[发明专利]离子分析器以及离子分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及离子分离及检测的装置及方法，尤其涉及使用差分离子迁移谱分析器阵列及质谱分析器阵列对来自色谱分离或直接采样过程的复杂样品进行高效分离及检测的离子分析器与离子分析方法。

背景技术

随着世界各国对公共安全及反恐能力的重视，具有能够快速准确识别目标化合物的分析仪器及方法越来越成为各研究机构及仪器公司研发的对象。离子迁移谱仪作为一种相对结构较简单、成本较低、但速度较高且广谱的离子分析方法，已经在各国的反恐工作中扮演了重要的角色。目前基于离子迁移谱仪的仪器已经被广泛用于机场、车站、大型会议中心等人群密集的场所和机构，针对目标待测物也包括爆炸品、毒品和其它违禁品。

与此同时，气相和液相色谱在各分析领域仍占有优势地位，而基于离子迁移谱的离子分析器作为色谱检测器也以其相对较快的速度和相对独立的分离原理而正在受到越来越多的重视。当然，还可以将基于离子迁移谱的离子分析器装在色谱仪和质谱仪之间，以进一步提高系统的峰容量，减轻后级质谱仪的负担。

离子迁移谱类仪器从结构和操作原理上通常分为三类，即离子迁移谱仪(Ion Mobility Spectrometer，IMS)，差分离子迁移谱分析器(Differential Mobility Analyzer，DMA)，以及差分离子迁移谱仪(Differential Mobility Spectrometer，DMS)或称高场不对称波形离子迁移谱仪(High Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometer，FAIMS)。其中，IMS和DMA两类离子迁移谱仪都是以离子的不同迁移率为依据而对离子进行分离和检测，而DMS/FAIMS则是以不同离子在高电场下和低电场下迁移率差别的不同(差分迁移谱率)而进行离子的分离及检测。

以IMS为原理的检测仪器通常工作在脉冲模式下，即通过离子门的快速开关引入少量同时进入漂移区的离子，进而通过检测这些离子经过漂移管的时间来判断其离子构型。这类检测器可参见论文：Eiceman，G.A.and Karpas，Z.，Ion Mobility Spectrometry，CRC Press，2005，119pp.。这类检测器通常既可以工作在大气压下也可以工作在低真空下，其结构简单，获得的数据相对直接并易于解释。然而，绝大多数大气压/低真空下离子源均工作在连续模式下(尤其是和色谱等分离工具联用时)，因此对于IMS使用脉冲模式的进样方式会使仪器的占空比很低，这大大降低了对样品的利用效率。

与IMS相比，DMA的工作模式有所不同。DMA的相关原理可参见论文：Panich Intra et al.，Songklanakarin J.Sci.Technol.30(2)，243-256，Mar.-Apr.2008。在DMA中，以均匀高速气流沿一对平行电极板形成的通道流动；连续产生的离子流通过一个位于这对平行电极板的一个电极上的狭缝进入气流区域并随气流流动向下游移动。由于这对平行电极板上加有一电场力方向垂直于气流方向的直流电压(迁移电压)，离子在随气流流动的同时也在电场力的作用下向对面电极迁移在同一气流速度和电场力强度的条件下，离子迁移率的大小决定了该离子在垂直气流方向所花时间，同时也决定了该种离子在气流方向上最终移动的距离。通过调节两电极板间电场力的大小，可以使具有某一离子迁移率的离子从位于气流下游某处的狭缝引出，从而实现对这种离子的检测。对DMA而言，采样过程是连续的，这对于与各种大气压下的以连续模式工作的离子源进行匹配有很大的优势。然而，为了得到一张全谱时也需对分析器上的迁移电压进行扫描，这会使分析时的占空比大大降低。但是值得注意的是，对于一些在线检测或监控过程而言，目标化合物可能只有几种或十几种，在这一领域解决这一问题的潜在方法之一可以是在第一次扫描过后，在几个或十几个不同的迁移电压间切换，从而在一定程度上提高DMA的检测效率。

虽然DMA与IMS相比在离子利用效率上有一定的优势，但其在分辨率上并没有优势，尤其对于小分子而言，强烈的扩散效应使得它的分辨率通常都在几十以下，且较难提高。因此作为一个在线监控设备而言，产生假阳性结果也是一个DMA所面临的挑战。为解决这一问题，可将DMA和与其检测性质相对独立且分辨率较高的质谱仪联用。