專利名稱：離子遷移譜的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子遷移譜(IMS)的裝置和方法，包括離子遷移譜儀。本裝置和方法可適用于與質(zhì)譜(MS)聯(lián)用，例如IMS/MS聯(lián)用裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，離子遷移譜儀通常包含遷移管，其中離子在恒定施加的電場(chǎng)影響下引起遷移。已經(jīng)提出遷移管的多種結(jié)構(gòu)。例如，遷移管可包含一系列沿光譜儀的長度軸向間隔分布的環(huán)形電扱，其中相鄰的環(huán)形電極之間保持恒定的電位差以便產(chǎn)生軸向的恒定電場(chǎng)。 離子脈沖進(jìn)入遷移管中，其中包含緩沖氣體，并且當(dāng)離子們?cè)诠軆?nèi)遷移時(shí)，受恒定電場(chǎng)的影響得到恒定遷移速度并且根據(jù)其離子遷移率在軸向分離。所述緩沖氣體通常被布置為沿離子遷移的相反方向流入。離子遷移譜儀可単獨(dú)作為用于離子分離的裝置或者其可用于所謂IMS聯(lián)用裝置與其他離子分離裝置聯(lián)合使用。IMS聯(lián)用裝置的實(shí)例包括基于液相色譜IMS (LC-IMS)、氣相色譜IMS(GC-IMS)和IMS質(zhì)譜(IMS-MS)的IMS聯(lián)用裝置。后一類型的裝置為強(qiáng)有力的分折工具，其通過使用質(zhì)譜進(jìn)一步分離和/或識(shí)別離子遷移譜峰值。兩個(gè)以上的獨(dú)立設(shè)備也可組合，例如，GC-IMS-MS。離子遷移譜儀可在大氣壓下操作(參見例如US5162649)并且分辨率最高可達(dá)到 150(參見例如Wu et al. ,Anal. Chem. 1998,70,4929-4938) 但是，在更低壓強(qiáng)下更適合操作IMS-MS聯(lián)用裝置(參見例如US5905258和W001/64320)來提高分離速度和減少離子耗失。離子遷移譜儀在更低壓強(qiáng)下的操作通常導(dǎo)致較大的擴(kuò)散耗失以及降低分辨率。為了解決擴(kuò)散耗失的問題，可將RF贗勢(shì)電位(pseudo-potential)阱置于遷移管內(nèi)，以將離子局限于徑向，從而用作離子通道并可用于有效運(yùn)送離子(參見例如US6630662)。在離子遷移譜儀的改進(jìn)中，US6914241描述了如何根據(jù)其離子遷移率通過逐步施加沿離子遷移譜儀長度方向的瞬態(tài)直流電壓或包含多個(gè)軸向間隔電極的RF離子通道分離離子。離子遷移譜儀可包含RF離子通道，例如多極棒裝置或堆積環(huán)裝置。離子通道在軸向被分割以便獨(dú)立的瞬態(tài)直流電勢(shì)可施加于各分區(qū)。所述瞬態(tài)直流電勢(shì)疊加到RF電壓之上， 用于限制離子徑向的和/或任何恒定的直流偏置電壓。瞬態(tài)直流電勢(shì)由此產(chǎn)生所謂的行波，它沿離子通道的長度方向軸向移動(dòng)并且使離子沿離子遷移譜儀的長度方向移動(dòng)。以上類型的離子遷移譜儀中，離子沿離子通道方向遷移并且根據(jù)其離子遷移率分離離子。但是，為了達(dá)到高分辨率或者在相對(duì)低壓下的離子遷移分離高分辨率，如下文更詳細(xì)的描述，需要使用較長的遷移管來保持所謂的低場(chǎng)極限。為了在RF離子通道內(nèi)根據(jù)其離子遷移率沿軸向方向來分離離子，可產(chǎn)生垂直于徑向RF場(chǎng)的軸向直流電場(chǎng)用于徑向約束。如果施加了恒定軸向電場(chǎng)E用于移動(dòng)離子沿著并且通過含氣體的離子通道，則離子將根據(jù)V = E*K (等式 1)產(chǎn)生特征速度V，其中K為離子遷移率。
