[发明专利]纵向场驱动场致非对称离子迁移过滤器和检测系统

说明书

相关申请

本申请是1999年7月21日提交的申请号为No.09/358,132申请的部分继续申请。

本发明的领域

本发明涉及纵向场驱动场致非对称离子迁移(FAIM)过滤器，更具体地涉及微型机分光计。

本发明的背景

随着恐怖主义及军事行动和对环境关注的增加，检测及确定爆炸物，毒品，化学和生物试剂以及空气量的能力变得更加重要。以前对这些试剂的检测是通过传统的质谱仪、快速离子迁移质谱仪和传统加工的FAIM质谱仪来实施的。

质谱仪非常灵敏并具有高选选择性，可以提供快速的反应时间。然而，质谱仪体积大并需要极大功率来操作。为了将离子从中性分子中分离来实现对选定离子的检测，它们还需要功率强大的真空泵来维持高真空度，所以它们还是非常昂贵的。

另一种简便的质谱仪技术是快速离子迁移质谱仪，它是一种目前使用在大多数便携化学武器和爆炸物检测器中的方法。检测不仅依赖于质谱，而且也依赖于分子电荷和截面。然而，由于这些不同的特性，对分子种类的识别不象质谱仪一样确定并精确。当试图减小快速离子迁移质谱仪的大小时，即漂移管长度小于2英寸，它们一般会有不可接受的分辨及灵敏性限制。在快速离子迁移中，分辨能力与漂移管长度成正比。漂移管长度越长，分辨能力越好，只要漂移管也足够宽以使所有离子不会由于渗滤而损失到侧壁。因此，一般地，最小化快速离子迁移系统会导致系统性能下降。虽然这些装置相对便宜并可靠，但它们还是有一些限制。首先，通过检测器的样品量少，所以要增加分光计的灵敏性，要么检测器电子元件必须具有非常高的灵敏性，需要昂贵的电子元件，要么需要浓缩器，增加系统的复杂性。此外，要控制将离子注射到漂移管中，通常还需要控制门和门控电子元件。

FAIM分光计是前苏联20世纪80年代发展出来的。FAIM分光计允许选取的离子通过过滤器，而阻断不需要离子的通过。传统的FAIM分光计体积大并且昂贵，如整个装置大小接近1立方英尺，造价超过25,000美元。这些系统不适于使用在需要小型检测器的应用中。这些系统也相对慢，产生完整的样品气体光谱需要一分钟，它们制备起来很复杂并且不能批量制备。

并且，需要将样品介质抽入到分光计并提供载体气体的泵相当大并消耗大量能量。载体气体必须与离子流动方向相同，这样需要一种将分析间隙与电离源隔开的结构。

本发明的简述

本发明的目的是提供FAIM过滤器和检测系统，其能比传统FAIM装置更快更精确地控制选取离子的流动以制备样品光谱。

本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其能在不需要扫过偏压的情况下检测多种预选取的离子。

本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其甚至能在没有偏压的情况下检测选取的离子。

本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其能依据离子的轨迹空间检测离子。    

本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其具有高分辨能力。

本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其能比传统的检测装置要快速地检测选取的离子。

本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其具有十亿分之几到万亿分之几的灵敏度。

本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其可包装在单一电路片中。

本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其具有实施及制备有效的成本。    

本发明的另一个目的是提供这样的过滤器和检测系统，其不需要通常与分光计相关的高流量，高功率消耗的泵。

本发明产生于这样的事实，用来将样品介质(如气体)抽入到FAIM分光计中并提供载体气体流动的泵可以制成较小的泵，或通过加入在所需离子运动通道的方向上产生纵向电场以驱动离子流向检测器并通过作为离子过滤器横向指向非对称电场的离子流动发生器来消除部分泵。

这样的结果是可以加入低成本，低流量以及体积小的泵，甚至是微型机械泵；降低功率消耗，能在离子运动方向的相反方向使用清洁过滤的气体(如，除湿空气)来消除离子束以及分光计对湿度作用的敏感性。这样就不再需要用于源气体和清洁过滤气体的隔开的流动通道，这样减少了先有技术所教授的保持隔开流动通道所需的结构。并且，如果使用电喷嘴作为电离源，用来产生微小溶剂滴的电极可以除去，因为产生纵向和横向电场的电极的作用是运输离子及产生微小溶剂喷滴。