專(zhuān)利名稱(chēng)：具有改進(jìn)的漂移區(qū)的離子遷移率光譜儀及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
離子遷移率光譜儀(Ion Mobility Spectrometer，IMS)是一種主要用于檢測(cè)一給定樣品氣體中的原子和分子的儀器。離子運(yùn)動(dòng)光譜術(shù)的理論根據(jù)是每一種離子化的原子或分子都有其獨(dú)特的尺寸、形狀、以及質(zhì)量電荷比，所以，當(dāng)向該離子化的原子或分子施加電力或磁力時(shí)，由于受與宿主氣體碰撞的限制，該原子或分子會(huì)以某一特定的速率運(yùn)動(dòng)?？梢詫?duì)該速度進(jìn)行測(cè)量，從而確定該原子或分子的種類(lèi)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中的IMS基本上是一種在大氣壓力下進(jìn)行操作的圓柱體。樣本氣體從該圓柱體的一端進(jìn)入，被充電，然后在電場(chǎng)的作用下穿過(guò)圓柱體，并在圓柱體的另一端被檢測(cè)。圓柱體中氣體所進(jìn)入的那部分叫做離子分子反應(yīng)區(qū)。該區(qū)即為通常所稱(chēng)的漂流區(qū)，被一控制柵極與圓柱體的其它部分分隔開(kāi)來(lái)。該控制柵極為一系列的具有交替改變的電荷的平行金屬絲。由此，該柵可以有效地將絕大多數(shù)帶電微粒保持在該離子分子反應(yīng)區(qū)內(nèi)，直到這些帶電微粒因接觸表面而失去電荷。
沿圓柱體的一系列的金屬環(huán)被稱(chēng)為防護(hù)環(huán)，它們提供一系列的電場(chǎng)，這些電場(chǎng)可產(chǎn)生一個(gè)穿過(guò)該圓柱體的中心線(xiàn)的電場(chǎng)梯度?？刂茤艠O打開(kāi)時(shí)，該電場(chǎng)就會(huì)推動(dòng)離子穿過(guò)該IMS圓柱體內(nèi)的飄移氣體。離子到達(dá)對(duì)面一端的集電極所需的時(shí)間可以被精確地以毫秒為單位測(cè)量出來(lái)。因?yàn)槊糠N離子都有其獨(dú)特的尺寸、形狀、以及其質(zhì)量電荷比，所以對(duì)每個(gè)微粒來(lái)說(shuō)，其穿過(guò)IMS的時(shí)間是獨(dú)特的。可根據(jù)在一百萬(wàn)份中所占的組份來(lái)確定一特定的化合物。
然而，在一百萬(wàn)份中檢測(cè)氣體的組份是一高精密度的處理。氣體中所含微粒的濃度越低，就越難于在背景信號(hào)，比如，噪聲的環(huán)境下進(jìn)行探測(cè)。而且，當(dāng)某一特定的電離原子或電離分子穿過(guò)IMS的行進(jìn)時(shí)間和一比其所占組份更多的氣體的時(shí)間相似時(shí)，如果這種系統(tǒng)的分辨力不夠精確，那么其信號(hào)就有可能會(huì)失去。
解決這類(lèi)問(wèn)題的方法是幾十次、成百次甚至成千次地重復(fù)進(jìn)行測(cè)量，這種方法叫做信號(hào)平均法。通過(guò)這種方法，即使?jié)舛群艿?，其信?hào)也會(huì)容易地從背景噪聲中顯現(xiàn)出來(lái)。但是，如果該系統(tǒng)不夠精確，那么微弱信號(hào)仍有可能被較強(qiáng)的信號(hào)所淹沒(méi)。而且，成百上千次的重復(fù)進(jìn)行測(cè)量通常也是不實(shí)際的，比如在實(shí)時(shí)測(cè)量有毒氣體的時(shí)候。
因此，就希望能夠提高信噪比和信號(hào)的分辨率。