在其中離子不能從驅(qū)動(dòng)場(chǎng)得到足夠動(dòng)能的所謂的低場(chǎng)環(huán)境下，為了保證離子的遷移分離，E (V/m)和背景氣壓強(qiáng)P (mbar)的比應(yīng)保持在低于大約200V/ (m*mbar)。同吋，根據(jù)離子遷移率(FWHH)的分離分辨率R受限于擴(kuò)散并且可以近似表示為(等式 2)其中ζ為離子的電荷價(jià)態(tài)，L為分離長度(m)，T為背景氣溫度(絕對(duì)溫度)，e為元電荷(1. 602*10_19庫侖)以及κ為玻爾茲曼常數(shù)(1. 38*10-23J/K)。更精確的計(jì)算參見例如 G.E. bpangler,"Expanded Theory for tne resolving power οι a linear ion mobility spectrometer”，ht. J. Mass Spectrom. 220 (2002) 399-418。由于 E 的增加受到低場(chǎng)條件的限制，T的降低與繁瑣的制冷エ藝相關(guān)，由此可見提高R唯一的方法為増加分離長度し但是，増加分離長度會(huì)由于通?？臻g被限制而成為問題?，F(xiàn)有技術(shù)W02008/104771，GBM47330和GBM57556提出通過卷曲離子遷移管來解決増加分離長度的問題。但是，那種情況下遷移管的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜并且在不必遷移分離的情況下離子也不能快速遷移通過光譜儀。因此，由此可見有必要改進(jìn)離子遷移譜儀，特別需要提供能夠増加分離長度的離子遷移譜儀并且尤其特別需要提供能夠増加分離長度但是結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的離子遷移譜儀?；谝陨媳尘?，提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面提供了一種擁有至少兩條不同長度的離子分離路徑的用于根據(jù)離子的遷移率來分離離子的離子遷移譜儀。本發(fā)明另一方面提供了一種根據(jù)離子的遷移率來分離離子的方法，包括提供其中擁有至少兩條不同長度的離子分離路徑的遷移管；選擇一條離子分離路徑用于離子流入；并且使離子沿所選離子分離路徑而行以及根據(jù)離子的遷移率沿著所選離子分離路徑
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)離子遷移率分離離子的離子遷移譜儀，包括遷移管，所述遷移管其中帶有遷移空間并且在所述遷移空間中有至少兩條不同長度的離子分離路徑，其中所述至少兩條離子分離路徑包括直的第一離子分離路徑和螺旋的第二離子分離路徑。
2.如權(quán)利要求1所述離子遷移譜儀，其中所述遷移管在軸向是直的。
3.如權(quán)利要求1所述離子遷移譜儀，其中所述遷移管包括軸向延伸的外電極組件和軸向延伸的內(nèi)電極組件，其中所述外電極組件環(huán)狀圍繞所述內(nèi)電極組件，并且所述遷移空間為所述外電極和內(nèi)電極組件之間限定的環(huán)狀遷移空間。
4.如權(quán)利要求1所述離子遷移譜儀，其中憑借徑向延伸的RF電極，通過在所述遷移管中施加RF場(chǎng)將離子徑向限定在使用中的遷移管中，其中所述RF電極環(huán)狀圍繞所述遷移管的軸間隔開。
5.如權(quán)利要求4所述離子遷移譜儀，其中進(jìn)ー步通過施加徑向直流場(chǎng)徑向限定所述離子，并且所述RF電極環(huán)狀圍繞內(nèi)電極組件間隔開，使得所述離子分離路徑位于所述RF電極的徑向外部。
