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本发明描述了以非热方式向离子提供能量的设备和方法。提升后的离子能量最小化或去除了由于与诸如水等的极性分子进行团簇而导致的干扰。被加能的离子在离子迁移谱仪中被分离。在离子运输和分离的过程中，提升后的离子能量水平防止了离子与谱仪内的中性分子进行团簇。额外的电场成分仅使得离子到达提升后的能量水平，从而这个谱仪可以在保持它的正常性能的同时避免来自水和其他中性分子的干扰。RF电场被施加于离子迁移谱仪的电离、反应以及分离区中的离子。

1.  一种飞行时间离子迁移谱仪，包括：
a)DC电场，所述DC电场引导离子沿着漂移管的轴向飞行，其中，所述离子被基于它们的稳态离子迁移率而分离；以及
b)能量源，所述能量源向所述离子连续地供应能量，在离子运输和/或基于迁移率分离过程中将所述离子保持在一个能量水平，所述能量水平高于给定操作温度下的热能水平。

2.  根据权利要求1所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述漂移管被离子门分为反应区和漂移区。

3.  根据权利要求1所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述能量源被供应给所述漂移管的电离区、反应区和/或漂移区中的离子。

4.  根据权利要求1所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述能量水平足够高以防止离子与周围的中性分子进行团簇和/或改变离子与周围的中性分子团簇的程度。

5.  根据权利要求1所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述操作温度是环境温度。

6.  根据权利要求1所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述能量源是无线电频率(RF)电场。

7.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述RF电场是对称的。

8.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述标准化RF电场大于2Townsend。

9.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述标准化RF电场大于40Townsend。

10.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述RF电场频率在10kHZ到2MHz之间。

11.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述RF电场在500MHz到3GHz之间。

12.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述RF电场是通过将所述RF电场施加至一组DC偏压分段保护电极生成的。

13.  根据权利要求12所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述DC偏压分段保护电极按照圆环形图案排列。

14.  根据权利要求12所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述DC偏压分段保护电极按照笛卡儿-正方形图案排列。

15.  根据权利要求12所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述DC偏压分段保护电极按照矩形图案排列。

16.  根据权利要求12所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述DC偏压分段保护电极被排列为一对平行板图案。

17.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，使用电感方式生成所述RF电场，利用单个磁芯和单个初级绕组但多个次级绕组。

18.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，利用串联运行的初级绕组，使用多个电感芯生成所述RF电场。

19.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，使用电容方式生成所述RF电场。

20.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述RF电场从基本平行于所述DC场到反向平行于所述DC场。

21.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述RF电场基本垂直于所述DC场。

22.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，作为由不同电极和RF驱动器生成的场的叠加结果，通过生成旋转的RF电场，所述RF电场强度在时间上是相对恒定的。

23.  根据权利要求22所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述RF驱动器以相同的频率、不同的相位进行操作。

24.  根据权利要求22所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述RF电场以来自不同源的不同频率进行操作。

25.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，通过利用由相互间存在相位偏移的波形驱动的多个分段保护电极，所述RF电场在空间上基本均匀。

26.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述RF电场通过使用所述漂移管作为谐振腔生成，其中谐振频率在500MHz到3GHz之间。

27.  根据权利要求6所述的飞行时间离子迁移谱仪，其中，所述RF电场通过将所述漂移管放置在谐振腔中生成，其中谐振频率在500MHz到3GHz之间。

28.  一种飞行时间离子迁移谱仪，包括：
a)DC电场，该电场引导离子沿着漂移管的轴向飞行，其中，所述离子被基于它们的稳态离子迁移率而分离；以及
b)能量源，该能量源向所述离子供应能量，以在所述离子运输和/或分离过程中，将所述离子保持在高于给定操作温度下的热能水平的一个能量水平并防止所述离子连续停留在该热能水平大体上长于1μs。

29.  一种非对称场离子迁移谱仪，包括：
a)从离子源接收离子的引入部，对离子进行分离的离子过滤部，以及离子检测部；以及
b)能量源，该能量源向所述离子供应能量，以在离子运输和/或分离过程中，将所述离子保持在高于给定操作温度下的热能水平的一个能量水平并防止所述离子连续停留在该热能水平大体上长于1μs。

30.  根据权利要求29所述的非对称场离子迁移谱仪，其中，所述能量源是RF电场。

31.  根据权利要求30所述的非对称场离子迁移谱仪，其中，所述RF电场是被叠加在具有更高频率的非对称波形上的对称波形。

32.  根据权利要求29所述的非对称场离子迁移谱仪，其中，所述RF电场是通过第二组电极生成的对称波形，所述第二组电极生成基本垂直于所述非对称电场的电场。

33.  一种对离子进行分离的方法，包括：将离子引入基于离子迁移率的谱仪；在向所述离子供应能量以将所述离子保持在高于给定操作温度下的热能水平的同时，对所述离子进行运输和/或分离；以及在所述运输和/或分离过程中，防止所述离子连续停留在该热能水平大体上长于1μs。

34.  根据权利要求33所述的方法，其中，将所述能量控制和/或调整到不同水平进行一系列离子迁移率测量。

35.  根据权利要求33所述的方法，进一步包括：防止所述离子与周围的中性分子进行团簇和/或改变所述离子与周围的中性离子团簇的程度。

36.  根据权利要求33所述的方法，进一步包括：防止所述离子与电离区和/或化学反应区中的周围的中性分子进行团簇和/或改变所述离子与电离区和/或所述化学反应区中的周围的中性分子团簇的程度。