引起信號(hào)衰減的一個(gè)原因是防護(hù)環(huán)本身。該防護(hù)環(huán)形成了一個(gè)供離子通過(guò)的內(nèi)部空間。該內(nèi)部空間的中間部分被稱(chēng)作線(xiàn)性區(qū)域。該區(qū)域的直徑大約是防護(hù)環(huán)形成的內(nèi)部空間的直徑的一半。在該空間，離子沿直線(xiàn)路徑行進(jìn)。當(dāng)離子越接近防護(hù)環(huán)，在防護(hù)環(huán)和圓柱體中心線(xiàn)的中部位置開(kāi)始行進(jìn)時(shí)，它會(huì)越向邊緣處開(kāi)始漂移。離子和防護(hù)環(huán)的接近會(huì)引起線(xiàn)性區(qū)域的減小。離子的出發(fā)點(diǎn)越靠近防護(hù)環(huán)，則其漂移就會(huì)越向一邊傾斜，行進(jìn)的路徑也就會(huì)越長(zhǎng)。由于部分被測(cè)離子和分子沿一傾斜角而非沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，要花更長(zhǎng)的時(shí)間到達(dá)集電極，所以會(huì)使信號(hào)更加微弱。此外，一些離子甚至?xí)频阶采蠔诺陌惭b裝置或其它的阻礙物的程度，而完全失去用于信號(hào)測(cè)量的這些離子。
為解決這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試。其中的一個(gè)解決辦法就是阻塞或者不讀取未按直線(xiàn)行進(jìn)的離子。這樣就保證了被測(cè)離子的行進(jìn)時(shí)間更加一致，并形成更突出的峰。但是，由于大量數(shù)目的離子被阻止由集電極來(lái)讀取，而且外部線(xiàn)性度較低的漂流區(qū)的面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)部線(xiàn)性漂流區(qū)的表面面積，因此降低了信噪比。
因此需要一種能夠提高電場(chǎng)線(xiàn)性度的方法，使得穿過(guò)漂流區(qū)的同樣的離子具有同樣的行進(jìn)時(shí)間，從而在不犧牲信噪比的前提下提高系統(tǒng)的分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠改進(jìn)在漂流區(qū)運(yùn)動(dòng)的離子的線(xiàn)性度，從而提高分辨率的IMS。
IMS的防護(hù)環(huán)提供電場(chǎng)，該電場(chǎng)推動(dòng)離子穿過(guò)IMS。然而，離子與防護(hù)環(huán)的接近會(huì)引起離子沿IMS壁的方向偏離其直線(xiàn)路徑。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，防護(hù)環(huán)的一窄的延伸從至少一個(gè)防護(hù)環(huán)延伸向該IMS的中心線(xiàn)。這看上去好象是插入一防護(hù)環(huán)中間的墊片，該墊片的內(nèi)徑小于防護(hù)環(huán)的內(nèi)徑。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，從每個(gè)防護(hù)環(huán)有一窄的突起延伸向IMS的中線(xiàn)。在對(duì)該實(shí)施例的進(jìn)一步的完善當(dāng)中，所有的這些延伸的長(zhǎng)度都一樣。
在一實(shí)施例中，至少兩個(gè)防護(hù)環(huán)具有朝向IMS的中心線(xiàn)的延伸，其中一個(gè)是最靠近最終屏柵極和集電極的防護(hù)環(huán)。在該實(shí)施例中，最靠近屏柵極的防護(hù)環(huán)延具有最長(zhǎng)的延伸。在對(duì)該實(shí)施例的進(jìn)一步的完善中，每一個(gè)防護(hù)環(huán)都具有朝向該中心線(xiàn)的延伸，且最靠近控制柵極的防護(hù)環(huán)的延伸最短，隨著越來(lái)越靠近柵集電極(gridcollector)，每個(gè)防護(hù)環(huán)的延伸也越來(lái)越長(zhǎng)。
在本發(fā)明的再一實(shí)施例中，防護(hù)環(huán)進(jìn)入漂流區(qū)的延伸由一系列的突起，如釘狀物，而不是均勻的圓盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。


圖1所示為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的IMS的線(xiàn)性橫截面圖。
