离子迁移率分析器和其组合设备以及离子迁移率分析方法技术

本发明专利技术提出离子迁移率分析器和其组合设备以及离子迁移率分析方法。该离子迁移率分析器包含围绕分析空间的电极系统，以及对该电极系统附加延一空间轴方向运动的离子迁移电势场的电源装置。在待测离子迁移率分析过程中，通过将待测离子始终置于该运动迁移电场中，并保持该迁移场运动方向与待测离子在该迁移场所受的电场力方向始终相同，理论可以形成无限长的迁移路径，区分迁移率或粒径差异极小的离子。通过该迁移场的非线性化，可以实现对多种迁移率离子的同时空间束缚与分离效果。该分析装置可以与多种离子源，检测器，质量分析器，其他离子迁移率分析器及色谱光谱分析手段结合，并易于通过复用电源与电极形成大规模分析器阵列。

Ion mobility analyzer and combination device thereof, and ion mobility analysis method

The present invention provides an ion mobility analyzer and a combination device thereof, and an ion mobility analysis method. The ion mobility analyzer includes an electrode system surrounding an analytical space, and a power supply device for an ion migration potential field that adds a spatial axis direction to the electrode system. The measured ion mobility in the process of analysis, the ion is always placed in the movement will be determined by the electric field, electric field force and keep the direction of migration movement direction and the measured ion in the migration of the places are always the same, the theory can form the migration path of infinite length, distinguish the ion mobility or particle size difference the. The spatial binding and separation effects of multiple mobility ions can be achieved by the nonlinearity of the migration field. The analysis device with a variety of ion source, mass analyzer, detector, combined with the analysis of chromatographic and spectral analyzer and other means of ion mobility, and easy to form large-scale analyzer array by multiplexing electrode and power supply.