37.  根据权利要求33所述的方法，其中，通过RF电场提供能量。

38.  根据权利要求33所述的方法，进一步包括：在非对称波形上叠加对称RF电场。

39.  根据权利要求33所述的方法，其中，作为由不同电极和RF驱动器生成的场的叠加结果，通过生成旋转的RF电场，所述RF电场强度在时间上是相对恒定的。

40.  根据权利要求39所述的方法，其中，所述RF驱动器以相同的频率、不同的相位进行操作。

41.  根据权利要求36所述的方法，其中，所述RF电场以来自不同源的不同频率进行操作。

42.  根据权利要求36所述的方法，其中，通过使用由相互间存在相位偏移的波形驱动的多个分段保护电极，所述RF电场在空间上基本均匀。

43.  一种用于对离子进行分离的方法，包括：
将离子引入基于离子迁移率的谱仪；以及在向所述离子供应能量以将所述离子保持在高于给定操作温度下的热能水平的一个能量水平的同时，对所述离子进行运输和/或分离，在所述分离、电离和/或化学反应过程中，所述离子连续停留在提升后的水平。

离子迁移谱仪与方法
相关申请的交叉参考
本申请要求于2007年2月5日递交的申请号为60/888172的相应美国临时专利申请的利益和优先权，该申请的全部内容作为参考结合于此。
背景技术
离子迁移谱仪(Ion mobility spectrometers，IMS)被广泛地用在化学分析领域。IMS基于离子在给定介质(气体或液体)中的离子迁移率来对离子种类进行分离。IMS技术的近期发展产生了两种形式的IMS仪器和系统。飞行时间(Time of Flight，TOF)IMS基于离子在恒定电场下的稳态离子迁移率来对离子进行分离。利用IMS的高分析能力已经通过TOF-IMS仪器实现。另一类装置基于离子的迁移率在高场条件下的改变而对离子进行分离，诸如非对称场离子迁移谱仪(Field asymmetric ion mobilityspectrometer，FAIMS)或差分迁移谱仪(Differential mobility spectrometer，DMS)。这些装置通过使用非线性迁移率(其在标准化电场的高值(E/n)处发生)对离子进行分离。标准化电场是指在空间中的给定位置施加的电场与中性粒子数目密度的比值。标准化电场是电离化气体和等离子体中的关键参数，作为电离化离子的能量，击穿电压和保持电压以及其他关键参数取决于该比值。FAIMS和/或DMS装置具有实际上仍然比线性漂移管更差的敏感性和选择性。
在很多情况下，在不太理想的操作环境中(特别地，具有高水分或其他特定场景干扰的环境)，谱仪(spectrometer)性能被大大限制。这些环境中的离子迁移谱仪的性能可以通过增加气体的温度而改善。高温离子迁移谱仪在需要高分辨率分析(诸如，爆炸物检测)的应用中是常见的。不幸的是，IMS装置中的高温漂移管的使用导致高功率消耗、便携性受限以及其他操作缺陷(包括从冷条件开始的缓慢启动)。另外，在这些谱仪中通常需要干漂移气体。该单元前面的除湿器已经被用于通过显著平衡来解决这些问题(作为水吸收器或作为疏水膜)。容量、重量和再生的需要利用了不切实际的除湿器单元，而疏水膜的使用降低了引入装置的样品的容量和数量，从而降低了其敏感性。
发明内容
本发明总地涉及用于在导致非热平衡的离子迁移谱仪中向离子传送额外能量的系统和方法。该设备被称为提升能量的离子迁移谱仪(ElevatedEnergy Ion Mobility Spectrometer，EE-IMS)。在EE-IMS中，离子能量通过离子迁移谱仪的电离区、离子化学互相作用(反应)区、和/或分离区可以以非热方式增加。在一个方面中，提升后的离子能量水平防止了离子与谱仪内的中性分子团簇(clustering)。
在本发明的一个实施例中，在飞行时间类型的离子迁移谱仪(Time ofFlight Type Ion Mobility Spectrometer，TOFIMS)中，额外的电场成分使得离子仅在垂直于正常漂移方向的方向上移动，从而谱仪可以保持它的正常性能(例如，分辨率)，同时避免了来自水和其他中性分子的干扰。在这个实施例中，与EE-IMS和其他离子迁移谱仪和非对称场离子迁移谱仪结合的根本差别在于：(a)本发明不导致利用AC场的分析目的的离子分离；AC电场成分通常可以是对称波形或者可以导致离子停留在提升后的能量水平的任何波形。波形的频率可以在宽RF范围内，例如，在0.1-10MHz范围内乃至在微波范围内；(b)与离子部分时间停留在低能量水平的FAIMS或DMS相比，EE-IMS中的离子基本停留在高能量水平。(c)气体流不对离子分离的气体流有影响；TOFIMS中的传统计数器的反向气流仅被用于漂移管清洁。其不能被用作离子载气或为离子分离用的平衡力；以及(d)分析目的离子分离仅基于漂移轴方向上离子的稳态迁移率。在该申请中，术语AC和RF可以被交换使用。
本发明描述了一种在导致离子和背景气体分子之间的非热平衡的分布离子迁移分离器中向离子供应能量的设备和方法。在一个非限制性的实例中，漂移管保护环(guard ring)由多个电极组成，以施加垂直于离子漂移方向的波形，并且被称为分段保护电极。当在所施加的DC电场的影响下IMS中的离子沿着漂移管的轴飞行时，AC电场被施加在垂直于离子漂移方向的第二方向上。第二个场下的高速运动使得离子在IMS中漂移的同时保持在较高能量水平。结果，在提升后的能量水平下的离子不再与谱仪中的中性分子团簇，或者使它们团簇的倾向降低。AC电场还可以被施加在电离区、离子化学反应区以及离子分离(漂移)区中。