圖2A和2B所示為一IMS的外部區(qū)域的三維外形圖。
圖3所示為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的IMS的部分線(xiàn)性橫截面圖，其中，示出了漂流區(qū)和線(xiàn)性區(qū)，以及這些區(qū)域中的離子的行進(jìn)路徑的例子。
圖4所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的IMS的線(xiàn)性橫截面圖。
圖5所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的IMS的部分線(xiàn)性橫截面圖，其中，示出了漂流區(qū)和線(xiàn)性區(qū)，以及這些區(qū)域中的離子的行進(jìn)路徑的例子。
圖6A和6B示出了在現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明的IMS中的離子樣品行進(jìn)時(shí)間的對(duì)比圖表。
圖7所示為一IMS的讀出結(jié)果的例子。
具體實(shí)施例方式
圖1所示為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的IMS的線(xiàn)性橫截面圖?；旧?，IMS是一個(gè)由多個(gè)環(huán)(稱(chēng)之為防護(hù)環(huán)1)堆疊而形成的中空的圓柱體。這些防護(hù)環(huán)所帶電量各不相同，從而能夠提供穿過(guò)該IMS中心的電場(chǎng)梯度。典型地，這些防護(hù)環(huán)由不銹鋼制成，并且彼此被某種絕緣裝置隔開(kāi)。藍(lán)寶石質(zhì)地的小串珠很適合用于此目的。然后，將這些防護(hù)環(huán)包入護(hù)套中，就形成了該IMS的主體。
如此形成的圓柱體的一端是離子分子反應(yīng)區(qū)2，其中注入所期望的氣體樣本，并對(duì)其原子和離子充電。由控制柵極3將該離子分子反應(yīng)區(qū)與圓柱體的其他部分分隔開(kāi)，控制柵極3是由一系列帶有交替變換電荷、間隔很近的平行金屬絲制成的。該控制柵極能夠有效的使帶電微粒保持在該離子分子反應(yīng)區(qū)2內(nèi)，直到其以百萬(wàn)分之一秒的時(shí)間間隔被放電。
然后，由防護(hù)環(huán)1所提供的電場(chǎng)梯度驅(qū)動(dòng)這些帶電的原子、分子和離子穿過(guò)IMS。若干毫秒后，這些微粒便可到達(dá)離子集電極4，離子集電極4記錄其碰撞，由此測(cè)量離子穿過(guò)IMS行進(jìn)的時(shí)間。在IMS中緊鄰離子集電極4的位置，通常不超過(guò)半毫米遠(yuǎn)，還包含有一屏柵極5，其安裝在屏柵極安裝裝置6上。離子穿過(guò)該屏柵極，緊接著就撞擊該離子集電極4。
中心線(xiàn)7是一條穿過(guò)IMS正中心的一條理論直線(xiàn)。圖2A中再一 次示出了中心線(xiàn)7，該圖為IMS的三維展示。最初，在離子行進(jìn)期間，質(zhì)譜儀的內(nèi)部空間是被清空的，以便離子穿過(guò)的是真空。然而，IMS充滿(mǎn)了在大氣壓力下的均勻的氣體。離子穿過(guò)充滿(mǎn)氣體的IMS和真空的行進(jìn)時(shí)間是不同的，但仍然有其獨(dú)特的特性，所以，仍可以這種方式精確地測(cè)量各種濃度，而無(wú)須過(guò)度麻煩地保持真空條件。圖2B是圖2A中所示物體的剖示圖。
圖3示出了圖1中線(xiàn)性橫截面的上半部分，其中，標(biāo)明了漂流區(qū)8、線(xiàn)性區(qū)9(由于更線(xiàn)性化的電場(chǎng)而引起的)以及自中心線(xiàn)7隔開(kāi)均勻間隔的不同離子10的行進(jìn)路徑。由線(xiàn)性較差的電場(chǎng)而引起的漂流區(qū)8大約起自中心線(xiàn)7和防護(hù)環(huán)1的中間位置。離子開(kāi)始行進(jìn)時(shí)，其越接近防護(hù)環(huán)1，就越會(huì)向IMS的外邊緣漂移。該漂移使離子在穿過(guò)IMS的路途中花更長(zhǎng)的時(shí)間，導(dǎo)致結(jié)果所得的信號(hào)峰值輪廓模糊。此外，有些離子漂移的太遠(yuǎn)，甚至撞到了屏柵極安裝裝置6，從而這些微粒的信號(hào)就會(huì)完全消失。這會(huì)引起信噪比的降低。