【技术实现步骤摘要】
离子迁移率分析器和其组合设备以及离子迁移率分析方法
本专利技术涉及一种离子迁移率分析器，特别涉及一种在某一运动分析空间中的相对位置上选择富集特定迁移率的离子，使其与其他不同迁移率的离子相区分的储存型离子迁移率分析器。
技术介绍
离子迁移谱是一种可以实现对物质进行快速筛选分离和检测的生化分析检测装置。近些年来，全世界各国不断加强对军械走私，贩毒买卖，公共安防，国土安全等领域的监查力度，人们迫切希望有一种仪器可以兼具快速检测，方便携带，易于操作，同时又可以实现高选择性和高灵敏度的检测。由于离子迁移谱在以上领域的出色表现，近些年来人们对离子迁移谱技术的研究兴趣越来越浓厚，其整体性能也得了到不断的提升，与此同时人们对其在各种应用场合下的要求也变得越来越高。此外，由于离子迁移谱的分离机制基于离子的在气相环境下迁移率的不同，其本质是离子大小和形状的差异，所以离子迁移谱提供了一种不同于色谱和质谱仪器的分离方法。在传统的应用领域里，离子迁移谱同色谱或者质谱的联用装置可以极大地提高原有装置对离子的鉴别能力，降低假阳性的发生概率。同时，离子迁移谱还可以测定离子的大小，所以其在大气气溶胶检测和生物大分子结构研究（如蛋白组学）等领域也发挥出了重要的作用，并展示出了巨大的潜能。目前，主流的质谱厂商已经商业化的离子迁移谱仪器主要有两种：离子迁移谱（IMS）和差分迁移谱（DMS）。对前者而言，其最典型的装置是将很多环形电极堆叠并隔离开来组成所谓的迁移管结构，并在其内部充有一定气压的气体（通常气压在1～20Torr），并在堆叠的环形电极上施加轴向电压分布，因此在迁移管内部存在沿轴向的迁移电场。离子在迁移电场和中性气体分子碰撞的双重作用下，除了各向都有的扩散运动，还会有沿轴向的定向迁移运动。根据离子迁移方程，其中，为离子的迁移速度；K是离子迁移率；是迁移电场强度。在相同的电场强度下，由于离子的迁移率各不相同，所以其迁移速度也不一样，因此离子在迁移管内的迁移时间也不同，不同的离子得以分离。对于后者DMS而言，其离子分离机制与前者所有不同，并不是直接利用不同离子间迁移率的差异，而是由于离子自身的迁移率在高电场和低电场下会发生非线性变化，而不同离子的变化情况均不相同，因此DMS根据高低场下迁移率的差异来实现特定离子的筛选。DMS由于其结构简单，最简单的结构只需要两个同轴套筒结构或者平行极板结构的电极，同时其可以在大气压下工作，不需要笨重的真空泵，所以其非常适合便携式和小型仪器的研制。然而，由于其分离机制的复杂性，其谱图很难进行明确的解析，目前仍未有被广泛认可的谱图解析方法。除了上述两种离子迁移谱技术，还有一种常见的基于迁移率分离的装置，叫做差分迁移率分析器（DMA）。其基本结构是在两块平行极板间施加一个垂直的电场，并在极板间存在沿轴向的平行气流。离子从其中一个极板的入口注入，当离子进入极板间的迁移区后，离子整体的运动可以分解为两个方向上的运动分量，一个是顺着气流并与其基本同速的水平运动，另一个是与电场方向相同，且垂直于气流的离子迁移运动。根据离子迁移运动方程，不同的离子在垂直方向上的运动速度不同，因此离子穿过气流横向截面的时间也不一样，最终离子到达另一极板时距离离子入口的水平距离也不一样。由于DMA自身结构的限制，以及离子扩散的影响，其分离能力很难得到进一步提高，通常只有几十甚至更低的分辨率，相对而言人们对其研究也较少。而对于IMS而言，理论上可以通过延长迁移距离和电场强度来获得非常高的离子分辨能力。实际上，人们试图通过各种方法来提高IMS的分辨能力。来自BrighamYoungUniversity的AlanL.Rockwood等人在美国专利US7199362B2中公开了一种交叉气流离子迁移谱分析器，在迁移管径向和轴向同时施加气流，并在径向上施加与径向气流相反的电场来平衡气流的作用，这样对于拥有合适迁移率的离子可以在径向方向上保持平衡，实现特定迁移率离子的选择，与此同时轴向的气流将分离得到的离子传输到下一级单元或检测器。然而，由于该方法用到的交叉气流控制起来非常困难，所以实际上很难实现很高的离子分辨。Hitachi的SatoshiIchimura等人在美国专利申请US20030213903A1中提到了一种对冲气流离子迁移谱方法，其通过逐渐收缩迁移管的内径来改变迁移管内部气体的流速，同时施加反向的均匀电场，因此不同迁移率的离子将在不同的轴向位置上保持平衡，从而得到分离。但是，由于该方法无法抑制离子在径向上的扩散，离子损失严重，因而离子检测比较困难。事实上，利用气流和反向电场的相互作用实现离子迁移率分离/捕获的理论，早在1898年J.Zeleny(J.Zeleny，Philos.Mag.,1898,46,120-154.)就提出了一种叫做平行气流离子迁移谱分析器的概念，该方法是将气流从两个平行的网格电极中吹过，并在两个网格间施加反向的电场，根据离子迁移方程，拥有合适迁移率的离子因其迁移速度和气流速度等速反向所以会被捕获到，其余不合适的离子因其迁移速度和气体流速不匹配，最终会从气流的上游或者下游飞走。理论上，该方法可以在相对较低的电场和气体流速下分离迁移率差别很小的离子，具有非常好的离子选择性。然后，由于该方法的离子引入十分困难，对流场和电场稳定性的要求也很高。此外，因其分离的时间较长，离子扩散严重，因而难以实现高灵敏度的检测。最终，该方法并没有完成实际装置的研制。VictorV.Laiko(VictorV.Laiko,JAmSocMassSpectrom,2006,17,500–507.)针对平行气流离子迁移谱模型进行了理论分析，分别计算得到了分辨率和离子扩散受流场和电场影响的公式。与此同时，Laiko还设计了一种垂直引出离子的仿真模型，并用数值分析的方法进行了仿真实验得到了很高的离子分辨率，然而此后并没有进一步的相关实验结果出现，可见其实际实现难度依然很大。WenjianSun在世界专利WO2010060380中公开了一种可以对离子进行分离和富集的检测装置，该装置通过反向的电场和流场可以实现很高的离子选择性，同时可以进行离子富集。来自PerkinElmerSCIEX的AlexanderLoboda(AlexanderLoboda,JAmSocMassSpectrom2006,17,691–699)用分段串联的四极杆离子导引装置实现了一种叫做对冲气流的离子迁移谱装置，并完成了与垂直引入式TOF的联用。该迁移谱分析装置与Ichimura提出的CounterFlow离子迁移率谱装置的不同之处在于，该装置并不进行离子的捕获过程，而是通过反向的气流来抑制电场对离子的驱动作用，从而延长离子的迁移时间，并提高迁移区的电压差。这样既提高离子迁移谱装置的分辨率，又因为延长了离子峰的出峰时间，因而可以极大地提高TOF对单峰的采样次数。该装置可以在低气压下获得相对高的离子分辨，然而由于迁移区的长度有限，所以该装置的分辨能力仍然受到限制。尽管提高气压可以延长离子的分离时间，分辨能力也能得到一定的提高，但此时离子的径向扩散也将变得难以控制。另外，该装置是通过气流和电场的相互作用来选择离子，流场的稳定性极大地决定了其离子分辨能力，然而实际上要获得稳定的气流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子迁移率分析器，其特征在于，具有：围绕分析空间的电极系统；第一电源装置，对所述电极系统附加电压，用以在所述分析空间的至少一部分形成一个延一空间轴方向运动的离子迁移电势场，在待测离子的离子迁移率分析过程中，所述待测离子始终位于该运动离子迁移电势场内，且所述离子迁移电势场的运动方向与待测离子在所述离子迁移电势场内所受的电场力方向始终相同。

