括部署在漂移气体入口122并且用于加热流入漂移室104的漂移气体的加热器127-d。图2e的加热器127-e可被部署在漂移气体入口中和/或其周围，举例来说，其可以包括附在漂移气体入口122的壁部的电阻薄膜、电阻涂层或电阻带。作为补充或替换，图2d的加热器127-d能够包括跨漂移气体入口布置的导体网格。

图2e示出的是光谱仪100-e，其中在漂移室104的壁部可以提供透射窗口129，以使辐射热源127-e能将热能辐射到包含rf电极126的漂移室的区域中。

图3示出的是执行光谱测量的方法。在光谱测量提供的是不明确的结果的情况下(方块298)，该方法可以包括执行进一步的判定来解决所述不明确的结果。在这种情况下，该方法包括：确定样本是否包含具有诸如选定的飞行特性之类的第一特性的离子(方块300)。在确定该样本包含具有第一特性的离子的情况下(方块302)，那么该方法可以包括：从样本中获取离子(方块304)，以及通过施加能量来修饰离子以便获取子离子(方块306)。对于方块306，施加能量可以包括对这些离子施加射频rf电场、施加热能、或者将热能连同射频电场一起施加，以便获取子离子。

然后，子离子的第二特性可被确定(方块308)，例如子离子的飞行时间。这样做可以基于子离子的第一特性和第二特性来推断母离子的标识(方块310)。所述第一特性和第二特性可以是诸如飞行时间之类的相同参数的后续量度。

在一些实施方式中，在在未修饰离子的情况下执行的光谱测量提供了不明确的结果的情况下(方块298)，该方法可以包括：从样本中获取离子(方块304)，以及通过施加射频rf电场或者施加热能来修饰离子，以便获取第一子离子(方块306)。然后，第一子离子的特性可被确定(如方块308)，例如所述第一子离子的飞行时间。

为了获取更进一步的信息，从样本中能够获取更多的离子，然后能够将rf电场连同热能一起施加于所述离子，以便通过修饰这些离子来获取第二子离子。然后，这些第二子离子的特性可被确定(方块308)，例如第二子离子的飞行时间。这样做能够基于母离子的特性以及第一子离子和第二子离子的特性来推断出母离子的标识(方块310)。

在第一方法示例中，一种方法包括：确定样本是否包含具有第一特性的离子，其中包括通过施加rf电场和/或热能来修饰从样本中得到的第一多个离子。在第二示例中，施加热能包括：在将离子引入漂移室的区域之前或之后，在选定的时段中对光谱仪漂移室的区域施加热能。这个第二示例可选地包含了第一示例的特征。在第三示例中，光谱仪漂移室包括用于施加rf电场的电极，并且热能被局限在所述电极的选定距离以内。这个第三示例可选地包含了第一示例和第二示例中的任一示例或是所有这两个示例的特征等。在第四示例中，施加热能以及rf电场包括在施加rf电场之前施加热能。这个第四示例可选地包含了第一、第二和第三示例中的任意的一个或多个示例的特征。在第五示例中，该方法包括确定光谱仪漂移室的区域的温度，并且仅仅在该温度低于选定的阈值温度的时候施加热能。这个第五示例可选地包含了第一至第四示例中的任意的一个或多个示例的特征。

在第一装置示例中，离子迁移光谱仪被配置成在特性确定器确定样本的离子具有第一特性的情况下，对第一多个离子施加rf电场和热能中的任一者；并且在特性确定器确定所述第一多个离子具有第二特性的情况下，则对第二多个离子施加rf电场和热能。

在第二装置示例中，特性确定器包括光谱仪漂移室，以及用于控制离子进入漂移室的通道的闸门，其中该控制器被配置成在选定时段中，通过操作加热器来施加热能。这个第二装置示例可选地包含了第一装置示例的特征。

在第三装置示例中，控制器被配置成在温度低于选定的阈值温度的情况下，通过操作加热器来施加热能。这个第三装置示例可选地包含了第一装置示例和/或第二装置示例的特征。

在第四装置示例中，离子迁移光谱仪包括：被配置成在光谱仪的区域中对离子施加rf电场的离子修饰器；被配置成加热该区域的加热器；以及被配置成在操作离子修饰器施加rf电场之前操作加热器加热该区域的控制器。这个第四装置示例可选地包含了第一装置示例和/或第二装置示例和/或第三装置示例的特征。

在第五装置示例中，加热器和离子修饰器被布置成使加热器不会阻碍rf电场修饰离子。这个第五装置示例可选地包含了第一到第一装置示例中的一个或多个示例的特征。

应该认识到的是，在本公开的上下文中，rf电场包括任何具有适于施加能量来修饰离子(例如通过为离子给予能量来提升离子有效温度)的频率特性的交变电场。

对本领域的读者来说，其他的示例和变体在本公开的上下文是显而易见的。

本公开的方面提供了存储指令的计算机程序产品以及计算机可读媒体，例如有形的非暂时性媒体，其中所述指令通过对处理器编程来执行描述于此的任意的一种或多种方法。对本领域技术人员来说，在本公开的上下文中，装置的其他变体和修改都是显而易见的。