6.如權(quán)利要求3所述離子遷移譜儀，其中通過在遷移管中施加徑向直流場(chǎng)結(jié)合RF場(chǎng)， 將離子徑向限定在使用中的遷移管中，其中憑借一個(gè)或多個(gè)偶合到內(nèi)電極組件和/或外電極組件的RF電極施加所述RF場(chǎng)。
7.如權(quán)利要求1所述離子遷移譜儀，包括軸向驅(qū)動(dòng)電扱，其用于在遷移空間中施加軸向電場(chǎng)在以遷移管中軸向驅(qū)動(dòng)所述離子。
8.如權(quán)利要求1所述離子遷移譜儀，包括至少ー個(gè)引導(dǎo)電扱，以供向其施加可切換電壓來提供引導(dǎo)離子沿螺旋分離路徑的弓I導(dǎo)電勢(shì)勢(shì)壘。
9.如權(quán)利要求8所述離子遷移譜儀，其中所述至少ー個(gè)引導(dǎo)電極包括螺旋引導(dǎo)電扱。
10.如權(quán)利要求8所述離子遷移譜儀，其中所述至少ー個(gè)弓I導(dǎo)電極是內(nèi)電極組件和/或外電極組件的一部分。
11.如權(quán)利要求9所述離子遷移譜儀，包括至少ー個(gè)螺旋軸向驅(qū)動(dòng)電極，并且所述螺旋弓I導(dǎo)電極和螺旋軸向驅(qū)動(dòng)電極被布置為形成雙螺旋。
12.如權(quán)利要求1所述離子遷移譜儀，包括弧形場(chǎng)電極，所述弧形場(chǎng)電極圍繞所述遷移管的軸弧形間隔開以提供旋轉(zhuǎn)弧形電場(chǎng)，其中旋轉(zhuǎn)弧形場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度與所選離子遷移率離子的旋轉(zhuǎn)速度同歩。
13.如權(quán)利要求12所述離子遷移譜儀，其中所述旋轉(zhuǎn)弧形電場(chǎng)跨越少于360度的扇形區(qū)，并且在其余扇形區(qū)中的電場(chǎng)為散焦場(chǎng)，從而在其余扇形區(qū)中的離子在所述遷移管壁上耗失。
14.如權(quán)利要求12所述離子遷移譜儀，其中在使用中可通過在所述旋轉(zhuǎn)弧形場(chǎng)的隨后循環(huán)的相同相位處將離子注入到所述離子遷移譜儀來提高所述離子遷移譜儀的占空比。
15.如權(quán)利要求1所述離子遷移譜儀，其包括脈沖離子注射器，其用于釋放離子進(jìn)入所述遷移管。
16.如權(quán)利要求1所述離子遷移譜儀，包括門控電扱，其用于從所述遷移管提取分離的肉J ο
17.如權(quán)利要求1所述離子遷移譜儀，其耦合至位于所述離子遷移譜儀下游的質(zhì)量過濾器，所述質(zhì)量過濾器在使用中與離子遷移率掃描被所述離子遷移譜儀同步掃描，從而僅選擇預(yù)設(shè)的遷移率/質(zhì)量比離子或處于遷移率/質(zhì)量譜圖上預(yù)設(shè)曲線上的離子用于隨后的處理或檢測(cè)。
18.如權(quán)利要求17所述離子遷移譜儀，其中所選離子在離子阱中累積在一起，然后進(jìn)行所累積離子的質(zhì)量分析。
19.一種根據(jù)離子遷移率分離離子的方法，包括提供遷移管，所述遷移管其中具有遷移空間并且在所述遷移空間中包括至少兩條不同長度的離子分離路徑；選擇一條離子分離路徑用于離子通過；并且使離子沿所選離子分離路徑而行且根據(jù)離子的遷移率沿著所選離子分離路徑分離離子，其中一條分離路徑是螺旋的并且通過螺旋電勢(shì)勢(shì)壘在螺旋路徑上引導(dǎo)所述離子，并且通過在遷移管中施加RF場(chǎng)結(jié)合徑向直流場(chǎng)，徑向限定所述離子在使用中的遷移管中。
20.一種根據(jù)離子遷移率分離離子的離子遷移譜儀，其包括其中具有螺旋離子分離路徑的直遷移管。