在本发明的一些实施例中，向离子供应非热能的能量源是无线电频率(RF)电场。所以，EE-IMS使用RF电场以非热方式加热离子。非热意味着离子能量不与背景气体平衡。增加的离子能量提供了修改线性漂移的方式，以最小化与TOFIMS有关的问题。本发明的EE-IMS使用高RF电场以增加离子的有效温度，在一个方面最小化由于环境中的湿度或其他干扰而导致的离子的不利的化学或物理表现。还可以使用DC场和RF场的结合，从而使得使用DC场执行离子分离，但是RF场被用于改变化学并防止与目前装置相关联的一些问题。
另外，在离子运输和基于迁移率的分离过程中，RF加热方法可以被用于FAIMS、DMS和/或其他演变形式，其中，RF电场被施加在垂直于导致基于离子迁移率的分离的(非对称)电场的方向上。在一些实施例中，与EE-IMS和包括TOFIMS和FAIMS以及DMS的传统IMS的根本不同点在于：(1)在离子运输和基于迁移率的分离过程中，EE-IMS中的离子被RF电场保持在高有效温度(高能量)条件下。(2)RF电场被用于连续保持提升后的离子能量，并且它不能导致分析目的的离子分离：RF电场成分可以是对称的，只要其使得离子停留在提升后的能量水平。(3)在EE-IMS中，漂移气体流不存在对于离子分离栏的漂移气体流的影响：TOF-IMS中的传统反向气体流仅用于漂移管清洁。其不能被用作离子载气或为用于离子分离用的平衡力；基于离子的稳态迁移率，离子仅在DC电场方向被分离。(4)在包括EE-FAIMS和/或EE-DMS的EE-IMS中，RF场被施加在垂直于(或其他角度)在这些装置中用于过滤离子的传统的非对称电场的方向上。
附图说明
结合附图，通过下面的描述可以更加完全地理解本发明的前述和其他方面、实施例和特征。贯穿各个附图，图中的相同的参考字符通常表示相同的特征和结构元件。附图不必须是按比例的，重点在于阐述本发明的原理。
图1示出了EE-IMS中的离子运动的实例，其中，在RF和DC电场二者的影响下，离子被运输通过漂移管；
图2示出了使用利用DC和RF场二者进行偏压后的电极的TOFIMS中的EE-IMS的示意图；
图3示出本发明的一方面的新仪器，示出了利用电感驱动来生成多个RF场的示意图；
图4a和图4b示出了说明使用电感方式的RF加能的示意图，其中，需要该RF驱动图2和图3中的仪器的保护电极；
图5a和图5b示出本发明的一方面的新仪器，示出了利用电容驱动来生成多个RF场的实施例；
图6a和图6b示出了具有由4个分段组成的分段保护电极的装置的实施例的截面图；图6a使用单个RF电源，而图6b使用多个RF电源；
图7a-d示出了具有形成分段保护电极的分段的不同排列的装置的实施例的四个截面图；
图8示出了使用高频腔模式来建立本发明的RF场；
图9示出了在载气流和非对称无线电频率电场波形的同时影响下，FAIMS或DMS离子过滤器的上和下平行板电极之间的间隙中的离子的轨迹；
图10a到图10d示出了被用在现有技术和本发明中的各种RF波形；
图11示出了用于EE-IMS的波形的一个实施例，其中，RF电场被施加在垂直于具有基本相位偏移的另一个RF电场的方向的方向中；
图12a-图12b示出了使用2对电极生成旋转RF电场的方式；
图13示出了使用奇数组电极生成旋转RF电场的方式；
图14示出了使用多个电极在EE-IMS中生成相对均匀的RF电场的方式；
图15示出了使用多个电极和多个波形在EE-IMS中生成旋转的、相对均匀的RF电场的方式；
图16示出了使用添加恒定延迟的相位延迟元件生成多个波形的方式；以及
图17示出了使用添加多个频率延迟的相位延迟元件生成多个波形的方式。
具体实施方式
术语“离子迁移分离器”、“离子迁移谱仪”以及“基于离子迁移率的谱仪”在本发明中可以交换使用，并且通常被称为IMS，包括飞行时间(TOF)IMS、差分迁移谱仪(DMS)、非对称场离子迁移谱仪(FAIMS)以及它们的演变形式。从广泛意义上讲，飞行时间离子迁移谱仪和它们的演变形式指基于离子飞过限定距离的时间来对离子进行表征的任何基于离子迁移率的分离设备。在高数值的标准化电场下，FAIMS、DMS以及它们的演变形式基于其离子迁移特性来对离子进行分离。
本发明的系统和方法可以利用“漂移管”。在这里，根据该术语在离子迁移谱仪领域中所接受的含义使用术语“漂移管”。漂移管是一种包括中性气体的结构，离子在电场的影响下移动通过该结构。应该理解，“漂移管”不需要是管或圆筒的形式。如本领域中所理解的，“漂移管”不限于在圆筒中得到的圆形或椭圆形截面，而可以具有包括但不限于正方形、矩形、圆形、椭圆形、半圆形以及三角形等在内的任何截面形状。在很多情况下，漂移管还被称为FAIMS或DMS装置的离子运输和/或离子过滤器部分。
中性气体通常被称为载气、漂移气体、缓冲气体等，并且这些术语在这里被认为是可以交换的。该气体处于这样的压力下：所关心的一个或多个离子的平均自由程小于漂移管的尺寸。即，气体压力被选择用于粘性流。在通道中的气体的粘性流的条件下，条件是这样的：平均自由程与通道的横向尺寸相比非常小。在这些压力下，流特性主要由气体分子之间的碰撞(即气体的粘性)来确定。该流可以是层流的或湍流的。优选的，漂移管中的压力足够高，以至于离子将飞行相对于漂移管的纵向长度而言可忽略的距离，从而实现稳态离子迁移。
在这里的说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应该被理解为意思是如此结合的元件的“二者之一或二者”，即，在一些情况中元件是结合地出现的，而在其他情况中元件是分别出现的。
除非在本文件中另外指定，否则术语“粒子”用于指化学和/或生物的单个或多个亚原子粒子、原子、分子、大或高分子、纳米粒子、或其他物质，这些物质是追随流动介质的蒸气、液滴、气雾、液体、固体，其中该介质可以是气体、液体、超临界流体和/或其他流体材料。