圖4所示為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。防護(hù)環(huán)20的延伸進(jìn)入漂流區(qū)(未標(biāo)示)，且在不妨礙離子行進(jìn)路徑的情況下改進(jìn)了該區(qū)域的電場(chǎng)。在此圖中，所有的防護(hù)環(huán)都有延伸(除了與控制柵極相接的那個(gè)防護(hù)環(huán))。最接近集電極21的那個(gè)延伸所延伸到漂流區(qū)8中的部分最深。在該實(shí)施例的其它變型中，不一定在所有的防護(hù)環(huán)上都具有延伸部分，并且延伸部分的長(zhǎng)度有可能均勻一致，也有可能逐漸變長(zhǎng)。
圖5顯示了在改進(jìn)后的IMS中例舉離子的行進(jìn)路徑。雖然漂流區(qū)的離子仍有一些漂移，但如圖6A中所示，在某些情況下，預(yù)計(jì)可獲得高達(dá)20％的改進(jìn)效果。在圖6A中，增量(DELTA)“Y”表示距離中心的偏移，而具有編號(hào)的離子是自中心線(xiàn)以一固定間隔采樣所得的假設(shè)的離子，離子1位于中心線(xiàn)處，而離子28為最遠(yuǎn)的可測(cè)量出的離子。圖6A中畫(huà)有圓圈的上方的曲線(xiàn)代表在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的IMS中的離子，而畫(huà)有上下三角的下方的改進(jìn)后的曲線(xiàn)則代表穿過(guò)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的IMS的離子。離子距中心線(xiàn)越遠(yuǎn)，DELTA“Y”的改進(jìn)效果越明顯。有一點(diǎn)很重要，即考慮到由圖6A中的離子所代表的實(shí)際離子的個(gè)數(shù)隨距中心線(xiàn)的距離的增加而上升。圖6B所示為一類(lèi)似的圖表，其中的漂移由行進(jìn)時(shí)間(TOF)來(lái)表示。
圖7是一個(gè)由IMS所進(jìn)行的信號(hào)讀出結(jié)果的例子。該圖例顯示了如果信號(hào)不是足夠強(qiáng)的話(huà)，較小的峰值如何能夠被一較大的峰值所淹沒(méi)。
權(quán)利要求
1.一種離子遷移率光譜儀，其包括一系列金屬環(huán)，所述每個(gè)金屬環(huán)都具有一內(nèi)徑、外徑和寬度，這些金屬環(huán)形成一具有兩端和一中心區(qū)域的圓柱體，且提供穿過(guò)所述中心區(qū)域的電場(chǎng)梯度；位于該系列金屬環(huán)一端的控制柵極；位于所述系列金屬環(huán)的與所述控制柵極對(duì)應(yīng)的一端的離子集電極；和至少一個(gè)第二金屬環(huán)，具有一內(nèi)徑、外徑及寬度，其位于貫穿至少一個(gè)所述金屬環(huán)的中間位置；其中，所述第二金屬環(huán)的內(nèi)徑和寬度都比所述金屬環(huán)的小，由此，該第二金屬環(huán)比所述金屬環(huán)更進(jìn)一步地延伸進(jìn)入所述的中心區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子遷移率光譜儀，其中，一所述第二金屬環(huán)位于貫穿至少兩個(gè)所述金屬環(huán)的中間位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子遷移率光譜儀，其中，所述各第二金屬環(huán)具有不同的內(nèi)徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子遷移率光譜儀，其中，所述各第二金屬環(huán)具有不同的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