21.一種根據(jù)離子遷移率分離離子的方法，包括提供直遷移管；使離子沿遷移管中的螺旋離子分離路徑而行，以及根據(jù)離子的離子遷移率沿所述螺旋離子分離路徑分離所述離子。
22.一種根據(jù)離子遷移率分離離子的離子遷移譜儀，其包括圍繞軸向延伸內(nèi)電極組件的螺旋離子分離路徑。
23.根據(jù)離子遷移率分離離子的方法，包括在遷移管中提供圍繞軸向延伸內(nèi)電極組件的螺旋離子分離路徑；和使離子沿遷移管中的螺旋離子分離路徑而行，以及根據(jù)離子的離子遷移率沿螺旋離子分離路徑分離所述離子。
24.一種根據(jù)離子遷移率分離離子的離子遷移譜儀，其在遷移管中具有螺旋離子分離路徑，其中在操作中通過施加旋轉(zhuǎn)弧形電場(chǎng)來分離具有離子遷移率的離子，從而使得所述離子在所述遷移管中的旋轉(zhuǎn)速度與所述旋轉(zhuǎn)弧形電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度相匹配。
25.一種根據(jù)離子遷移率分離離子的方法，包括在遷移管中提供螺旋離子分離路徑用于根據(jù)其離子遷移率分離離子；使離子沿所述遷移管中的螺旋離子分離路徑而行，井根據(jù)其離子遷移率沿所述螺旋離子分離路徑分離所述離子；以及在所述遷移管中施加旋轉(zhuǎn)弧形電場(chǎng)來分離具有離子遷移率的離子，從而使得所述離子在所述遷移管中的旋轉(zhuǎn)速度與所述旋轉(zhuǎn)弧形電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度相匹配。
26.一種根據(jù)離子遷移率分離離子的離子遷移譜儀，其具有可以在狀態(tài)間進(jìn)行切換的電場(chǎng)產(chǎn)生裝置以在第一狀態(tài)中提供分離電場(chǎng)并在第二狀態(tài)中提供不同的分離電場(chǎng)，其中第一狀態(tài)中的所述分離電場(chǎng)與第一長度的第一分離路徑基本上對(duì)準(zhǔn)，第二狀態(tài)中不同的分離電場(chǎng)與不同于第一長度的第二長度的第二分離路徑基本上對(duì)準(zhǔn)。
27.如權(quán)利要求沈所述離子遷移譜儀，其中所述第一路徑是直的而所述第二路徑為彎曲的。
28.如權(quán)利要求27所述離子遷移譜儀，其中所述彎曲的路徑基本上為螺旋的路徑。
29.如權(quán)利要求27所述離子遷移譜儀，其包括至少ー個(gè)引導(dǎo)電極以供在其上施加可切換電壓，用于提供引導(dǎo)電勢(shì)勢(shì)壘來弓I導(dǎo)所述離子沿所述彎曲的分離路徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及離子遷移譜的裝置和方法，其中提供了一種根據(jù)離子遷移率分離離子的離子遷移譜儀，包括多個(gè)方面其中具有遷移空間的遷移管和在遷移空間中至少兩條不同長度的離子分離路徑；其中具有螺旋離子分離路徑的直遷移管；圍繞軸向延伸內(nèi)電極組間的螺旋離子分離路徑；和根據(jù)離子遷移率分離離子的遷移管，其中工作中施加旋轉(zhuǎn)弧形電場(chǎng)來分離具有離子遷移率的離子，從而使得遷移管中所述離子的旋轉(zhuǎn)速度與旋轉(zhuǎn)弧形電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度相匹配。還提供了多種根據(jù)離子遷移率分離離子的方法。
文檔編號(hào)H01J49/26GK102568995SQ201110463158
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者A·A·馬卡洛夫 申請(qǐng)人:塞莫費(fèi)雪科學(xué)(不來梅)有限公司