本发明总地涉及使用能量源向离子供应能量以将离子保持在高于给定操作温度下的热能的能量水平的系统和方法。在一组实施例中，在离子运输和/或基于迁移率的分离过程中，连续供应能量，从而使得离子能量总是高于热能水平。在另一组实施例中，在离子运输和/或基于迁移率的分离过程中以一种方式提供能量而防止离子连续停留在该热能水平大体上长于1μs。
本发明的一方面涉及用于防止离子与周围的中性分子团簇或降低离子与周围的中性分子团簇的倾向的系统和方法。目前应该理解，高湿度会通过团簇的作用过程而干扰IMS设备的性能。与团簇相关联的能量大约为200kcal/mol(对于质子化的水团簇H3O+)，团簇越大，能量越低(对于n～2是30-40kcal/mol，随着团簇尺寸而降低)。
已经证实，用于防止高湿度对IMS检测器的作用影响的方法是利用在提升后的温度下操作漂移管来实现的。高温操作需要功率并限制了设备的暂态操作(其需要相当长的时间以使通过整个仪器达到均匀温度)。这里描述的该新方法的一个实施例涉及一种在以非热方式向离子添加额外能量(即，对它们加热)的同时，除在保持背景气体的室内温度外，通过传统的离子迁移谱仪实现分离的方法。向离子提供动能打破了离子-水团簇，最小化或去除了由于高湿度和其他中性分子导致的干扰。
需要非常高的场来完全游离水团簇，但是提供足够的能量来游离n＞1的水团簇M+(H2O)n相对比较容易。一般认为没有必要提供完全解团簇(diclustering)，即使在使用吸收器或薄膜的仪器中，低数量团簇也会发生。与高湿度相关联的问题发生在当团簇相当大时，以至于妨碍离子化学(ion chemistry)。需要数Townsends(E/n)的标准化场强度以提供游离能量，因而大气压下需产生大约10kV/cm的电场。通过本发明的各种实施例，可以通过向离子提供一定数量的能量来控制特定数量的中性分子与离子结合。从而，在给定的能量水平下，一种离子可以保持与已知数量的中性分子进行团簇。通过调节能量水平，控制团簇的程度。
在本发明的某些实施例中，向离子供应非热能量的能量源是无线电频率(RF)电场，但是不仅限于这种能量源。能量源可以被调谐以提供用于以下目的但又不限于以下目的的能量水平：控制团簇、解团簇、控制离子-分子反应的程度。在一些情况下，标准化RF电场大于2Townsend，或者标准化RF电场大于40Townsend，并且RF电场频率在10kHz到2MHz之间，或者RF电场在500MHz到3GHz之间。
使用高密度电场只对离子提供能量需要非常小的功率而且是接近瞬时的(不需要等待仪器暖机)，并且具有提供可以被用来控制离子化学的额外旋钮的额外益处。当离子在中性背景中消散它们的能量时，存在对于中性背景的一些加热，但是与这种机制相关联的加热功率是非常小的(＜100microW)。
由于在本发明的一些应用中，线性无线电频率(RF)场需要在每个周期中在短时间内经过0两次，所以提高频率以最小化在低电场周期内离子游荡的时间非常重要。大气压下的团簇现象的时间常数大约为1微秒等级。从而，大约为数百KHz或更高等级的频率是优选的。可以防止RF场降低到零的一个实施例使用了相互垂直的两个RF场。因为这两个波形具有这样的相位差：当一个RF场降低到零时，另一个场处于其最大值。所以，在该叠加电场中飞行的离子可以被保持在高能量水平。
在一组实施例中，以防止离子在离子传输和/或以迁移率分离的过程中连续停留在该热能水平大体上长于1μs的方式提供能量。这通过使用高于数百kHz的RF电场频率来实现。在一个非限制性实例中，通过在轴向使用低强度DC来实现分离和漂移，同时垂直于低强度电场的方向上的高强度场防止了离子在漂移管的电离区、反应区和/或漂移区中团簇。RF场是对称的，与诸如DMS或FAIMS设备(图9)的横向场IMS(其使用非对称的RF场(图10a)，用于通过非线性迁移对离子进行分离)相反。图1示意性地示出了在漂移部106和化学作用(反应)区104中在结合的DC和RF电场的影响下离子100的离子运动轨迹101。为了图1中清楚，示出的额外元件是：限定漂移管中的电场的一系列保护电极103、生成初级离子的电离源105、加能的门(energizing gate)116以及离子检测器110。振荡漂移可能比图1所示的更加明显，离子运动可能在所描述的飞行期间经历更多振荡，所以RF场中的离子飞行的相对距离可能是IMS的典型横截面尺寸的很小一部分。
图2示出了使用利用DC和RF场施加偏压后的电极的飞行时间离子迁移谱仪中的EE-IMS的示意图。一小群离子被引入用于基于离子的稳态离子迁移率来分离离子种类的漂移区206。通过场分离器格栅(gate，门)214的适当偏压应用DC场，将由电离源212在电离区202中产生的一种极性的离子与另一种极性的离子分离。电离源212可以是放射源、光电离源、电晕源、电喷雾电离源或其他在电离区202中从中性气体生成两种极性的离子的任何装置。在很多情况下，212、202以及其他周围元件的结合被统称为电离源。这些离子(主要是初级离子或反应离子)进入化学反应区204，在该反应区中，这些离子与未在图2中示出的通过样品供给(sample feed)引入的样品进行相互作用。该样品也可以被引入电离室区202。一种或两种极性的离子导入化学反应区204，通过门214。作为另一个替代实施例，可以将区域202和204结合起来。可以通过给加能的门214或216或分段保护电极236a和236b加能向DC场添加RF电场，在漂移管的反应区中生成RF电场。可以通过给分段保护电极230a和230b加能或给门214和源元件212加能，将RF场添加至电离室。反应区204的目的在于用于使离子化学进展到在包括样品分子的反应区204中存在的反应离子、产物离子以及气体分子之间达到稳态分布的点。离子门216将短期离子云引入漂移区206，在DC场漂移的作用下，样品离子在恒定电场下根据他们的线性迁移率进行分离。在根据迁移率进行分离后，离子被由孔径格栅208遮蔽的离子检测器电极210收集。虽然这里描述了具有线性管的传统离子迁移谱仪的操作，但是本发明不限于这种形式。例如，对于一个或多个额外漂移维度，可以重复EE-IMS系统和方法。通过DC场和RF场的结合，对分段保护电极220a和220b进行偏压。电压阶梯是这样的，电极222a的DC偏压与222b的相同，224a的偏压与224b的相同，226a的偏压与226b的相同，等。所以，DC场在漂移区206中建立了适用于离子分离的均匀场，并且在电离室区202和反应区204中提供足够的偏压。然而，电压分布是这样的，电极222a具有与222b的RF电场相差180度(即，极性)的RF电场，电极222b具有与224b的RF电场相差180度的RF电场，等。