子遷移率光譜儀，其中，所述第二金屬環(huán)位于貫穿所述所有的金屬環(huán)的中間位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的離子遷移率光譜儀，其中，所述第二金屬環(huán)具有不同的內(nèi)徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的離子遷移率光譜儀，其中，所述第二金屬環(huán)具有不同的寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子遷移率光譜儀，其中，所述第二金屬環(huán)的內(nèi)徑形狀為星形，而非圓形；由此，是一系列的突出物而不是均勻一致的圓延伸到所述中心區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的離子遷移率光譜儀，其中，最靠近所述屏柵極的所述第二金屬環(huán)在所有所述的第二金屬環(huán)中內(nèi)徑最小。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子遷移率光譜儀，其中，一個(gè)所述的第二金屬環(huán)處于貫穿最靠近所述離子集電極的金屬環(huán)的中間位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的離子遷移率光譜儀，其中，最靠近所述控制柵極的所述第二金屬環(huán)在所述所有的金屬環(huán)中，內(nèi)徑最大，且每個(gè)所述第二金屬環(huán)與所述離子集電極的距離越遠(yuǎn)，其直徑越小。
12.一種制造離子遷移率光譜儀的方法包括形成以下各組件的步驟一系列金屬環(huán)，每個(gè)所述金屬環(huán)都具有一內(nèi)徑、外徑以及寬度，這些金屬環(huán)形成一具有兩端和一個(gè)中心區(qū)的圓柱體，且該系列的金屬環(huán)提供穿過(guò)所述中心區(qū)域的電場(chǎng)梯度；位于該系列金屬環(huán)的一端的控制柵極。位于該系列金屬環(huán)的與所述控制柵極相反的一端的屏柵極；與所述屏柵極在同一端的柵集電極；至少一個(gè)第二金屬環(huán)，其具有一內(nèi)徑、外徑及寬度，該第二金屬環(huán)位于貫穿至少一個(gè)所述金屬環(huán)的中間位置；其中，所述第二金屬環(huán)的內(nèi)徑和寬度都比所述金屬環(huán)的小，由此，該第二金屬環(huán)比所述金屬環(huán)更進(jìn)一步地延伸進(jìn)入所述的中心區(qū)域。
13.一個(gè)具有環(huán)狀的金屬環(huán)，其具有一寬度、中心、內(nèi)徑和外徑，其中的改進(jìn)包括該防護(hù)環(huán)從內(nèi)徑到中心的寬度小于所述防護(hù)環(huán)寬度的延伸，其中所形成的第二內(nèi)徑小于所述防護(hù)環(huán)的內(nèi)徑，由此，該延伸部分看上去象線(xiàn)性地插入所述防護(hù)環(huán)中間的墊片。
14.一種具有環(huán)狀的金屬環(huán)，其具有一寬度、中心、內(nèi)徑和外徑，其中的改進(jìn)包括從所述金屬環(huán)的內(nèi)徑向所述金屬環(huán)的中心突出的一系列突起，其中，這些突起并不是完全地朝向中心延伸。
全文摘要
一種離子遷移率光譜儀,由于金屬環(huán)向非線(xiàn)性漂移區(qū)延伸使得電場(chǎng)強(qiáng)化,該離子遷移率光譜儀的離子穿過(guò)非線(xiàn)性漂移區(qū)的行進(jìn)路徑的線(xiàn)性度得到了改進(jìn)。一具有擴(kuò)展進(jìn)入非線(xiàn)性漂流區(qū)的改進(jìn)了的金屬環(huán)。
文檔編號(hào)G01N27/64GK1342900SQ01142050
公開(kāi)日2002年4月3日 申請(qǐng)日期2001年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月7日
發(fā)明者羅格·F·韋恩隆德 申請(qǐng)人:澤斯吸氣劑公司