[发明专利]离子迁移谱分析仪、包括其的气体分析系统和确定化学品种的方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用离子迁移谱分析仪(IMS)对气态样品的化学成分进行定量分析的系统和方法。更具体地，本发明描述了一种具有简化几何形状的IMS装置，能够实现单一样品气流而无需伴随载气(carrier gas)或鞘气(sheath gas)，并且能够实现时间依赖的离子产生和检测。

背景技术

离子迁移谱分析仪(IMS)通过将空气中的化学品种离子化、然后施加电场，使得可以测量由电场引起的漂移速度，来检测化学品种。例如，商用IMS装置用来在安全应用中检测爆炸物和药物残留。

图1(a)中示出了传统的离子迁移谱分析仪。如图1(a)所示，等离子色谱(IMS)腔室150包括电极的壳层152，所述电极包含一对间隔开的电极154和156。样品气体可以通过入口158提供，并且通过腔室至出口160。离子发生器161设置为与电极154相邻，使得样品气体通过离子发生器。在电极154和156之间建立漂移电场，并且经由漂移气体入口162来提供不起反应的漂移气体。漂移气体填充一对快门格栅(shutter grid)164和166之间的腔室区域，该对快门格栅典型地形成为引线的格栅，其中各交替引线保持相等但是相反的电势。第一快门格栅164具有混合离子品种群，在图1(a)中由字母A、B和C表示。各种离子品种在漂移区域中分离，并且在电极156处收集，据此可以确定各种离子品种。如图1(a)所示的传统IMS装置的示例如WernLund等人在1974年5月21日授权的美国专利3,812,355中公开的装置。在这种装置中，将空气样品离子化(通常通过放射现象或者放电)，然后离子通过与样品气流平行施加的电场而朝着检测板加速。随时间测量检测板处的电流。具有高迁移率(当通过电场推动时具有高速度)的离子首先到达，而低迁移率离子随后到达。离子迁移率在高电场中非线性地改变；因此，已经研发了通过使用一定范围的不同施加电场强度来改进IMS识别不同化学品种的能力的方法。

这种类型IMS装置的设计是困难的，并且包含各种折衷。例如，在离子化期间通常必须禁闭气体。否则，气体沿漂移方向扩散，并且不能实现迁移率的精确测量。这使得难以管理高浓度的离子，并且限制了仪器的灵敏度。难以控制离子从离子化腔室到漂移管中的转移。对这种设计进行小型化将改进离子损耗，并且产生更加均匀的电场，但是这也将减小分辨率，因为离子的分离度与它们在漂移管中度过的时间成正比。

为了克服小型化的问题，已经开发了使用相对于气流横向施加的电场的替代设计。这种类型的装置通过图1(b)所示的装置来示例说明。如图1(b)所示，可能具有离子化品种的气体可以进入到具有流道壁104的流道102中的测量区域108。通过源106产生由箭头110表示的电场。源106可以包括多个对电极112，它们具有通过电源114施加的电压。感测电极118可以由传感元件120的组122构成。这种装置类似于Murphy等人在2003年10月7日授权的美国专利6,630,663、Sacristan在1995年10月3日授权的美国专利5,455,417以及Megerle等人在1999年10月12日授权的美国专利5,965,882中公开的装置。在这种装置中，不是将离子朝着漂移区域端部处的检测器加速，而是通过气流和电场驱动运动的组合将离子引导到感测电极的传感元件上。这些设计仍然使用分离的离子化腔室和漂移区域。

如果离子在沿与场平行的方向较短的区域中进入漂移区域，那么可以精确地测量离子的迁移率。在图2中示出了这种系统。如图2所示，IMS 212包括离子发生器204和线性静电计阵列210。气体样品202流过离子发生器204，离子发生器204将离子化的气体样品注入到IMS 212的腔室中。将层状未离子化气流206(本领域中也称作鞘气)注入到IMS中，其用作载气。层状气流206使较大的离子比较小的离子移动得要快，并且所产生的电场208将离子朝着阵列210引导。电场208和层状气流206的组合效果使得不同的离子品种被引导至阵列的不同点，这实现了离子品种的区分。这种类型的装置的示例如Wexler在2006年5月16日公布的US 2006/0054804中公开的装置。

按照这种方式，可以使用鞘气(或载气)来实现离子迁移率的精确测量(也参见Zhang等人在Int.J.Mass Spec.258(2006)第13-20页的文章；Zimmermann等人在Act.B 125(2007)第428-434页的文章)。然而，在这种结构中，必须对样品和鞘气流的流速进行均衡。这种方法的明显缺点是进入到漂移区域中的气体只有较小比例被离子化，减小了总检测电流和信噪比。