在电离区和/或化学反应区中也可以使用强RF电场。理想的离子化学将导致正被识别的种类的离子中的大量带高分比的电荷。由于迁移谱仪中获益的种类的高电子亲和性和质子亲和性，正常条件下的电荷优先附加到这些种类，导致仪器对这些种类非常敏感。不利条件下的团簇可以阻止离子化学的进展，这可能会严重降低甚至阻止这些种类的检测。通过提供高能量反应离子，团簇被最小化并且离子化学继续。可以通过直接向门214和216以及电离源212或分段保护电极230a-230b、236a-236b施加RF电压，来生成强RF场。
如在传统的TOFIMS设备中，由于飞行时间单元(time of flight cell)206中的DC场而实现了轴向分离240。分辨率应该比得上或优于传统的IMS设备，但是，由于避免了使用降低向谱仪引入样品的薄膜，可导致敏感性大大增加(可能是高出～2个数量级)。
在该非限制性实例中，EE-IMS设备和其他横向场IMS(FAMIS或DMS)之间的差别为：(a)离子分离是通过线性漂移管而不是通过非对称RF场。(b)离子解团簇是通过高强度RF场实现的。(c)需要相对慢的气体运动(主要是漂移管清洁所需)，但是这不应该对仪器分辨率有影响。
在一些实施例中，对离子进行分离的方法包括：将离子引入基于离子迁移率的谱仪，在向离子供应能量的同时运输和/或分离离子，以将它们保持在高于给定操作温度下的热能水平的能量水平，并且防止离子在运输和/或分离过程中连续停留在该热能水平大体上长于1μs。该能量水平可以被控制和/或调节到不同水平进行一系列离子迁移率测量。该方法还可以包括防止或降低离子与周围的中性分子团簇的步骤。另外，该方法可以包括防止或降低离子在电离区和/或化学反应区中与周围的中性分子团簇的步骤。从而，通过RF电场提供能量。在一些情况下，RF电场在来自不同源的相同频率下操作，和/或在其他情况下，通过利用由相互间存在相位偏移的波形驱动的多个分段保护电极，RF电场在空间上是均匀的。
在各种实施例中，描述了生成多个RF/DC场的三种方式：电感、电容、以及谐振。一种使用电感耦合提供关于DC偏压的RF场，并且在图3中示出。另一种使用电容耦合来提供加在RF场上的DC偏压场，并在图5a和图5b中示出。图3示出了驱动图2中描述的电极220a-220b的电气系统的示意图。高电压电源330被用于生成电压阶梯(voltage ladder)，该电压阶梯导致了漂移室306中的均匀DC场分布和反应区304和电离室302中的适当场分布。通过利用由电容器阶梯332和电阻器阶梯334组成的电容器/电阻器阶梯来划分高电压。注意，当RF绕组中没有RF场时，相反电极322a和322b、324a和324b等处于相同的电位。以适当的幅度和频率将RF施加至初级芯。多个绕组336被作为独立的次级绕组(原则上为相同的芯)。可选地，可以使用多个芯，初级绕组经过整个芯。
针对图3，使用高电压DC电源330对两个电极阶梯进行偏压。通过使用包括电容阶梯332和电阻阶梯334的DC电压阶梯，顺序地对分段保护电极进行偏压。下面将要描述的一个或多个变压器的次级绕组被用于生成对所耦合的电极对进行加能所需的多个RF场。电感耦合将需要单个铁氧体变压器，同时多个绕组具有DC偏压。这种方式最小化仪器的尺寸和重量。可选地，电路具有多个具有串联的初级绕组的磁芯，每个磁芯利用其自身的次级绕组来驱动装置的每个部分。在图4a或图4b的情况下，每个次级绕组的中间抽头被附接到DC电压阶梯的适当元件的DC偏压，同时反向导线(opposite leads)被附接到耦合的分段保护电极。需要生成大量AC电压，以短路DC偏压，图4a-图4b示出了生成多个电压的方式(能够在不同的DC偏压下操作)。在图4a中，存在单个初级绕组440，同时次级绕组436围绕单个芯442。在图4b中，存在多个芯446，并且每个芯的初级绕组444被串联驱动。图4a和图4b示出了次级的共同中间抽头，其可以被连接至DC偏压(图3中未示出)。在图4b中，所有的绕组都由同样的信号驱动，但并不总是这样。
图5a-图5b示出了通过电容方式提供AC加能的方式。为了说明目的，在图5a和图5b中，电喷雾电离源512被用作电离源以及电离区502、化学作用区504、漂移区506、收集器孔径508、离子检测器510和高电压电源530。上面分别描述了电容阶梯和电阻阶梯532和534。RF电源510驱动变压器520的初级，并且次级线圈的一侧(中间抽头)对一个电极阶梯进行加能，并且次级线圈的另一侧对另一个电极阶梯进行加能。在图5a中，到图2中描述的电极阶梯220a和220b的DC偏压分别通过电阻器518a和518b提供，同时这些相同阶梯的RF加能通过电容阶梯514a和514b来提供。
图5b示出了不同方法，其中，图5a中描述的电容阶梯514a和514b被具有并联电容器的布置代替。电容器524a提供电极阶梯220a的RF加能，而电容器524b提供电极阶梯220b的RF加能。