【技术特征摘要】
1.一种离子迁移率分析器，其特征在于，具有：围绕分析空间的电极系统；第一电源装置，对所述电极系统附加电压，用以在所述分析空间的至少一部分形成一个延一空间轴方向运动的离子迁移电势场，在待测离子的离子迁移率分析过程中，所述待测离子始终位于该运动离子迁移电势场内，且所述离子迁移电势场的运动方向与待测离子在所述离子迁移电势场内所受的电场力方向始终相同。2.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，包含：约束电极结构；第二电源装置，对该约束电极结构附加电压，用以在至少一个垂直于所述空间轴方向的方向上，限制离子在所述离子迁移率分析器中的运动。3.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述空间轴为曲线轴。4.根据权利要求3所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述曲线轴至少包括一段封闭曲线轴。5.根据权利要求3所述的离子迁移率分析器，其特征在于，进一步包括第三电源装置，对所述电极系统附加不同组合的电压，使在不同时间段内，所述曲线轴发生分叉。6.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一电源装置产生的运动离子迁移电势场的运动速度，始终与所述分析器中至少一种特定待测离子在所述离子迁移电势场内的平衡迁移速度相同。7.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述离子迁移率分析器是离子储存装置，所述第一电源装置产生的运动的离子迁移电势场的运动速度，始终与所述分析器中待测离子中的至少一种特定迁移率的待测离子在所述离子迁移电势场内的平衡迁移速度相同，所述特定迁移率的待测离子在所述离子迁移率分析器中的运动轨线被约束在所述分析空间内。8.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述运动的离子迁移电势场的电场强度在沿所述空间轴的展开方向上存在梯度变化。9.根据权利要求8所述的离子迁移率分析器，其特征在于，至少两种以上不同离子迁移率的离子在沿所述空间轴的展开方向的不同位置上运动，所述至少两种以上不同离子迁移率的离子在所述离子迁移电势场内的平衡迁移速度与该离子迁移电势场的运动速度保持一致。10.根据权利要求9所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述运动的离子迁移电势场的强度梯度在正极性或者负极性待测离子的电场迁移力方向上逐渐降低。11.根据权利要求2所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述对该约束电极结构附加的电压使得在所述空间轴上产生周期性变化的电位梯度。12.根据权利要求2所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第二电源装置包括一频率在10Hz～10MHz的交流电压源。13.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述第一电源装置至少包括一输出电平在至少两个电平间切换的数字开关电压源，其开关频率从大于0Hz到10MHz。14.根据权利要求13所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述运动的离子迁移电势场由所述电极系统的各电极附加至少两个不同幅度电平且占空比可变的波形而形成。15.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，在该离子迁移率分析器的上游或下游的至少一侧串联一个离子质荷比分析装置，构成离子迁移谱串联质谱分析装置。16.根据权利要求15所述的离子迁移率分析器，其特征在于，在该离子迁移率分析器与串联离子质荷比分析装置之间增加离子导引装置，使得不同工作气压区间的隔断发生在远离所述离子迁移率分析器的位置。17.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，可以同时进行正负离子迁移率的分析，在所述运动的离子迁移电势场中沿其运动方向施加极性方向交替变化的电势梯度分布，使选定迁移率的正负离子可分别被运动约束于与迁移电势场运动方向同向和反向的电场梯度运动区间内，并根据其平衡电势梯度进行基于各自迁移率的分离。18.根据权利要求2所述的离子迁移率分析器，其特征在于，可在各局部约束电极上附加射频电压或在各局部约束电极之间附加射频电压，使原离子迁移率分析器各处形成多个局部的约束相互间离子扩散的离子阱。19.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，采用了层叠电极结构形成该离子迁移率分析器的电极系统，该层叠电极结构是环绕同一运动的迁移电势场的空间轴，沿轴分布的多个环形组件，其中每个环形组件由N个分立的分段电极围成，每个环形组件中N的取值可相同或不同，其中N为大于等于2的自然数。20.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，采用平行长条电极对形成该离子迁移率分析器的电极系统结构，运动迁移电势场的运动方向为正交于该电极长度方向的方向。21.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其特征在于，所述离子迁移率分析器的工作气压为以下范围中的一个：1)107-106Pa；2)106-1.5x105Pa；3)3x105～3x104Pa；4)9x104～1x104Pa；5)1x104～1x103Pa；6)1x103～1x102Pa；7)1x102～10Pa；8)<10Pa。22.一种样品分析设备，其特征在于，使用根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，进一步包括至少一个用于电离化所述样品的离子源，并采用以下方法的至少一种来稳定该...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋公羽，程玉鹏，张小强，孙文剑，
申请(专利权)人：株式会社岛津制作所，
类型：发明
国别省市：日本,JP