重要的是，不管在电容性驱动还是电感驱动的情况下，相同的相位被连接至相同的电极阶梯。这在图5a和图5b中示出的电容性驱动电路的情况下被清楚地示出，而在图3中所示的电感性驱动的情况下没有被清楚示出。
另外，尽管图3-7中示出的电路被用于使用利用振荡器的驱动器，但是也可以使用谐振来建立RF电场，通过在来自低功率/场电源的谐振处进行操作而实现高电压。低频谐振电路，如图3、图4、图5、图6和图7中示出的所需的电路，可以通过使用离散组件实现。使用离散组件，还可以实现利用具有相位偏移的多个波形的操作所需的相位偏移元件。
图6a-图6b示出了分段保护电极的电位布置。在图6a的情况下，不是圆形或半圆形线圈，而是分段保护电极被置于正方形(或矩形)布置上。通过元件612(从DC阶梯)提供DC偏压。RF电源610利用相反的AC极性对分段保护电极624进行加能，而分段保护电极626不由任何RF加能。由该布置生成的电场近似为电偶极子。
在图6b中，使用了两组RF源，以利用RF电压对所有的分段保护电极进行加能。耦合的保护电极624由RF电源610加能，同时耦合的保护电极626由RF电源611加能。
图7a-图7d示出了非限制性配置，其中分段保护电极也可以被利用。例如，可以以圆形、笛卡儿(Cartesian)正方形、矩形、或平行板图案(但不限于这些)来排列DC偏压的分段保护电极。在图7a中，传统的圆形电极防护圈被分为两个半圆形的分段保护电极，由电源710提供的RF进行加能，并从DC阶梯通过元件712被DC偏压。电极数目不必要仅为一对，并且图7b示出了2对分段保护电极772和768的情况。在图7b中，仅有一对分段保护电极通过RF进行加能，类似于图6a的情况。图7c-图7d示出了矩形图案或笛卡儿正方形的分段保护电极的情况。图7c示出了图7a中示出的那些的可替代的一组分段保护电极776，并且图7d示出了图7b中示出的那些的可替代的一组分段保护电极792和786。分段保护电极被用于向漂移管施加RF电场，分段可以被配置为各种图案；并且如图7中所示，不需要平均划分。
在单个频率处可以使用单个发生器，或者具有多个频率的多个发生器可以被使用。电极可以使这些波形叠加，或者如图6b中所示，不同的电极以具有不同频率的波形操作。
在数百MHz以致高达2.45GHz的更高的频率处，在腔中建立谐振模式的谐振耦合也是可能的。特别有吸引力的是在750MHz、900MHz、1.8GHz和2.45GHz处的应用，其中廉价、小型、且有效率的固态驱动器是可以得到的。
在一些实施例中，对离子进行分离的方法包括：将离子引入基于离子迁移率的谱仪，运输和/或分离离子的同时向离子供应能量以将它们保持在高于给定操作温度下的热能水平，并且在运输和/或分离过程中防止离子连续停留在该热能水平大体上长于1μs。能量是被在时间上幅度相对恒定的RF电场提供的，其中，旋转的RF电场是由不同电极和RF驱动器生成的场叠加的结果。另外，RF驱动器在相同频率但不同相位下操作。
存在多个生成对称RF场的方法。图6a-图6b和图7a-图7d中示出了一些可能的几何形状。图7a示出了飞行时间迁移谱仪的电配置，其中，电极被用作保护电极和振荡器以提供给定波形的RF电场。RF电场大致垂直于用于离子分离的DC电场。在图6a-图6b和图7a-图7d中，RF电场基本垂直于DC场。
在另一个非限制性的实例中，RF电场基本平行于DC场，并且RF场由谐振腔生成。图8示出了带有谐振腔的离子迁移谱仪，其使用微波范围内的频率的RF场。图8中收集器孔径和离子检测器位于RF腔820内，但是这仅用于说明目的，离子孔径(ion aperture)可以是RF腔的一部分，并且离子检测器仅位于该腔的外部。所示出的腔示出了导致轴向电场的TM010模式的电场结构815，但是并不必须是这种情况，而可以使用其他模式。图8示出了RF腔内部的漂移管的结构，如TM010腔所示，其中，该RF腔还可以包括收集器孔径808和离子检测器810。高频可以被用来生成通过天线或波导管耦合的高值RF电场。通过使用高Q腔来降低RF功率。在这种情况下，RF电场在轴向上恒定，但在径向上降低。所以，仅该腔的中心区域被用于离子运输。可以使用其他模式和其他腔几何形状。为了最小化该腔的尺寸，可能需要高于500MHz的场。例如，谐振频率可以在500MHz到3GHz之间。廉价、高效的电源(磁电管、固态组件)存在于这个频率范围内。
操作用于进行离子过滤的FAIMS或DMS设备的通常被接受的方法和设备在图9中示出。载气流901将离子903运输通过离子引入部902，沿长轴方向到漂移管(离子过滤器部909)在上905和下907平行板电极之间的缝隙中，然后在离子检测部911中被检测。如果非对称的RF电场被施加至电极，则离子将在RF电场的影响下，在与载气流向的垂直方向上振荡的同时随载气在漂移管中向下移动。在这期间，同时受到载气流和非对称的RF电场波形影响。简化的非对称的RF电场波形在图10a中示出。
图10a-10d示出了不同的波形。图10a示出了传统FAIMS或DMS设备的波形，主要包括非对称AC场与可变的DC偏压。本发明使用对称AC场，如图10b示出的方波，但是可以使用其他类型的波形，诸如正弦波形。使用对称的正弦波形的很大好处在于谐振电路可以被用于生成RF，从而大大简化电源供应器。图10c示出了应用的另一个实施例。不必要在所有电极中使用相同的频率。可以使用如图6b中所示的多个RF电源供应器在不同频率操作。可选地，在差分迁移谱仪中，波形可以是对称的和非对称的波形的叠加，如图10d中所示。在这个非限制性的实例中，高频波形被用于供应能量，而低频非对称场被用于引起基于离子迁移率的分离。
在FAIMS或DMS中，该场在周期的一小部分中高，而在周期的其余部分低，在低场期间，团簇现象会影响离子，并且作者已经描述了该过程允许在这些设备中进行离子分离。与FAIMS或DMS设备对比，在本发明的一个实施例中，RF场在周期的所有部分都应该为高，以防止团簇。这些RF场被用于将离子设置在特定能量水平，以在实际应用中最小化离子的团簇。RF场可以与非对称电场处于相同方向，或者它们可以在垂直于它们的方向。这样，图11可以将非对称电场施加于源1107用于基于FAIMS的分离，并将对称RF场施加于源1109用于能量提升。图11示出可以被分别提供给RF场源1107和1109的两个波形1101和1103。在这个非限制性的实例中，当它们被分别施加于电极1111和1115时，设备内的离子经历由波形1101和1103产生的RF电场。在该图中还示出，这两个波形在相互垂直(90度)1105的方向上振荡。该实例还示出这两个波形具有相位偏移1113。在将该波形配置应用于FAIMS设备的情况下，一个波形(例如，1101)可以是实现分离(在这种情况下，电极1111被用作现有技术DMS中的平行板)所需的非对称的，而另一个波形(例如，1103)可以是对称的，用于向离子供应能量。
在另一组实施例中，在离子运输/基于迁移率的分离过程中，连续供应能量，从而使得离子的能量总是在热能水平之上。如果提供线性电场，则RF离子运动是沿着RF场方向的，并且处于振荡运动的结尾处的离子丢失了它们的额外能量(在一个周期中两次，在振荡路径的每个结尾处)并且变成热能的，团簇在该处可以开始。可以通过使用电场的叠加来将离子保持在提升后的能量。图12a-图12b示出了具有生成在不同方向上的电场的两组电极的实施例。通过使用具有相位差(在图12a-图12b的情况中为90度)的RF波形来进行加能，可以获得幅度相对恒定但是正在改变方向的电场(类似于电磁波的线性对圆极化)。离子运动通常是椭圆形(而不是直线)的，并且如果RF电压和电极间距相同，则运动是圆形的。所以离子一直被保持在高能量处，并且RF电场幅度在周期内的任何时间都不跨过0。这个实施例的很大好处在于可以使用较低频率。在这个实施例中，可以使用从数十kHz开始的频率。
图12a-图12b示出了一个实施例，其中，RF电场总是在施加的状态而不存在当RF电场值通过0时发生的较短时间段。图12a示出了具有不同的波形V1和V2的两个源。单个电源供应器生成电压，但是信号是分开的，每条引线(leg)承载不同的延迟。图12b示出了当V2被相位延迟90度时的情况。示出了在波形的半周期内的RF电场结构。在时间t1，RF电场结构是这样的：场是垂直的，而顶电极1200具有最高RF电压(电极1204具有最低RF电压)，电极1202和1206不具有任何RF电压。时间t2(45度后)示出了当电极1200的RF电压较低并与电极1202的RF电压相同，同时电极1204和1206具有相反极性时的条件。RF电场旋转了45度。在时间t3，电极1202具有最高RF电压，并且电场旋转了90度。随后在图12b中示出了135度和180度的场。应该注意，离子在该场中不是经历线性振荡运动，而是以圆形运动。如果电压V1和V2的幅度不同，或者耦合的电极1200、1204和电极1202、1206之间的间距不同，则离子以椭圆形运动。图12b示出了RF场不必要跨过0值，其中，离子能量的缺乏会改变离子的团簇特性。相位延迟的选择确定了RF电场的旋转方向。V2相对于V1延迟，RF场逆时针方向旋转。如果V2相对于V1被延迟，则RF场顺时针方向旋转。
一个可选的实施例，图11中示出的配置可以被用作用于TOFIMS的一组保护电极。在这种情况下，两个波形都是对称的。利用这两个RF波形之间的相位偏移1113，在谱仪中的离子运输和分离过程中，离子将被连续保持在提升后的能量水平。
在一些实施例中，用于对离子进行分离的方法可以包括：将离子引入基于离子迁移率的谱仪，然后进行离子的运输和/或分离，同时向离子供应能量以将它们保持在高于给定操作温度下的热能水平。在图11和图12中示出的实施例中描述了实例。在离子迁移谱仪中的电离、反应、分离和/或其他运输过程中，离子可以连续停留在提升后的水平。
应该强调的是，创新的优点在于对于离子运动的空间RF场的相对均匀，从而使得所有离子具有相同性征。所以，如图12b所示，电场是类似双极的，而不是可以被用于聚焦或选择离子的类似四极的。
在FAIMS或DMS设备中，高RF电场仅存在于分离区中。在新的EE-IMS中，高RF电场还存在于电离室和/或反应区中，以在进入分离区之前，准备在给定能量水平的离子，在一个实施例中，能量水平可以基本类似于被供应给分离区的能量水平。
可以修改差分迁移谱仪的操作方法，以通过应用对称波形来获取在本申请中描述的优点。可以将对称波形与非对称波形相叠加。离子化学和温度可以通过对称波形来调整，而分离可以通过非对称波形来实现。对称RF场的电场方向可以在与非对称场的方向相同的方向上，或它们可以在正交的方向上。图6b示出了对称场和非对称场的方向基本相互垂直的情况。在波形被施加于同一组电极的情况下，所施加的波形在图10d中示出。对称波形被叠加在非对称波形上。可以在施加于电极的最终电压上施加DC偏压。
由于漂移管不必须被小型化，在DMS设备的情况下，可以使用较低频率。在那些设备中，频率需要为高，以最小化离子在半周期中从一个方向到相反方向的漂移。检测器中使用的较低频率导致简化了电子设备，需要廉价组件，并降低基于铁素体的变压器中的损耗。需要5-15kV/cm等级的RF场在100kHz-500kHz等级的频率处操作。相对较大尺寸的仪器允许频率低至数10kHz。需要相对简单的波形(正弦或方波)，可使用传统的MOSFET技术和高效的小型铁氧体放大来简单地生成。
图1-图7中示出的示意图在RF和DC电场基本垂直的模式下操作。特别地，附图部分中的图描述了在基本垂直于DC电场的方向上提供AC场的实例。不必须是这种情况。可以是DC和RF场基本对准的几何形状。这种配置存在好处，尤其是对于减小尺寸的漂移管。希望包括这种操作模式作为所提出的不同实施例。
为了说明本发明中的RF电场的性质，图13示出了具有奇数个电极的电场。图13中示出了三个电极。该图用于示出操作原理；电极的尺寸和形状可以被改变以在漂移管内生成希望的电场并防止来自漂移管外部的干扰。通过不同波形V1、V2或V3(它们相对于彼此被相位延迟)对每个电极进行加能。在时间t1，电极1320具有最高电压，并且电极1324和1328具有相反极性的相等电压。在时间t2(60度后)，电极1320和1324具有相同极性，电极1328具有最低电压，并且场方向和形状被改变。最后，在时间t3(120度后)，电极1324具有最高电压，电极1320和1328具有相反极性的电压。在这种情况下离子以接近圆形运动。
优选的RF电场是在离子飞行的空间内相对均匀的。以此方式，在设备的截面上的离子的非热能量是均匀的。所以，使用非均匀场(诸如，四极场)的概念与本申请无关。那些场被用在用于聚集离子的其他概念中。可以使用由不同波形驱动的大量分段保护电极生成均匀的RF电场。图14示出了具有由一个源生成的相位偏移后的电波形驱动的12个电极的一个实例。也可以使用多个源。不需要是偶数个电极，并且图13示出了使用奇数个电极的概念。
图14示出了生成基本均匀的电场的方法。多组分段保护电极(图14的情况中为12个)位于离子迁移谱仪的周围。如图13中的情况，电极由对于不同电极存在不同延迟的RF波形进行加能。图14中仅示出了4个波形，Va、Vb、Vc和Vd，分别用于对电极1440、1442、1444和1446进行加能。通过适当地选择相位延迟，可以在离子迁移谱仪的空间内生成基本均匀的RF场。在图14所示的情况中，不同的电极已经被相对于最接近的一个逆时针延迟30度。在图14和15所示的时间t1，电极1440和1550具有最高电压，并且电场方向垂直，并且相对均匀的场指向图14中的电极1440和在图15中的电极1550的方向。图15示出了电场的时间演进。仅示出了被施加至电极1550的RF电压。在时间t2(30度后的时间)，电极1550中的RF电压已经降低，但是电极1552具有最高RF电压。相对均匀的场在指向电极1552的径向上逆时针旋转。类似地，在时间t3和t4，在径向中电场分别指向电极1554和1556。
图16和图17示出了通过使用相位延迟元件从单个源获取多个单一频率RF波形的方法。在图16中，存在多个相位延迟元件1680。相位延迟元件是串联的，并且相位延迟加起来生成具有多个延迟的多个波形。在图17中，信号和相位延迟元件1780并联。每个相位延迟元件提供不同的延迟。
通过调整电场的RF成分的幅度来控制EE-IMS中的离子的动能。可以选择多个频率和幅度用于实现离子的不同能量水平或有效温度。在分析样品混合物期间可以使用扫过频率或幅度范围的方法来识别具有不同的离子-分子结合能量水平的离子。可以使用离子在结合/离解能量方面的不同来辨别具有相同的稳态迁移率的离子。
还可以使用离子迁移谱仪和提升在电场中飞行的带电粒子的能量方法来改进用于电喷雾电离过程的去溶剂过程(desolvation process)，其中电喷雾的离子是在离子迁移率漂移管中的漂移区之前的去溶剂区(代替了其他种类的电离源IMS的反应区)中形成的。对于FAIMS系统，去溶剂区被排列在离子分析器前面。
EE-IMS中的RF场的波形不是非常重要，只要它在两个极性上都足够高。如果RF场对称是最好的。尽管使用谐振电路生成正弦波更容易，为了最小化在半衰期之间的电场反转的时间，基本方波的RF场为更佳选择。用于化学作用的时间被认为约数微秒，所以在跨过0-V RF场的时间应该在这个时间数量级上。超过100kHz的高频或者是较低频率的方波是所期望的。
如图5a中所示，通过使用AC电场成分的不同波形，添加在反应区和漂移区中的能量水平可以显著不同。波形可以是宽范围的RF波形，其可以在10KHz到10GHz的范围内，特别是在1MHz-10MHz的范围内，特别是在数百MHz到数GHz的范围内，特别地，RF电场频率在10kHz到2MHz之间，特别是RF电场在500MHz到3GHz之间。通常，只要离子停留在高能量水平，即，离子停留在低能量水平的时间显著短并且在该时间段内没有形成团簇，RF电场可以处在一个从基本平行到反平行于DC电场的方向上。特别地，附图部分中的图描述了在垂直于DC电场的方向上提供AC场的实例。
在各种实施例中，EE-IMS可以被开发为一种真正的小型检测系统。相比于已经被部署的IMS检测器，基于EE-IMS的系统免除使用膜进样(其导致IMS敏感性丢失和残留样品的影响)和干燥材料(其增加了仪器尺寸和消耗品的费用)，而提供了更好的敏感性和分辨率。通过去除团簇干扰和操作温度冲突，也将提供用于爆炸物和CWA的检测的最佳谱仪条件。该系统可以具有更好的特性，包括：(a)IMS对于水分干扰的免疫，(b)低功耗-没有谱仪加热的必要，(c)同时进行爆炸物粒子和蒸汽检测，以及(d)改善的IMS敏感性。在可选的实施例中，EE-IMS系统可以被构造在较大规模的研究级系统。所以，系统将提供工具以研究离子迁移谱仪的电离室(区)、反应区和/或漂移区中的气相离子化学。可以通过用喷镀不导电管的内部区域来制造漂移管。可以在喷镀过程中或通过在管的均匀喷镀之后进行加工/研磨来生成电极所需的图案。
可以认识到，这里公开的本发明的修改和变形对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的，并且希望所有这样的修改和变形都被包括在所附的权利要求的范围内。